Способ диффузионного горения микроструи водорода в инертной среде и устройство для его реализации
METHOD FOR DIFFUSION COMBUSTION OF HYDROGEN MICROSTRUCTURE IN INERT MEDIUM AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к области сжигания топлива (газообразного водорода) при дозвуковых скоростях истечения микроструи (вплоть до трансзвуковых скоростей) при ее диффузионном горении.
Изобретение может быть использовано для устойчивого и безопасного сжигания газообразного водорода в окружающей инертной среде, например на входе в паровую турбину, для повышения давления и поднятие температуры рабочего пара.
Из области техники сжигания газообразного топлива известен патент, в котором заявлен способ и горелка для повышения экономичности сжигания топлива путем улучшения качества смешения газа с воздухом [1]. При этом, 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.
В статье [2] описан способ реализации горения водорода в зависимости от граничных и начальных условий на срезе сопла и конструктивные особенности горелки. Установлено, что наличие присоединенного пламени, так называемая «область перетяжки пламени» способствует стабилизации диффузионного горения микроструи водорода до больших дозвуковых скоростей ее истечения. Показано существенное влияние на этот процесс граничных (ударный или параболический профиль скорости на срезе сопла) и начальных (наличие или отсутствие массива теплоемкого материала на срезе сопла) условий. Установлено, что горелка с параболическим профилем скорости на срезе сопла (длинное сопло ) и наличием массива теплоемкого материала на выходе из сопла (толстостенное сопло) способствует сохранению горения в «области перетяжки пламени» на скорости истечения микроструи, близкой к трансзвуковой скорости. С другой стороны, учитывая результаты исследований с «приподнятым пламенем» (в отсутствии «области перетяжки пламени»), где установлена неустойчивость данного вида горения, можно еще раз констатировать, что «область перетяжки пламени» при диффузионном горении микроструи водорода является гарантом устойчивости данного процесса горения.
За прототип выбран способ, описанный в статье [3] в которой раскрываются особенности микроструйного диффузионного горения водорода, связанного с наличием «области перетяжки пламени». Обнаружена стабилизация процесса диффузионного горения водорода в «области перетяжки пламени» по причине воздействия на него тороидального вихря, способствующего как интенсификации процесса смешения водорода с окружающим воздухом, так и стабилизаци ламинарного течения с увеличением протяженности зоны ламинарного диффузионного горения. Установлено, что пространственный размер «области перетяжки пламени» с ростом расхода водорода сначала резко уменьшается, а затем постепенно увеличивается одновременно с изменением формы «области перетяжки пламени» до тех пор, пока горение в данной области не прекращается. Показано, что дозвуковое диффузионное горение микроструи водорода, истекающей из круглого сопла, связано с наличием «области перетяжки пламени» в широком диапазоне расходов водорода, соответствующих трансзвуковым скоростям истечения.
Однако горелочное устройство, работающее по данному принципу, не позволяет поддерживать горение в инертной среде. При внесении диффузионно горящей микроструи водорода в инертную среду, например, в среду водяного пара, горение прекращается. Водяной пар (инертная среда) проникает в область реакции, препятствует поддержанию стехиометрического соотношения горючего (водорода) и окислителя (кислорода), необходимого для осуществления реакции горения. Таким образом, недостатком конструкции является отсутствие какой-либо защитной среды, препятствующей проникновению инертной среды в область реакции.
Задачей изобретения является создание устойчивого диффузионного микроструйного горения водорода в инертной среде.
Положительный эффект достигается за счет создания вокруг зоны горения коаксиальной ламинарной воздушной струи, обеспечивающей устойчивую зону смешения микроструи водорода с воздухом и защиту факела от воздействия окружающей инертной среды.
Поставленная задача решается благодаря предложенному способу диффузионного горения микроструи водорода в инертной среде, который включает генерацию микроструи водорода с дозвуковой скоростью истечения из сопла горелки и ее поджиг на срезе сопла. Согласно изобретению одновременно с поджигом микроструи водорода, вокруг зоны горения создают коаксиальную ламинарную воздушную струю, обеспечивающую устойчивую зону смешения микроструи водорода с воздухом и защиту факела от воздействия окружающей инертной среды. При этом интенсивность горения струи водорода регулируют изменением расхода коаксиальной воздушной струи.
Согласно изобретению устройство для реализации способа дополнительно снабжено дозвуковым соплом для генерации струи воздуха, коаксиально расположенным относительно центрального сопла для истечения водорода, при этом каждое из сопел имеет в поперечном сечении идентичную конфигурацию любой известной выбранной геометрии, круглой, прямоугольной, треугольной.
На фиг. 1 представлена схема экспериментальной установки для организации процесса диффузионного горения круглой микроструи водорода с коаксиальной (спутной) воздушной струей при дозвуковой скорости, где 1 - емкость со сжатым водородом, 2 - емкость со сжатым воздухом, 3,4 - клапаны расходомера, 5 - контроллер расходомера, 6 - сопло горелки, 7 - теневой прибор ИАБ -451 для фиксации процесса горения;
На фиг. 2 - представлено сопло для подачи водорода и воздуха (в разрезе);
1
2
На фиг. 3 - показаны теневые картины процесса диффузионного горения круглой микроструи водорода в коаксиальной воздушной струе в зависимости от скорости истечения (U, м/с) - водорода и скорости истечения (U, м/с) - спутной струи воздуха:
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
a) U=130, U=0 м/с; b) U=130, U=17,5 м/с, с) U=130, U=35 м/с, d) U=204, U=18 м/с; e) U=204, U=26 м/с (U - скорость истечения микроструи водорода, U - скорость истечения спутной струи воздуха);
На фиг. 4 - показаны теневые картины - а) процесса горения круглой микроструи водорода в инертной среде с подачей коаксиальной воздушной струи и - б) результат воздействия инертной среды на процесс диффузионного горения микроструи водорода без подачи коаксиальной струи воздуха.
Процесс горения осуществляется следующим образом: в момент подачи микроструи водорода через центральное сопло с дозвуковой скоростью, осуществляется поджиг у среза сопла. В возникшем факеле образуется область ламинарного пламени сферической формы, охватывающая срез микросопла и замыкающаяся «областью перетяжки пламени» с участком высокого градиента плотности газа (см. фиг. 3а).
2
2
1
1
3
При наличии коаксиальной (спутной) струи воздуха (фиг.3b, с, d, е) и различном объемном расходе (Q) или скорости (U) ее истечения, но сохранении объемного расхода (Q=102 см/с) или скорости (U=130 м/с) истечения микроструи водорода, «область перетяжки пламени» сохраняется, но претерпевает определенные изменения. Сферическая область факела с ламинарным режимом горения трансформируется в цилиндрическую, при этом динамика уменьшения пространственного размера с ростом скорости истечения микроструи водорода сохраняется [1-4], но уже в условиях роста скорости истечения спутной струи воздуха, а не самой микроструи водорода. С ростом скорости истечения спутной струи, можно также наблюдать процесс интенсификации турбулентного горения, т.е. области пламени ниже по потоку от «области перетяжки пламени». В то же время, скорость истечения самой микроструи водорода оставалась неизменной. Данный подход позволяет управлять процессом смешения в оперативном режиме и увеличивать полноту сгорания водорода (топлива), регулируя расход коаксиальной воздушной струи.
Воздействие внешних сред зачастую (агрессивных) приводит к тушению диффузионных факелов или неустойчивому процессу горения. В определенных случаях, возникает необходимость реализации диффузионного факела в так называемой инертной среде. Предложенный способ стабилизации процесса диффузионного горения в условиях воздействия инертной среды был изучен в процессе экспериментальных работ, проведенных в ИТПМ СО РАН. В качестве инертной среды использовался водяной пар. В процессе эксперимента инертная среда подавалась непосредственно в область диффузионного факела. В процессе экспериментов показано, что описанный выше режим диффузионного горения микроструи водорода совместно с истекающей из коаксиального сопла струей воздуха поддерживается и в искусственно созданной инертной среде (см. фиг. 4а) в широком диапазоне расходов. Следует отметить, что в отсутствии коаксиальной струи воздуха (см. фиг.4b) процесс диффузионного горения в созданной инертной среде не поддерживается. Таким образом, ламинарная струя воздуха, истекающая из соосно расположенного коаксиального сопла, создает устойчивую зону перемешивания микроструи водорода с воздухом и обеспечивает защиту зоны горения от воздействия окружающей инертной среды.
Положительный эффект предложенного способа и устройства достигается за счет создания устойчивой зоны смешения микроструи водорода с воздухом и защиту факела от воздействия окружающей инертной среды, а возможность изменения расхода коаксиальной воздушной струи позволяет управлять процессом смешения в оперативном режиме и увеличивать полноту сгорания топлива.
Источники информации
1. Патент №2677322, F23D 14/22,1996 г;
2. Шмаков А.Г., Грек Г.Р., Козлов В.В., Козлов Г.В., Литвиненко Ю.А. Экспериментальное исследование диффузионного горения высокоскоростной круглой микроструи водорода. Часть 1. Присоединенное пламя, дозвуковое течение // Сибирский физический журнал. 2017. Т. 12, №2. С. 28-45.
3. A.G. Shmakov, G.R. Grek, V.V. Kozlov, Yu.A. Litvinenko, Influence of initial and boundary conditions at the nozzle exit upon diffusion combustion of a hydrogen microjet. // International Journal of Hydrogen Energy (ELSEVIER 2017), Volume 42, Issue 24, pp. 15913-15924;
4. B.B. Козлов, Г.Р. Грек, M.B. Литвиненко, Ю.А. Литвиненко, А.С.Тамбовцев, А.Г. Шмаков Особенности горения круглой микроструи водорода в спутной струе воздуха // Сибирский физический журнал. 2019. Т. 14, №2.