Исследование пламени в модели микрокамеры сгорания

Введение

Быстрое развитие малогабаритных электромеханических систем (MEMS) и устройств, обеспечивающих мобильность и связь современного человека, нуждается в особых требованиях от источников питания. Мезомасштабная и микромасштабная камера сгорания рассматривается как потенциальное решение для многих энергопотребляющих систем, таких как источники питания для портативных устройств и двигатели малых транспортных средств.

Среди других систем преобразования энергии, система на основе термофотопреобразователей (TPV) является практическим и осуществимым подходом к непосредственному преобразованию энергии излучения в электрическую энергию. Благодаря высокой плотности энергии сжиженных углеводородов (~50 МДж/кг), система TPV способна конкурировать с современными литиевыми аккумуляторами (~0.6 МДж/кг).

Следует указать, что существующие на настоящее время разработки в данной области не имеют законченного характера, позволяющего изготавливать реально работающие малогабаритные источники питания. Причиной этого является наличие серьезных принципиальных трудностей, возникающих при переходе к малоразмерным камерам сгорания, а именно:

· Увеличение отношения площадь/объем приводит к повышенным теплопотерям на стенках камеры сгорания, соответственно, к затуханию пламени;

· Небольшие размеры предполагают короткое время пребывания и плохое перемешивание топлива и окислителя, соответственно, низкую полноту выгорания топлива;

· Повышение удельной мощности приводит к повышенной теплонапряженности стенок камеры, что накладывает требования к использованию особых термостойких материалов;

· Проблема контроля выброса вредных примесей особенно важна, если речь идет об источниках питания для персональных устройств, работающих в непосредственной близости от человека;

· С уменьшением размеров происходит уменьшение КПД устройства;

· Трудность получения объективной экспериментальной информации о процессах, происходящих в узких каналах.

1. Литературный обзор Требования к альтернативным системам генерации электроэнергии растут, в то время как улучшения в технологии аккумуляторов приближаются к пределу. Плотность энергии углеводородного и водородного топлив превышает аналогичный показатель ионно-литиевая батарей. Вследствие чего, последние исследования направлены на разработку компактных систем генерации электроэнергии, основанные на горении вышеупомянутых углеводородных и водородных топлив.

Основной показатель таких устройств, а именно удельная мощность и запас энергии на единицу веса для миниатюрных термохимических источников, может более чем на два порядка превышать аналогичный показатель для электрохимических источников, в частности, традиционных батарей и современных топливных элементов.

Концепция применения микрокамер сгорания основана на том, что мощность на единицу расхода смеси топливо-окислитель определяется скоростью реакции горения, которая в свою очередь определяет скоростью химической реакции, которая не зависит размера. Удельная мощность камеры сгорания должна увеличиваться при уменьшении размера, поскольку мощность на единицу расхода смеси уменьшается пропорционально площади, при этом вес устройства — пропорционально объему. Из данного закона следует, что удельная мощность камеры сгорания должна линейно расти с уменьшением размера. Этот факт является мотивацией для исследований, направленных на развитие микрокамер сгорания.

Исследования, направленные на разработку микрокамер сгорания мезои микро-масштаба (с размерами менее 10 и 1 мм, соответственно), активно ведутся различными зарубежными исследовательскими группами. Из числа их разработок можно упомянуть двигатель на основе «Swiss roll concept» с использованием регенерации тепловой энергии, получаемой из реакции горения. Различные решения были предложены для преобразования тепловой энергии горения топлива в электрическую. Среди них отметим P3 генератор на основе пьезоэлектрических материалов и термофотопреобразователь TPV [4, 5].

Также стоит упомянуть, что существующие на настоящее время разработки в данной области не имеют законченного характера, позволяющие производство реально работающего малогабаритного источника питания. Причиной этого является наличие серьезных принципиальных трудностей, возникающих при переходе к мелкомасштабным камерам сгорания.

К основной проблеме, препятствующей организации устойчивого сжигания в камерах малого масштаба, следует отнести проблему высоких теплопотерь из пламени. Одним из эффективных способов преодоления этой проблемы является повышение температуры стенок камеры сгорания за счет рециркуляции тепла, как это сделано в упомянутой выше «Swiss roll» горелке. В этой горелке происходит подогрев топливно-воздушной смеси до поступления в камеру сгорания с помощью горячих продуктов горения. Рециркуляция тепла позволяет решить также проблему повышения КПД микрокамер сгорания и снижения вредных примесей, в частности NOx, применением обедненного сжигания топливно-воздушной смеси. В лабораторных условиях для изучения эффекта подогрева стенок камеры применяют отдельный источник тепла.

Как отмечено в недавних обзорных работах (см., например, [1]), решение комплекса проблем с использованием микрокамер сгорания еще далеко до завершения. Успех в преодолении этих проблем видится в углубленных исследованиях фундаментальных основ горения в микрокамерах сгорания, включая выяснение физических механизмов горения, стабилизации пламени, полноты выгорания и образования вредных выбросов при горении топлива в миниатюрной камере сгорания.

Обширная область применения микрокамер сгорания как компактного источника энергии может распространяться от портативных источников питания для персональных компьютеров и мобильных устройств до систем распределенного производства энергии, обеспечивающих энергообеспечение отдаленных и труднодоступных районов. Анализ литературы показывает, что эти проблемы позиционированы как имеющие важное и приоритетное значение, прежде всего, для развития современных информационных технологий (см. обзор [1]).

2. Постановка задачи В данной работе была выбрана цилиндрическая геометрия в качестве модельного рабочего участка для исследования процессов горения в миниатюрных камерах сгорания, что является оправданным как с научной точки зрения, поскольку позволит сравнение полученных данных с имеющимися в литературе результатами математического и экспериментального моделирования (например, [7]), так и с точки зрения возможностей непосредственного приложения полученных результатов к практическим устройствам, например, систем TPV.

Относительно характерных масштабов микрокамер сгорания в литературе нет единой классификации микро-генераторов электричества по характерным размерам и мощности. Характерные размеры в пределах 1−2 см для микрокамеры сгорания и соответствующая им характерная мощность относятся к промежуточному диапазону между крупномасштабными промышленными и лабораторными горелками и устройствами субмиллиметрового масштаба, для которых строго говоря применим термин «микро». Горелочные устройства сантиметрового размера или мезомасштаба используются, с одной стороны, поскольку портативные источники питания этого масштаба имеют свою область практического применения; c другой стороны, экспериментальное исследование процессов горения в каналах сантиметрового диапазона представляется гораздо более доступным, что дает возможность получения детальной информации о внутренней структуре реагирующего течения. Поэтому в данной работе планируется проведение экспериментальных исследований на модели микрогорелочного устройства с цилиндрической геометрией диаметром порядка 15−30 мм. На данной геометрии будут проведены исследования процессов горения, а именно:

· Исследование предела устойчивости пламени от характерных размеров камеры сгорания, степени обеднения, скорости потока

· Изучение основных продуктов реакции на выходе в зависимости от диаметра камеры

· Определение профиля температуры внешних стенок камеры сгорания в зависимости от размера и материала трубок

· Исследование спектральных свойств излучения открытого и закрытого пламен.

· Теория

3. Пламена углеводородов При излучении обычного бунзеновского пламени сразу можно заметить, что внешний вид пламени и, следовательно, его спектр изменяются в зависимости от скорости подачи воздуха, которая в случае применения горелки Бунзена определяется воздушным зазором в ее нижней части. Если закрыть подачу воздуха, то получится яркое светящееся пламя. Спектр его имеет в основном сплошной характер, который обусловлен тепловым излучением угольных частиц. При небольшой подачи воздуха яркое желтое пламя заменяется на значительно менее яркое прозрачное сине-фиолетовое, называемое обычно несветящимся. При дальнейшем увеличении подачи воздуха пламя разделяется на два конуса: внутренний — яркий сине-зеленый и внешний — гораздо менее интенсивный, сине-фиолетового цвета. При ещё гораздо большей подаче воздуха для внутреннего конуса опять начинает преобладать фиолетовый оттенок; пламя такого типа обычно не может быть осуществлено в обыкновенной бунзеновской горелке, для этого необходим некой напор в струе воздуха.

Рассмотрим поподробнее механизм появления молекулярных спектров. Большое число полосатых спектров в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, как например, хорошо известная система полос Свана, обнаруживаемая во внутреннем конусе бунзеновского пламени, имеет характерную структуру.

Известно, что положение системы полос в спектре определяется изменением электронной энергии, т. е. полосатые спектры видимой и ультрафиолетовой областях спектра являются результатом электронных переходов Грубая структура системы полос является результатом того, что энергия молекулы зависит также и от колебания атомов в направлении оси молекулы. Рассматривая молекулы как гармонический осциллятор, можно показать, что колебательная энергия квантуется и принимает значения, равные произведению частоты колебаний, постоянной Планка и колебательного квантово числа. Таким образом, каждый электронный энергетический уровень молекулы распадается на ряд колебательных уровней, энергия которых определяется выражением:

где н — колебательное квантовое число, щпостоянная, зависящая от частоты колебаний и Ee — электронная энергия.

Если учесть, что в молекуле имеют место отклонения от простых гармонических колебаний, то мы получим

Для электронных переходов разрешены любые изменения колебательного квантового числа, так что полосы данной системы могут быть представлены формулой

где один и два штриха относятся соответственно к более высокому и более низкому электронным уровням.

Подавляющее число спектров испускания связанно с излучением двухатомных молекул. Для получения спектра испускания необходимо выполнение ряда условий, и рассмотрение этих условий должно предшествовать каким-либо выводам относительно концентрации частиц определенного типа в пламени или в каком-либо другом источнике излучения. Совершенно очевидно, что для того чтобы можно было наблюдать интенсивный спектр испускания, концентрация соответствующих молекул должна быть достаточно велика; оказывается однако, что даже очень небольшие концентрации могут дать относительно интенсивный спектр испускания, если только он не перекрывается спектром другого вещества, присутствующего в большей концентрации.

Спектр испускания атома или молекулы может, конечно, наблюдаться только в том случае, если расстояния между электронными энергетическими уровнями таковы, что возможен переход, при котором соответствующая линия или система полос лежит в исследуемой области спектра; далее следует учитывать, что источник должен обладать достаточной энергией, чтобы возбудить атом или молекулу до нужного уровня.

Вид спектра существенным образом зависит от применяемого источника излучения. В таких источниках, как разрядная трубка или дуга, возбуждение в основном производится ускоряемыми электрическим полем быстрыми электронами, энергия которых достаточна для возбуждения спектров, соответствующих переходам между электронными состояниями с большой энергией. В пламенах возбуждение молекул в основном имеет либо тепловую, либо химическую природу, причем в обоих случаях величины энергии весьма ограничены, так что наблюдаемые спектры всегда соответствуют переходам между состояниями с малой энергией.

Ниже представлены спектры некоторых элементов, которые наблюдались в экспериментах. Данный список не отражает все спектральные свойства элементов, указанные в нем; выбраны только наиболее интенсивные линии, наблюдавшиеся в ходе работы.

Полосы OH

Полосы с красным оттенением, с четырьмя кантами — двумя R и двумя Q. Ярче других выражен R-кант большей частоты, другие взаимно перекрыты. Система эта встречается в спектре испускания почти всех источников, где присутствует водяной пар, например, в пламени, в дуге и в разрядных трубках с парами воды.

Полосы СH

Полосы CH легко возбуждаются при сжигании углеводородов, а также в электрических разрядах, когда имеются вместе углерод и водород. Они также возбуждаются в спектрах многих небесных тел. Эта система также наблюдается в спектрах испускания голов комет и в спектрах поглощения в атмосфере Солнца. Известны три системы в областях: 430 нм, 390 нм, 314,3 нм. Интенсивности их убывают в том порядке, в котором они приведены, причем третья система обычно гораздо слабее остальных двух.

Полосы H2O

Эти полосы наблюдаются в спектрах всех пламен, содержащих водород, в том числе и пламенах влажных газов. Они наиболее интенсивны в пламени кислородно-водородной горелки и в пламени кислорода, горящего в атмосфере. Приведенная ниже таблица построена по данным из Гейдона.

Полосы СO2

Пламя окиси углерода дает интенсивный сплошной спектр, простирающийся от 300 нм до длины волн больше 500 нм, а также большое число узких полос, не имеющих кантов, которые накладываются на этот континуум.

Полосы MnO

Полосы оттенены в красную сторону; они образуют хорошо заметные серии; часто наблюдаются в топочных пламенах.

Полосы TiO

Условия появления. В дугах и печах, содержащих двуокись титана. Эти полосы особенно выделяются в спектрах звезд типа М.

4. Виды горения Получены многочисленные экспериментальные данные, характеризующие протекание процесса горения на различных стадиях и в различных условиях.

Виды горения, встречающиеся в природе и технике, весьма разнообразны. В соответствии с фазовым состоянием компонентов их принято делить на три большие группы:

· Гомогенное горение (все участвующие в горении компоненты находятся в газовой фазе).

· Гетерогенное горение (часть компонентов находится в твердой или жидкой фазе, а остальная — в газообразной).

· Горение взрывчатых веществ (все компоненты находятся в твердом или жидком конденсированном состоянии).

В зависимости от кинематического состояния реагирующей среды окислительно-восстановительные химические реакции подразделяют на горение в неподвижной среде и в потоке, а последнее на ламинарное и турбулентное в дозвуковых потоках и детонационное в сверхзвуковых.

Особенности процесса определяются скоростью его протекания. Разложение органических соединений в окислительной среде (гниение) есть горение с достаточно малой интенсивностью при отсутствии саморазгона процесса. Протекание окислительно-восстановительных реакций с малым тепловыделением, недостаточным для образования интенсивного лучистого потока энергии, относится к беспламенному горению.

5. Требования к современным горелкам Исследования широкого круга специалистов занимающихся изучением процессов в горелочных устройствах, включая аэродинамику течения; химическое реагирование горючего и окислителя; процессы теплопередачи, показали, что именно аэродинамические процессы при работе горелочных устройств играют определяющую роль. Это позволяет классифицировать многочисленные типы горелочных устройств по нескольким газодинамическим схемам подачи горючего и окислителя.

Для эффективного сжигания топлива необходимо выдержать и обеспечить ряд условий. Топливо и окислитель должны быть полностью или частично перемешаны с образованием смеси, способной вступать в химическую реакцию. Возможность воспламенения и характер горения определяются температурными условиями, условиями смесеобразования, отводом продуктов сгорания, условиями теплообмена зоны реакции.

В технике для сжигания топлива в качестве окислителя, как правило, используется атмосферный воздух, кислород которого при высокой температуре соединяется с углеродом, водородом, серой, образуя продукты сгорания (полного окисления): SO2, H2O, CO2.

Поскольку в воздухе кроме О2 содержится азот, то очевидно, что он будет присутствовать в продуктах сгорания. Если горение происходит при избытке воздуха, то в продуктах сгорания будет содержаться некоторое количество О2.

В продуктах сгорания могут присутствовать продукты неполного сгорания: СО, СnНm…, а также многочисленные побочные продукты реакции, наиболее токсичными из которых являются NO, NO2, N2O.

Анализ аэродинамической структуры ГУ с различными аэродинамическими схемами показал, что основными причинами их недостаточной эффективности при переменных режимах являются:

· Разрушение циркуляционных зон высоконагретых продуктов сгорания, обеспечивающих аэродинамическую стабилизацию горения;

· Нарушение равномерности распределения горючего в потоке окислителя;

· Выход концентрации топливной смеси за пределы воспламенения.

Из этого следует, что для создания эффективного горелочного устройства (ГУ) необходимо обеспечить устойчивую, аэродинамическую структуру течения (необходимую глубину проникновения струй горючего в поток окислителя; заданные поля скоростей и уровень турбулентности; систему устойчивого вихреобразовании) горючего, окислителя и продуктов сгорания в широком диапазоне скоростей.

Для формирования подходов к созданию технологии сжигания топлив необходимо, четко сформулировать современные требования к горелочному устройству.

· Устойчивое горение в широком диапазоне скоростей горючего и окислителя (для предотвращения срыва факела при резких колебаниях давления газа и воздуха).

· Необходимый диапазон регулирования по мощности и коэффициенту избытка воздуха.

· Максимально возможная полнота сгорания топлива.

· Допустимый уровень эмиссии токсичных веществ (NОX, CO, SO2 и т. д.) во всем диапазоне нагрузок.

· Возможность управления длиной и светимостью факела, а также его аэро-динамической и концентрационной структурой для обеспечения необходимой интенсивности и равномерности распределения тепловых потоков.

· Низкий уровень шума;

· Минимально возможное сопротивление по трактам горючего и окислителя для обеспечения возможности работы при низких давлениях газа и воздуха, снижения расхода электроэнергии на привод тягодутьевых машин.

· Надежность и простота регулирования режимов работы для упрощения автоматики и обеспечения безопасности.

· Модульность, которая позволяет создавать горелочные устройства необходимой мощности из автономных пилонов.

· Технологичность, простота изготовления, низкая металлоемкость, отсутствие потребности в дорогих материалах.

Таким образом, в настоящее время общепризнанно, что горелочное устройство, реализующее современную технологию сжигания топлива, должно обеспечивать: рациональное первоначальное распределение горючего в потоке окислителя; высокий уровень интенсивности турбулентности в области образования топливной смеси; устойчивую управляемую аэродинамическую структуру течения горючего, окислителя и продуктов сгорания с зонами обратных токов в области стабилизации факела; саморегулируемость состава смеси в зоне обратных токов. Практическая реализация перечисленных условий требует детального и всестороннего исследования аэродинамической структуры реагирующего течения в горелочном устройстве, выявления факторов (геометрические и режимные условия, состав реагирующей смеси и т. д.), влияющих на стабильность пламени, полноту выгорания и уровень выбросов. Важным также представляется исследование методов управления газодинамической структурой течения с целью оптимизации процесса горения.

Стабилизация пламени закруткой В струях с большими скоростями закрутки, когда параметр S превышает критическую величину, в центре струи вблизи сопла образуется рециркуляционная зона типа тороидального вихря. Эта тороидальная вихревая структура играет важную роль в стабилизации пламени, так как включает зону с интенсивным смешением, заполненную горячими продуктами сгорания и функционирующая как резервуар тепла и химически активных веществ.

В пламени, существующих в закрученных потоках, рециркуляционная зона играет важную роль в стабилизации пламени, обеспечивая постоянный источник тепла в виде циркулирующих продуктов сгорания и область пониженной скорости потока, в которой скорость распространения пламени и скорость течения могут сравняться.

Аэродинамические характеристики Аэродинамические характеристики исследуемых потоков главным образом характеризуются следующими безразмерными параметрами.

Число Рейнольдса Re:

где U — характерная скорость, L — характерный размер, н — кинематическая вязкость. В данной работе в качестве скорости U и масштаба L использовались среднерасходная скорость во входных соплах и их диаметр.

Величина крутки S [10]

где D0 — диаметр камеры, De — диаметр сопла, Aф — площадь входных отверстий Химический состав смеси характеризовался коэффициентом стехиометрии ц, пропорциональным отношению объемного расхода пропана к объемному расходу воздуха. В данном исследовании использовался пропан и воздух.

Реакция полного окисления всех продуктов реакции представлена ниже (Шарыпов):

— 2,5% этан

— 93% пропан

— 4,5% бутан

Откуда следует, что на 1 кг смеси необходимо 3.52 кг O2, или 15,17 кг воздуха. Можно переписать, исходя из значений плотностей газов [11], что на 1 л смеси необходимо 24,12 л воздуха при T = 20 °C.

6. Описание эксперимента В данной части описаны приборы, их основные характеристики, представлена схема огневого стенда, и разобрана методика и последовательность измерений.

Приборная часть Газоанализатор Тест — 1

Газоанализатор «Тест — 1» предназначен для оперативного измерения следующих газовых компонент: CO, CO2, O2, NO (рис. 1).

Газоанализатор состоит из элементов, схематично изображённых на рис. 2.

Рис. 1. Газонализатор Тест-1

Рис. 2. Схема газоанализатора Тест-1

Принцип работы измерительных датчиков:

CO, CO2 — оптико-абсорбционный,

O2, NO — электрохимический.

Анализируемый газ, проходя по газовому тракту, взаимодействует с измерительными датчиками. Под влиянием газа датчики вырабатывают сигналы, пропорциональные концентрациям анализируемых компонент. Сигналы со всех датчиков в реальном режиме времени поступают к электронному блоку, где преобразуются и обрабатываются.

Обработанные результаты измерений выводятся на дисплее панели оператора. Ниже представлены основные характеристики Тест — 1:

Газоанализатор Монолит Рис. 3. Общий вид газоанализатора Монолит.

Газоанализаторы «Монолит» (рис. 3), в зависимости от модификации предназначены для:

· Измерения содержания кислорода, оксида углерода, оксида азота, диоксида азота, сернистого ангидрида и сероводорода в отходящих газах топливосжигающих установок

· Измерения температуры и избыточного давления газового потока в точке отбора пробы, а также индикация температуры окружающей среды Газоанализаторы «МОНОЛИТ» являются многофункциональными приборами, принцип действия которых основан на применении измерительных преобразователей различных типов и назначения:

· Комплекта электрохимических датчиков для измерения содержания газовых компонент анализируемой пробы;

· Термоэлектрического преобразователя (термопары) для измерения температуры газового потока;

В общем случае прибор функционирует следующим образом:

Поток анализируемой газовой пробы поступает в прибор через пробоотборный зонд, влагоотделитель и внешний фильтр очистки (не приведенные на структурной схеме) с помощью встроенного мембранного микронасоса с номинальным значением расхода 0,8 л/мин, контролируемым с помощью датчика потока. Пройдя через внутренний фильтр очистки, проба направляется в блок электрохимических газовых датчиков, где попадает в газовую камеру датчика О2, а также камеру датчиков СО, NO, NO2 и SO2, где подвергается анализу. После прохождения камер проанализированная проба выводится из газоанализатора через отверстие сброса, расположенное на боковой поверхности прибора. Электрохимические датчики под воздействием анализируемых компонент изменяют свои свойства и вырабатывают выходные электрические сигналы, пропорциональные концентрациям анализируемых компонент. Сигналы со всех датчиков в реальном масштабе времени поступают в управляющий микроконтроллер, где преобразуются и обрабатываются.

В случае перегрузки какого-либо датчика по концентрации (превышения его диапазона измерений) микроконтроллер останавливает работу пробоотборного насоса и выводит на дисплей газоанализатора соответствующее предупреждающее сообщение. В этом случае оператор должен немедленно прекратить измерения, вынуть из газохода пробоотборный зонд и продуть прибор чистым воздухом.

Пирометр АКИП — 9311

Принцип работы:

Радиационный пирометр измеряет температуру поверхности объекта. Оптика прибора пропускает и фокусирует на детекторе тепловое инфракрасное излучение. Электроника прибора преобразует оптическое излучение на входе детектора в электрический сигнал, обрабатывает его и выдает информацию на цифровой дисплей. Лазерная указка служит только для для нацеливания на объект измерения.

Излучательная способность (эмиссия е) Большинство окружающих нас материалов имеют коэффицент эмиссии е порядка 0,8 — 0,98. Но в зависимости от состояния поверхности эмиссия может быть другой. Данные по значению е для различных материалов прилагаются в паспорте к изделию.

Для расчета погрешности измерений температуры в заданном диапазоне измеряемых температур для каждой точки температурного диапазона проводится серия из 10-ти измерений и рассчитывается среднее значение.

Относительная погрешность пирометра определяется по формуле:

где TABO — значение температуры абсолютно черного тела, °C;

Tdet — среднее значение измеренной температуры, °C.

Абсолютная погрешность пирометра определяется по формуле:

Рис. 4. Пирометр АКИП — 9311.

Спектрограф Колибри 2

Спектрометр создан по схеме Эберта-Фасти на основе плоской дифракционной решетки и анализатора МАЭС с одной линейкой фотодиодов. Его оптическая схема и конструкция оптимизированы для получения спектра высокого качества с низким уровнем фонового излучения в любой из областей, лежащих в спектральном интервале 190−1100 нм.

Рис. 5. Общий вид, схема и технические параметры спектрографа Колибри 2.

Конструкция спектрометра выполнена следующим образом (рис. 5). Его герметичный корпус наполнен инертным газом с избыточным давлением для увеличения срока службы. Обеспечена возможность установки дифракционной решетки под нужным углом для выбора рабочего спектрального интервала. Линейка фотодиодов используется в безкорпусном исполнении. В этом случае отсутствует паразитное излучение, возникающее в результате переотражения от покровного стекла, что позволяет снизить уровень фона в зарегистрированном спектре. Стабилизация температуры линейки осуществляется с помощью двухкаскадного термоэлектрического модуля Пельтье и цифрового датчика температуры, находящегося в тепловом контакте с кристаллом линейки. Фоточувствительная поверхность линейки устанавливается в область наилучшей фокусировки спектра с помощью специальных винтов. Входная щель шириной 7, 15 или 25 мкм выполнена методом фотолитографии на слое алюминия, нанесённом на поверхность сапфировой подложки. Для автоматической калибровки за входной щелью размещен электромеханический затвор, перекрывающий доступ излучения в спектрометр. На входе спектрометра установлена линза для фокусировки анализируемого излучения на входной щели. Спектрометр «Колибри-2» имеет следующие технические характеристики:

· рабочий спектральный диапазон — 190−1100 нм;

· обратная линейная дисперсия — 0,19 нм/диод;

· фокусное расстояние — 100 мм;

· относительное отверстие — 1:6;

· количество фотодиодов — 2580;

· размер фотодиода — 12,51 000 мкм2;

· минимальное время экспозиции — 10 мс;

· максимальное время экспозиции — не ограничено;

· габариты — 15 020 080 мм³; вес — 3 кг.

Описание установки Принципиальная схема установки представлена ниже (рис. 6а). Компоненты подаются из компрессора сжатого воздуха и газового баллона с пропаном. Воздух проходит систему очистки и регулируется с помощью регулятора SMC-IR1010-F01. На редукторах выставляется давление в 1 psia. Для регулировки расхода компонентов использовались 3 ротаметра (044−40-ST, 044−40-GL, 102−05-SA) фирмы Aalborg (рис. 6в), имеющие калибровочные кривые в паспорте, а также на официальном сайте производителя. Все компоненты подводятся в смеситель перед горелкой, далее перемешанная смесь по двум каналам подводится в горелку, где и происходит воспламенение реагентов.

Схема горелки представлена на рис. 7. Как видно, горелка имеет два тангенциальных входа, создающие закрученный поток. Степень закрутки равна S=1.76, 3.45 и 5.7 для трубок Ш15 мм, Ш21 мм и Ш27 мм соответственно. В пазе основной камеры закреплена трубка с помощью 4 винтов и верхней крышки. Трубка центрована и герметично закреплена в основном пазе с помощью асбестового шнура. Для трубок Ш15 мм и Ш21 мм имеются специальные переходники на основную камеру. Для обеспечения возможности варьирования геометрии рабочего участка были изготовлены сменные секции различных диаметров и длины (рис. 8).

Рис. 6. Экспериментальный стенд: а — схема, б — вид приборной стойки, в — блок ротаметров.

Радом расположена координатная система, изменяющая положение подставки в трех координатах (рис. 6б). На подставку устанавливались пирометр, спектрограф и зонд газоанализатора.

Также в ходе работы исследовались спектральные свойства прямоточной коммерческой горелки и горелки открытого типа с завихрителем.

(б) (в) Рис. 7. Горелочное устройство с тангенциальным завихрителем: а — схема, б, в — фотографии сменных цилиндрических участков диаметром 15 и 27 мм, соответственно.

Рис. 8. Набор секций рабочего участка для варьирования геометрических граничных условий.

Методика измерения Для начала серии опытов необходимо было определить карту режимов пламен в горелке для различных трубок. Для этого произведена градация расходов и выбор оптимальных ротаметров для определенных компонент. Для воздуха были выбраны ротаметры со стальным и стеклянным поплавками, для пропана выбран ротаметр с сапфировым поплавком. Калибровки ко всем ротаметрам имелись в паспорте продукции.

Характерные пламена были разделены на четыре основных группы:

· Неустойчивое горение в трубке с последующим срывом пламени

· Устойчивое горение в трубке без пламени над трубкой

· Устойчивое горение в трубке с появлением небольшого пламени над трубкой высотой 1−5 см

· Устойчивое горение в трубке с появлением небольшого пламени над трубкой высотой 5−10 см Основной интерес представляли 2-я и 3-я группы. Для этих режимов детально исследованы профили температур на стенках трубок, газовый анализ продуктов реакции горения, а также характерные спектры излучения в стеклянных трубках.

Спектрограф был установлен на подставке координатного блока. С помощью рукояток изменялась высота, расстояние до объекта и положение в горизонтальном сечении исследуемого пятна спектрографа.

Зонд и пирометр были установлены с помощью зажима на подставке и также меняли положение исследуемой области.

Исследуемая область спектрографа пятно Ш5 мм. Исследуемая область пирометра пятно Ш2 мм.

7. Результаты Пределы устойчивости горения На рисунках 9−11 показаны графики устойчивости для стальной трубки диаметрами 15, 21 и 27 мм. Результаты показывают, что в трубке наименьшего диаметра 15 мм устойчивое горение без срыва и выхода пламени вверх за пределы трубки возможно только вблизи стехиометрической смеси (рис. 9). Для трубок с большими диаметрами область устойчивого горения несколько расширяется в область обедненных смесей (рис. 10, 11). Отмеченная особенность связана очевидно с теплопотерями на стенках камеры, которая становится критической при снижении температуры пламени (обеднении топливно-воздушной смеси) и уменьшении диаметра трубки.

Карты устойчивости показывают также диапазон изменения по входным числам Рейнольдса, которые соответствуют высокотурбулентным режимам.

Рис. 9. Пределы устойчивости горения в рабочем участке диаметром 15 мм.

Рис. 10. Пределы устойчивости горения в рабочем участке диаметром 21 мм.

Рис. 11. Пределы устойчивости горения в рабочем участке диаметром 27 мм.

Распределения температур На рис. 12−16 представлены данные по распределениям температуры на внешней боковой стенке рабочего участка для трубок различного диаметра и материала, при двух расходах подачи пропана 0.75 и 1.5 л/мин, соответствующих тепловой мощности 2.55 и 5.1 кВт, соответственно, и различных подачах воздуха. Эволюция температуры стенки, отражающая процессы сгорания топлива внутри камеры сгорания. Начиная от основания камеры сгорания, происходит резкое повышение температуры, достигая на некотором расстоянии максимума порядка 800−900°С. Далее температура достаточно медленно уменьшается к выходу. Перед самым выходом имеется участок резкого снижения температуры стенки, что связано с отводом тепла на верхний фланец камеры сгорания.

Рис. 12. Распределения темперартуры на боковой стенки рабочего участка для стальной трубки диаметром 15 мм.

Рис. 13. Распределения темперартуры на боковой стенки рабочего участка для стальной трубки диаметром 21 мм.

Рис. 14. Распределения темперартуры на боковой стенки рабочего участка для стальной трубки диаметром 27 мм.

Рис. 15. Распределения темперартуры на боковой стенки рабочего участка для кварцевой трубки диаметром 15 мм.

Рис. 16. Распределения темперартуры на боковой стенки рабочего участка для керамической трубки диаметром 15 мм.

Газовый анализ продуктов сгорания На рис. 17−28 показаны зависимости по содержанию углекислого газа, кислорода, окислов азота и оксида углерода для стальных трубок различного диаметра, при двух расходах подачи пропана 0.75 и 1.5 л/мин, соответствующих тепловой мощности 2.55 и 5.1 кВт, соответственно, и различных подачах воздуха (коэффициента ?). Анализ данных показывает, достаточно высокий уровень образования окислов азота в режимах в обогащенных режимах горения (до 80 ppm для трубки диаметром 15 мм). Наблюдаемое снижение образования окислов азота для больших трубок может быть связано с подсосом окружающего воздуха. Обращает также внимание, что уровень выбросов окислов азота достаточно резко снижается при обеднении топливно-воздушной смеси.

Рис. 17. Содержание углекислого газа в зависимости от расходов пропана и воздуха.

Рис. 18. Содержание кислорода в зависимости от расходов пропана и воздуха.

Рис. 19. Содержание окислов азота в зависимости от расходов пропана и воздуха Рис. 20. Содержание CO в зависимости от расходов пропана и воздуха.

Исследование спектрального состава оптического излучения пламени На рис. 29, 30 даны спектры излучения пламени, полученные для кварцевых трубок диаметром 21 и 27 мм, соответственно. На рис. 31 приведены зависимости интенсивности характерных линий в спектрах для радикалов OH*, CH*. Видно, в частности, что интенсивности линий возрастают при переходе к обедненным или обогащенным режимам горения. Также наблюдались спектры TiO*, MnO*, H20, CO2.

Информация по спектрам излучения пламени в дальнейшем должна быть использована с одной стороны для анализа процесса горения (интенсивности радикалов OH*, CH*), с другой стороны эти данные важны для анализа излучательной способности пламени, в плане применения горелочного устройства в комплекте с термофотопреобразователем.

Рис. 29. Спектры излучения пламени при горении в кварцевой трубке диаметром 15 мм.

Рис. 30. Спектры излучения пламени при горении в кварцевой трубке диаметром 27 мм.

Рис. 31. Изменение интенсивностей пиков в спектре излучения пламени для кварцевых трубок.

В завершение обзора результатов необходимо обсудить погрешность результатов.

Анализ погрешностей

Заключение

Таким образом, в данной работе были получены следующие результаты:

1. Создан многофункциональный экспериментальный огневой стенд, включающий в себя параллельные линии подачи топлива и окислителя, что позволяет исследовать различные схемы подачи топлива и окислителя, включая ступенчатую подачу окислителя, организацию пилотного пламени, использования вторичных горелок для подогрева стенок камеры сгорания.

2. На основе предварительных исследований проведен выбор модельного горелочного устройства, который может быть рассматриваться в качестве прототипа для применения в малогабаритном источнике питания.

3. Спроектированы и изготовлены различные горелочные насадки со сменными частями, позволяющие менять геометрические граничные условия, исследовать эффекты масштабирования и условий теплообмена на стенке.

4. Проведены исследования вихревого горелочного устройства с тангенциальной закруткой в зависимости от тепловой мощности, степени разбавления топливно-воздушной смеси воздухом, диаметра и материала стенок камеры сгорания. Получены экспериментальные данные по пределам устойчивости горения, распределению температуры боковой стенки, газовому анализу состава продуктов сгорания и спектрам излучения пламени.

5. Полученные результаты дают возможность проанализировать основные особенности процесса горения в исследуемом устройстве и разработать план дальнейших исследований в данном направлении. В частности, необходимо рассмотреть вопрос рециркуляции тепла уходящих газов для подогрева стенок, чтобы иметь возможность стабилизации пламени в обедненных режимах, дающих в свою очередь снижение окислов азота. Необходимо также исследовать схемы ступенчатой подачи и восстановления окислов азота для улучшения экологических показателей горелочного устройства.

1 Dunn-Rankin D., Leal E.M., Walther D.C. Personal power systems // Prog. Energy Combust. Sc. — 2005. — Vol. 31. — P. 422−465.

2 Sitzki L., Borer K., Schuster E., Ronney P.D., Wussow S. Combustion in Microscale Heat-Recirculating Burners. The Third Asia-Pacific Conference on Combustion, June 24−27, 2001, Seoul, Korea.

3 Whalen S., Thompson M., Bahr D., Richards C., Richards R. Design, fabrication and testing of the P3 micro heat engine // Sensors and Actuators. — 2003. — Vol. 104. — P. 290−298.

4 Yang W., Chou S., Shu C., Xue H., and Li Z. Research on micro-thermophotovoltaic power generators with different emitting materials // J. Micromech. Microeng. — 2005. Vol. 15. — P. S239-S242.

5 Струтинская Л. Т. Термоэлектрические микрогенераторы. Современное состояние и перспективы использования // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2008. — № 4. — С. 5−13.

6 Марута К., Парк Дж.К., Ох К. С., Фуджимори Т., Минаев С. С., Фурсенко Р. В. Особенности горения газа в узком нагретом канале // Физика горения и взрыва. — 2004. — Т. 40, № 5. — С. 21−29.

7 Choi B., Han Y., Kim M., Hwang C., Oh C. B. Experimental and numerical studies of mixing and flame stability in a micro-cyclone combustor // Chemical Engineering Science, 2009, Vol. 64, pp. 5276−5286.

8 Гейдон А., «Спектроскопия и теория горения», перевод Издательство иностранной литературы, Москва 1950.

9 Пирс Р., Гейдон А., «Отождествление молекулярных спектров», перевод Издательство иностранной литературы, Москва 1949.

10 Гупта А., Лилли Д., Сайред Н., «Закрученные потоки», перевод Мир, Москва 1987.

11 Варгафтик Н. Б., «Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей», Издательство: «НАУКА» Год: 1972.

Приложение № 1

микрокамера сгорание огневой стенд Сталь 12Х18Н10Т Общие сведения Заменитель стали: 08Х18Г8Н2Т, 10Х14Г14Н4Т, 12Х17Г9АН4, 08Х22Н6Т, 08Х17Т, 15Х25Т, 12Х18Н9Т.

Вид поставки сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 5949–75, ГОСТ 2590–71, ГОСТ 2879–69. Калиброванный пруток ГОСТ 7417–75, ГОСТ 8559–75, ГОСТ 8560–78. Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 14 955–77, ГОСТ 18 907–73. Лист толстый ГОСТ 7350–77. Лист тонкий ГОСТ 5582–75. Лента ГОСТ 4986–79. Проволока ГОСТ 18 143–72. Поковки и кованые заготовки ГОСТ 1133–71, ГОСТ 25 054–81. Трубы ГОСТ 9940–81, ГОСТ 9941–81, ГОСТ 14 162–79.

Назначение детали, работающие до 600 °C. Сварные аппараты и сосуды, работающие в разбавленных растворах азотной, уксусной, фосфорной кислот, растворах щелочей и солей и другие детали, работающие под давлением при температуре от -196 до +600 °С, а при наличии агрессивных сред до +350 °С. Сталь коррозионно-стойкая аустенитного класса.

Химический состав Химический элемент%

Кремний (Si)не более 0.8

Медь (Cu)не более 0.30

Марганец (Mn)не более 2.0

Никель (Ni)9.0−11.0

Титан (Ti)0.6−0.8

Фосфор (P)не более0.035

Хром (Cr)17.0−19.0