Способ организации диффузионного горения микроструи газообразного топлива
METHOD FOR ORGANIZING DIFFUSION COMBUSTION OF A MICROJET OF GASEOUS FUEL

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в химической промышленности и металлургии для повышения степени смешения при диффузионном горении газообразного топлива в импактной микроструе с дозвуковой скоростью истечения ламинарной микроструи из сопла.
Импактные струи используются в различных отраслях, как для охлаждения, так и для нагрева поверхностей. Широкое распространение импактных струй обусловлено прежде всего конструктивной простотой решения и в тоже время значительной эффективностью в процессах теплообмена.
Из области техники сжигания газообразного топлива известно изобретение, в котором заявлен способ и горелка для повышения экономичности сжигания топлива путем улучшения качества смешения топлива с воздухом (патент RU 2152559, F23D 14/22, 1996 г.). Воздух подается в некий малый объем, в котором расположен газовый коллектор. Через отверстия, изготовленные определенным образом, газ поступает в тот же объем. В результате образуется оптимальная по составу и качеству смесь газа с воздухом, которая воспламеняется и продолжает догорать за пределами указанного объема.
К недостаткам такой горелки можно отнести: значительные технологические затраты из-за увеличения количества зон горения, недолговечность горелки, вследствие присутствия процесса горения во внутренней полости горелки и недостаточная полнота сгорания топлива.
Известен способ стабилизации диффузионного горения водорода в газовой микрогорелке (варианты), описанный в патенте RU 2677322, который включает генерацию микроструи водорода в коническом сопле горелки с дозвуковой скоростью истечения, струю водорода генерируют в сопле, затем осуществляют поджиг струи непосредственно на срезе сопла, обеспечивая тем самым устойчивую зону перемешивания струи водорода с воздухом и горение в виде присоединенного факела. Осуществляют, при этом временный прогрев среза сопла обеспечивая стабильное дозвуковое ламинарное горение, как на срезе сопла, так и по всей длине рабочей области факела.
В описанной микрогорелке при ламинарном диффузионном горении водорода образуется протяженный факел, что предполагает наличие соответствующей области для горения. В случае импактной струи параметры диффузионного горения значительно ухудшаться. При этом следует отметить тот факт, что ламинарное диффузионное горение в этом случае осуществимо при низких скоростях истечения газа, что обеспечит реализацию присоединенного факела (факел контактирует с соплом). А попытки повысить степень смешения через воздействие внешним акустическим сигналом в этом случае, не приведут к успеху, поскольку для этого требуется реализация поднятого факела (отстоящего от среза сопла).
Повышение степени смешения углеводородного топлива могут обеспечить горелки с генерацией акустических колебаний, во внутренней полости форсунки, где акустические волны распространяются через сопловые отверстия вместе со струями пара.
Известен способ сжигания газообразного топлива (патент RU 2262039), который включает раздельный подвод топлива и воздуха в горелку, преимущественную подачу топлива в центральную область воздушного потока и сжигание топлива на периферии факела в режиме избытка воздуха, а в центральной области факела - в режиме избытка топлива, в центральную область факела подается пар и на эту область накладывается поле акустических колебаний. Изобретение позволяет снизить выбросы оксидов азота энергетическими котлами без ухудшения выгорания топлива. Однако этот способ сжигания топлива не позволяет снизить выбросы окислов азота без существенного ухудшения горения и увеличения образования других окислов. Также к недостаткам способа следует отнести большие гидравлические потери и соответственно значительное давление подачи топлива перед форсункой.
Известна статья, в которой описано развитие неустойчивости горения в круглой микроструе пропана при воздействии внешнего акустического поля: Литвиненко Ю.А., Балбуцкий А.Б., Вихорев В.В., Козлов Г.В., Литвиненко М.В. Экспериментальное исследование развития гидродинамической неустойчивости в круглой микроструе пропана при воздействии внешнего акустического поля с горением и без. // Вестник НГУ. Серия: Физика. 2015. Т. 10, вып. 4. С. 21-28. По результатам исследований установлено развитие гидродинамической неустойчивости в микроструе газа, в том числе при наличии конвективных сил (при горении) при внешнем акустическом воздействии. Установлено, что поднятый факел, в отличие от присоединенного факела, при диффузионном горении круглой микроструи под действием внешнего акустического поля, подвержен раздвоению (бифуркации) аналогично воздушной свободной круглой микроструе.
Данная статья показала возможность осуществления воздействия акустическим периодическим сигналом на микрострую газа, приводящего к возникновению бифуркации микроструи и подтвердила возможность такого воздействия при реализации поднятого факела диффузионного горения.
За прототип выбран способ, описанный в статье: Ю.А. Литвиненко, М.В. Литвиненко, И.Д. Зверков Экспериментальное исследование развития импактных круглых макро- и микроструй // Теплофизика и аэромеханика, 2021, том 28, №1, С. 41-56, представлены результаты экспериментального исследования процесса развития импактных макро- и микроструй газа (пропан/бутан) при диффузионном горении в условиях воздействия внешнего акустического поля.
Результаты этих исследований легли в основу способа воздействия на импактную микрострую (струю с преградой) при ее диффузионном горении.
Задачей изобретения является повышение степени смешения, создание устойчивого диффузионного горения газообразного топлива и полноту его сгорания.
Поставленная задача решается благодаря предложенному способу организации диффузионного горения микроструи газообразного топлива, который включает истечение ламинарной микроструи газообразного топлива с дозвуковой скоростью из сопла, поджиг струи топлива и воздействие на факел внешним акустическим источником. Согласно изобретению акустическое воздействие осуществляют на поднятый факел, не контактирующий с соплом, а дальнейший процесс диффузионного горения газообразного топлива осуществляют в импактной микроструе, натекающей на преграду, установленную, преимущественно под прямым углом к направлению струи и расположенную от среза сопла на расстоянии высоты факела или в пределах существования факела, что обеспечивает устойчивую зону смешения микроструи газообразного топлива с воздухом и полноту его сгорания.
Положительный эффект достигается благодаря предложенному акустическому воздействию на поднятый факел импактной струи (струи с преградой), которое в значительной степени повышает эффективность процесса смешения топлива с воздухом и полноту его сгорания.
На фиг. 1 изображена схема горелки с импактной струей и акустическим воздействием, где 1 - форкамера, 2 - сопло Витошинского, 3 - преграда, 4 - динамический громкоговоритель (сопротивление - 40 м, диаметр - 235 мм, мощность - 25 Вт); L - расстояние от сопла до преграды;
На фиг. 2 представлена визуализация процесса диффузионного горения пропан/бутановой смеси в импактной струе без воздействия (а) и с акустическим воздействием (b), частотой F=2100 Гц.
Способ организации диффузионного горения микроструи газообразного топлива представлен на примере эксперимента, проведенного на стенде в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения российской академии наук (ИТПМ СО РАН).
Схема экспериментального стенда для исследования струи из смеси пропана и бутана в соотношении 70 к 30 при диффузионном горении в условиях внешнего акустического воздействия при низком числе Рейнольдса показана на фиг. 1. Исследования проведены для струи истекающей из круглого микросопла с диаметром выходного отверстия сопла d=0.4 мм.
В статье Ю.А. Литвиненко, М.В. Литвиненко, И.Д. Зверков Экспериментальное исследование развития импактных круглых макро- и микроструй // Теплофизика и аэромеханика, 2021, том 28, №1, С. 41-56, представлены результаты экспериментального исследования процесса развития импактных макро- и микроструй газа (пропан/бутан) при диффузионном горении в условиях воздействия внешнего акустического поля. Под импактной микроструей понимается струйное течение, взаимодействующее с плоской преградой, расположенной преимущественно под прямым углом на определенном расстоянии перед струей.
Обнаружено, что развитие синусоидальной неустойчивости (в результате акустического воздействия) приводит к повышению полноты сгорания пропан/бутановой смеси в импактной микроструе и уменьшению выброса сажи. Установлено, что при отсутствии акустического воздействия, в спектре излучения пламени, включая пристеночную область преграды, преобладает желтый цвет (см фиг. 2 (а) - фотография в цвете), что свидетельствует о недостатке окислителя (воздуха) и наличии сажи в продуктах горения. Показано, что вторым фактором, влияющим на полноту сгорания при диффузионном горении в импактной струе, является диаметр сопла - d и расстояние от сопла до преграды - L. Для определения оптимального, с точки зрения полноты сгорания, расстояния до преграды, измерялась температура пристенного слоя преграды и анализировался спектр излучения (см. фиг. 2(а) и (б)). Оптимальным расстоянием до преграды в данном случае, является 22 - 25 мм или L/d ≈ 55-60, (где d=0.4 мм - диаметр сопла), об этом свидетельствует повышение температуры в пристенном слое преграды и соответственно увеличение скорости реакции горения (без акустического возбуждения t ≈ 700°С, с акустическим возбуждением t ≈ 800°С). По мере повышения полноты сгорания пламя приобретает синий цвет (см. фиг. 2 (б)-фотография в цвете). Скорость истечения газа варьировалась от 8 м/с до 15 м/с. В этих пределах режим истечения газа из сопла остается ламинарным, выполняется условие «поднятого» факела, существует возможность для возбуждения синусоидальной моды неустойчивости, что обеспечивает устойчивую зону смешения микроструи газообразного топлива с воздухом и полноту его сгорания.
Способ организации диффузионного горения микроструи газообразного топлива осуществляется следующим образом:
Скорость истечения газа 8 м/с и выше соответствовала реализации «поднятого» факела. «Поднятым» факелом принято называть пламя, фронт которого не контактирует с соплом. Для воздействия на струю использовался динамический громкоговоритель, на который подавался синусоидальный сигнал с частотой F=2.1 кГц и амплитудой А=10В, при этом максимальные значения уровня шума в области развития струи соответствовали 80-90дБ. Частота акустических колебаний выбиралась из диапазона собственных частот неустойчивости микроструи газообразного топлива. При выполнении этих условий, происходит развитие синусоидальной неустойчивости в струе. На фиг. 2 представлена визуализация процесса диффузионного горения пропан/бутановой смеси в импактной струе. В плоскости zy можно наблюдать деформацию пламени в виде «зонтика» в пристеночной области преграды без акустического воздействия (фиг. 2а) и с акустическим воздействием (фиг. 2b). Диаметр зоны пристенного горения, составлял порядка 50-60 мм. На представленной фотографии горения можно отметить изменение цвета пламени, на фиг. 2(a) в спектре излучения преобладает желтый цвет, такой цвет диффузионного пламени характерен для богатых смесей с неполным сгоранием горючего и образованием, сажи в продуктах горения. На фиг. 2(b) в спектре излучения факела преобладает синий цвет, что говорит о повышении соотношения окислитель/горючее (хорошее смешение). В процессе развития гидродинамической неустойчивости происходит вовлечение дополнительной части окислителя в процесс горения, повышение температуры пристенного слоя и как следствие повышение полноты сгорания со снижением содержания сажи в продуктах горения.
Положительный эффект достигается благодаря предложенному акустическому воздействию на поднятый факел импактной струи (струи с преградой), которое в значительной степени повышает эффективность процесса смешения топлива с воздухом и полноту его сгорания.
Источники информации
1. Патент RU2152559, МПК F23D 14/22, 1996 г.
2. Патент RU2677322, МПК F23D 14/20.28.11.2017 г.
3. Латент RU2262039, МПК F23B11/34, 04.12.2003 г.
4. Литвиненко Ю.А., Балбуцкий А.Б., Вихорев В.В., Козлов Г.В., Литвиненко М.В. Экспериментальное исследование развития гидродинамической неустойчивости в круглой микроструе пропана при воздействии внешнего акустического поля с горением и без // Вестник НГУ. Серия: Физика. 2015. Т. 10, вып. 4. С. 21-28.
5. Ю.А. Литвиненко, М.В. Литвиненко, И.Д. Зверков Экспериментальное исследование развития импактных круглых макро- и микроструй // Теплофизика и аэромеханика, 2021, том 28, №1, С. 41-56.