СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЗАЖИГАНИЯ И ГОРЕНИЯ КАПЛИ ОРГАНОВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА
TEST BENCH FOR ANALYZING IGNITION AND COMBUSTION OF ORGANO-WATER-COAL FUEL DROP

Изобретение относится к экспериментальному оборудованию, а именно к исследованию процессов тепломассопереноса, фазовых превращений и химического реагирования при зажигании одиночных капель различных по компонентному составу органоводоугольных топлив в газовой среде окислителя, и может быть использовано при установлении необходимых условий для инициирования горения этих топлив в различных энергетических блоках, агрегатах и установках.
Известна установка для исследования горения и сжигания капли водоугольного топлива [Agnieszka Kijo-Kleczkowska. Combustion of coal-water suspensions // Fuel. 2011. Vol. 90. P. 865-877], выбранная в качестве прототипа, которая содержит кварцевую трубу, закрепленную на керамических блоках. Вдоль кварцевой трубы пропущены нагревательные элементы, которые покрыты термическим изолятором, а затем закрыты стальными листами. С одной стороны кварцевая труба соединена с нагнетательной системой для подачи смеси азота и воздуха. С другой стороны кварцевая труба соединена с камерой сгорания, которая содержит смотровое окно, а также отверстие для подачи капли водоугольного топлива с помощью заостренного наконечника. Нагревательные элементы соединены с управляющим контроллером, который связан с микропроцессорным терморегулятором. В камеру сгорания встроены две термопары, которые через измерительное устройство связаны с компьютером. Выход камеры сгорания соединен с вытяжкой.
С помощью этой установки нельзя изменять температуру окислителя и скорость его движения в кварцевой трубе и камере сгорания.
Для помещения капели топлива в камеру сгорания используют тонкий заостренный наконечник, который не позволяет разместить на его конце каплю органоводоугольного топлива диаметром больше 1 мм.
Непрозрачная камера сгорания не позволяет использовать панорамные оптические методы «трассерной» визуализации для исследования механизмов зажигания и последующего горения капель водоугольных и органоводоугольных композиций.
Задачей изобретения является создание стенда для исследований процессов зажигания и горения капель органоводоугольных топлив в потоке воздуха с широким диапазоном изменения температуры и скорости движения окислителя, размеров и форм капель органоводоугольных топлив.
Предложенный стенд для исследования процесса зажигания и горения капли органоводоугольного топлива, также как в прототипе, содержит полый цилиндр из кварцевого стекла, который с одной стороны соединен с нагнетательной системой для подачи воздуха, отверстие для подачи капли топлива, две термопары, которые через измеритель температуры связаны с персональным компьютером, вытяжную вентиляцию.
Согласно изобретению полый цилиндр из кварцевого стекла размещен на нижней полке опорной металлической рамы в виде стеллажа с двумя расположенными друг над другом горизонтальными полками. Один конец полого цилиндра соединен с выходом воздухонагревателя, связанного с вентилятором высокого давления. Другой конец полого цилиндра металлической гофрированной трубой соединен с вытяжной вентиляцией. В верхней части полого цилиндра выполнено два отверстия. На верхней полке опорной рамы над первым отверстием полого цилиндра расположено координатное устройство, на подвижной части которого закреплена первая термопара с возможностью помещения конца спая термопары с закрепленной на ней каплей органоводоугольного топлива внутрь полого цилиндра. Во второе отверстие полого цилиндра вставлена вторая термопара. Обе термопары соединены с измерителем температуры, расположенным на верхней полке опорной рамы. С внешней стороны полого цилиндра установлены высокоскоростная и кросскорреляционная видеокамеры, двойной импульсный лазер. Кросскорреляционная видеокамера и двойной импульсный лазер соединены с синхронизатором сигналов. Вентилятор высокого давления, вытяжная вентиляция, координатное устройство, измеритель температуры, высокоскоростная видеокамера, кросскорреляционная видеокамера, синхронизатор сигналов и аналитические весы соединены с персональным компьютером.
Предложенный стенд для исследования процесса зажигания и горения капли органоводоугольного топлива позволяет определять необходимые и достаточные условия для энергоэффективного, устойчивого и безопасного инициирования горения одиночных капель органоводоугольного топлива за счет изменения температуры воздуха в диапазоне 20-1100°С и скорости воздушного потока в полом цилиндре от 1 до 5 м/с. Кроме этого, использованные при сборке стенда технические средства цветной и монохромной фото- и видеорегистрации и двойной твердотельный импульсный лазер позволяют определять особенности зажигания и горения капли органоводоугольного топлива, а также получать двухкомпонентные поля скорости воздушного потока при обтекании капель органоводоугольных топлив различной формы, что позволяет проанализировать дополнительные особенности зажигания таких капель. Применение в качестве наконечника для размещения капли органоводоугольного топлива спая самой термопары позволяет размещать на нем капли топлива с размером более 1 мм.
На фиг. 1 представлена схема стенда для исследования процесса зажигания и горения капли органоводоугольного топлива.
Стенд для исследования процесса зажигания и горения капли органоводоугольного топлива (фиг. 1) содержит опорную металлическую раму 1 в виде стеллажа с двумя расположенными друг над другом горизонтальными полками. На нижней полке размещен полый цилиндр 2 из кварцевого стекла, один конец которого патрубком соединен с выходом воздухонагревателя 3 (ВН), соединенного патрубком с вентилятором высокого давления 4 (ВВД). Другой конец полого цилиндра 2 металлической гофрированной трубой 5 соединен с вытяжной вентиляцией 6 (В). В верхней части полого цилиндра 2 выполнены два отверстия.
На верхней полке опорной рамы 1, над первым отверстием полого цилиндра 2, расположено координатное устройство 7 (КУ), на подвижной части которого закреплена первая термопара 8 с возможностью помещения конца спая термопары с закрепленной на ней каплей 9 органоводоугольной топливной композиции внутрь полого цилиндра 2. Во второе отверстие полого цилиндра 2 вставлена вторая термопара 10. Обе термопары 8 и 10 соединены с измерителем температуры 11 (ИТ), расположенным на верхней полке опорной рамы 1.
С внешней стороны цилиндра 2 установлены высокоскоростная видеокамера 12 (ВВ), кросскорреляционная видеокамера 13 (КВ), двойной импульсный лазер 14 (ИЛ). Кросскорреляционная видеокамера 13 (КВ) и двойной импульсный лазер 14 (ИЛ) соединены с синхронизатором сигналов 15 (СС). Воздухонагреватель 3 (ВН), вентилятор высокого давления 4 (ВВД), вытяжная вентиляция 6 (В), координатное устройство 7 (КУ), измеритель температуры 11 (ИТ), высокоскоростная видеокамера 12 (ВВ), кросскорреляционная видеокамера 13 (КВ) и синхронизатор сигналов 15 (СС) соединены с персональным компьютером 16 (ПК). Персональный компьютер 16 (ПК) соединен с аналитическими весами 17 (АВ).
-5
В качестве вентилятора высокого давления 4 (ВВД) использован вентилятор «Leister Robust». Воздухонагреватель 3 (ВН) марки «Leister LHS 61» имеет следующие технические характеристики: напряжение 3×400 В, мощность 11 кВт, минимальный расход воздуха 1000 л/мин. Координатное устройство 7 (КУ) представляет собой модуль линейного перемещения СТМУ-2 (максимальная скорость перемещения - 1350 мм/с, максимально возможный ход модуля по упорам - 500-1230 мм, возможность управления внешним сигналом). В качестве измерителя температуры 11 (ИТ) использован регистратор многоканальный технологический РМТ-59М. Высокоскоростная видеокамера 12 (ВВ) - это высокоскоростная CMOS видеокамера «Phantom V411», а кросскорреляционная видеокамера 13 (КВ) - CCD видеокамера «IMPERX IGV В2020М». Двойной импульсный лазер 14 (ИЛ) - двойной твердотельный импульсный Nd:YAG лазер Quantel «EverGreen 70 mJ» (частота импульсов - 15 Гц, максимальная энергия в импульсе - 74 мДж). Синхронизатор сигналов 15 (СС) представляет собой синхронизирующее устройство фирмы «Полис» (количество входов - 4, наличие режима внешнего запуска, частота повторений - не менее 15 Гц). В качестве аналитических весов 17 (АВ) использованы лабораторные микровесы с дискретностью 10 г.
Каплю органоводоугольного топлива 9 требуемых размеров и конфигурации закрепляли на спае термопары 8 с помощью электронного дозатора «Finnpipette Novus» (минимальный и максимальный забираемые объемы - 5 мкл и 50 мкл, шаг - 0,1 мкл). Выполняли генерацию аналогичной по конфигурации и размерам капли органоводоугольного топлива на аналитические весы 17 (АВ) и определяли ее вес, значение которого передавали в компьютер 16 (ПК), где он сохранялся для дальнейшего использования при обработке результатов. Производили включение вытяжной вентиляции 6 (В) с персонального компьютера 16 (ПК). С помощью персонального компьютера 16 (ПК) задавали режимы работы вентилятора высокого давления 4 (ВВД) (скорость движения воздуха) и воздухонагревателя 3 (ВН) (температура воздуха). Осуществляли подачу воздушного потока от вентилятора высокого давления (ВВД) 4 через воздухонагреватель 3 (ВН) во внутреннюю полость цилиндра 2. Воздушный поток, прошедший через полый цилиндр 2, через гофрированную трубу 5 попадал в вытяжную вентиляцию 6 (В). Параметры потока воздуха, генерируемого в полом цилиндре 2, изменяли в диапазонах: скорость движения воздуха 2-6 м/с, температура воздуха 20-1100°С. Термопарой 10 в полом цилиндре 2 измеряли температуру потока воздуха, которая отображалась на экране измерителя температуры 11 (ИТ). После достижения заданных значений температуры потока воздуха в полом цилиндре 2 с помощью координатного механизма 7, управляемого с персонального компьютера 16 (ПК), через отверстие в полом цилиндре 2 опускали в его полость спай термопары 8 с размещенной на его конце каплей органоводоугольного топлива 9. Таким образом, осуществляли подачу капли органоводоугольного топлива 9 до ее совмещения с осью симметрии полого цилиндра 2. После попадания капли во внутреннюю полость цилиндра 2, в результате воздействия на нее нагретого воздушного потока, сначала происходил прогрев капли, затем ее зажигание и последующий за этим процесс горения. Показания термопары 8, отражающие температуру капли органоводоугольного топлива, также отображались на экране измерителя температуры 11 (ИТ). Одновременно с подачей капли органоводоугольного топлива в полость цилиндра 2, с помощью компьютера 16 (ПК) запускали высокоскоростную видеорегистрацию процесса зажигания капли, используя высокоскоростную видеокамеру 12 (ВВ), и производили лазерную подсветку области вокруг капли органоводоугольного топлива 9, используя двойной импульсный лазер 14 (ИЛ). Фотоизображения подсвеченной лазером 14 (ИЛ) области регистрировали кросскорреляционной видеокамерой 13 (КВ). При этом синхронизатором 15 (СС) выполнялась синхронизация сигналов кросскорреляционной видеокамеры 13 (КВ) и импульсного лазера 14 (ИЛ) таким образом, что вспышка импульсного лазера 14 (ИЛ) и момент съемки кросскорреляционной видеокамеры 13 (КВ) происходили одновременно. Полученные фото- и видеоизображения передавали в персональный компьютер 16 (ПК), где выполнялась их обработка, в ходе которой определяли время задержки зажигания капли органоводоугольного топлива, изменение ее конфигурации и формы в процессе горения, изменения типичных полей скорости воздушного потока при его обтекании капли (использовали программное обеспечение: «Tema Automotive)), «Photron Fastcam Viewer», «Phantom Camera Control» и «ActualFlow»).
Результаты исследования условий и характеристик зажигания капель органоводоугольного топлива, полученные с помощью предлагаемого стенда, позволяют установить отличия механизмов воспламенения различных составов органоводоугольных топлив, участки возможного зажигания капель в трактах котельных агрегатов, тепловые потоки в зоне зажигания, положение зоны зажигания относительно границы «капля топлива - окислитель», а также определить скорости фазовых превращений, пиролиза и окисления топлив.