Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Актуальные проблемы энергосбережения. Физико-химические процессы в углеводородном моторном топливе, инициируемые гидродинамическим активатором. Учебно.pdf
41
42
Рис. 3.4. Комбинированный универсальный статический смеситель-активатор.
Патент РФ № 2550203 [18]
3.3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ
И ГОРЕНИЯ КАПЕЛЬ ВТЭ И МЕХАНОАКТИВИРОВАННОГО
ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА (АДТ)
Выполнение экспериментов по изучению горения капель ВТЭ, АДТ
и исходного дизельного топлива проводилось с помощью разработанной
в ИХФ «капельной методики» [19 – 21]. Согласно этой методике капля
исследуемого энергоёмкого вещества наносилась на спай микротермопары
(см. рис. 3.5 и 3.6). Термопара с каплей устанавливалась внутрь реакционной
камеры, нагретой до заданной температуры. Сигнал от термопары с каплей
после соответствующего усиления регистрировался на шлейфовом осциллографе. Одновременно осциллограф записывал сигнал от датчика светового
излучения от капли (фотодиод ФД10К).
Этот метод позволяет получать значения температуры, характеризующие различные стадии процесса нагревания, воспламенения и горения капли,
а также определить температуру продуктов сгорания. Усовершенствование
этого метода сделало возможным осуществлять видеорегистрацию процессов,
протекающих внутри реакционной камеры.
Эксперименты проводились с использованием хромель-алюмелевых
термопар (ТХА) диаметром 75…100 мкм, что позволяло удерживать на спае
43
капли дизтоплива диаметром до 1,5…2 мм. Температура реакционной камеры
могла варьироваться в интервале до 1100 С и дополнительно контролировалась после окончания эксперимента термопарой, удерживавшей каплю.
В большинстве экспериментов температура камеры не превышала 500 С.
Температура воспламенения капли Тi определялась по точке ярко выражен-
ного перегиба на кривой изменения во времени температуры капли
(см. рис. 3.7). Как показывают результаты таких экспериментов, для капель
ВТЭ точка перегиба соответствует температуре, равной 100+/–10 С.
На осциллограмме можно выделить два характерных участка:
1 – относительно медленное изменение температуры капли от начальной
до температуры воспламенения Тi , 2 – сравнительно быстрый рост темпера-
туры от Тi до максимальной T
max
, связанный с горением капли.
Результаты определения средних значений температур воспламенения
различных топлив представлены в табл. 3.2.
Рис. 3.5. Фото капли d = 1,5 мм
исходного дизельного топлива
на термопаре
Рис. 3.6. Фото капли d = 1,5 мм
воднотопливной эмульсии
(30 % воды 70% дизтопливо)
44
Рис. 3.7. Осциллограмма изменения температуры капли ВТЭ
Из данных, представленных в табл. 3.2, видно, что механоактивированное дизельное топливо АДТ № 1 имеет более низкое значение температуры
вспышки по сравнению с другими ДТ. При этом температура воспламенения
воднотопливной эмульсии значительно ниже и близка к температуре кипения
воды. Возможно, что измеряемая температура воспламенения ВТЭ связана
не только с началом интенсивных реакций в газовой фазе, но также с началом
разрушения полидисперсной структуры капли водотопливной эмульсии
(см. рис. 3.8).
3.2. Значения температуры воспламенения Тi капель
дизельного топлива (ДТ), его механоактивированных модификаций
(АДТ) и водотопливных эмульсий (ВТЭ) в воздушной среде
Вид топлива
Ti, C
Примечания
Исходное ДТ 2010 г.
290 ± 10
Температура камеры 460 С
АДТ № 3 2010 г.
290 ± 10
Температура камеры 450 С
Исходное ДТ 2018 г.
290 ±10
Температура камеры 450 С
АДТ № 1 2018 г.
225 ± 10
Температура камеры 450 С
Понижение T
i
АДТ 32 2018 г.
285 ± 10
Температура камеры 460 С
ВТЭ (33% H2O)
100 ± 10
Температура камеры 460 С
45
Рис. 3.8. Фото, демонстрирующее полидисперсную структуру капли эмульсии
дизельного топлива с водой (ВТЭ 67/33, срок хранения 8 месяцев),
что косвенно подтверждает высокое качество приготовления ВТЭ
и её продолжительную живучесть, в случае её приготовления с помощью
комбинированного универсального статического смесителя-активатора [18]
а) б) в)
Рис. 3.9. Фотографии последовательных стадий процесса воспламенения
и горения капли ВТЭ
46
В дополнение к регистрации изменения температуры одиночных капель
проводилась видеорегистрация процесса внутри реакционной камеры. Фотографии, представленные на рис. 3.9, а, б, в, соответствуют последовательным
стадиям процесса воспламенения и горения капли ВТЭ: началу воспламенения, отрыву и падению капли, а также взрывному сгоранию капли
(временной интервал между кадрами 30 мс).
Рисунок 3.9, б свидетельствует, что принятая нами за температуру воспламенения капли ВТЭ точка перегиба на зависимости температуры капли
от времени (100+/–10 С), соответствует моменту отрыва капли от термопары,
что, скорее всего, связано с понижением силы поверхностного натяжения
капли из-за её воспламенения. Кроме того, рис. 3.9, б свидетельствует об отсутствии взрыва капли при отрыве от термопары.
Использованная нами методика видеорегистрации не позволяет регистрировать изменение диаметра капли в процессе её сгорания. По этой при-
чине планируются дальнейшие исследования процесса, в том числе с использованием падающей камеры сгорания [22].
Заключение
1. Рассмотрена проблема повышения энергетической эффективности
функционирования тепловых машин при снижении содержания вредных компонент в выхлопных газах. Показано, что решение этой проблемы
возможно с помощью применения водных композиций углеводородных
топлив.
2. Апробирована усовершенствованная технология приготовления
высокостабильных водотопливных эмульсий дизельного топлива, использующая комбинированный универсальный статический смеситель-активатор
(патент РФ № 2550203), а также малые добавки стабилизаторов-эмульгаторов.
3. Экспериментально установлено, что получаемые ВТЭ сохраняют
свою структуру и физико-химические свойства в течение достаточно продолжительного периода времени хранения (свыше 3 месяцев).
47
4. Экспериментально установлено, что температура воспламенения
воднотопливной эмульсии значительно ниже температур воспламенения
дизельных топлив и близка к температуре кипения воды.
Работа выполнена при финансовой поддержке Государственных
заданий Минобрнауки: для ИХФ РАН 49.23 тема 0082-2018-0004 номер
госрегистрации темы – АААА_A18-118031590088-8, а также для ТГТУ
№ 9.7746.2017/БЧ на 2017-2019 гг.
Список использованных источников к главе 3
1. К вопросу воспламенения и сгорания обеднённых смесей в ДВС
с принудительным зажиганием – новый этап / И. Г. Ассовский, О. Б. Рябиков,
В. Ф. Кутенёв, А. В. Шабанов // Труды НАМИ. – 2012. – Вып. 247. –
С. 64 – 75.
2. О горении водных растворов энергоёмких систем / И. Г. Ассовский,
Г. П. Кузнецов, Ю. М. Михайлов // Энергетические конденсированные системы : сб. – Черноголовка–Дзержинский : ИПХФ РАН, 2012. –
С. 15 – 18.
3. Окисление азота при горении / Я. Б. Зельдович, П. Я. Садовников,
Д. А. Франк-Каменецкий. – Москва–Ленинград : Изд-во АНССР, 1947. –
150 с.
4. Pischinger, Franz Soot Formation and Oxidation in Diesel Engines /
Franz Pischinger, Gerhard Lepperhoff, Michael Houben // In “Soot Formation in
Combustion”. Springer Series in Chemical Physics. – V. 59. – Р. 382 – 395.
5. Aizam Shahroni Mohd Arshad Rapid emulsification of a fuel-water
rapid internal mixing injector for emulsion fuel combustion” / Aizam Shahroni
Mohd Arshad, Yuzuru, Nada Yoshiyuki Kidoguchi, Daisuke Asao Shinichiro
Yoshimura // Energy. – 2019. – V. 167. – P. 35 – 46,
6. Иванов, В. М. Топливные эмульсии и суспензии / В. М. Иванов,
Б. В. Канторович. – М. : Металлургиздат, 1963. – 183 с.
48
7. Спейшер, В. А. Повышение эффективности использования газа и
мазута в энергетических установках. (Сер. Экономия топлива и электроэнергии) / В. А. Спейшер, А. Д. Горбаненко. – М. : Энергоиздат, 1982. – 240 с.
8. Корягин, В. А. Сжигание водотопливных эмульсий и снижение
вредных выбросов / В. А. Корягин. – СПб. : Недра, 1995. – 304 с.
9. Пат. 1606725 СССР. Установка для приготовления водотопливной
эмульсии / Завгородний Б. В. (https://patentdb.ru).
10. Горение чистого и эмульгированного топлива / С. М. Фролов,
В. С. Посвянский, В. Я. Басевич и др. ; под ред. В. В. Эфроса и А. Н. Гоца //
Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС : сб. – Владимир : Изд-во ВлГУ, 2001. – С. 29 – 33. – URL : http://
frolovs.ru/pdf/2001-6-rus.pdf.
11. Пат. 2391384 РФ. Способ и устройство получения смесевого топ-
лива (варианты) / Стребков Д. С., Ерхов М. В., Росс М. Ю., Кожевников Ю. А.
12. Пат. 2306447 РФ. Способ и устройство для дозирования и приготов-
ления топливно-водной эмульсии, подаваемой в карбюраторные ДВС / Воробьёв Ю. В., Тетерюков В. Б.
13. Пат. 352805 РФ. Струйно-кавитационный эжектор для приготовле-
ния водотопливной эмульсии / Ломовских А. Е., Воробьёв Ю. В., Дупляк В. П.
14. Пат. 2365618 РФ. Воднотопливная эмульсия / Воробьёв Ю. В.,
Тетерюков В. Б.
15. Воробьёв, Ю. В. Воздействие на моторные топлива приёмами
механохимии для улучшения их эксплуатационных показателей / Ю. В. Воробьёв, А. В. Дунаев // Труды ГОСНИТИ. – 2016. – Т. 123. – С. 45 – 49.
16. Серебряков, Р. А. Композиционное топливо / Р. А. Серебряков,
А. П. Степанов, А. А. Стехин // Проблемы энергообеспечения и энергосбережения : тр. 7-й Междунар. науч.-техн. конф. в ГНУ ВИЭСХ 18–19.05.2010. –
2010. – Ч. 1. – С. 317 – 323.
49
17. Пат. 2391384 РФ. Способ и устройство получения смесевого
топлива (варианты) / Стребков Д. С., Ерхов М. В., Росс М. Ю., Кожевников Ю. А.
18. Пат. 2550203 РФ, B01F13/10. Комбинированный универсальный
статический смеситель-активатор / Воробьёв Ю. В., Воробьёв Ю. Ю. – Заявка
№ 2012153260 ; опубл. 10.05.2015.
19. Critical Conditions for Single Droplets Ignition and Combustion /
I. G. Assovskii, V. I. Kolesnikov-Svinarev, Kuznetsov G. P., YooKim // International Journal of Fluid Mechanics Research. (Begell House). – 1997. – V. 24,
№ 1-3. – Р. 307 – 313.
20. Assovskiy, I. G. Droplets Ignition of Aqueous Solutions of Hydrazine
Nitrate / I. G. Assovskiy, V. I. Kolesnikov-Svinarev, G. P. Kuznetsov // Colloquium
on Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Univ. of Mining and Metallurgy. –
Cracow, Poland, 1997. – P. 600.
21. Капельный метод для определения высокотемпературной кине-
тики разложения энергоёмких жидких композиций / И. Г. Ассовский,
Г. П. Кузнецов, Е. А. Никитин, В. И. Колесников-Свинарев // Современная химическая физика : сб. тез. ХХV конф. – Туапсе : ИХФ РАН, 2013. – С. 28.
22. Кузнецов, Г. П. О горении алюминия, бора и их композиции
в кислород содержащих средах / Г. П. Кузнецов, В. И. Колесников-Свинарев,
И. Г. Ассовский // Горение и взрыв. – 2017. – Т. 10, № 2. – С. 111 – 114.
23. Изделия из СВМПЭ-нанокомпозитов, полученные объёмной штам-
повкой в твёрдой фазе / Г. С. Баронин, В. М. Бузник, С. В. Мищенко
и др. // Тр. XIV Всерос. с междунар. участием школы-семинара по структурной
макрокинетике для молодых учёных имени академика А. Г. Мержанова. –
Черноголовка, 2016. – С. 13 – 20.
24. Полимерные нанокомпозиты и изделия на основе сверхвысоко-
молекулярного полиэтилена (СВМПЭ), полученные объёмной штамповкой
в твёрдой фазе / Г. С. Баронин, В. М. Бузник, С. В. Мищенко и др. // Тр.
VIII Междунар. науч.-инновац. молодеж. конф. – Тамбов, 2016. – С. 28 – 34.
50
25. Твёрдофазная технология переработки СВМПЭ-нанокомпозитов
в изделия и механохимические процессы в углеводородном топливе с использованием гидродинамического механоактиватора / Г. С. Баронин, В. М. Бузник, А. М. Столин и др. // Труды XV Всерос. с междунар. участием школысеминара по структурной макрокинетике для молодых учёных имени академика А. Г. Мержанова. – Черноголовка, 2017. – С. 26 – 31.
26. Формирование структурно-механических свойств материалов и из-
делий из СВМПЭ-нанокомпозитов функционального и конструкционного
назначения в условиях твердофазной технологии / Г. С. Баронин, Ю. В. Воробьёв, Н. В. Ушаков и др. // Космический вызов XXI века. Перспективные материалы, технологии и приборы для космических экспедиций : матер.
8-й Междунар. конф. SPACE-2017. – Адлер, 2017. – С. 49 – 53.
27. О повышении эффективности тепловых машин: перспективная во-
дотопливная эмульсия / Ю. В. Воробьёв, Г. С. Баронин, А. В. Дунаев
и др. // Горение и взрыв. – 2019.
28. О повышении эффективности тепловых машин: перспективная во-
дотопливная эмульсия / Ю. В. Воробьёв, Г. С. Баронин, А. В. Дунаев и др. //
науч. конф. по горению и взрыву : тр. конф. 6 – 8 февраля. – М. : ИХФ РАН,
2019.