ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2010, том 431, № 2, с. 188-190
= МЕХАНИКА
УДК 534.2: 546.2
НЕПРЕРЫВНАЯ И ПУЛЬСИРУЮЩАЯ ДЕТОНАЦИЯ УГОЛЬНО-ВОЗДУШНОЙ СМЕСИ © 2010 г. Ф. А. Быковский, С. А. Ждан, Е. Ф. Ведерников, Ю. А. Жолобов
Представлено академиком В.М. Титовым 03.09.2009 г. Поступило 17.09.2009 г.
Идея и первая реализация непрерывного спинового детонационного горения в камере кольцевой геометрии принадлежит Б.В. Войцеховскому [1, 2]. В топливно-воздушных смесях (для газообразных и жидких топлив) режимы непрерывного детонационного сгорания в плоскорадиальной кольцевой камере впервые были осуществлены в работе [3]. В настоящее время к возможностям детонационного сжигания топлив для его использования в энергетических установках проявляют повышенный интерес специалисты.
Цель данной работы — реализация непрерывного сжигания в воздухе твердого топлива в спиновых (вращающихся) и/или пульсирующих детонационных волнах. В качестве твердого топлива использовался измельченный древесный активированный уголь.
Исследования проводили в камере 1, которая представляла собой полузамкнутый объем, ограниченный стенками: одной цилиндрической диаметром йл = 204 мм и двумя плоскими радиальными, расположенными на расстоянии Н = 15 мм (рис. 1). Для выхлопа продуктов реакции в одной из плоских стенок имелось отверстие 2, диаметр которого варьировался в различных опытах — йс2 = 50, 70 или 100 мм. Воздух и частицы угля подавались в камеру через ряд отверстий, равномерно распределенных по цилиндрической стенке. Для подачи воздуха было 100 отверстий 3 сечением 1 х 2 мм2, направленных под углом 60° к радиусу, угля — 60 отверстий 4 сечением 1 х 1.2 мм2, расположенных в направлении радиуса. Для равномерного распределения воздуха и частиц угля по отверстиям служили кольцевые коллекторы 5 и 6. Воздух в коллектор 5 поступал из ресивера объемом УгА = 10 л (на рис. 1 не показан), а частицы угля в коллектор 6 — из расходомера 7, представляющего собой поршневую систему с датчиком перемещения поршня 8. Давление на пор-
Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева Сибирского отделения Российской Академии наук, Новосибирск
Новосибирский государственный университет
шень осуществлялось водородом, поступающим из ресивера УгН = 4.1 л (на рис. 1 не показан). Часть водорода через байпас 9 подавалась в трубопровод 10 и газифицировала поступающий в коллектор 6 уголь. Выдавливание остатков угля из коллектора 6 после перемещения поршня в крайнее правое положение происходило через второй байпас 11, имеющий такую же площадь сечения, как и трубопровод 10 (Б( = 2 см2).
При истечении воздуха из ресивера в течение опыта от начального ргА0 = 80 • 105 Па до конечного давления ргА = 30 • 105 Па его расход, определяемый по методике [4], изменялся в диапазоне 0А = 4—1.04 кг/с. В расходомер 7 загружалось 80 г угля. Начальное давление водорода в ресивере устанавливалось ргН0 = 80 • 105 Па и за время подачи угля в камеру ^ ~ 0.25 с) изменялось в пределах ргН = (63—26) • 105 Па. При этом расход угля в среднем составлял Ос ~ 0.3 кг/с. Подача водорода через байпас 9 происходила сквозь калиброванный насадок диаметром 3 мм, установленный на выходе. Истечение предполагалось критическим, и в процессе детонации расход изменялся пропорционально давлению в ресивере — ОН = 15—12 г/с, т.е. не превышал 5% от расхода угля и 1% от расхода воздуха.
Сначала в камеру подавался уголь, а затем воздух. Как только в камере устанавливалось течение воздуха, срабатывала система инициирования. Образующаяся топливно-воздушная смесь воспламенялась разрядом конденсатора на алюминиевую полоску фольги, установленную на электроде 12. Энергия разряда составляла около 5 Дж. Продукты сгорания вытекали в атмосферу.
Для фотографирования процесса в одной из стенок камеры располагались два окна из органического стекла 13 длиной 68 мм, расположенные вдоль радиуса. Фотосъемка производилась с помощью фоторегистратора с падающим барабаном [5], в котором направление движения пленки было перпендикулярно длинной стороне окон 13. Длина окна служит масштабом происходящих процессов в камере. Измерялись давления: в ресиверах воздуха ргА и водорода ргН, коллекторах воздуха ртА и угля ртС, средние статические на
НЕПРЕРЫВНАЯ И ПУЛЬСИРУЮЩАЯ ДЕТОНАЦИЯ
189
Рис. 1. Схема камеры и системы подачи воздуха и угля.
стенках камеры рс1, рс2, рс3 и рс4, на расстояниях вдоль радиуса 98, 80, 60 и 50 (40) мм от центра (14), соответственно. Реостатным датчиком 8 регистрировалось перемещение поршня. Сигналы с датчиков записывались и обрабатывались компьютером.
Угольный порошок был произведен на дисковой мельнице Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН. Размеры частиц измеряли вручную на компьютере с точностью 0.5 мкм. На выделенной площади, содержащей 414 частиц, определяли количество частиц одного характерного размера и находили их процентное содержание ко всему количеству частиц (рис. 2). Видно, что наибольшее количество частиц имеет размер около 5 мкм. Частицы крупнее 22 мкм полностью отсутствуют, но отдельные конгломераты частиц достигают и больших размеров — до 60 мкм. На рис. 2 представлена и фотография более крупной частички этого же угля, раздробленного на шаровой мельнице в Новосибирском государственном университете, показывающая форму частицы и ее внутреннюю структуру. Частицы плоские, имеют толщину несколько микрометров, неровные края и насквозь пронизаны порами размером около 2 мкм. На фотографии более мелкого масштаба в самых крупных частичках также просматриваются поры такого же размера. Насыпная плотность угольного порошка составляла 0.27 г/см3, но после подачи его в коллектор 6 и подмешивания водорода плотность смеси уменьшалась. По оценке удельный объем водорода в коллекторе 6 при ртС = 20 • 105 Па составляет vя - 2.5 • 102 см3/г, а угля — vC - 2 см3/г. Таким образом, в коллекторе образуется газовзвесь частиц угля со средней плотностью смеси Рсм - 70 кг/м3.
Реализована непрерывная детонация угольно-воздушной смеси с добавкой водорода. В задан-
ном диапазоне расходов и установке выходных отверстий а?2с = 70 или 100 мм наблюдалась непрерывная спиновая детонация с поперечными детонационными волнами (ПДВ). Скорость детонационных волн относительно цилиндрической поверхности составляла В = 1.8—1.6 км/с. В камере с выходным отверстием а?2с = 50 мм наблюдалась пульсирующая детонация с радиальными волнами и частотой/ - 4.8 кГц. На рис. 3 представлены типичные фоторегистрограммы этих режимов. Структура ПДВ и течение в их окрестности на фо-торегистрограмме (рис. 3а) искажены, так как линейные скорости волн, движущихся в тангенциальном направлении, уменьшаются к центру.
В рассмотренном непрерывном спиновом режиме угольно-воздушная смесь сжигается в двух ПДВ (п = 2), так как волны одновременно проходят против окон камеры. На первой дорожке,
Рис. 2. Распределение частиц по размерам с фрагментами фотографий частиц древесного угля, снятых микроскопом.
190
БЫКОВСКИЙ и др.
Рис. 3. Фоторегистрограммы детонации угольно-воздушной смеси (фрагменты); а: спиновая детонация, а?2С = 100 мм, Оа = 2.6 кг/с, ф я 1.3, Б = 1.6 км/с, п = 2; б: пульсирующая детонация с радиальными волнами, а?2С = 50 мм, Оа = 2.5 кг/с, ф я 1.4, / = 4.8 кГц.
снятой через верхнее окно, волны движутся слева направо, а на нижней — справа налево и их изображения перемещаются противоположно направлению пленки. Поэтому волны на нижней дорожке размыты и слабее засвечивают пленку. Детонационный фронт ВС занимает примерно половину окна, а это соответствует половине длины стенки от цилиндрической поверхности до выходного отверстия камеры (см. рис. 1). Шлейф СБ представляет собой ударную волну, движущуюся по продуктам реакции. Прослеживаются две ударные волны: предвестник АВ, примыкающий к детонационной волне ВС в точке В, и косая волна МЫ, затормаживающие перерасширенный поток в радиальном направлении. Порции сгоревшей смеси во фронте ВС проходят через косую волну МЫ, попадают в предвестник АВ и шлейф СБ следующей волны, а затем покидают пределы камеры. В месте отражения косой волны МЫ от цилиндрической стенки происходит повышение свечения, возможно, связанного с частичным возгоранием свежей смеси.
На развертках пульсирующих волн (рис. 3б) видны периодически повторяющиеся пучности свечения А и В, симметрично расположенные относительно центра камеры. Радиальная детонационная волна А доходит до цилиндрической стенки, отражается от нее, сносится вниз по потоку до 1/3 длины окна и снова продвигается к цилиндрической стенке. И эти циклы повторяются с частотой / = 4—4.8 кГц. У выхода из камеры синхронно с радиальными волнами видны периодические повышения яркости В, природу которых можно объяснить торможением продуктов и повышением их температуры, возможно, в скачке уплотнения.
Непрерывная спиновая детонация при ёс2 = = 100 мм наблюдалась в диапазоне расходов воздуха Оа = 3.2—2.6 кг/с, коэффициента избытка го-
рючего по углю ф = 1.1—1.6, рс1 = (9.3—6.8) • 105 Па. В камере с выходным диаметром ёс2 = 70 мм непрерывная спиновая детонация существовала при меньших расходах воздуха (Оа = 2.4—1.7 кг/с), но более высоких концентрациях угля (ф = 1.44— 2.04) и давлений в начале камеры рс1 = (12.5— 11.2) • 105 Па. Однако на краю выходного отверстия камеры давления для обеих камер были близки рс4 ~ 9 • 105 Па.
При пульсирующей детонации (^2с = 50 мм) и тех же расходах воздуха, что и для непрерывной спиновой детонации, процессы в камере протекали при больших в 1.5—2 раза давлениях. Наибольшая частота пульсаций и скорости ПДВ наблюдалась при ф = 1.5 ± 0.2 и расходе водорода, подмешиваемого в уголь, ОН ~ 15 г/с.
Таким образом, в вихревой плоскорадиальной камере впервые реализована непрерывная спиновая и радиальная пульсирующая детонации угольно-воздушной смеси с добавкой водорода (менее 5% к расходу угля и 1% к расходу воздуха), позволяющего осуществить подачу частиц угля и начальную реакцию в газовой фазе.
Работа выполнена при финансовой поддержке программы Отделения РАН (проект 1.1.4) и фонда Президента РФ по поддержке ведущих научных школ (НШ 1886.2008.1).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.