Способ стабилизации диффузионного горения водорода в газовой микрогорелке (варианты)
METHOD FOR STABILIZING DIFFUSION COMBUSTION OF HYDROGEN IN GAS MICROBURNER (OPTIONS)

Изобретение относится к области сжигания топлива (газообразного водорода) при больших дозвуковых скоростях истечения микроструи (вплоть до трансзвуковых скоростей) при ее диффузионном горении.
Изобретение может быть использовано для термообработки металлов, ремонта и изготовления ювелирных изделий, стоматологических протезов, пайки проводов, декоративного обжига столярных изделий, отжига старой краски.
Из уровня техники известен патент, в котором заявлены способ и горелка для сжигания водорода [1]. При диффузионном горении водород и окислитель подаются в горелку, причем, кроме того, основное направление протекания определяется направлением протекания окислителя, а водород в направленном в основном перпендикулярно к основному направлению протекания поперечном потоке распределяется по отдельным зонам горения. Изобретение заключается в том, что в качестве окислителя используется воздух и поперечный поток связан с мелкодисперсным распределением по большому количеству отдельных микрозон горения.
Недостатком является: значительные технологические затраты из-за увеличения количества зон горения.
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 и одновременно стабилизирующего ламинарное течение удлиненной микроструи и ламинарное диффузионное горение в данной области. 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», пока горение в данной области не прекращается. Показано, что дозвуковое диффузионное горение круглой микроструи водорода связано с наличием «области перетяжки пламени» в широком диапазоне расхода водорода, или скорости ее истечения близкой к трансзвуковой скорости.
Задачей изобретения является создание условий для стабилизации диффузионного микроструйного горения водорода до больших скоростей истечения микроструи и обеспечения устойчивого горения водорода при наличии узконаправленного ламинарного пламени и ламинарного горения в «области перетяжки пламени» как при наличии, так и отсутствии турбулентного пламени.
«Область перетяжки пламени» представляет область ламинарного пламени сферической формы, охватывающая выход микросопла и замкнутая узким участком градиента плотности газа (эта область обозначена символом Q на рис. 1, 3).
Поставленная задача реализуется двумя способами (Варианты).
По Варианту 1 способ стабилизации диффузионного горения в газовой горелке включает генерацию струи водорода в конусном микросопле горелки с дозвуковой скоростью истечения, которая может быть рассчитана по известному соотношению: U=Q/S, где Q - расход водорода (регулируется), S - площадь выходного сечения. Согласно изобретению струю водорода генерируют в сопле с диаметром на срезе сопла от 0,02 до 0,06 мм, осуществляют поджиг непосредственно на срезе сопла, где образуется устойчивая зона перемешивания струи с воздухом и горение ее в виде присоединенного факела, при этом факел прогревает часть сопла и обеспечивает стабильное ламинарное горение, как на срезе сопла, так и во всей рабочей области факела.
По Варианту 2 согласно изобретению струю водорода генерируют в сопле с диаметром на срезе сопла от 0,1 до 3 мм, затем осуществляют поджиг непосредственно на срезе сопла, где образуется устойчивая зона перемешивания струи с воздухом и горение в виде присоединенного факела, прогревающего часть сопла и обеспечивающее стабильное ламинарное горение на срезе сопла, которое затем переходит в стабильное дозвуковое турбулентное горение во всей рабочей области факела.
Положительный эффект достигается благодаря стабилизации процесса диффузионного горения микроструи водорода на больших скоростях ее истечения (вплоть до трансзвуковых) с наличием, так называемой, «области перетяжки пламени» и возможности сохранять неизменность направленности факела в независимости от пространственной ориентации микрогорелки.
На фиг. 1 - показана диффузионная газовая микрогорелка водорода, в которой реализуется описанный способ по Варианту 1. Горелка состоит из корпуса 1 с набором детурбулизирующих сеток 2 и хонейкомба 3 для создания ламинарного течения в удлинительной трубке 4 и микросопле 5. Микросопло 5 имеет коническую форму с размером выходного отверстия на срезе сопла диаметром от 0,02 до 0,06 мм. Водород подается в горелку из баллона 6 с регулятором расхода газа 7 через измерительный прибор 8 величины объемного расхода водорода. На выходе микроструи из сопла при ее диффузионном горении, реализуется ламинарное пламя (факел), состоящее из «области перетяжки пламени» 9 (Q) и области ламинарного пламени 10 (фиг. 1).
сопла
сопла
2
2
2
3
2
а
На фиг. 2 - показаны теневые картины диффузионного горения водорода, истекающего из круглого выходного отверстия микросопла диаметром 0,03 мм (S=πd/4=3,14×0,003 см/4=0,0000071 см; U=Q(см/сек)/S(см)=U(м/сек) при различной скорости истечения микроструи U(м/сек):  - 1127, b - 986, с - 845, d - 704.
Данный пример демонстрирует процесс диффузионного горения ламинарной микроструи водорода с возникновением чисто ламинарного узконаправленного пламени на больших (вплоть до трансзвуковых) скоростей ее истечения.
На фиг. 3 - показана диффузионная газовая горелка водорода, в которой реализуется описанный способ по Варианту 2. Горелка состоит из корпуса 1 с набором детурбулизирующих сеток 2 и хонейкомба 3 для создания ламинарного течения в удлинительной трубке 4 и микросопле 5. Микросопло 5 имеет коническую форму с размером выходного отверстия на срезе сопла диаметром от 0,1 до 3 мм. Водород подается в горелку из баллона 6 с регулятором расхода газа 7 через измерительный прибор 8 величины объемного расхода водорода.
На выходе микроструи из сопла при ее диффузионном горении, реализуется ламинарно - турбулентное пламя (факел), состоящее из: «области перетяжки пламени» 9 (Q), области ламинарной микроструи 10, области градиента плотности газа 11, области турбулентной микроструи 12 и области турбулентного пламени 13.
Таким образом, в Способе 2 реализуются две области горения: область ламинарного присоединенного пламени, так называемая «область перетяжки пламени» 9(Q) с ламинарной микроструей 10 и область турбулентного пламени микроструи 12 с турбулентной микроструей 13, возникающей по причине взрывного характера преодоления ламинарной микроструей узкой области градиента плотности газа 11 и ее мгновенной турбулизацией (фиг. 3).
Для примера графики зависимостей размера «области перетяжки пламени» при диффузионном горении микроструи водорода (сопло: d=0,5 мм) от направления и скорости ее истечения при стабильном горении во всей рабочей области турбулентного факела показаны на фиг. 4. Данный пример демонстрирует особенности развития пламени и «области перетяжки пламени» в процессе диффузионного горения ламинарной микроструи водорода в зависимости от скорости ее истечения и пространственной ориентации.
Способы по Варианту 1 и 2 реализуется следующим образом.
Способ стабилизации диффузионного горения в газовой горелке по Варианту 1 заключается в генерации микроструи водорода в коническом микросопле горелки с расчетной скоростью истечения по известному соотношению: U=Q/S, где Q - расход водорода, S - площадь выходного сечениях [4]. Согласно изобретению струю водорода генерируют в сопле с диаметром на срезе сопла от 0,02 до 0,06 мм, осуществляют поджиг струи водорода непосредственно на срезе сопла, где образуется устойчивая зона перемешивания струи с воздухом и горение ее в виде присоединенного факела, при этом факел прогревает часть сопла и обеспечивает стабильное ламинарное горение, как на срезе сопла, так и во всей рабочей области факела.
Микрогорелка обеспечивает стабилизацию пламени при горении водорода до больших скоростей его истечения (близких к скорости звука), сохраняя ламинарный характер развития пламени и малом угле его распространения (около 5 градусов). При этом, температура составляющих компонент продуктов сгорания топлива может превышать 500°C и доходить до 1100°C в на выходе из микросопла.
Использование предлагаемого способа стабилизации горения водорода в газовой горелке позволяет повысить устойчивость факела к срыву вплоть до трансзуковой скорости струи водорода и его теплонапряженность путем обеспечения диффузионного горения. Горение факела ламинарное (обеспечивает расходимость всей рабочей области факела не более 5 градусов)
Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности использования заявляемого изобретения для ювелирных работ путем формирования стабильного узконаправленного высокотемпературного пламени для тонких ювелирных изделий не пережигая их.
Способ стабилизации диффузионного горения в газовой горелке по Варианту 2 заключается в генерации струи водорода в коническом сопле горелки с расчетной скоростью истечения по известному соотношению: U=Q/S, где Q - расход водорода, S - площадь выходного сечениях [4]. Согласно изобретению струю водорода генерируют в сопле с диаметром на срезе сопла от 0,1 до 3 мм, осуществляют поджиг струи водорода непосредственно на срезе сопла, где образуется устойчивая зона перемешивания струи с воздухом и горение ее в виде присоединенного факела, при этом факел прогревает часть сопла и обеспечивает стабильное ламинарное горение на срезе сопла. С ростом скорости истечения микроструи размер «области перетяжки пламени» уменьшается при сохранении стабильного горения во всей рабочей области турбулентного факела.
Способ стабилизации горения водорода по Варианту 2 до больших скоростей его истечения (близких к скорости звука) обеспечивает турбулентный характер развития пламени в рабочей области факела, при расходимости факела не более 15 градусов, которая может быть использована для прогрева изделий перед дальнейшей обработкой, например сваркой. При этом, температура составляющих компонент продуктов сгорания топлива может превышать 500°C и доходить до 1100°C на выходе из микросопла.
Источники информации:
1. Патент RU 2152559, F23D 14/22, 1996 г;
2. 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;
3. 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. - прототип
4. Д.С. Горшенин, А.К. Мартынов Руководство к практическим занятиям в аэродинамической лаборатории // Издательство Машиностроение, Москва 1967, 224 С.