В настоящее время для получения в значительных количествах тепловой энергии по-прежнему используется сжигание органического топлива. Основной проблемой при этом является загрязнение окружающей среды продуктами неполного горения (CO, CxHy, сажа) и побочными продуктами реакции (NOx). Интенсификация процессов горения органического топлива, с целью обеспечить полноту сжигания, сопряжена с определенными трудностями, так как достигается за счет улучшения качества топлива и других дорогостоящих мероприятий. При этом реализация большого количества химико-технологических процессов требует использования теплоносителя обладающего высокими теплотехническими показателями без вредных примесей [1].
Перспективным способом организации процесса горения является использование реакционных аппаратов специальной конструкции, в которых горение осуществляется в пульсирующем режиме. Такими устройствами являются аппараты пульсирующего горения (АПГ), в которых ярко выраженная периодичность изменения основных параметров процесса способствует интенсификации тепло-массообмена, что ведет к снижению расхода топлива и уменьшению вредных выбросов. Кроме того, они отличаются простотой конструкции и эксплуатации, малыми габаритами, широкой гаммой используемых топлив. С использованием аппаратов пульсирующего горения можно эффективно решать задачи энерго- и ресурсосбережения, поскольку они имеют высочайший КПД и способны полностью снабжать себя воздухом для горения.
Наряду с интенсификацией собственно процесса горения, использование АПГ позволяет усовершенствовать ряд технологических процессов, такие как нагрев, испарение и сушка, за счет воздействия нестационарного (пульсирующего) газового потока, интенсивных акустических колебаний и вибрационных явлений, характерных для работы данных устройств. Интенсифицирующее действие этих факторов достаточно хорошо известно.
Для экспериментального определения коэффициента полезного действия АПГ по высшей теплоте сгорания топлива методом косвенных измерений нами разработана и апробирована схема и установка, представленная на рисунке 1.
Рисунок 1 – Схема экспериментальной установки
В установке использованы следующие приборы и оборудование: аппарат пульсирующего горения; источник постоянного тока (Б5-21); блок розжига; воздушный вентилятор; система подачи горючего баллонного типа; термопара TXA008-000; ПИД регулятор типа ТРМ 101; термометр воздушный; скоростная трубка Пито-Прандтля с поправочным коэффициентом (k2 = 0,95); многопредельный микроманометр ММН-240; газовые редукторы (БПО-5-3, Л12); свеча зажигания А17ДВ; соединительные провода и шланги.
Установка (рисунок 1) работает следующим образом. С использованием блока розжига получают искру на свече зажигания. Далее подается стартовый воздух от внешнего вентилятора через аэродинамический клапан и открывается подача горючего, например пропан-бутановой смеси, в камеру сгорания. Топливная смесь воспламеняется, в результате чего происходит повышение давления в камере сгорания АПГ. Продукты сгорания расширяются в резонансную трубу. Инерционное истечение продуктов сгорания по длинной резонансной трубе вызывает разряжение в камере сгорания, что обеспечивает приток воздуха через аэродинамический клапан. Таким образом, цикл работы повторяется, и АПГ работает в режиме резонансных автоколебаний. После выхода АПГ на устойчивый пульсирующий режим работы электрическая свеча и внешний вентилятор отключаются.
Следует заметить, что предлагаемая методика служит для оценки эффективности использования располагаемой теплоты топлива в режиме пульсирующего горения и, фактически, позволяет оценить потери внутренней энергии топлива в результате:
- химического недожога,
- механического недожога,
- переноса тепла в окружающую среду с нагретых стенок АПГ,
- термоакустической генерации звука.
Предлагаемый экспериментальный метод так же учитывает, что теплоты сгорания (высшая, низшая) определяется при стехиометрическом соотношении компонентов топлива, а устройства пульсирующего горения в большинстве случаев проектируют на работу на обедненных топливных смесях с избытком окислителя (воздуха).
Для расчета КПД АПГ необходимо выполнить измерения и произвести расчет по следующему алгоритму.
1. Рассчитывают величину динамического давления в потоке продуктов сгорания на выходе из резонансной трубы, [Па]
где g – ускорение свободного падения; h – высота подъема жидкости в измерительной трубке микроманометра; k1 – поправочный коэффициент, учитывающий угол наклона измерительной трубки микроманометра; k2 – поправочный коэффициент трубки Пито-Прандтля; k3 – поправочный коэффициент, учитывающий соотношение плотностей жидкости, залитой в микроманометр, и чистого спирта.
2. Определяют скорость продуктов сгорания в ядре потока на выходе из резонансной трубы, [м/с]
где kп – коэффициент увеличения динамического напора в пульсирующем потоке (kп = 1,25); ρпс – плотность продуктов сгорания, кг/м3. Плотность и другие теплофизические свойства газа в резонансной трубе получают в результате термодинамического расчета процесса горения заданной топливной смеси, например по методике, представленной в справочнике [2], с учетом измеренной температуры продуктов сгорания на выходе tпс, °С.
3. Рассчитывают массовый расход продуктов сгорания на выходе из резонансной трубы, [кг/с]
где β – коэффициент распределения скоростей по сечению потока ( β = 0,96); F – площадь сечения резонансной трубы АПГ, м2.
4. Определяют количество тепла генерируемого АПГ, [Вт]
где cpпс – удельная теплоемкость продуктов сгорания при температуре tпс, Дж/(кг·К), tв – температура окружающего воздуха, °С. Средняя величина удельной теплоемкости продуктов сгорания также определяется термодинамическим расчетом (по рекомендациям п. 2) .
5. Рассчитывают количество располагаемого тепла, выделяющегося при сгорании “идеальной” топливной смеси, [Вт]
где Wвр – высшая теплота сгорания топлива, Дж/кг; Gт – расход топлива, кг/с.
6. Определяют КПД АПГ
7. Определяют потери тепла, [Вт]
Qп = W – Qпс.
Разработанная схема, установка и методика экспериментального определения измерений эффективности использования располагаемой теплоты топлива в режиме пульсирующего горения показали, что АПГ на различных видах топлива позволяют обеспечить КПД сжигания η=0,94 – 0,96.
Библиографический список
- Баранов А.А. Кинетика газодинамических и тепловых процессов в аппаратах пульсирующего горения с аэродинамическим клапаном : автореферат дис. … кандидата технических наук : 05.17.08. – Тамбов, 2000. – 16 с.
- Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания. Справочник / Под ред. В.П. Глушко. – М.: АН СССР ВИНИТИ. 1971. т.1.
- Баранов Андрей Алексеевич. Кинетика газодинамических и тепловых процессов в аппаратах пульсирующего горения с аэродинамическим клапаном: автореферат диссертации кандидата технических наук : 05.17.08. – Тамбов, 2000. – 16 с.
Количество просмотров публикации: Please wait