СТЕНД ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ГОРЕНИЯ И СЖИГАНИЯ ВИТАЮЩЕЙ КАПЛИ ОРГАНОВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА
STAND FOR STUDYING COMBUSTION CHARACTERISTICS AND BURNING DANCING DROPLETS OF ORGANOWATER-COAL FUEL

Изобретение относится к экспериментальному оборудованию для исследования процессов тепломассопереноса, фазовых превращений и химического реагирования при зажигании одиночных капель различных по компонентному составу органоводоугольных топлив в воздухе и может быть использовано при определении условий 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 канал подачи окислителя в виде кварцевой трубы, закрепленной 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 капли топлива в камеру сгорания используют тонкий заостренный наконечник, на конце которого нельзя разместить каплю 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. Кроме того, вследствие непрозрачности камеры сгорания невозможно отследить всю траекторию полета капли топлива.
Изобретение позволяет проводить исследование и определять характеристики горения и сжигания витающей капли органоводоугольного топлива в потоке воздуха.
Предложенный стенд для изучения характеристик горения и сжигания витающей капли органоводоугольного топлива, также как в прототипе, содержит канал подачи окислителя, который с одной стороны соединен с нагнетательной системой для подачи окислителя, а с другой стороны - с камерой сгорания, в которой выполнено отверстие для подачи капли топлива, термопару, которая через измерительное устройство связана с персональным компьютером, вытяжную вентиляцию.
Согласно изобретению стенд содержит опорную раму в виде стеллажа с двумя расположенными друг над другом горизонтальными полками. На нижней полке размещен вентилятор высокого давления, соединенный первой гофрированной трубой с воздухонагревателем. На верхней полке опорной рамы расположена камера сгорания, отлитая из кварцевого стекла и выполненная цельной в виде двух усеченных конусов, широкие части которых совмещены через узкий обод, а узкие части выполнены переходящими в цилиндры, концы которых перекрыты решетками. Цилиндр нижней части камеры сгорания соединен с воздухонагревателяем. Цилиндр верхней части камеры сгорания соединен второй гофрированной трубой с вытяжной вентиляцией. На противоположных сторонах боковой поверхности обода камеры сгорания, перпендикулярно ее оси симметрично выполнены два отверстия, напротив одного из которых расположено координатное устройство, на подвижной площадке которого закреплены две трубки, расположенные параллельно друг другу и соединенные между собой соприкасающимися боковыми поверхностями. Нихромовая нить пропущена через одну трубку, изогнута и вставлена в другую трубку, причем изогнутая часть нихромовой нити, выступающая за пределы трубок, предназначена для размещения капли органоводоугольного топлива. Над двумя трубками закреплена третья трубка, конец которой выступает за их пределы в сторону изогнутой части нихромовой нити и срезан под углом 45°. Концы нихромовой нити закреплены на неподвижной части координатного устройства. Длина нихромовой нити выбрана из условия ее натяжения при размещении срезанного конца третьей трубки внутри центральной части камеры сгорания через одно отверстие в боковой поверхности обода. Во второе отверстие в боковой поверхности обода камеры сгорания вставлена термопара, соединенная с цифровым измерителем температуры, расположенным на верхней полке опорной рамы. С внешней стороны камеры сгорания установлены высокоскоростная видеокамера, кросскорреляционная видеокамера, двойной импульсный лазер. Кросскорреляционная видеокамера и двойной импульсный лазер соединены с синхронизатором сигналов. Вентилятор высокого давления, воздухонагреватель, вытяжная вентиляция, координатное устройство, измеритель температуры, высокоскоростная видеокамера, кросскорреляционная видеокамера, синхронизатор сигналов и аналитические весы соединены с персональным компьютером.
Опорная рама, обе гофрированные трубы, три трубки и две решетки выполнены металлическими.
Предложенный стенд позволяет определять необходимые и достаточные условия для энергоэффективного, устойчивого и безопасного инициирования горения одиночных капель органоводоугольного топлива за счет возможности изменения в камере сгорания температуры воздуха в диапазоне 20-1100°С и скорости воздушного потока от 1 до 5 м/с.
Кроме того, предложенный стенд позволяет определять особенности зажигания и горения капли органоводоугольного топлива, а также получать двухкомпонентные поля скорости воздушного потока при обтекании капель органоводоугольных топлив различной формы для анализа влияния скорости воздушного потока и формы капли на время ее зажигания.
На фиг. 1 представлена схема стенда для изучения характеристик горения и сжигания витающей капли органоводоугольного топлива.
На фиг. 2 представлена схема и внешний вид камеры сгорания.
На фиг. 3 представлена схема устройства сброса капли органоводоугольного топлива.
Стенд для изучения характеристик горения и сжигания витающей 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 вентилятор высокого давления 2 (ВВД), соединенный металлической гофрированной трубой 3 с воздухонагревателем 4 (ВН).
На верхней полке опорной рамы 1 расположена камера сгорания 5, отлитая из кварцевого стекла цельной в виде двух усеченных конусов, широкие части которых совмещены через обод, а узкие части выполнены переходящими в цилиндры, на концах которых закреплены металлические решетки (фиг. 2).
Цилиндр нижней части камеры сгорания 5 (фиг. 1) соединен с выходом воздухонагревателя 4 (ВН). Цилиндр верхней части камеры сгорания 5 соединен металлической гофрированной трубой 6 с вытяжной вентиляцией 7 (В).
На противоположных сторонах боковой поверхности обода камеры сгорания 5 (КС) симметрично выполнены два отверстия 8 (фиг. 2). С одной стороны камеры сгорания 5 напротив первого отверстия расположено координатное устройство 9 (КУ) (фиг. 1), на подвижной площадке которого закреплены две металлические трубки 10 (фиг. 3) устройства сброса 11 (фиг. 1) капли 12 органоводоугольного топлива. Две металлические трубки 10 (фиг. 3) расположены параллельно друг другу и соединены между собой соприкасающимися боковыми поверхностями. Нихромовая нить 13 диаметром 0,3 мм пропущена через одну трубку 10, изогнута и вставлена в другую трубку 10, образуя выступающую за пределы трубок 10 часть для размещения капли 12 органоводоугольного топлива. Концы нихромовой нити 13 закреплены на неподвижной части координатного устройства 9 (КУ).
Над двумя трубками 10, соединенными своими боковыми поверхностями, жестко закреплена трубка 14, конец которой со стороны изогнутой выступающей части нихромовой нити 13 срезан под углом 45° и выступает за пределы трубок 10. Длина нихромовой нити 13 выбрана из условия ее натяжения при размещении конца трубки 10 внутри камеры сгорания 5, в ее центральной части.
Во второе отверстие камеры сгорания 5 вставлена термопара 15, которая соединена с измерителем температуры 16 (ИТ), расположенным на верхней полке опорной рамы 1.
Рядом с камерой сгорания 5 установлены высокоскоростная видеокамера 17 (ВВ), кросскорреляционная видеокамера 18 (KB), двойной импульсный лазер 19 (ИЛ). Кросскорреляционная видеокамера 18 (KB) и двойной импульсный лазер 19 (ИЛ) соединены с синхронизатором сигналов 20 (СС). Вентилятор высокого давления 2 (ВВД), воздухонагреватель 4 (ВН), вытяжная вентиляция 7 (В), координатное устройство 9 (КУ), измеритель температуры 16 (ИТ), высокоскоростная видеокамера 17 (ВВ), кросскорреляционная видеокамера 18 (KB), синхронизатор сигналов 20 (СС) и аналитические весы 21 (АВ) соединены с персональным компьютером 22 (ПК).
-5
В качестве вентилятора высокого давления 2 (ВВД) использован вентилятор «Leister Robust». Воздухонагреватель 4 (ВН) марки «Leister LHS 61» имеет следующие технические характеристики: напряжение 3×400 В, мощность 11 кВт, минимальный расход воздуха 1000 л/мин. Координатное устройство 9 (КУ) представляет собой модуль линейного перемещения СТМУ-2 (максимальная скорость перемещения - 1350 мм/сек, максимально возможный ход модуля по упорам - 500-1230 мм, возможность управления внешним сигналом). В качестве измерителя температуры 16 (ИТ) использован регистратор многоканальный технологический РМТ-59М. Высокоскоростная видеокамера 17 (ВВ) - это высокоскоростная CMOS видеокамера «Phantom V411», а кросскорреляционная видеокамера 18 (KB) - CCD видеокамера «IMPERX IGV В2020М». Двойной импульсный лазер 19 (ИЛ) - двойной твердотельный импульсный Nd:YAG лазер Quantel «EverGreen 70 mJ» (частота импульсов - 15 Гц, максимальная энергия в импульсе - 74 мДж). Синхронизатор сигналов 20 (СС) представляет собой синхронизирующее устройство фирмы «Полис» (количество входов - 4, наличие режима внешнего запуска, частота повторений - не менее 15 Гц). В качестве аналитических весов 21 (АВ) использованы лабораторные микровесы ViBRA НТ 84RCE с дискретностью 10 г.
Органоводоугольное топливо приготавливали с использованием гомогенизатора MPW-324. На первом этапе подготавливали водомасляную эмульсию (состоящую из масла и пластификатора). Компоненты эмульсии добавляли в емкость (объемом 0,25 л) гомогенизатора для смешивания после предварительного взвешивания на аналитических весах 21 (АВ). Длительность процесса смешения компонентов эмульсии составляла 3 минуты. Затем в емкость гомогенизатора с эмульсией вводили частицы угля (в соответствии с требуемой относительной массовой концентрацией). Длительность перемешивания компонентов составляла 10 минут.
Каплю органоводоугольного топлива 12 требуемых размеров и конфигурации помещали на выступающую изогнутую часть нихромовой нити 13 устройства сброса 11 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 21 (АВ) и определяли ее вес, значение которого передавали в компьютер 22 (ПК), где сохраняли для дальнейшего использования при обработке результатов. С помощью персонального компьютера 22 (ПК) включали вытяжную вентиляцию 7 (В) задавали режимы работы вентилятора высокого давления 2 (ВВД) (скорость движения воздуха) и воздухонагревателя 4 (ВН) (температура воздуха). Вентилятором высокого давления 2 (ВВД) осуществляли подачу воздушного потока со скоростью движения 2-6 м/с по металлической гофрированной трубе 3 через воздухонагреватель 4 (ВН), нагревая воздух до 20-1100°С во внутренней полости камеры сгорания 5. Воздушный поток, прошедший через камеру сгорания 5, по гофрированной трубе 6 попадал в вытяжную вентиляцию 7 (В). Параметры потока воздуха, генерируемого в камере сгорания 5, изменяли в диапазонах: скорость движения воздуха 2-6 м/с, температура воздуха 20-1100°С. Термопарой 15, вставленной в отверстие 8 камеры сгорания 5, измеряли температуру воздушного потока, которая отображалась на экране измерителя температуры 16 (ИТ). После достижения заданных значений температуры и скорости воздушного потока в камере сгорания 5 с помощью координатного устройства 9 (КУ), управляемого персональным компьютером 20 (ПК), через отверстие 8 в камере сгорания 5 (КС) в ее полость подавали каплю органоводоугольного топлива 12. Таким образом, осуществляли подачу капли органоводоугольного топлива 12 до ее совмещения с осью симметрии камеры сгорания 5. В момент достижения каплей органоводоугольного топлива 12 оси симметрии камеры сгорания 5 устройством сброса 11 выполнялся ее сброс во внутреннюю полость камеры сгорания 5.
При перемещении подвижной платформы координатного устройства 9 (КУ) в сторону камеры сгорания 5 происходило натяжение нихромовой нити 13 и ее относительное движение в противоположном от камеры сгорания 5 направлении. При этом капля органоводоугольного топлива 12 зацеплялась срезанным по углом 45° концом трубки 14 и сталкивалась с нихромовой нити 13 в камеру сгорания 5. Время, в течение которого капля органоводоугольного топлива 12 поступала в камеру сгорания 5 и отрывалась от нихромовой нити 13, составляло около 1 с.
Далее капля органоводоугольного топлива 12 начинала двигаться по направлению к нижней решетке камеры сгорания 5. При этом происходила интенсивная потеря массы капли, связанная с испарением жидких горючей и негорючей компонентов. Капля органоводоугольного топлива 12 превращалась в твердую пористую частицу. При достижении частицы массы, соответствующей созданию режима витания, она начинала двигаться в верхнюю часть камеры сгорания 5 и далее, наоборот, в нижнюю в режиме закручивания потоком воздуха. Достигнув необходимой температуры поверхности, капля органоводоугольного топлива 12 загоралась с появлением интенсивного свечения.
Одновременно с подачей капли органоводоугольного топлива 12 в камеру сгорания 5 с помощью персонального компьютера 22 (ПК) запускали высокоскоростную видеорегистрацию процесса зажигания капли, используя высокоскоростную видеокамеру 17 (ВВ) и производили подсветку области вокруг капли органоводоугольного топлива 12, используя двойной импульсный лазер 19 (ИЛ). Фотоизображения подсвеченной лазером 19 (ИЛ) области регистрировали кросскорреляционной видеокамерой 18 (KB). При этом синхронизатором 20 (СС) выполнялась синхронизация сигналов кросскорреляционной видеокамеры 18 (KB) и импульсного лазера 19 (ИЛ) таким образом, что вспышка импульсного лазера 19 (ИЛ) и момент съемки кросскорреляционной видеокамеры 18 (KB) происходили одновременно. Полученные фото- и видеоизображения передавали в персональный компьютер 22 (ПК), где выполняли их обработку, в ходе которой определяли время задержки зажигания капли органоводоугольного топлива 12, изменение ее конфигурации и формы в процессе горения, изменения полей скорости воздушного потока при обтекании им капли (использовали программное обеспечение: «Tema Automotive», «Photron Fastcam Viewer», «Phantom Camera Control» и «ActualFlow»).
Результаты исследований 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.