Комбинированные схемы вторичного измельчения капель жидких и композиционных топлив в камерах энергетических установок

Топливные технологии с учетом всего разнообразия объектов
энергетики и двигателей внутреннего сгорания имеют ряд ключевых
направлений развития. К числу основных относятся [1–3]: минимальные
антропогенные выбросы (газовые, летучая зола, коксовые отложения);
максимальная полнота выгорания топлива; повышение тепловой мощности;
минимальные температуры и тепловые потоки, достаточные для устойчивого
зажигания; расширение номенклатуры компонентов топлив за счет
вовлечения индустриальных и бытовых отходов; комбинированные системы
топливосжигания за счет использования традиционных энергоресурсов и
альтернативных источников. На этом фоне усиливается интерес
исследователей во всем мире к так называемым композиционным
водосодержащим топливам [3]. Их часто называют композиционными
жидкими, водоугольными или органоводоугольными [3]. В качестве
ключевых ограничений широкого использования в энергетике последних
традиционно считаются [3]: малая по времени стабильность, т.е. интенсивная
расслаиваемость при хранении; сложности транспортировки и распыления
(закупоривание форсунок, повышение давления в трубопроводах и другие
эффекты); пониженные (относительно аналогичных параметров при
сжигании углей, нефтепродуктов или газа) температуры в камере сгорания за
счет испарения воды. Благодаря активному развитию науки, техники и
технологий в мире многие из указанных ограничений к настоящему моменту
времени практически устранены за счет применения в составе топлив
специализированных добавок и примесей [4]. Тем не менее, нередко
исследователями (например, [5–7]) подчеркивается, что целесообразно
разработать технологии измельчения капель сложных по составу топлив в
нагревательных камерах или других установках для интенсификации их
зажигания и повышения полноты выгорания. Для этого могут быть
применены стадийные подходы, в частности, первичное и вторичное
измельчение.
Технологии первичного измельчения основаны на использовании
форсуночных устройств [8,9]. В частности, для распыления композиционных
топлив используют, как правило, пневматические форсунки в силу их
относительной конструктивной и эксплуатационной простоты и надежности.
В зависимости от вида топлива и топочного устройства форсунки должны
обеспечивать требуемые характеристики распыления топлива, создавать
заданную форму капельного факела, иметь определенный диапазон
возможного варьирования расхода топлива и размеров капель. Наличие в
композиционных топливах мелкодисперсных твердых частиц приводит к
значительному эрозионному износу элементов форсунки. Поэтому
конструкции форсунок для распыления композиционных топлив не должны
иметь узкие каналы и высокие скорости движения топлива вблизи их стенок.
Вторичное измельчение капель жидкостей встречается в различных
приложениях, например, при распылении топлив в топках котлов [10–12],
системах охлаждения [12], двигателях внутреннего сгорания [10,13],
тепломассообменном оборудовании [14,15]. В связи с этим достоверное
изучение процессов вторичного измельчения капель имеет большое значение
для разработки высокоэффективных технологий распыления. Для вторичного
измельчения капель используются различные принципы и подходы.
Наиболее типичные: дробление капель жидкости за счет удара о твердую
поверхность (такие процессы называют соударение с твердой стенкой) [
16,17], за счет столкновения капель между собой [18,19], перегрева и микро-
взрывного распада капель [20,21], дробление капель воздушным потоком
(часто называют газовой струей) [22,23].
Широкое применение схем вторичного измельчения капель жидких
топлив в промышленных теплоэнергетических системах может
способствовать снижению экологических и экономических показателей
горения, а также увеличить энергоэффективность сжигания.
Композиционные жидкие топлива нередко включают отходы нефтяного
происхождения и углеобогащения. Проблема утилизации таких отходов
имеет общемировой характер, так как осложняется ограниченностью
площадей для хранения и экологической опасностью [24–26]. Системы
распыления таких топлив считаются малоэффективными.
В настоящее время распылительные технологии развиваются в
направлении повышения энергоэффективности максимально возможного и
допустимого измельчения капель жидкостей [27–30]. При этом в системах и
установках, использующих тепло, чаще всего, такие технологии реализуются
с использованием существенно неоднородных капельных составов. Как
следствие, наиболее актуальное направление исследований –
интенсификация процессов вторичного измельчения (т.е. дополнительного
после первичного распыления форсункой) как однородных, так и
существенно неоднородных жидкостей. Среди технологий вторичного
измельчения капель жидкостей можно выделить наименее затратные [27–29]:
соударения между собой или со стенкой; измельчение путем воздействия
воздушным потоком. Пока остается довольно много дискуссионных
вопросов об условиях, при которых можно обеспечить максимальное
(требуемое для интенсификации соответствующих тепломассобменных
процессов) количество вторичных фрагментов с малыми размерами. Поэтому
целесообразно проанализировать современные достижения мирового
научного сообщества в области изучения этих процессов и сформулировать
перспективные ниши для последующих исследований.
Целью работы является определение условий и характеристик
измельчения однородных и многокомпонентных капель жидких и
композиционных топлив до мелкодисперсного аэрозоля по результатам
экспериментальных исследований и формулирование рекомендаций по их
использованию в теплогенерирующих технологиях.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Сравнительный анализ диапазонов изменения размеров, скоростей
движения и углов атаки однородных и многокомпонентных капель
жидких и композиционных топлив при распылении их в топочных
устройствах.
2. Определение влияния номенклатуры и концентраций перспективных
компонентов жидких и композиционных топлив на последствия
первичного и вторичного измельчения капель.
3. Разработка экспериментальной методики, создание стенда и проведение
исследований условий и характеристик вторичного измельчения капель
жидких и композиционных топлив.
4. Экспериментальное определение характеристик вторичной фрагментации
капель жидких и композиционных топлив при варьировании ключевых
факторов и параметров: схемы измельчения, температуры в камере
сгорания, свойств жидкости, концентрации добавок, формы и размеров
капель и др.
5. Сравнительный анализ схем первичного и вторичного измельчения капель
топлив, разработка по его результатам комбинированных схем
фрагментации капель.
6. Разработка рекомендаций по использованию результатов
диссертационных исследований с целью повышения эффективности
распыления топлив в камерах сгорания энергетических установок.
Научная новизна работы. Разработана экспериментальная методика
проведения исследований по определению характеристик вторичного
измельчения капель жидких и композиционных топлив, используемых при
работе систем для генерации и трансформации энергоносителей с
перспективными специализированными добавками (в виде отходов
углеобогащения и нефтепереработки). Определены эффективные условия
измельчения капель с учетом группы факторов и параметров: размеры,
скорости движения, углы атаки, компонентный состав и концентрация
добавок, температура жидкости, температура и давление газовой среды.
Сформирована не имеющая аналогов информационная база данных режимов
и характеристик вторичного измельчения капель перспективных
композиционных и жидких топлив.
Практическая значимость работы. Для широкой группы составов
топлив на базе отходов углеобогащения и нефтепереработки определены
интегральные характеристики вторичного измельчения капель и построены
режимные карты взаимодействия. Обоснованы экологические,
экономические и социальные эффекты от применения вторичного
измельчения капель в системах для генерации и трансформации
энергоносителей. Экономический и энергетический эффекты состоят в
повышении энергоэффективности работы теплотехнического оборудования
за счет уменьшения размеров после первичного измельчения капель, что
приводит к увеличению площади поверхности теплообмена, фазовых
превращений и химического реагирования. При сжигании отходов в составе
суспензий с добавлением воды снижаются антропогенные выбросы. Этим
обосновывается экологическое преимущество сжигания композиционных
топлив. Социальный эффект заключается в том, что станет возможным
снизить объемы сжигаемого угля, уменьшатся выбросы в атмосферу.
Результаты диссертационных исследований используются в НИ ТПУ в
образовательных и научных процессах при подготовке бакалавров и
магистров по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника», а также в
реализации проектов РНФ 18-71-10002-П и 21-71-10008. Результаты
использованы при разработке и модернизации систем для генерации и
трансформации энергоносителей. К диссертации приложены акты об
использовании результатов исследований.
Достоверность полученных результатов подтверждается оценками
систематических и случайных погрешностей выполненных измерений,
удовлетворительной повторяемостью опытов при идентичных начальных
условиях, использованием высокоскоростных систем регистрации и
программно-аппаратных комплексов, а также сравнением с теоретическими и
экспериментальными данными других авторов, полученными для одно- и
многокомпонентных жидкостей (на примере воды, эмульсий и суспензий).
Связь работы с научными программами и грантами. Диссертационные
исследования комбинированных систем вторичного измельчения капель
топливных композиций выполнены при поддержке гранта Российского
научного фонда (проект № 18-71-10002 «Коагуляция, дробление и
фрагментация капель жидкости в многофазных и многокомпонентных
газопарокапельных средах) (2018–2023 гг.). Созданные диссертантом
экспериментальные методики применяются при выполнении исследований в
проекте Российского научного фонда № 21-71-10008, направленного на
определение характеристик вторичных фрагментов топлив при
использовании методик первичного и вторичного измельчения. Тематика
исследований соответствует приоритетному направлению развития науки в
Российской Федерации (указ Президента РФ№ 899 от 7 июня 2011 г.):
«Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика», а также
находится в сфере критических технологий Российской Федерации
«Технологии энергоэффективного производства и преобразования энергии на
органическом топливе» и «Технологии создания энергосберегающих систем
транспортировки, распределения и использования энергии».
Научные положения, результаты и выводы, выносимые на защиту:
1. Разработана методика вторичного измельчения капель жидких и
композиционных топлив в диапазонах изменения температуры и
давления газовой среды, соответствующих теплопередающему и
теплоиспользующему оборудованию, отличающаяся от известных
комбинацией группы механизмов: распад капель при взаимодействии их
между собой, с потоком воздуха и твердой поверхностью.
2. Установлен дисперсный состав вторичных фрагментов после
комбинированных схем измельчения исходных капель типичных жидких
и перспективных комбинированных топлив, используемых в
промышленных теплоэнергетических установках.
3. Определено влияние характеристик жидкостей на режимы (изменения
положения границ на картах режимов) соударений капель в системах
координат с группой критериев (We, Oh, Re, Ca, B). Показано, что при
увеличении вязкости с 0.001 до 0.0063 Па·с снижается количество
вторичных фрагментов практически на 40%. Уменьшение поверхностного
(с 0.07269 до 0.036 Н/м) и межфазного натяжения (с 0.04257 до 0.00341
Н/м) способствуют снижению количества вторичных фрагментов
практически на 20% и 70%, соответственно.
4. Установлено существенное влияние температуры газа и давления на
последствия вторичного измельчения капель топлив. Например,
увеличение температуры газовой среды с 20 до 500 °С и давления с 0.9 до
5 атм приводит к возрастанию отношения площадей поверхности после и
до взаимодействия капель практически на 20% и 25%, соответственно.
5. Обосновано, что площадь поверхности испарения жидкости
существенновозрастает при применении схем вторичного измельчения:
соударение капель между собой – в 3–6 раз, с потоком воздуха – в 5–7 раз,
с твердой стенкой – в 15–25 раз, комбинированная методика – более чем в
100 раз. Предложены модификации схем расположения основных
элементов распыливающих систем в топочных камерах энергетических
установок, позволяющие реализовать комбинированные механизмы
измельчения капель жидких и композиционных топлив.
Личный вклад автора состоит в постановке и планировании
экспериментов, выборе методов, алгоритмов и средств регистрации,
проведении опытов, обработке полученных результатов, оценке
погрешностей, анализе и обобщении полученных результатов, разработке
рекомендаций использования полученных результатов, формулировке
защищаемых положений и выводов. Постановка решаемых задач,
планирование экспериментов и подготовка публикаций проводились
совместно с научным руководителем. Автор выражает благодарность
коллективу Лаборатории тепломассопереноса ТПУ за помощь в организации
и проведении экспериментов.
Апробация работы. Основные положения и результаты
диссертационных исследований докладывались и обсуждались на XV
всероссийской школе-конференции молодых ученых с международным
участием «Актуальные вопросы теплофизики и физической
гидрогазодинамики» (Новосибирск, 2018), международном симпозиуме
имени М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2018–
2020), XII всероссийском съезде по фундаментальным проблемам
теоретической и прикладной механики (Уфа, 2019), III международной
конференции «Современные проблемы теплофизики и энергетики» (Москва,
2020), Всероссийской научно-технической конференции «Энергия 2021»
(Иваново, 2021), XXIII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под
руководством академика А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и
тепломассообмена в энергетических установках» (Екатеринбург, 2021), VIII
Международная конференция «Тепломассообмен и гидродинамика в
закрученных потоках» (Москва, 2021).
Публикации. Результаты диссертационных исследований
опубликованы в более чем 20 печатных работах, в том числе более 10 статей
в международных рецензируемых журналах, индексируемых базами данных
«Scopus» и «Web of Science» и входящих в первый квартиль: «Powder
Technology» (ИФ=4.1), «Chemical Engineering Science» (ИФ=3.8),
«International Communications in Heat and Mass Transfer» (ИФ=3.9), «Applied
Thermal Engineering» (ИФ=4.7), «Fuel» (ИФ=5.5), «Energy» (ИФ=6.1) и др.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из
введения, трех глав, заключения и списка литературы. Диссертация изложена
на 245 страницах машинописного текса, содержит 63 рисунка и 4 таблиц.
Библиография включает 162 наименования.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы,
сформулированы цель и задачи исследований, отражены практическая
значимость, научная новизна и достоверность полученных результатов,
личный вклад автора.
В первой главе проанализировано современное состояние
исследований схем вторичного измельчения капель жидкостей. Выполнен
анализ современных способов и технологий измельчения капель жидкостей,
сформулированы основные достоинства и недостатки каждой из схем.
Определено современное состояние теоретических и экспериментальных
исследований распыления жидкостных потоков и измельчения капель.
Рассмотрены перспективные добавки для изменения свойств жидкостей.
Определены основные достижения. Выделены нерешенные задачи, а также
сдерживающие факторы развития технологий вторичного измельчения
капель топлив.
Во второй главе приведено описание разработанных методик
исследований процессов вторичного измельчения капель жидкости и
обоснован выбор рациональных схем. Представлена схема созданного
экспериментального стенда и разработанная автором методика измерений
параметров фрагментации капель, а также рассмотрены добавки для
изменения свойств (поверхностное и межфазное натяжение, динамическая
вязкость, плотность) жидкости и методы приготовления растворов.
Выделены систематические погрешности и причины случайных
погрешностей измерений.
В третьей главе приведены основные результаты выполненных
экспериментальных исследований. Установлено влияние параметров
исходных капель, свойств жидкости, температуры и давления газовой среды
на характеристики вторичного измельчения. Представлены карты режимов
взаимодействия капель с критическими значениями параметров,
характеристик перехода между ними и отношений площадей поверхности
испарения после и до измельчения. Разработаны рекомендации по
использованию результатов в энергетических приложениях.
В заключении сформулированы основные итоги диссертационных
исследований, а также соответствующие выводы.
К диссертационной работе приложены: 1. Перечень основных
публикаций; Приложение 2. Перечень научных мероприятий, на которых
выполнена апробация результатов диссертационных исследований;
Приложение 3. Акты об использовании результатов диссертационных
исследований.