А.А. Кузнецов, н.Г. Конопасов artemi-k@mail.Ru конструкционные и технологические характеристики установок метеотрон

Приводятся основные конструкционные решения и особенности открытого объемного горения авиационного топлива в специальных стационарных установках метеотрон для достижения максимально бехдымного горения (без копоти) с минимальными потерями тепловой энергии на тепловое излучение пламени и вертикальной нагретой струи

Ключевые слова: метеотрон, горение, нагретая струя

Целью работ являлось создание мощного пламени и вертикальной струи нагретой без копоти. Отсутствие копоти имеет как минимум два преимущества: экологическая чистота и возможность оценивать выделяемую мощность по теплотворной способности топлива с учетом только радиационных потерь.

Для достижения цели работы нет необходимости измерять температуру пламени. Для исследования процессов зарядки сажевых частиц и при зондовой диагностике можно оценить температуру электронов, а для учета радиационных потерь при определении высоты подъема струи необходимо определить величины лучистых тепловых потоков. Связано это с тем, что пламя метеотрона очень неоднородное по температуре. Это заметно по распределению цвета пламени. Поэтому достаточно оценивать температуру пламени. В начальном сечении цвет струи светло-желтый, пламя прозрачное, поэтому температуру здесь следует ожидать около 2000 -2200K (при стехиометрическом значении 2300K). Другая крайняя граница температурного диапазона 1300 – 1600 K характеризует реакционную область пламени (факела отдельных форсунок) и имеет цвет оттенков желто- красного. К тому же цвет пламени сильно меняется при работе метеотрона.

Вокруг мощных распределенных по поверхности пламен по истечении определенного времени организуется устойчивое макроциркуляционное движение воздуха [1 – 5], а также локальные микроциркуляционные вихревые течения на кромке пламен [6]. После 10-15 минут работы (в зависимости от метеоусловий) температурный диапазон смещается в сторону больших температур. В начальном сечении струи цвет пламени становится белесым (свыше 2100K), что само по себе указывает на отсутствие крупных сажевых частиц и на присутствие очень мелких сажевых частиц, а в реакционной зоне форсуночных факелов – желтым (1700 – 1900 K). В начальном сечении пламя теряет свою излучательную способность [Гейдон].

При проведении экспериментов с метеотроном V [7] регистрировались метеопараметры в стационарной точке (метеомачта) на высоте 8 м и на расстоянии 25 м от кромки пламени. По результатам регистрация скорости и направления перемещения воздушных масс при работе метеотрона можно сделать однозначный вывод об установлении устойчивого макроциркуляционного течения вокруг факела пламени метеотрона за время 10 – 15 мин в зависимости от параметров невозмущенной среды. Мощность в сравнении с [1 – 5], но размер значительно меньше.

Модель «горение на каплях» соответствует концепции развития факела как продвижения в газе комплекса капель, испытывающих аэродинамическое сопротивление [8]. В модели факела различаются зона фронта и зона шлейфа [9]. Фронтальная, более плотная, часть топливно-воздушной смеси перемещается в среде, принимая на себя усилия от аэродинамического сопротивления воздуха. Шлейфовая часть струи держится за головной со скоростью впрыска и, испытывая в спутном потоке газа меньшее сопротивление, догоняет и непрерывно ее подпитывает [10].

Для столь крупномасштабной турбулентности исчезает привычное понятие фронта пламени. Зона горения или зона реакции представлена совокупностью горящих молей частично перемешанного топлива. Размеры этих молей уменьшаются по высоте факела [11].

Хронологически последовательные типы и модификации при эволюции установок типа метеотрон приведены в таблице 1, а их основные конструкционные особенности представлены в таблице 2.

Таблица 1. Основные характеристики установок типа метеотрон

Тип и модификация метеотрона	Тепловая мощность, МВт (расч.)	Топливо	Расход топлива, л/с	Перепад давления ∆р на форсунке, атм	Площадь тепловыделения, м2	Задымление, балл
Система «FIDO» [12 - 15]	1800	Бензин (авиац.)	Более 41,7 кг/с	-	50*1000	20
Метеотрон Dessens [4, 12-14]	700	Дизельное (газойль)	16,7 кг/с	60	3000	100
Метеотрон Dessens (модификация) [4]	1000	Дизельное (газойль)	29,2	59	140*140	100
Метеотрон I.1	80	Дизельное	2	90	180-230	30
Метеотрон I.2	80	Дизельное	2	90	50	30
Метеотрон I.3	240	Дизельное	2.3 = 6	90	150	30
Метеотрон II	110	ТС-1	2,5	100	75	30
Метеотрон III	150	ТС-1	3,4(6,02)	100 (до 250)	4 (5)	30
Метеотрон IV	260	ТС-1	6,02	100 (до 250)	50	10
Метеотрон V	400	ТС-1	9,42	100 (до 250)	120	1 - 5
Метеотрон VI	400	ТС-1	9,42	100 (до 250)	20	5

При оценке задымления при работе на номинальном режиме случай наиболее сильного задымления был принят за 100 баллов. Остальные оценки являются сравнительными с данным либо по фотографиям работающих установок, либо по визуальным наблюдениям.

Керосин-газойль (Т-5, Т-6, RJ-1 вероятно, как в установке Дессенса) – дизельное топливо из ароматических нефтей: ρ = (0,84 – 0,86)^.10³ кг/м³, Q_н =10170 – 10300 ккал/кг [16-18] или 42612 – 43157 кДж/кг.

Таблица 2.

Общие сведения и конструкционные особенности установок типа метеотрон

Тип и модификация метеотрона. Место, год	Тепловыделящие элементы	Конструкция и расположение подвода топлива	Основное применение
Система«FIDO»[15] Англия (с 1943), Франция (Орли)	Отверстия, распределенные вдоль трубопровода	Два линейных трубопровода с горелками вдоль ВПП аэродрома	Искусственное рассеяние тумана
Метеотрон Dessens Франция, плато Lannemezan (1962, 1964, 1971-1973)	100 горелок. В цилиндрических барабанах форсунки с зажиганием электрической искрой. Скорость восходящего потока 10 м/с	Трубопровод в форме правильного шестиугольника на штативах (~ 1м)	Торнадоподобные завихренности (1962), создание кучевых облаков (1964), изучение искусственных конвективных факелов (Benech, 1971-1973)
Метеотрон Dessens (модификация)[4] (1978-1979)	105 горелок. Высота пламени горелки 5 -10 м, диаметр 1 м	Три автономных трубопровода, расположенные по спирали на штативах	Исследование больших завихренностей в факелах
Метеотрон I.1 Россия (1968)	17 ц/б форсунок с теплообменниками. Два шестеренчатых насоса НШ-4Н	Плоская спираль на штативах (1,4 м)	Проветривание открытых угольных карьеров
Метеотрон I.2 Россия (1969)		Поворотная стрела
Метеотрон I.3 Россия (1970)	3.17 = 51 ц/б форсунок с теплообменниками	3 соосных поворотных стрелы
Метеотрон II Россия (1978)	10 ц/б шнековых форсунок с теплообменниками	Круговой трубопровод на штативах (1,5м)	Исследование режимов горения, выбор режима полного сгорания топлива
Метеотрон III Россия (1979-1990)	Одна ц/б шнековая форсунка с теплообменником. Шнек сменный для двух расходов.		Исследование режимов горения и вихреобразования
Метеотрон IV Россия (1980)	22 струйных форсунки с 4-мя отверстиями ø 0,8 мм	Трубопровод в форме эллипса на штативах (1 м)	Исследование режимов горения и вихреобразования, отсутствие копоти
Метеотрон V Россия (1980-1983)	11.2 + 5.2 = 32 струйных форсунки с 4-мя отверстиями ø 0,8 мм	Два линейных трубопровода с форсунками на штативах (4, 6, 8 м)	Микроклимат, вихреобразование, отсутствие копоти, физические поля. Кучевые облака, динамическая структура струи, когерентные структуры
Метеотрон VI Россия (1983-1986)	108 отверстий ø 0,8 мм, распределенные вдоль трубопровода	Линейный трубопровод с отверстиями на штативах (~ 5 м)

В таблицах приведены данные о реальных установках с регулируемой производительностью и мощностью тепловыделения. Поэтому данные о проектах («Суперметеотрон» [19]) и о крупномасштабных экспериментах по созданию естественно-конвекционных струй в свободной атмосфере при горении распределенных костров [20], газовых факелов [21], естественных и искусственных пожаров [1, 2], горению топлива с поверхности («горение в лужах») [22] не приводятся.

Одним из основных параметров формирования естественно-конвективной вертикальной струи является площадь тепловыделения.

Если при оценке площади тепловыделения при работе метеотрона для естественных пожаров [1], солнечных метеотронов [12] и т.п. вопросов не возникает, то для тепловых устройств метеотронного типа методы определения площади тепловыделения не адекватны. При этом рассматриваются несколько вариантов: 1. Если струи от распределенных на поверхности земли источников на своем активном участке объединяются в общую тепловую колонну, то за площадь тепловыделения принимать площадь, ограниченную расположением крайних источников. 2. Площадью тепловыделения считать сумму горизонтальных сечений факелов пламен от всех источников. 3. По суммарной мощности тепловыделения и высоте подъема тепловой колонны смоделировать эквивалентный по мощности точечный мнимый источник, располагающийся на некоторой глубине. Площадь сечения активного участка струи от него на поверхности земли считать эквивалентной площадью тепловыделения [3].

Тип и модификация метеотрона	Геометрические характеристики нагретой струи	Расход топлива на единицу площади тепловыделения, кг/с.м2
Система «FIDO» [12 - 15]	Составная плоская	0,000834
Метеотрон Dessens [12-14]	Составная с осевой симметрией	0,00567
Метеотрон Dessens (модификация)[4]	Составная с осевой симметрией	0,0015
Метеотрон I.1	Составная	0,00787
Метеотрон I.2	Составная	0,0315
Метеотрон I.3	Составная	0,0315
Метеотрон II	Составная с осевой симметрией	0,0262
Метеотрон III	С осевой симметрией	0,67 (0,95)
Метеотрон IV	Составная плоская	0,095
Метеотрон V	Составная плоская	0,062
Метеотрон VI	Составная плоская	0,37

Таблица 3 Характеристики нагретой струи метеотрона

Для корректного представления площади тепловыделения должны пересекаться форсуночные факела соседних и противолежащих участков трубопровода, поэтому следует использовать парные струйные форсунки с n_min = 4 числом отверстий на их конусной части. Тогда оси форсунок каждой пары будут наклонены под углом к вертикали.

Библиографический список

1. Adams J.S., Williams D.W., Tregellas-Williams J. Air velocity, temperature, and radiant-heat measurements within and around a large free-burning fire// 14-th symp. (Int.) on combustion. Combustion Institute. 1973. – P. 1045-1052

2. Palmer Т.V., Large Fire Winds, Gases and Smoke. - Atmos. Env., 1981. v. 15, N 10-11,. p. 2079-2090.

3. Carrier G.F., Fendell F.E., Feldman P.S. Big Fires. -Comb. Sal. and Tech;, 1984, v.39, p. 136-162.

4. Church C.R., Snow J.T., Dessens J. Intense Atmospheric Vortices Associated with a 1000-MW Fire. - Bull, of Amer. Meteorol. Soc., 1980, v. 61. N 7, p. 682-694.

5. Валендик Э.Н., Матвеев П.М., Софронов М.А. Крупные лесные пожары. М.: Наука, 1979.

6. Новиков Е.А. О динамике вихревой диффузии// Изв.АН СССР. ФАО, 7, № 10, 1971. –С.1087-1089

7. Кузнецов А.А., Бухарова О.Д. Динамика макропроцессов в пламени и нагретой струе // Физика горения и взрыва. 2001. Т. 37, № 1. -С. 35-41.

8. Рассолько Г.А. Изв. Вузов. «Машиностроение», 1967, 3, 50

9. Гриншпан А.З., Романов С.А., Свиридов Ю.Б. Тр. ЦНИИ Топливной аппаратуры. Вып. 64., Л., ЦНИТА, 1975

10. Баев В.К., Бажайкин А.Н., Болдырев И.В., Бузуков А.А., Терентьев В.А., Тимошенко Б.П. Начальная стадия развития топливного факела, выброшенного из форсунки под большим давлением // ФГВ, № 1, 1979. С. 26-31.

11. Щелкин К.И. О сгорании в турбулентном потоке//ЖТФ. т. 13, вып. 9 – 10, 1943. – С. 520-530

12. Качурин Л.Г. Физические основы воздействия на атмосфер­ные процессы. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. - 365 с.

13. Кирюхин Б.В., Красиков П.Н. Дождь и снег по воле челове­ка., Л.: Гидрометеоиздат, 1963.- 111с

14. Дессенс А. Можем ли мы изменить климат?/Пер. с франц. С.А. Тартаковской и Б.М. Воробьева. Под ред. Л.Г. Качурина. Л.: Гидрометеоиздат.1969. –119 с.

15. Скорер Р. Аэрогидродинамика окружающей среды: Пер. с англ. В.А. Хохрякова и Л.К Эрдмана/Под ред. А.Я. Прессмана, М.: Мир, 1980.- С.549

16. Дубовкин Н.Ф. Справочник по теплофизическим свойствам углеводородных топлив и их продуктов сгорания. – М.-Л: Госэнергоиздат, 1962. – 288 с

17. Нефтепродукты (Справочник). /Под ред. Лосикова Б.В. М.: Химия, 1966.- 776 с.

18. Зрелов В.Н., Пискунов В.А. Реактивные двигатели и топ­ливо. М.: Машиностроение.1968.- 312с

19. Шипилов О.И. Исследование вертикальной турбулентной струи и сжимаемого газа. //Труды ИПГ, М.: Гидрометеоиздат, Вып. 8. 1984.- 74 с.

20. Грачев А.И., Мордухович М.И. Обрезов А.И. Экспериментальные исследования распространения инфразвуковых волн вдоль земной поверхности.// X Всесоюзн. акуст. конф, Тез. докл. М. 1983.-С.45-48.

21. Ахметов Д.Г. Оценка расхода горящих газовых фонтанов по высоте диффузионного факела // ФГВ, № 6, 1994.- С. 25-28.

22. Гостинцев Ю.А. и др. Горение нефти на водной поверхности (крупномасштабный эксперимент)// ФГВ, Т. 19, № 4, 1983. – С. 36-39.

23. Morton B.R., Taylor G.I., Turner J.S. Turbulent gravitational convection from maintained and instantaneous sources. Proc. Roy. Soc., London, Ser. A, v. 234, No. 1196. 1956.- P. 1-23