Введение к работе
Актуальность проблемы. Сжигание жидких углеводородов является основным процессом при работе тепловых технических устройств. Применяются различные методы контроля и управления тепловыми и химическими процессами, происходящими в зоне горения с целью оптимизации работы энергетических установок. Наиболее распространенные способы заключаются во введение дополнительных конструктивных элементов в камеры сгорания. Существуют и менее разработанные подходы. К ним относятся наложение электрических и магнитных полей различной конфигурации на зону горения. Эти методы, в некоторых случаях, дают результаты, трудно достижимые с помощью классических приемов. Приводятся исследования указывающие, что наложение электрического поля на зону горения может снизить выбросы угарного газа и оксидов азота соответственно на 60 и 40%. Изучение и описание механизма действия электрического поля на процесс горения даёт возможность производить целенаправленные мероприятия по управлению параметрами горения жидкого топлива внешним электрическим полем. Они включают в себя исследование результатов локального влияния поля на хемоплазму пламени, на жидкую фазу до сжигания (предварительная обработка полем), и на механизм и динамику фазового перехода. Преимуществом электростатического управления горением является то, что создаваемое поле почти не требует затрат энергии на его поддержание.
В литературе имеется множество данных по влиянию электрического поля на процесс горения. Огромный вклад в изучение данного вопроса внесли Гуляев Г.А., Попков Г.А., Шебеко Ю.Н.,Абруков С.А., Исаев Н.А., Качушкин В.И., Ксенофонтов С.И., Афанасьев В.В., Максимов Н.Н., Максимов Ю.Я, Малунов В.В., Марченко Г.Н., Медведев Н.А., N. Volkov, A.V. Sepman , V.N. Kornilov, A.A. Konnov, Y.S. Shoshin, L.P.H. de Goey, S.D. Marcum, B.N. Ganguly, E.P. Ilchenko, V.G. Shevchuk, И.К. Федосеева, В.Г. Ионов, О.И. Дунева., Д. Саламандра, Н.М. Венцтель, И.К. Федосеева, Фиалков А. Б., Фиалков Б. А. и др. Большинство исследователей работали с газофазными топливами, это позволило им выявить механизм влияния поля на пламя. Малое количество работ посвящено изучению горения конденсированных веществ в электростатических полях. Отсутствуют экспериментальные данные по исследованию динамики и механизма фазовых переходов и теплофизических свойств топлива в электростатическом поле при горении.
Исходя из вышесказанного, данная работа посвящена исследованиям результатам локального действия поля на область пламени, область топлива и границу раздела фаз при горении жидких топлив и механизму изменения скорости горения при интегральным воздействии электростатического поля .
Целью работы является: на основе экспериментальных исследований установление закономерностей и механизма воздействия электростатического поля на процесс горения углеводородных жидкостей.
Для достижения данной цели решаются следующие задачи:
разработка и изготовление экспериментального стенда для изучения горения жидких топлив, позволяющего определять скорость горения топлива при локальном воздействии электростатического поля на факел пламени, жидкую фазу и границу раздела фаз;
экспериментальное исследование распределения потенциалов и температур в пламени и расчет формы факела при локальном действии электростатическим полем на хемоплазму;
экспериментальное исследование влияния на скорость горения жидкости электростатического поля созданного в области жидкой фазы (предварительная электростатическая обработка);
экспериментальное исследование влияния изменения скорость горения жидкости, при действии электростатического поля на границу раздела фаз;
выявление механизма действия электростатического поля созданного на границе раздела фаз при горении жидкостей на основании экспериментов по визуализации скоростной видеосъёмкой формы пламени, поверхности горения и предпламенной зоны горения.
Методы исследования. Измерение массовой скорости выгорания жидкости методом скоростной видеозаписи, микротермопарное измерение температурных полей, замер электрических потенциалов пассивным зондом, с последующим сбором данных и обработкой их при помощи измерительно-вычислительного комплекса. Скоростная киносъёмка и фотосъемка пламени и поверхности топлива.
Научная новизна:
-
Экспериментально получены закономерности изменения скорости горения жидких алканов с открытой поверхности в электрических полях, созданных локально в отдельных областях зоны горения. Установлено:
- при локальном действии поля на факел горения при совпадении направления напряженности поля и потока топлива величина скорости горения не изменяется, при противоположном направлении – увеличивается;
- в случае «предварительной обработки» полем скорость горения жидкости уменьшается, не зависимо от полярности электродов;
- при воздействии полем на границу раздела фаз наблюдается резкое возрастание скорости горения независимо от направления поля.
2. Изучены распределения потенциалов и температур в пламенах алканов.
3. С учетом массовых сил в электростатическом поле дана интерпретация действия поля на форму пламени, которое учтено в решении задачи Бурке – Шумана;
4. Методом скоростной видеосъёмки изучены эволюция факела, изменение поверхности горения жидкости и диспергирование к-фазы при воздействии поля на границу раздела фаз.
5. Обнаруженный переход испарения во взрывное кипение при наложении электростатического поля на границу раздела фаз.
На защиту выносятся
Результаты экспериментального исследования распределения температуры и электрических потенциалов в пламёнах жидких предельных углеводородов.
Результаты экспериментального исследования скоростей выгорания жидких алканов и керосина в электростатических полях, созданных локально в области факела, области жидкости и в области раздела фаз зоны горения, а также интегрально.
Результаты визуализации подпроцессов процесса горения, а именно: фазового перехода жидкости, изменение поверхности топлива и эволюция факела горения при взрывном кипении.
Обнаруженный процесс перехода испарения во взрывное кипение горящей жидкости при наложении электростатического поля на границу раздела фаз.
Достоверность результатов работы подтверждается соответствующей точностью и тарировкой измерительных систем, воспроизводимостью результатов экспериментов, использованием современных компьютерных аппаратных и программных средств сбора и обработки данных, согласованием полученных результатов с работами других исследователей.
Практическая ценность.
Обнаруженные эффекты влияния полей расширяют систему знания о горении в целом. Полученные результаты исследования влияния электростатических полей на горение жидких топлив могут быть полезны как при планировании новых экспериментальных исследований, так и для решения практических задач об оптимизации процессов горения, а также при разработке тепловых энергетических установок. Представленные в работе результаты, а также обнаруженные эффекты углубляют понимание особенностей механизмов влияния электростатических полей на горение.
Работа частично выполнена при поддержке гранта РФФИ 10-07-00528-а., используется в научных работах кафедры «Общая физика» Вятского государственного гуманитарного университета.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских конференциях: Всероссийская научно-техническая конференция «Наука – производство – технология – экология», Киров, 2008, 2009, 2010; Международная научная конференция «Туполевские чтения», Казань, 2008, 2009, 2010; VII Всероссийская научно-техническая конференция «Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей», Самара 2010.
По результатам работ автор удостоен наград: Диплом I степени международной научной конференции «XVI Туполевские чтения», Казань, 2008; Диплом I степени международной научной конференции «XVII Туполевские чтения», Казань, 2009; Диплом I степени международной научной конференции «XVIII Туполевские чтения», Казань, 2010.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ: Из них: 13 тезисы докладов научно-технических конференций, 1 статья в журнале, рекомендуемом ВАК для публикации основных результатов диссертаций.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 102 страницах и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений. Список литературы включает 110 источников. Работа иллюстрирована 56 рисунками.
