Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы исследований 23
1.1. Особенности горения жидких производственных отходов и анализ литературы по диспергированию струи (плёнки) жидкости в газовом потоке 23
1.2. Подходы к построению модели горения капель в стационарном газовом потоке 37
1.3. О физических факторах интенсификации процессов горения в камерах пульсирующего горения. Особенности математического моделирования горения капель в условиях неустойчивости 41
1.4. Анализ результатов испытаний экспериментальных и промышленных установок пульсирующего горения. Состояние вопроса по повышению тепловой мощности камер пульсирующего горения и улучшению их шумовых характеристик 48
1.5. Физическая схема многоступенчатого горения топлива в пульсирующем режиме 58
Глава 2. Экспериментальное исследование диспергирования струи жидкости в пульсирующем воздушном потоке 66
2.1. Постановка задачи 66
2.2. Описание испытательного стенда для исследования распыла жидкости в пульсирующей воздушной струе 66
2.2.1. Средства и методика измерения акустического давления 73
2.2.2. Средства и методика измерения массового расхода воздуха 88
2.2.3. Методика определения пульсаций скорости газов 91
2.3. Экспериментальное исследование механизма разрушения струи жидкости в пульсирующем газовом потоке и анализ их результатов 93
2.4. Планирование эксперимента и экспериментальное определение основных характеристик акустического распылителя 101
Глава 3. Экспериментальные исследования распыления струи жидкости в пульсирующей высокотемпературной газовой среде 119
3.1. Задачи исследований 119
3.2. Описание испытательного стенда для исследования распыления струи жидкости в камере пульсирующего горения 120
3.2.1. Описание объекта исследований и методика проведения экспериментов 120
3.2.2. Средства и методика измерения температуры газов 123
3.2.3. Средства и методика измерения расхода природного газа, распыляемой жидкости 128
3.3. Экспериментальные исследования влияния избытка воздуха и длины резонансной трубы на характеристики камеры пульсирующего горения и анализ их результатов 129
3.4. Экспериментальное исследование влияния жидкости, подаваемой в резонансную трубу на характеристики камеры пульсирующего горения и анализ их результатов 137
3.5. Экспериментальное исследование характеристик факела распыла, формируемого камерой пульсирующего горения при подаче распыляемой жидкости в резонансную трубу и анализ их результатов 143
Глава 4. Экспериментальные исследования характеристик полномасштабной модели камеры пульсирующего горения 162
4.1. Разработка и создание полномасштабной модели многоступенчатой камеры пульсирующего горения 162
4.2. Исследование механизма возбуждения колебаний газового потока во второй ступени камеры пульсирующего горения 165
4.3. Экспериментальное исследование влияния факела пламени на устойчивость колебательного процесса во второй ступени модельной камеры 179
4.4. Экспериментальное определение конечных координат движения капель жидкого горючего в акустическом поле второй ступени камеры пульсирующего горения 185
4.5. Определение объёмной теплонапряжённости многоступенчатой камеры, коэффициента полноты тепловыделения. Экспериментальное исследование концентрационных пределов воспламенения газовоздушной смеси. Оценка воздействия камеры на окружающую среду 186
Глава 5. Теоретические исследования устойчивости колебательного процесса и поведения капель жидких углеводородных горючих во второй ступени камеры пульсирующего горения 192
5.1. Основные допущения 192
5.2. Аналитическое исследование устойчивости колебаний газового течения в открытой цилиндрической трубе при наличии в ней факела пламени 194
5.2.1. Уравнения одномерного течения 194
5.2.2. Модель горения 197
5.2.3. Приближенное аналитическое решение 201
5.2.4. Вывод декремента затухания для конвективной модели в случае треугольного импульса 204
5.2.5. Анализ результатов расчетов 209
5.3. Численное исследование поведения капли в пульсирующем газовом потоке, движущемся по длинной цилиндрической трубе 222
5.3.1. Волновое уравнение 222
5.3.2. Уравнение движения капли жидкого горючего в камере пульсирующего горения 230
5.3.3. Моделирование испарения капель 235
5.4. Численное исследование движения испаряющейся капли в колеблющейся газовой среде 239
5.5. Анализ результатов и проверка адекватности математической модели устойчивости колебательного процесса и поведения капли жидкого углеводородного горючего во второй ступени камеры пульсирующего горения 243
Глава 6. Перспективные технологии, основанные на установках пульсирующего горения и их экологическое обоснование 248
Заключение 263
Литература
- Подходы к построению модели горения капель в стационарном газовом потоке
- Анализ результатов испытаний экспериментальных и промышленных установок пульсирующего горения. Состояние вопроса по повышению тепловой мощности камер пульсирующего горения и улучшению их шумовых характеристик
- Экспериментальное исследование механизма разрушения струи жидкости в пульсирующем газовом потоке и анализ их результатов
- Описание испытательного стенда для исследования распыления струи жидкости в камере пульсирующего горения
Введение к работе
Актуальность проблемы. Началом применения пульсирующего горения в технике следует считать газовую турбину Карагодина (1908г.). В 30-х годах немецкий исследователь Рейнст фактически положил начало развитию нового вида энергоустановок, рассчитанных на неустойчивый вид горения. Тогда же Шмидт изобрел пульсирующий реактивный двигатель. В последствии был разработан ряд огнетехнических аппаратов, применяемых в различных отраслях народного хозяйства. Пульсирующее горение для энергетики привлекательно преимущественными особенностями, которые приведены в табл. 1.
Таблица 1.
Пульсирующее горение преимущественно используется для
повышения эффективности сжигания товарных топлив (газообразных,
жидких, твердых, например, угольной пыли). Созданы и внедрены в
теплоэнергетику эффективные котлы. Наиболее успешно эксплуатируются
энергоустановки, работающие на газообразном и жидком топливах. В
последние годы метод пульсирующего горения все шире практикуется при
сжигании различных отходов производств. К настоящему времени получены
положительные результаты в термическом обезвреживании отходов
химического производства, горюче-смазочных материалов,
трансформаторных масел, низкосортного мазута, донных осадков мазутных ёмкостей, нефтешлаков и т.д. Имеется опыт обезвреживания жидких горючих, имеющих высокий класс токсичности: ядохимикатов (пестицидов, гербицидов и т.д.), жидких ракетных топлив с истекшим сроком служебной пригодности, жидкого продукта, образованного в результате нейтрализации отравляющих веществ и т.д. Последнее очень важно, поскольку, проблема утилизации систем вооружений, с учётом охраны окружающей среды, в последние десять лет стала глобальной и выступила на первый план не только в вопросах уничтожения старых образцов систем, но и при создании новых видов вооружения. В связи с этим вопросы утилизации отходов военно-промышленного комплекса стоят особо остро.
Следует отметить, что значительная часть образующихся отходов имеет сложную высокомолекулярную структуру и состав. Экологически чистое сжигание их в обычных топках практически не представляется возможным.
Немаловажным при сжигании отходов является также тот факт, что пульсирующую струю можно эффективно использовать как распыливающий агент при диспергировании высоковязких, смолистых с механическими включениями отходов. По литературным сведениям механизм дробления жидкости в низкочастотной пульсирующей газовой среде исследован
14 недостаточно. Актуальность направления исследований в этой области не вызывает сомнений.
Опыт эксплуатации установок пульсирующего горения показывает, что при разработке устройств с большой мощностью возникают трудности принципиального характера: простое масштабное увеличение не сопровождается существованием пульсационного режима в прежней оптимальной форме, а зачастую вообще не позволяет достичь его. С увеличением тепловой мощности возрастает также звуковое излучение, являющееся основным недостатком камер пульсирующего горения. Акустическое воздействие при увеличении габаритов обостряет конструкционные проблемы. Следовательно, рост мощности может привести к значительному перевесу недостатков пульсирующего горения перед его преимуществами, вследствие которого сужается область их применения.
Исследованиям вопросов неустойчивого горения в камерах сгорания различных энергетических установок посвящены работы многих как отечественных Раушенбах Б.В., Натанзон М.С., Штейнберг В.Б., Канцельсон Б.Д., Таракановский А.А., Северянин B.C., Бабкин Ю.Л., Попов В.А., Аввакумов A.M., Подымов В.Н., Щелоков Я.М., Лысков В.Я., Назаренко Т.И., Ларионов В.М., Галиуллин Р.Г. и др., так и зарубежных Харье Д.Т., Путнэм А., Деннис У., Маркштейн Г., Рейнст П., Корвальо У., Зинн Т., и др. авторов. Многие из этих работ посвящены исследованию шумовых характеристик камер пульсирующего горения. Однако большая часть этих работ посвящалась способам подавления самих источников колебаний, что неприемлемо для камер пульсирующего горения. Проблема шума энергетических установок, рассчитанных на неустойчивый режим горения, до сих пор окончательно не решена и на сегодняшний день является весьма актуальной.
15 Целью работы является разработка научных основ наукоемкой
технологии по экологически безопасному обезвреживанию различных
отходов, базирующейся на особенностях неустойчивого горения в камерах
сгорания энергетических установок.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
1. Установить закономерности разрушения струи (плёнки) жидкости в
пульсирующей газовой среде, изучить механизм её распада.
2. Сформулировать основные положения по разработке
низкочастотного акустического распылителя.
Разработать физическую модель многоступенчатого сжигания жидкого горючего в пульсирующем режиме.
Разработать теоретические основы для исследования поведения капли в колеблющейся высоконагретой газовой среде и устойчивости колебательного процесса, вызванного колеблющимся источником тепла в сложном акустическом контуре с многоступенчатым горением жидких горючих веществ.
5. На основе полученных данных разработать экологически
безопасную технологию термического обезвреживания жидких отходов
разного класса опасности.
Научная новизна работы заключается в том, что разработаны теоретические и практические основы наукоемкой технологии по термическому обезвреживанию жидких производственных отходов. В плане решения этой проблемы:
1. Получены новые экспериментальные данные разрушения
низконапорной струи (плёнки) жидкости в пульсирующем воздушном
потоке.
2. Впервые определены основные характеристики низкочастотного
акустического распылителя.
3. Впервые на основе экспериментального исследования предложена
физическая модель многоступенчатого сжигания топлива в режиме
пульсаций.
4. Разработаны теоретические и практические основы
многоступенчатого сжигания жидких горючих отходов в режиме пульсаций.
Достоверность основных научных результатов обусловлена применением при разработке модели фундаментальных положений теории колебаний, подтверждена удовлетворительным совпадением расчётных и экспериментальных данных, полученных на аттестованном оборудовании с соблюдением метрологических требований, с известными опубликованными данными, а также проведением большой серии тестовых расчётов.
Практическая ценность полученных результатов. Разработан низкочастотный акустический распылитель, который опробован на таких жидких горючих, как отработанные масла, отходы ГСМ, сырая нефть, текучие нефтеотходы с механической примесью, высокомолекулярные жидкие вещества (пиролизные смолы, лако-красочные отходы, отходы растворителей, СОЖ). На основе опытных данных сформулированы рекомендации по разработке низкочастотных распылителей. Разработана и создана трёхступенчатая камера пульсирующего горения, ее основные характеристики исследованы при сжигании различного класса жидких горючих веществ: товарных топлив, отходов горючесмазочных материалов, нефтехимической отрасли и т.д. Установлено, что характеристики трехступенчатой камеры не уступают основным характеристикам одноступенчатой камеры пульсирующего горения, а по шумовому загрязнению окружающей среды разработанная камера имеет улучшенные показатели. Примечательно то, что сжигание горючего вещества в несколько ступеней позволяет разработать камеру пульсирующего горения большой производительности. Предложенные математические модели с достаточной
17 достоверностью можно использовать для оптимизации режимных и
геометрических параметров многоступенчатой камеры на стадии разработки.
Разработана и внедрена в производство ООО «Экология»
(«Нефтехимкомбинат» г.Нижнекамск, акт внедрения №626/13 от 19.09.01)
установка «Акула-1 Ж», предназначенная для сжигания пиролизных смол с
попутной утилизацией тепла; воздухоподогреватель ЭМ-1
(«Татвториндустрия», г.Казань, акт внедрения №6 от 25.12.03); обогреватель
КУНГа (ЗАО «Иркам», г.Наб.Челны, акт реализации научных исследований
№174 от 5.12.03).
Кроме того, работа камеры испытана в сочетании с химическим нейтрализатором, что позволило сделать важный практический вывод о возможности разработки высокоэффективной технологии термического способа обезвреживания высокотоксичных отходов: ядохимикатов, реакционных масс, жидких ракетных топлив (гептил). Благодаря своей универсальности по отношению к топливу (одинаково эффективно сжигаются товарное топливо и жидкие горючие отходы), разработанная камера может широко применяться во многих наукоемких технологиях как высокоэффективный горелочный узел.
Автор защищает:
1. Результаты исследований взаимодействия низконапорной струи
жидкости с газовой струей.
2. Физическую модель многоступенчатого сжигания жидкого горючего
в пульсирующем режиме.
3. Результаты экспериментальных исследований и аналитического
решения задачи устойчивости в сложном колебательном контуре с
многоступенчатым горением.
4. Результаты экспериментальных исследований и численного решения
задачи поведения капли в пульсирующей газовой среде, заключённой в длинной цилиндрической трубе, открытой с двух концов.
5. Полномасштабную модель трёхступенчатой камеры пульсирующего
горения.
Апробация работы. Диссертационная работа, отдельные её разделы и результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях и сессиях:
- Межвузовский научно-технический семинар «Внутрикамерные
процессы в энергетических установках, акустика, диагностика» (г.Казань,
КФВАУ, 1992-2000 г.г.);
- XIII, XIV, XV Всероссийская научно-техническая конференция.
(г.Казань, КФВАУ, 2001-2003 г.г.);
- X Сессия Российского Акустического Общества. (г.Москва, 2000г.);
- Всероссийская научно-практическая конференция «Экологичность
ресурсо- и энергосберегающих производств на предприятиях народного
хозяйства» (г.Пенза, 2002г.);
II Межрегиональный симпозиум «Проблемы реализации региональных целевых программ энергосбережения» (г.Казань, 4-6 декабря 2002г.);
Всероссийская научно-практическая конференция «Наука и инновационные технологии для регионального развития» (г.Пенза, 2003г.)
III Международная конференция «Проблемы промышленной теплотехники» (г.Киев, Украина, 2003г.)
- III Международная научно-практическая конференция «Экология и
жизнь». Сборник материалов, ч. 1 (г.Пенза, 2000);
19 - Ill Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы и
методология утилизации РДТТ и ракетных топлив», посвященная 90-летию
со дня рождения Я.Ф.Савченко (г.Бийск, 2003 г.);
IV Международный симпозиум «Ресурсоэффективность и
энергосбережение в современных условиях хозяйствования» (г.Казань, 18-20
декабря 2003 г.).
Основные результаты диссертации опубликованы в работах /79-92, 168-177/ и в 9 авторских свидетельствах об изобретениях и патентах /53, 103, 132,137-141, 167/.
Личное участие автора. Автору принадлежат постановка рассмотренных с соавторами задач, обсуждение и анализ полученных результатов, основные экспериментальные результаты, научное руководство по созданию опытно-промышленной водогрейной установки «Акула-1Ж».
Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений.
Первая глава посвящена анализу химического и морфологического составов и особенностей горения различных отходов производств, в том числе имеющих высокий класс токсичности; анализу состояния исследований по диспергированию струи жидкости в газовом потоке; рассмотрению основных факторов интенсификации процессов горения и подходов к построению модели горения капель в стационарном газовом потоке и особенностям математического моделирования горения капель в камерах сгорания энергетических установок в условиях неустойчивости. В этой же главе приводится обзор состояния вопроса по исследованию шумовых характеристик камер пульсирующего горения и их улучшению. Отмечена актуальность данной темы. На основе анализа известных работ обоснована необходимость детального изучения физических процессов, протекающих при взаимодействии низконапорной струи (плёнки) жидкости
20 с пульсирующим газовым потоком, необходимость исследования устойчивости колебательного процесса в трубах, открытых с двух концов, при наличии факела пламени, а так же поведения в них капель жидкого горючего. Предложена схема организации пульсирующего горения в несколько ступеней. Описана сущность данной схемы. Выдвинуто предположение, что при прочих равных условиях многоступенчатые камеры пульсирующего горения по сравнению с одноступенчатыми камерами будут иметь улучшенные акустические характеристики.
Во второй главе приводится описание испытательного стенда, инструментальной базы и результатов исследования механизма диспергирования низконапорной струи жидкости воздушным потоком. Исследования проводились с целью: выявления закономерностей разрушения струи (пленки) жидкости в пульсирующей газовой среде; установления физической картины разрушения струи жидкости, подаваемой в пульсирующий газовый поток; влияния конструктивных особенностей устройств ввода жидкости в газовую струю на механизм распыла; определения дисперсных характеристик (спектр размеров капель) распылителя и профиля удельных потоков жидкости по сечению факела (распределение массы жидкости в распыленной струе); определения зависимости спектра размеров капель от акустических и газодинамических параметров воздушной струи и расхода жидкости. Испытательный стенд позволяет исследовать эти процессы при разных параметрах течения воздушного потока. Изменяемыми параметрами являются средняя скорость воздушного потока, её колебательная составляющая, частота колебаний. Кроме того, стенд позволяет завизуализировать картину разрушения струи жидкости. Установлено, что наложение на скорость стационарного потока колебательной составляющей приводит к значительному ускорению процесса распада струи жидкости на небольшие фрагменты. Определены характеристики факела распыла. Получено эмпирическое уравнение для
21 определения среднего диаметра капли в зависимости от трёх параметров: массы распыляемой жидкости, средней скорости воздушного потока, частоты колебаний.
В третьей главе даётся описание низкочастотного акустического распылителя (распылитель основан на камере пульсирующего горения, работающего по принципу трубы Шмидта). Приводятся результаты экспериментальных исследований влияния избытка воздуха, длины резонансной трубы на характеристики камеры пульсирующего горения. Представлены опытные данные и их анализ по влиянию места подачи жидкости в резонансную трубу распылителя и расхода жидкости на основные характеристики факела.
В четвертой главе представлено описание полномасштабной двухступенчатой камеры пульсирующего горения, в которой топливо сжигалось в несколько ступеней, результаты определения основных характеристик этой камеры, экспериментальные данные по исследованию устойчивости колебательного процесса на заданных режимах и определению конечных координат нахождения капли в трубе, параметры шумового поля. Экспериментально обоснована возможного многоступенчатого сжигания топлива в пульсирующем режиме, который позволяет избежать основной недостаток камер пульсирующего горения - шум высокой интенсивности. Подтверждена приемлемость предложенного математического аппарата для исследования устойчивости колебательных процессов и оптимизации геометрических размеров камеры.
В пятой главе излагается математический аппарат по аналитическому исследованию устойчивости колебательного процесса в трубе, открытой с двух концов при условии вынужденных колебаний теплоподводом. Аналитические решения получены для разных моделей теплоподвода и участков трубы, в которых располагается факел пламени. Приводится
22 динамическая модель поведения капли в колеблющемся газовом потоке,
результаты численных решений по определению траектории движения капли
и времени её существования в зависимости от различных факторов:
начальной скорости и угла вылета капли, её исходного диаметра, параметров
пульсаций, пространственной ориентации распылителя.
В шестой главе на основе опыта эксплуатации опытно-промышленных установок обосновывается перспективность использования камер пульсирующего горения для термического способа обезвреживания промышленных отходов. Описываются основные достоинства, выгодно отличающие их от установок стационарного горения. Даётся экологическое обоснование.
Общий объём диссертации составляет 286 листов, в том числе 118 рисунков, 8 таблиц, и 177 библиографических ссылок.
Работа выполнена в Научно-исследовательской акустической лаборатории им. А.С. Фигурова, созданной при Казанском высшем артиллерийском командном училище. Автор благодарит коллектив лаборатории, лично Кириченко СМ., Ягофарова О.Х., Кондратьева А.Е., Осипова А.В., Никонова Ю.М. за всяческое содействие, оказанное при выполнении работы, а так же Ситникова О.Р. и старшего лаборанта Осипову В.И. за помощь, оказанную при оформлении работы. Выражает особую признательность д.т.н., профессору Сахабутдинову Ж.М. и ассистенту Кочневой О.С. за ценные советы и помощь при написании диссертации.
Подходы к построению модели горения капель в стационарном газовом потоке
Одним из наиболее распространённых приёмов организации процесса горения в камерах сгорания различного рода энергетических установок является сжигание капель распылённого горючего в потоке газообразного окислителя. Построению моделей процесса горения в подобных условиях посвящено большое число работ, в которых рассматривается стационарный режим горения. Основу таких моделей составляют общепринятые положения, содержащиеся в работах /4, 14, 22, 57, 106, 142/.
Полная задача определения движения и других процессов около капель сводится к совместному решению связанных между собой уравнений неразрывности, импульса, теплопроводности, диффузии и кинетики. В простейшем случае горения одиночных капель, неподвижных относительно неограниченного потока газа, возможна следующая последовательность взаимосвязанных процессов: испарения капель за счёт переноса теплоты химических реакций из зоны горения, смешение (взаимное проникновение) паров или продуктов их разложения с окисляющими веществами потока при диффузии и собственно горение в соответствии с кинетическим механизмом. Любой из процессов - испарение (газификация), диффузия (смешение) и химические реакции имеет определённое время протекания и может выступать лимитирующим фактором. Процессы испарения достаточно изучены и имеются методы их расчёта /22, 37, 57, 74, 142, 145/. Испарение капель, неизбежная стадия массообмена в процессах горения и между фазами может протекать при различных условиях. Например, может протекать с разложением испаряющейся жидкости или без разложения при одно- или многокомпонентном составе жидкости, в условиях обтекания капли газовым потоком, при наличии фронта горения у испаряемой поверхности или без такового, при докритических или сверхкритических давлениях. В зависимости от условий испарения разрабатываются различные модели процесса, порой существенно отличающиеся друг от друга. Общей для имеющихся моделей является то, что при рассмотрении процессов преобразования топлива скорость испарения считается определяющей.
Наиболее полная модель рабочего процесса, в которой определяющим процессом является испарение, описана в работе /145/. В этой работе сделаны следующие упрощающие предположения: 1) все капли обладают одинаковой скоростью, не сталкиваются и не дробятся; 2) характеристики газового потока соответствуют равновесному процессу горения при стехиометрических условиях.
Важную роль в этой модели играют результаты, полученные для одиночных капель. Процессы испарения одиночных капель достаточно изучены и имеются методы их расчёта. Распределение раздробленного жидкого топлива по размерам представляется в виде групп капель с фиксированными размерами, параметры которых определяются в зависимости от времени в соответствии с законами теплообмена, массопереноса и сопротивления движению. Модель испарения распыленного топлива опирается в основном на следующие выводы экспериментальных исследований испарения одиночных капель /145/:
1. Время достижения температуры испарения в неподвижной атмосфере пропорционально квадрату начального диаметра капли и может составлять заметную часть времени существования капли.
2. Изменение температуры капель хорошо описывается без учёта градиента температуры внутри капли либо вследствие малости их размеров, либо из-за внутренней циркуляции жидкости в крупных каплях. Иными словами, теплопроводность жидкости считается бесконечной.
3. Процесс испарения капель замедляет теплообмен и снижает коэффициент сопротивления по сравнению со случаем неиспаряющихся частиц.
4. Квазистационарное приближение достаточно хорошо описывает процесс испарения, несмотря на нестационарную природу процесса переноса массы и тепла.
5. После достижения равновесной температуры испарения поверхность капли убывает линейно со временем. При этом массовая скорость испарения уменьшается примерно линейно с диаметром капли.
Испарение капель является очень сложным процессом и строгое решение задачи представляет большие трудности. Скорость испарения капли зависит от интенсивности теплообмена и массообмена одной дисперсной частицы с бесконечным потоком несущей фазы. Интенсивность теплообмена qz. и массообмена ]ъ. в свою очередь характеризуются коэффициентами теплообмена и массобмена или соответствующими безразмерными параметрами: числом Нуссельта Nu,- и числом Шервурда Sh(.;
Анализ результатов испытаний экспериментальных и промышленных установок пульсирующего горения. Состояние вопроса по повышению тепловой мощности камер пульсирующего горения и улучшению их шумовых характеристик
Экспериментальное исследование механизма разрушения струи жидкости в пульсирующем газовом потоке и анализ их результатов
Исследования механизма разрушения струи жидкости в пульсирующем газовом потоке проводились фотосъёмкой. В качестве распыляемой жидкости использовалась подкрашенная вода. В ходе экспериментов расход воды менялся и соответствовал следующим величинам: 8, 12 и 30 кг/ч. Методика исследований была следующей. Специальный генератор формировал пульсации давления, которые накладывались на воздушный поток, движущийся по горизонтальной трубе. Воздух в трубу нагнетался вентилятором. Совпадение частоты пульсаций давления с собственной частотой колебания трубы приводило к возникновению в трубе резонансных колебаний. Максимальная амплитуда пульсаций скорости возникала на открытом конце трубы. В эту зону через дозатор подавалась распыливаемая жидкость в виде струи или плёнки.
На рис.2.16 приведена сравнительная картина разрушения струи жидкости, подаваемой из трубки в воздушный поток. Срез трубки, через который истекала жидкость, был прямой. Можно заметить, что структура струй жидкости, подаваемых в стационарный (не колеблющийся) воздушный поток и в пульсирующую газовую среду, сильно отличаются друг от друга. Струя жидкости, истекающая из трубки в неколеблющийся воздушный поток, имеет плоскую форму, устойчивую структуру с явно выраженным загибом хвостовой части в сторону верхней стенки крепления распылителя. Этот эффект активизирует процесс осаждения капель на стенке трубы. Следует отметить, что хвостовая часть струи неустойчивая, колеблющаяся. По этой причине с неё отрываются достаточно большие фрагменты жидкости. В пульсирующей среде (скорость стационарного потока равна нулю) наблюдается ещё большее колебание струи жидкости, которая быстро теряет устойчивость и интенсивно разрушается (рис.2.16а и 2.16г). Чем больше расход жидкости, тем больше устойчивость струи. Несмотря на это, струя хаотично колеблется, имеет менее плотную структуру, чем в случае воздействия на неё стационарного потока. Струя как бы расслаивается на тоненькие жгуты, закреплённые с одной стороны к распылителю (см. рис.2.16г и рис.2.20). Длительность существования такой струи намного короче. По видимому, причиной этому является появление сил трения на границе двух фаз «жидкость-газ», сильно зависящих от относительных скоростей струи жидкости и газа. Следует также отметить, что в обоих случаях наблюдается сепарация капель жидкости на стенках каркасного крепления. Однако капли жидкости в пульсирующем потоке распределены более равномерно, чем в стационарном потоке и меньше сепарируются.
На рис.2.17 приведена картина разрушения струи жидкости в пульсирующем воздушном потоке. Поток формирован наложением пульсационной составляющей на стационарный поток. Скорость стационарного потока и пульсационная составляющая скорости соответственно имели значения: W= 40 м/с и V= 35 м/с. Анализ рисунков показывает, что струя жидкости не имеет сплошного участка, разрушение струи на крупные фрагменты начинается непосредственно на срезе распылителя. В потоке газа наблюдается дальнейшее дробление крупных капель. Факел распыла вытянутый и имеет конусообразную форму. Степень разрушения струи зависит от расхода подаваемой жидкости: чем меньше расход жидкости, тем качественнее происходит её дробление. Однако, при больших расходах распыляемой жидкости на срезе стенок наблюдается сепарация капель (см. рис.2.176 и 2.17в). Исследовались и другие виды распылителей: пластинчатые и в виде патрубка (см. рис.2.18). Косой срез трубки на механизм распыления существенного влияния не оказывает. Конструкции этих распылителей оказались весьма эффективными. Наблюдения показали, что на поверхности этих распылителей возникает плёнка жидкости. На плёнке перпендикулярно направлению потока образуются поверхностные волны. По мере приближения к кромке пластины или патрубка амплитуда этих волн возрастает, и плёнка жидкости с определённой частотой срывается с поверхности распылителей (см. рис.2.20б). В случае истечения жидкости из трубки такой картины не наблюдается. Кроме того, на распылителе, имеющего форму патрубка плёнка жидкости образуется как на внутренней, так и на наружной поверхности стенки. На наружную стенку жидкость попадает за счёт инерционных сил, возникающих вследствие колебаний воздушного потока. Благодаря этому эффекту при прочих равных условиях конструкция такого распылителя позволяет раздробить большее количество жидкости, чем другие вышерассмотренные распылители (см. рис.2.19).
Описание испытательного стенда для исследования распыления струи жидкости в камере пульсирующего горения
Эксперименты проводились на установке, общий вид которой показан на рис.3.1. Схема экспериментальной установки приведена на рис.3.2.
Объектом исследований явилась камера пульсирующего горения, работающая по принципу трубы Шмидта. Камера изготовлена по рекомендациям, изложенным в работах /55, 56, 134/ с небольшими доработками. КПГ состоит (см. рис.3.2) из двух основных частей: собственно камеры горения 1 и резонансной трубы 3. Камера горения 1 имела объём равный Зл, монтировалась в воздушный короб 2. Длина резонансной трубы изменялась от 1 до 1,8 м. Отношение диаметра воздушной магистрали к максимальному диаметру камеры составляло 1:3, а отношение диаметра резонансной трубы к диаметру камеры 1:2. Воздух для горения поступал через камеру. Камера работала на природном газе (пропане). Горючий газ из баллона 7 в камеру 1 подавался по направлению потока через трубку диаметром 5 мм, вставленную соосно в аэродинамический клапан камеры. Давление газа в трубке 9 регулировалось редуктором 8. Расход газа через трубку 9 определялся согласно методике, приведённой в пункте 3.2.2. Стенки КПГ во время работы охлаждались воздухом. Воздух в короб 2 нагнетался вентилятором 11. Резонансная труба диаметром 50 мм составлена из патрубков, изготовленных из нержавеющей стали. Трубы между собой состыкованы соединительными кольцами. К воздушному коробу резонансная труба прикреплена при помощи центрирующего устройства 4. Резонансная труба охлаждалась воздухом, двигающимся по кольцевому зазору, образованному резонансной трубой и кожухом. Вентилятор 11 и воздушный короб 2 установлены на стойках, которые приварены к основанию 6. Для подачи распыляемой жидкости в резонансную трубу 3 предусмотрена насосная система подачи. Установка работала при различных соотношениях газового топлива и распыляемой жидкости следующим образом: запускалась камера пульсирующего горения 1. Для этого из баллона 7 в камеру 1 подавался горючий газ. В камере образуется газовоздушная смесь, которая поджигается искровой автомобильной свечой 19. Свеча питается от индукционной катушки, которая располагается в пульте управления 20. После воспламенения смеси зажигание выключалось, включением тумблеров на пульте 20 подавалось питание на вентиляторы 11 и 21, и дальнейшее горение происходило без постороннего запала. Изменением (путём изменения частоты вращения вентилятора 11) расхода воздуха, нагнетаемого в камеру или расхода горючего газа, устанавливался исследуемый режим работы камеры. Количество газа определялось с помощью расходомера переменного перепада давления, где функцию датчика выполняло сопло 10, расход воздуха - калориметрическим расходомером 12. Пульсации давления в камере определялись акустическим зондом, вводимым в камеру через резонансную трубу 3. После включения насоса системы питания и включения электрического расходомера 22, распыляемая жидкость подавалась на распылитель 18. Под действием пульсирующих нагретых газов струя жидкости разрушается и превращается в капли. В резонансной трубе капли дробятся, прогреваются, частично испаряются и затем вылетают из неё в виде мелкодисперсной струи аэрозоля.
Таймер Ф4842 предназначен для индикации текущего времени в десятичном коде и формирования меток времени для синхронизации работы приборов.
Коммутатор Ф4840 обеспечивает поочередное подключение к милливольтметру необходимого количества каналов (не более 30) с выдачей номера канала на регистрацию и на индикацию.
Транскриптор Ф4843 выполняет функцию управления синхронизации работ всех приборов системы, до регистрации информации на бумажной ленте.
Цифропечатающее устройство МТ1016 предназначено для печатания информации о номере канала, результате измерения и текущем времени в цифровом виде. Управление устройством может осуществляться автоматически или вручную. Система может использоваться в режиме непрерывного опроса каналов или может быть задан ждущий режим. Для примера, на рис.3.5 приведены результаты измерения сигналов, поступивших с температурных датчиков. В качестве датчиков температуры использовались стандартные вольфрамрениевые термоэлектрические термометры типа ИС 470. Общий вид одного из таких термометров приведён на рис.3.6. Вариант монтажа термометра показан на рис.3.7. Вольфрамрениевые термометры предназначены для длительного измерения температур от 0 до 2200С и кратковременно до 2500С в вакууме, в нейтральной и восстановительной среде. Пределы допускаемых отклонений измеренных значений термо-ЭДС термопар от табличных значений определялись по методике, изложенной в работе /47/.
