Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности и тенденции сжигания биомассы с целью получения тепловой энергии 15
1.1. Современные тенденции в организации и регулировании топочных процессов 15
1.2. Топочные устройства для сжигания растительных отходов 17
1.3. Сжигание топлива в камерных и слоевых топочных установках 21
1.4. Влияние горения на аэродинамическое сопротивление и скорость движения частиц 28
1.5. Цели и задачи исследования 31
1.6. Заключение 31
Глава 2. Характеристика отдельных видов биотоплива 34
2.1. Общая характеристика 34
2.2. Классификация растительных отходов 36
2.3. Физико-механические свойства 40
2.4. Негорючие примеси 46
2.5. Расчет процесса горения топлива 49
2.6 Заключение 51
Глава 3. Воспламенение и горение частиц растительных отходов 53
3.1. Программа и методика работ 53
3.2. Экспериментальные исследования 57
3.3. Условия устойчивого горения взвешенных частиц 69
3.4. Обсуждение опытных данных 72
3.5. Заключение 75
Глава 4. Модельные исследования аэродинамики топочного устройства 78
4.1. Программа и методика исследований 78
4.2. Исследование коэффициента сопротивления горящей частицы 80
4.3. Аэродинамика горящей частицы и параметры топочной камеры 89
4.4. Заключение 97
Глава 5. Теплотехнические исследования топки и топочных процессов 99
5.1. Цели и задачи испытаний 99
5.2. Программа испытаний топки 101
5.3. Методика проведения работ 108
5.4. Исследование сопротивления газоходных систем топочного устройства 117
5.5. Исследование аэродинамических и температурных полей топки 126
5.6. Исследование очаговых остатков 131
5.7. Заключение 135
Глава 6. Обоснование параметров и режимов работы воздухоподогревателя 138
6.1. Основные требования к конструкции и режимам работы 138
6.2. Программа и особенности методики исследования 140
6.3. Обсуждение результатов опытов 144
6.4. Заключение 153
Глава 7. Работа топочного устройства в агрегате с зерносушилкой ск-5 156
7.1. Программа и методика исследований 156
7.2. Результаты испытаний 162
7.3. Заключение 167
Глава 8. Методика расчета параметров топочного устройства 168
8.1. Обоснование методологического подхода к расчету параметров 168
8.2. Комплексный расчет параметров 169
8.3. Расчетные выражения и пределы их применимости 173
Основные выводы и итоги 182
Список использованной литературы 185
- Влияние горения на аэродинамическое сопротивление и скорость движения частиц
- Физико-механические свойства
- Условия устойчивого горения взвешенных частиц
- Исследование коэффициента сопротивления горящей частицы
Введение к работе
Важнейшим направлением развития сельского хозяйства является перевод сельскохозяйственного производства на промышленную основу путем механизации всех трудоемких процессов. В послеуборочной обработке зерна эта задача решается путем внедрения зерносушильных комплексов, позволяющих значительно повысить производительность труда и обеспечить поточные методы обработки зерна. Важнейшим рабочим органом зерносушильных комплексов является топочное устройство. В настоящее время в отечественной сушильной технике сушка и активное вентилирование зерна осуществляется подогретым воздухом, полученным на основе сжигания жидкого топлива в разнообразных топочных устройствах.
На сушку расходуется значительная часть топлива, потребляемого в сельском хозяйстве. В то же время сельскохозяйственное производство дает ежегодно 250млн.т. органических отходов, из них 150млн.т приходится на животноводство и птицеводство, ЮОмлн.т на растениеводство, 70млн.т дает лесо-и деревообработка (все на сухое вещество) [21, 32]. По оценкам Мирового энергетического совета в 2020 году доля возобновляемых источников энергии ВИЭ—солнечной, ветровой, геотермальной, биомассы, океана, рассеянного тепла грунта и др. в части мирового энергетического баланса не превысит 4% по минимальному и 12% по максимальному варианту развития. По данным ЮНЕСКО свыше 1млрд. людей в развивающихся странах пользуются единственно доступными источниками энергии— топливной древесиной и другими факторами биомассы. По проведенным оценкам, на обширной территории России с малой плотностью населения еще невозможно использовать сети Единой энергетической системы.
С 8 по 12 июля 1996г в России был проведен Московский Солнечный Саммит, на котором были представители стран СНГ, Восточной и Центральной Европы, США, ряда международных организаций, банков и промышленных фирм.
По итогам совещания была принята Декларация, в котором в частности отмечено: для большей части населения, особенно в сельской местности, существующая система электроснабжения является недостаточно надежной. Возобновляемые источники энергии—ВИЭ имеют следующие преимущества перед традиционными: значительный социальный эффект радикального улучшения уровня жизни населения в некоторых сельских и отдаленных районах; приспособленность ВИЭ к современной тенденции, направленной на демонолизацию и децентрализацию энергоснабжения; возможность наращивания мощности ВИЭ в результате последовательной установки сравнительно небольших модулей, это позволяет уменьшить риск, связанный с неопределенностью экономического роста.
С 12 по 18 сентября 1996 г. в городе Харара (Зимбабве) прошла Всемирная встреча на высоком уровне по проблемам солнечной энергетики— Всемирный Саммит-Процесс [30]. Приняты документы: «Всемирная солнечная программа на 1996...2005 годы» и «Харарская декларация по солнечной энергетике и устойчивому развитию». На основании проведенных обсуждений и полученных материалов можно сделать ряд выводов и предложений, связанных с развитием возобновляемых источников энергии.
В некоторых регионах России с помощью возобновляемых источников энергии могут быть решены острые проблемы энергоснабжения и улучшены условия жизни населения...
Для промышленно развитых стран основными факторами в пользу развития ВИЭ являются проблемы защиты окружающей среды, диверсификации источников энергии и возможности сбыта своей продукции в развивающиеся страны...
Отечественные разработки в области ВИЭ на стадии НИОКР находятся на достаточно высоком уровне, однако сроки его реализации значительно уступают зарубежным...
Отходы растениеводства являются ценным биотопливом с высокой теплотворной способностью, порядка 13...15МДж/кг с большим выходом летучих веществ, не содержащих серы, что упрощает разработку технологий и технических средств получения подогретого воздуха. Примером применения в энергетике прямого сжигания биотоплива может являться электростанция Мак-Нейл. Это одна из крупнейших электростанций, использующая в качестве топлива биомассу, введена в промышленную эксплуатацию в США более 10 лет назад. В [32] отмечается, что средняя себестоимость электричества на биоэнергетических установках США составляет от 6,5 до 8 центов/кВт-ч. Там же указывается, что средняя мощность соответствующих электростанций в США—20МВт, а их эффективный КПД—25%. Топочные устройства на биотопливе могут найти широкое применение на сельскохозяйственных предприятиях, в частности, при замене теплогенераторов, непроизводительно расходующих дорогое и дефицитное жидкое топливо. В сфере послеуборочной обработки сельскохозяйственной продукции—сушке используют целую гамму сушилок различной мощности: от 0,8 до 2,0МВт. Для агрегатирования с указанными сушилками в настоящее время используют жидкотопливные теплогенераторы ВПТ-400, ВПТ-600, ТГ-1,5, ТГ-0,75, ТГ-2,5, ТГ-3,5, ТАУ-0,75, ТАУ-1,5 и другие. Анализ данных технической характеристики указанных теплогенераторов показывает, что для того чтобы закрыть потребность сушилок сельскохозяйственного назначения в источниках тепла достаточно иметь три типоразмера топочного устройства мощностью 0,3...0,7; 0,8...1,2 и 1,3...2,2МВт. Причем наибольшее распространение найдет топочное устройство мощностью 0,8...1,2МВт, которое целесообразно принять в качестве базового при разработке нового топочного устройства на альтернативном топливе.
В диссертационной работе на материалах самостоятельных исследований и с привлечением опубликованных данных показана целесообразность использования топочных устройств на растительных отходах вместо жидкостных теплогенераторов, выпускаемых промышленностью и посту- пающих на комплектацию сельскохозяйственных сушилок, в частности для колонковой зерносушилки СК-5.
Поставленная цель диссертационной работы решалась на основе: лабораторных исследований процессов горения и аэродинамики частиц растительных отходов; изучения и обобщения физико-механических, аэродинамических и теплофизических свойств растительных отходов как объектов стевдФШЯХ огневых испытаний опытного образца топочного устройства с воздухоподогревателем номинальной мощностью 1,0МВт; хозяйственных испытаний топочного устройства в агрегате с зерносушилкой СК-5.
На защиту выносятся аналитические закономерности стадий воспламенения и выгорания во взвешенном слое частиц лузги подсолнечника и сечки соломы. Значение для науки имеют величина коэффициента сопротивления горящей частицы растительных отходов и его зависимость от числа Рейнольдса, а также математическая модель и метод расчета габаритов топочной камеры по времени выгорания в ней частиц растительных отходов. Практическое значение имеют: технологическая схема процесса сжигания растительных отходов, режимы сжигания, обеспечивающие бесшлаковую надежную работу топки, воздухоподогревателя, методика расчета параметров, исходные требования, техническое задание на топку для растительных отходов, разработанные на основе результатов диссертационного исследования.
Диссертация выполнена в ВИМе, СКФ ВИМе, агрофирме «Кавказ» Краснодарского края.
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ коэффициент зольность топлива удельная поверхность коэффициент теплоотдачи, избытка воздуха и угол естественного откоса (по смыслу) подача топлива теплоемкость коэффициент аэродинамического сопротивления масса диаметр частицы диаметр стебля коэффициент диффузии потери напора толщина стенки порозность слоя коэффициент формы частицы ускорение свободного падения объемная масса высота, толщина высота расположения загрузочного патрубка высота топки коэффициент теплопередачи длина, характерный размер коэффициент теплопроводности, трения (по смыслу) показатель степени, частота (по смыслу) кинематический коэффициент вязкости общее давление газового компонента (воздуха) тепловые потери с уходящими газами, химическим, механическим недожогом и в окружающую среду агрегатом количество, расход низшая теплотворная способность величина рассева плотность кажущаяся плотность температура длительность скорость витания скорость потока объем, объемный расход теоретическое количество воздуха относительная влажность коэффициент местного сопротивления
Индексы воздух воздушный тракт воспламенение летучих условие выхода условие входа газовая фаза, горение (по смыслу) горение коксового остатка горение летучих дым, (топочные газы) начальное состояние конечное состояние материал максимальный минимальный прогрев коксового остатка стебель, сопло (по смыслу)
БЕЗРАЗМЕРНЫЕ СООТНОШЕНИЯ И КОМПЛЕКСЫ
Архимеда
Нуссельта тепловой
Нуссельта диффузионный
Прандтля
Прандтля диффузионный
Рейнольдса
Кирпичева Ki = d,.i g^p'\ Рг' л1 3v2p,
Шиллера Sch =VjJ р" ^(Pt-P.V
Влияние горения на аэродинамическое сопротивление и скорость движения частиц
Теоретическое решение задачи о движении шара в чисто вязкостном режиме, когда инерционными силами можно пренебречь, было предложено Стоксом:
f=-6nrirV (1Л)
где г—радиус шара; V—скорость потока вдали от поверхности частицы; ц—динамическая вязкость. Это формула является довольно точным законом в области Re 0,l и применяется при расчете мелких частиц (10 5см г 5-10 3см) вплоть до Re 0,5.
Для области чисел Рейнольдса l Re 100 строгого теоретического решения задачи не существует даже для шарообразного тела.
Для практических расчетов в этой области обычно применяют закон Ньютона, считая, что коэффициент пропорциональности не имеет постоянного значения, а является функцией числа которая в интервале 3 Re 400 дает отклонение от эксперимента не более чем на 2%. При расчете движения тел неправильной формы вводится динамический коэффициент формы (р, для шара равный 1. При чисто вязкостном режиме движения (Re 0,05) среда оказывает влияние на ориентацию частиц неправильной формы в потоке, но с увеличением скорости движения частица начинает принимать такое положение, при котором ее сопротивление становится максимальным, а при Re 10 наступает полная ориентация частиц [56]. Исследователи в основном рассматривали движения частиц в изотермических условиях при отсутствии горения. Движение горящих частиц было изучено недостаточно. Большая разность температур между горящей частицей и газовым потоком, догорание оксида углерода в потоке, изменение массы частицы при горении создают большие трудности на пути чисто теоретического решения задачи.
Опубликованные немногочисленные экспериментальные исследования давали разноречивые результаты. В [77] при наблюдении падения разогретых частиц древесного угля размером до 2мм в закрытой стеклянной трубке установлено, что на расстоянии 300...400мм от начала падения после воспламенения частица резко затормаживалась и даже начинала подниматься вверх.
После выгорания частицы зола опускалась на дно трубки. Автор объясняет поведение частицы влиянием подъемной силы пограничного слоя газа, нагревающегося от горящей поверхности до высокой температуры, а также влиянием реактивной силы, возникающей вследствие неравномерного движения частицы. Какие либо количественные измерения отсутствуют. В [47] измеряли сопротивление металлического шара диаметром 20мм, нагретого до температуры 723К, в потоке холодного воздуха при Re=800...2500 и сделали вывод, что с увеличением температуры поверхности шара сопротивление сначала незначительно возрастает, но по достижении некоторой «критической» температуры начинает резко снижаться. С ростом скорости потока возрастала и «критическая» температура. При скорости потока V=3,1M/C не удалось обнаружить уменьшения сопротивления даже при температуре шара 723К. Однако по данным В.И. Басова и В.А. Попова [14] горение частиц не оказывает влияние на значение коэффициентов сопротивления. Точки, соответствующие коэффициенту сопротивления холодных и горящих шариков с различной температурной поверхности в области Re=400...12000, шли на одну кривую.
Определяя скорость падения холодных и горящих шариков электродного угля диаметром 2,4...4,5мм, авторы также пришли к выводу о том, что процесс горения не оказывает влияния на сопротивление движению частиц в газовой среде. На основании своих данных В.И. Басов и В.А. Попов [14] подвергли сомнению результаты опытов З.С. Леонтьевой [47]. Обширные исследования движения горящих частиц угля проведены В.И. Бабием и И.П. Ивановой [7,12]. Установлено, что коэффициент сопротивления горящих частиц оказался выше коэффициента сопротивления шара в изотермических условиях.
С ростом числа Re разница в сопротивлении уменьшается. С повышением температуры газовой среды разница между сопротивлениями горящих частиц и холодных частиц уменьшается.
Авторы на основании собственных опытов пришли к выводам, что при движении коэффициент аэродинамического сопротивления частицы определяется в основном не температурой набегающего потока, а температурой пристеночных слоев газа и может быть рассчитан по температуре частицы. Массообмен между частицей и газом оказывает влияние на аэродинамическое сопротивление частицы лишь в той степени, в какой изменяется ее температура. Как видно из приведенного образца, на основании опубликованных работ нельзя составить сколько-нибудь надежное обоснование для расчета движения горящих частиц вообще и растительных отходов в частности. Для освещения этого вопроса необходима была постановка новых исследований . Результаты таких исследований, выполненных в ВИМе, приведены ниже.
Физико-механические свойства
Эти свойства растительных отходов являются определяющими при расчете времени выгорания частицы топлива и параметров топочной камеры, помимо процессов сжигания они оказывают существенное влияние на транспорт, подачу и распределение топлива по объему топочной камеры или на поверхности колосниковой решетки. Из физико-механических свойств изучали фракционный состав растительных отходов, подаваемых на сжигание, определяли средний (эквивалентный) диаметр частиц топлива d3, максимальный диаметр этих частиц в полифракционной смеси dmax, удельную поверхность частиц в слое а0, порозность є и объемную массу у насыпного слоя, кажущуюся плотность рк, угол естественного откоса а и угол статического трения аст частиц растительных отходов. Использовали известные методики, наиболее полно изложенные, например, в [5] с погрешностью, необходимой для балансовых расчетов топочных процессов (±1...2%). В частности, удельную поверхность частиц а0 определяли путем непосредственных замеров частиц, порозность є, объемную массу у и кажущуюся плотность частиц (т.е. плотность частиц без разрушения ее структуры) рк с использованием толуола.
Лузга подсолнечника представляет собой полифракционную композицию, состоящую из расколотых семян подсолнечника с удаленными ядрами, преимущественно половинок, однако встречаются частицы лузги и меньших размеров. В общем случае размеры частиц варьировались так: длина — 7...25мм, ширина — 1,0... 10мм, толщина — 0,2...0,5мм. Для по ступающих на сжигание конкретных партий лузги интервал разброса размеров уже, так, например, сжигали полифракционную смесь размерами частиц: длина — 10...15мм, ширина — 1,0...5,0мм, толщина — 0,2...0,Змм. Методом рассева с последующей обработкой результатов установлено, что рассев лузги подчиняется закону Розина-Роммлера с показателем степени п—1,0...1,3. В смеси лузги также встречаются целые семена подсолнечника, однако их массовое содержание не превышает 0,1% от массы смеси, и они не оказывают существенного влияния на процесс горения в топке.
Сечка соломы средней длиной 40мм представляет собой полифракционную композицию, включающую мелкие расщепленные стебли длиной 1Ш до 5мм и толщиной стенки Scm 0,15мм; более крупные расщепленные стебли—5мм 1ст 30мм, 0,15мм дст 0,30мм; сплющенные стебли -30мм 1ст 45мм, 0,3мм дст 0,5мм; несмятые (цилиндрические) гладкие стебли—30мм 1ст 45мм, дст 0,3мм и наружным диаметром с1с=2...4мм; а также цилиндрические стебли с утолщениями— 0,6мм дст 1,2мм. Содержание остальных фракций сечки в общей смеси незначительно (менее 1...3%) и они не выделились. Массовое распределение фракций сечки соломы в общей смеси приведено на рис.2.1.
Важную роль при расчете процессов сгорания и параметров топочного устройства имеет размер частицы. Для удобства и упрощения расчетов форму частиц принимают обычно шарообразной, в действительности форма частицы отличается от шара, поэтому целесообразно использовать понятие об эквивалентном диаметре, т.е. линейном размере частицы, эквивалентном диаметру соответствующего шара.
В числе аэродинамических свойств исследовали скорость витания Va и удельную величину потерь напора ЛР_ при продувке слоя материала растительных отходов. Скорость витания V„ и величину удельных потерь напора АР определили на экспериментальной установке. Так как лузга подсолнечника и сечка соломы имеют ярко выраженный полифракционный состав, то экспериментальные данные обрабатывали в виде интегральных кривых, показывающих какой процент частиц выносится при данной скорости (таблица 2.3). Установлено, что большая часть лузги (более 70%) имеет скорость витания У„ 0,5м/с, скорости витания Ve 3,0м/с соответствует вынос почти 70% частиц сечки соломы.
Очевидно, что рассчитывать топку на вынос самых крупных частиц нецелесообразно из-за повышенного механического уноса.
При определении зависимости ЛР от V„ толщину слоя Н меняли от 0,05 до 0,5м, скорость потока Ve в пределах от 0,05м/с до 3,0м/с. Потери напора замеряли микроманометрами с погрешностью ±1,0Па, скорость потока крыльчатым анемометром с погрешностью ±0,03м/с. Экспериментальные результаты приведены в таблице 2.3. Установлено, что наибольшие удельные потери напора АР характерны для лузги подсолнечника, наименьшие для сечки соломы, а в целом ЛР для исследованных материалов не велики и для слоя толщиной до 0,5м допускается использование дутьевых вентиляторов среднего давления.
Условия устойчивого горения взвешенных частиц
Под устойчивым горением будем понимать надежное воспламенение частиц в конкретных температурных и скоростных условиях процесса горения, а также отсутствие срыва пламени воспламенившихся летучих.
Устойчивость горения определяли на вышеописанной экспериментальной установке (см. рис. 3.1.) при следующих температурных и скоростных условиях: температуру и скорость основного потока воздуха в камере изменяли в пределах от 950К до 1350К и от 0,2м/с до 3,0м/с соответственно, температуру обдувающего потока из сопла поддерживали таким образом, чтобы ее величина вблизи частицы (на расстоянии З...5мм) соответствовала температуре основного потока, замеренного термопарой около стенки камеры.
Скорость обдувающего потока составляла в первом варианте Vc 2,0м/с, что соответствует расчетной скорости потока вторичного воздуха, подсасываемого через патрубок загрузки топлива без работы пнев-мораспылителя (согласно расчетам через патрубок загрузки топлива без работы пневморазбрасывателя поступает 350...400м /ч вторичного воздуха). По второму варианту—с учетом работы пневмораспылителя вместе с топливом будет поступать 800... 900м /ч вторичного воздуха, т.е. Ус 4,5м/с. Часть экспериментальных данных приведена на рис.3.11.
Каждая точка является средним арифметическим из измерений для пяти частиц лузги с размером (1э=2,0мм ±10%. Исследования проводили при скорости потока V0=0,2;0,5;l,0;l,5;2,0 и3,0м/с при температуре потока Тср=950,1050,1180 и 1350К, при скорости обдувающего потока Ус=2,0 и 4,5м/с, влажность частицы лузги составляла 12 и 16%.
Установлено, что при температуре 950К и ниже пламенное горение на поверхности частиц лузги и сечки соломы не происходит в интервале исследованных значений У0 и Vc, В ряде случаев воспламенялся коксовый остаток, но до конца не догорал. Осмотр несгоревших частиц под микроскопом показал, что зола имеет хлопьевидный остаток у лузги и нитевидный у сечки соломы, которые легко распадались при механическом воздействии. Не догоревшие частицы активно воспламенялись и догорали, когда их вновь помещали в среду с более высокой температурой. Установлено, что в интервале температур 950К Тср 1350К воспламенение частиц зависит от V0, VC,Tи И7(см. рис. 3.11).
Так, например, для частицы лузги с влажностью W=16% наблюдали устойчивое воспламенение при температуре Тср=1180К и скорости потока V0 0,5... 1,0м/с, Ус 2,0м/с, при меньшей влажности при той же температуре среды допустимы более высокие скорости потока V() 2,0M/C, VC 4,5M/C. Воспламенение частиц лузги при температуре среды ТС1П=1350К устойчиво во всем исследованном интервале значений V0, Vc и W. Горение летучих частиц лузги при Тср=1180К устойчиво при У0 0,5... 1,0м/с и Vc 2,0м/с для W=16%,a при W=12% для 1,0м/с V0 2,0м/с и Vc 2,0м/с, а при Тср=1350К горение летучих устойчиво во всем исследованном интервале изменениями, Vc и W, т.е. с повышением температуры среды и снижением влажности частицы устойчивость горения летучих возрастает.
Зависимость длительности горения летучих тг,., от скорости потока V0 имеет слабую зависимость и в практических расчетах ею можно пренебречь (см. рис.3.11). Длительность выгорания коксового остатка тг,к частиц лузги в зависимости от V0 для температуры среды Тср=1180 и 1350К приведены на рис.3.11. Установлено, что тг,к практически не зависит для указанных значений Тср от скорости потока V0 и скорости обдува Vc, а также от влажности частиц в исследованных пределах.
Анализ полученных данных свидетельствует о том, что время, необходимое для разогрева частиц растительных отходов из холодного состояния до температуры, при которой начинается активный выход и воспламенение летучих, определяется рядом факторов: интенсивностью подвода теплоты из окружающей среды к частице, ее размерами, влажностью материала, термическими эффектами разложения и выхода летучих, условиями воспламенения летучих и другими факторами. Имеется много экспериментальных подтверждений тому, что состав и количественный выход летучих из прогреваемых частиц сильно зависит от скорости прогрева. При быстром нагреве выход летучих может сильно отличаться от значения V, определяемого стандартным анализом (нагрев навески до 1120К со скоростью 200...250К/мин). В [103] было показано, что при быстром нагреве целлюлозы коксовый остаток почти не образуется, в то время как при медленном нагреве ее основная масса переходит в кокс. Также и при быстром нагреве угольных частиц в исследованиях [95,101,102,] наблюдали выход летучих веществ, превышающий в 1,2... 1,8 раза значение V, определяемое стандартным анализом. Недостаток информации о структуре сложных молекул, составляющих растительные отходы, затрудняет разработку представлений о механизме их термического разложения. Можно, однако, полагать, что одной из причин повышенного выхода летучих из нагреваемых частиц является выброс с поверхности частиц жидких включений, что четко наблюдается при нагреве частиц с повышенной влажностью. В работах [95,100] было высказано мнение, что при быстром нагреве угольных частиц основная масса летучих выходит с большими скоростями, оставшиеся летучие удаляются медленно и сгорают одновременно с коксовым остатком. Точный теоретический учет всех этих факторов представляет очень сложную задачу. Можно лишь отметить, что зависимость твшЛ от температуры окружающей среды в степени п=3,5, а также близкая к линейной зависимость от размера частиц, дают основание утверждать о преобладающей роли лучистого теплообмена на стадии разогрева частиц.
Исследование коэффициента сопротивления горящей частицы
Время прохождения частицей исследуемого участка траектории обычно не превышает -20% времени, требующегося для ее выгорания, что позволяет с небольшой погрешностью (8...12%) принимать в расчетах размер частицы d3(dcm) неизменным. Для расчета коэффициента Сразбива ли участок торможения частицы, на котором ее относительная скорость V,, становится равной V4=Ve-V0, на ряд интервалов и принимали в пределах каждого интервала V4=const, тогда [7,12]
При обработке опытных данных обычно рассматривали участки траектории, проходимые частицей за Ат=0,02с, так как время торможения частицы в камере измерялось долями секунды (до 0,4...0,5)с можно было достаточно точно определить скорость частицы в 5...8 точках ее траектории. В начале траектории при входе в восходящий поток скорость частицы составляла 0,8... 1,9м/с, отрицательное ускорение частицы исчислялось десятками и сотнями g. Силы инерции при таком движении на порядок превышают силу тяжести, поэтому силой тяжести частицы в ряде случаев пренебрегаем.
После замеров частицы лузги в трех взаимно перпендикулярных направлениях, вычисляли ее объем и по объему определили эквивалентный диаметр, эти замеры проводили до опыта и после попадания частицы в ловушку, которую устанавливали на решетку. Измерения размеров частиц после опыта проводили выборочно. О размере частицы также судили по ширине следа на фотографии. Аналогичные замеры проводили и на частицах сечки соломы.
Сопоставление данных, полученных в результате измерений разными способами показало, что для серии опытов, в которых исследовали зависимость коэффициента сопротивления горящей частицы С от скорости потока, размеры частиц, прошедших через цилиндр, составляли в среднем 0,82...0,85 исходных размеров.
Результаты измерений позволяют утверждать, что ошибка в установлении среднего расчетного размера не превышала 12,0%. Поскольку размер частицы входит в расчетное уравнение (4.1) в первой степени, такую точность можно считать приемлемой. Кажущуюся плотность частиц рк оп ределяли с учетом установленной в опытах неизменности их размеров в предположении, что полному прогреву и устойчивому воспламенению частиц предшествует удаление из них влаги. Высокая температура горения частиц, а также сравнительно малое время их движения на участке прогрева, практически исключало возможность заметного изменения структуры частиц за счет внутреннего выгорания. Для оценки изменения плотности частиц после прохождения их через цилиндр использовали косвенный метод. Для этого определяли массу частиц в засыпке заданного объема до подачи в установку и после ее прохождения.
С учетом вышеизложенного, расчетное уравнение для определения кажущейся плотности горящих частиц в условиях опыта может быть записано:
Рассчитанная по этому уравнению плотность воспламененных частиц лузги оказалось равной рк=42кг/м3 (V=80%, W=8%, ру=350кг/м3). Как показали измерения с помощью цветного пирометра температура горящих частиц составляла 1600...1700К, разброс температур от среднего значения для различных частиц при этом составил 100...130К. Установить зависимость температуры горящих частиц от температуры воздушной среды, в которой она двигалась, не удалось. При изменении температуры среды от 1200К до 1700К средняя температура частиц увеличивалась лишь на 60К. В расчетах при обработке экспериментальных данных принимали среднюю температуру поверхности частиц 1650К.
Обсуждение результатов опытов
Практическую неизменность определяющего размера /3( 5ст) горящей частицы, ее плотности рк, а также незначительное снижение скорости витания частицы Ув в процессе ее торможения подтверждают исследования по определению зависимости Ув, d3 и рк от времени выгорания т. Дли тельность нахождения горящей частицы в камере варьировали изменением скорости восходящего потока V0. Часть опытных данных приведена для частицы лузги подсолнечника на рис. 4.3., а для частицы сечки соломы на рис. 4.4. Времени т=0 соответствовал ввод частицы в калорифер, который она проходила за отрезок времени 0,4...0,6с, достаточной для ее воспламенения на входе в камеру 8.
