СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАСПЫЛЕНИЯ ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА
STAND FOR STUDY OF PROCESS OF SPRAYING COAL-WATER FUEL

Изобретение относится к исследованию материалов путем определения их физических свойств, а именно к исследованию капель распыляемого топлива и может быть использовано для определения размера капель, скорости их движения, концентрации капель и угла раскрытия распыленного потока.
Известна установка для исследования процесса распыления жидкого топлива [I.S. Anufriev, E.Yu. Shadrin, E.P. Kopyev, S.V. Alekseenko, O.V. Sharypov. Study of liquid hydrocarbons atomization by supersonic air or steam jet // Applied Thermal Engineering, Volume 163, 2019, 114400], выбранная в качестве прототипа, которая содержит основание в виде полого металлического короба, внутри которого размещен парогенератор. На верхней поверхности основания, ближе к одному из его углов вертикально закреплена форсунка для подачи воздуха или пара, которая соединена с парогенератором и с воздушным компрессором Диаметр входного отверстия форсунки составляет 3 мм, диаметр выходного отверстия  - 0,6 мм. Длина форсунки  - 20 мм.
Рядом с основанием установлен кронштейн, на котором закреплен топливный фильтр, трубопроводом связанный с топливной форсункой, к которой присоединена трубка. Топливный фильтр соединен с топливным баком. Парогенератор соединен с баком запаса воды. За пределами основания на подставке расположен импульсный лазер, на оптической оси которого находится форсунка для подачи воздуха и трубка для подачи топлива. За пределами основания на кронштейне закреплена кросскорреляционная видеокамера, на оптической оси которой находится вертикально расположенная форсунка для подачи воздуха и трубка для подачи топлива. Оптическая ось кросскорреляционной видеокамеры находится под углом 90 градусов к оптической оси импульсного лазера. Кросскорреляционная камера и импульсный лазер подключены к персональному компьютеру. При проведении исследований основание с форсункой накрывают съемным кожухом.
Эта установка предназначена для распыления жидкого топлива (мазут, дизель, бензин). Распыление водоугольного топлива на этом установке невозможно из-за забивания узких каналов форсунки крупными агломератами топлива.
Подвод топлива осуществляют к внешней стороне форсунки для подачи воздуха или пара, в результате чего смешение топлива и воздуха происходит вне форсунки, что характеризуется большими энергозатратами на распыление.
Техническим результатом предложенного изобретения является создание стенда для исследования процесса распыления водоугольного топлива.
Предложенный стенд для исследования процесса распыления водоугольного топлива, также как в прототипе, содержит воздушный компрессор, кронштейн, емкость с топливом, персональный компьютер, импульсный лазер и кросскорреляционную видеокамеру, на оптических осях которых расположена форсунка для подачи воздуха, причем оптическая ось кросскорреляционной видеокамеры расположена под углом 90 градусов к оптической оси импульсного лазера.
Согласно изобретению стенд содержит металлический цилиндрический корпус, который горизонтально установлен на опорах. Торцы корпуса заглушены крышками. Через первую торцевую крышку внутрь корпуса по его оси вставлена часть металлического кронштейна, на которой закреплены емкость с топливом и насос, а на конце кронштейна закреплена пневмомеханическая форсунка, трубопроводом соединенная с насосом, который трубопроводом связан с емкостью с топливом. Над кронштейном в первой торцевой крышке выполнено первое смотровое окно, снабженное дверцей с затемненным стеклом. Снаружи корпуса размещен воздушный компрессор, который трубопроводами через первый регулятор давления и первый манометр соединен с насосом, связанным с форсункой. Воздушный компрессор трубопроводами через второй регулятор давления и второй манометр соединен с форсункой. В верхней части корпуса над форсункой, под углами в 45 градусов по отношению к кронштейну, выполнены второе и третье смотровые окна. Снаружи к боковым сторонам корпуса прикреплена рама, состоящая из продольных и поперечных силовых балок, соединенных между собой. На раме над вторым смотровым окном закреплена кросскорреляционная видеокамера. Над третьим окном закреплен импульсный лазер. Кросскорреляционная видеокамера и импульсный лазер подключены к синхронизатору сигналов, который соединен с персональным компьютером, который связан с кросскорреляционной видеокамерой. В верхней части корпуса ближе ко второй торцевой крышке выполнено отверстие, в которое вмонтирован вытяжной вентилятор, подключенный к источнику питания. В корпусе под кронштейном выполнено отверстие для слива отработанного топлива. Через вторую торцевую крышку внутрь корпуса вставлен шланг с краном для подачи воды. Под корпусом ближе ко второй торцевой крышке установлен гидравлический механизм подъема.
Предложенный стенд позволяет проводить исследования процесса распыления водоугольного топлива с использованием форсунки с внутренним смешением топлива и воздуха и исключить забивание форсунки крупными агломератами топлива.
На фиг.1 представлена схема стенда для исследования процесса распыления водоугольного топлива.
На фиг.2 показан стенд для исследования процесса распыления водоугольного топлива, вид с торца.
На фиг.3 представлена фотография стенда для исследования процесса распыления водоугольного топлива.
Стенд для исследования процесса распыления водоугольного топлива содержит металлический цилиндрический корпус 1 диаметром 1,3 м и длиной 6 м, который горизонтально установлен на опорах. Торцы корпуса 1 заглушены крышками. С одной стороны корпуса 1 по его оси через первую торцевую крышку вставлен металлический кронштейн 2 (фиг.1, 2), на части которого, расположенной внутри корпуса закреплены емкость с топливом 3 (Е) и насос 4 (Н). Внутри корпуса 1 на конце кронштейна 2, закреплена пневмомеханическая форсунка 5, которая трубопроводом соединена с насосом 4 (Н), который трубопроводом связан с емкостью с топливом 3 (Е). Над кронштейном 2 в первой торцевой крышке выполнено первое смотровое окно, снабженное дверцей с затемненным стеклом.
Снаружи корпуса 1 размещен воздушный компрессор 6 (ВК), который трубопроводами через соответствующие регуляторы давления 7, 8 и манометры 9, 10 соединен с насосом 4 (Н) и форсункой 5.
Снаружи к боковым сторонам корпуса 1 прикреплена рама, состоящая из продольных и поперечных силовых балок, соединенных между собой (фиг.3). В верхней части корпуса 1 над форсункой 5, под углами в 45 градусов по отношению к кронштейну 2 выполнены два смотровых окна (второе и третье). На раме над вторым окном корпуса 1 закреплена кросскорреляционная видеокамера 11 (КВ), а над третьим окном  - импульсный лазер 12 (ИЛ). Кросскорреляционная видеокамера 11 (КВ) и импульсный лазер 12 (ИЛ) подключены к синхронизатору сигналов 13 (СС), который соединен с персональным компьютером 14 (ПК), который связан с кросскорреляционной видеокамерой 11 (КВ).
В верхней части корпуса 1 ближе ко второй торцевой крышке выполнено отверстие, в которое вмонтирован вытяжной вентилятор 15, подключенный к источнику питания.
В корпусе 1 под кронштейном 2 выполнено отверстие 16, под которым расположен бак 17 (Б) для слива отработанного топлива.
Через вторую торцевую крышку внутрь корпуса 1 вставлен шланг с краном 18 для подачи воды.
Под корпусом 1 ближе ко второй торцевой крышке установлен гидравлический механизм подъема 19 (МП).
Использован насос 4 (Н) с пневматическим приводом марки Yamada NDP15, максимальная вязкость жидкости при перекачивании которым составляет 5000 мПа⋅с.Размеры пневмомеханической форсунки 5: диаметр входного канала топлива - 8 мм; диаметр входного канала воздуха - 4 мм; диаметр выходного отверстия форсунки - 3 мм. Использован воздушный компрессор 6 (ВК) производительностью 930 л/мин, с рабочим давлением 15 бар и мощностью двигателя 7,5 кВт. Кросскорреляционная видеокамера 11 (КВ) - камера марки ImperX Bobcat B2020 с объективом марки Nikon с фокусным расстоянием 50 мм и углом обзора 46°. Использован импульсный лазер 12 (ИЛ) Beamtech Vlite-200 с двойным импульсом (частота импульсов  - 15 Гц, максимальная энергия импульса - 200 мДж). Синхронизатор сигналов 13 (СС) представляет собой синхронизирующее устройство фирмы «Полис» SP-2.0 ПС (количество входов  - 4). Использован гидравлический механизм подъема 19 (МП) грузоподъемностью 8 т с ходом штока 495 мм.
С помощью воздушного компрессора 6 (ВК) в форсунку 5 подают насосом 4 (Н) водоугольное топливо из емкости 3 (Е) объемом 2 литра и одновременно нагнетают воздух. Контроль давления воздуха, подаваемого к насосу 4 (Н) и форсунке 5, осуществляют регуляторами давления 7, 8 по манометрам 9, 10, соответственно. Выступающая наружу часть кронштейна 2 позволяет регулировать положение форсунки 5 так, чтобы она попадала в фокус кросскорреляционной видеокамеры 11 (ВК). Регистрацию процесса распыления водоугольного топлива осуществляют кросскорреляционной камерой 11 (КВ). Подсветку распыленного потока водоугольного топлива производят импульсным лазером 12 (ИЛ). Синхронную работу кросскорреляционной камеры 11 (КВ) и импульсного лазера 12 (ИЛ) обеспечивают синхронизатором сигналов 13 (СС). Обработку полученных снимков производят с помощью специализированного программного обеспечения (ActualFlow), установленного на персональном компьютере 14 (ПК). Удаление взвешенных аэрозольных частиц, образующихся в процессе распыления, производят вытяжным вентилятором 15.
Результаты исследования процесса распыления водоугольного топлива, полученные с помощью предлагаемого стенда, позволяют установить отличия при распылении различных составов водоугольного топлива, а именно размеры, скорости движения, концентрации капель и угол раскрытия распыленного потока, которые являются основными характеристиками, влияющими на процесс зажигания и горения распыленного топлива. Известно, что уменьшение скорости движения и размеров частиц приводит к их более быстрому зажиганию, а увеличение угла раскрытия потока без образования крупных агломератов приводит к более стабильному горению и полному выгоранию топлива.
После завершения экспериментальных исследований с помощью гидравлического механизма подъема 19 (МП) изменяют угол наклона корпуса 1 для удаления отработанного водоугольного топлива самотеком через отверстие 16 в бак 17 (Б) для слива отработанного топлива. Затем осуществляют промывку внутренней поверхности корпуса 1 водой, подавая ее через шланг с вентилем 18 из водопровода. Промывочную воду удаляют через отверстие 16 в бак 17 (Б) для слива отработанного топлива и утилизируют.