Тема: МЕХАНИЗМЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗАЖИГАНИЯ ГЕЛЕОБРАЗНЫХ ТОПЛИВ

Среди большого разнообразия конденсированных веществ,
применяемых в качестве топлив, можно выделить твердые, жидкие и гелеобразные. Последние в настоящее время менее широко распространены на практике. Причиной этого является отсутствие общей теории зажигания и горения таких топлив, которая достаточно хорошо развита для твердых и жидких конденсированных веществ [1-5]. Физико-химические процессы, протекающие при зажигании и горении таких топлив, подробно изучены. Разработаны математические модели, например [6-10], которые позволяют достоверно прогнозировать основные характеристики их горения и использовать эти результаты при проектировании камер сгорания двигателей и энергоустановок, оптимизации режимов их функционирования. Разработка теоретических основ технологий энергогенерации при сжигании гелеобразных топлив невозможна без проведения фундаментальных исследований закономерностей протекания процессов зажигания и горения, а также определения их основных характеристик. Необходимость таких исследований и последующего практического применения объясняется существенными [11] преимуществами гелеобразных топлив в сравнении с другими типами конденсированных веществ.
Г елеобразные топлива по сравнению со смесевыми твердыми топливами имеют более высокие энергетические характеристики, в частности удельный импульс более 350 секунд тяги при усилии в 1 кг на 1 кг горючего [12]. Замена смесевого твердого топлива на гелеобразное топливо может позволить на практике относительно просто реализовать динамическое управление тягой двигателя во времени [11]. Также гелеобразные топлива по сравнению, например, с жидкими имеют менее высокие показатели пожарной опасности из-за относительно малых потерь на испарение и утечки при хранении [11]. Компоненты гелеобразных топлив и продукты их сгорания характеризуются, как правило, меньшим негативным воздействием на окружающую среду по сравнению с типичными жидкими ракетными топливами [13]. Стоит отметить, что на практике гелеобразные топлива могут стать альтернативой смесевым твердым ракетным топливам. В состав последних входят два основных компонента - горючее и окислитель. Зажигание и последующее горение зарядов таких топлив происходит на открытой поверхности или в условиях газификации и диспергирования топливного заряда. Аналогичная схема работы двигателя (в первую очередь прямоточного воздушно-реактивного) может быть реализована при применении гелеобразных топлив. Эффект загущения отдельных компонентов (например, перспективных горючих или окислителей в жидком агрегатном состоянии) может стать основой для приготовления гелеобразных топливных составов, причем процессы плавления компонентов таких топлив (в отличие от газификации широко распространенных твердотопливных компонентов) и дальнейшего диспергирования частиц (или капель расплава) после попадания в камеру сгорания могут существенно интенсифицировать процесс выгорания топлива и повысить энерговыделение в единицу времени.
Реологические и физико-механические характеристики гелеобразных топлив могут достаточно существенно отличаться [11]. В зависимости от назначения и этапов жизненного цикла их состояние может изменяться - от жидкого с высокой вязкостью (например, на этапе приготовления топливных эмульсий) до твердого (например, на этапах хранения и применения, в том числе при низких температурах). В последнем случае основным отличием гелеобразного топлива от смесевого твердого топлива является другая совокупность физико-химических процессов, протекающих при нагревании. Например, при прогреве типичного смесевого твердого топлива на основе перхлората аммония и бутилкаучука (или других аналогичных компонентов) экзотермическое взаимодействие горючего компонента и окислителя происходит в прогретой области приповерхностного слоя [14]. Протекающие в течение индукционного периода процессы достаточно хорошо описываются в рамках математической модели твердофазного зажигания конденсированного вещества [14, 15].
Для гелеобразного топлива характерно газофазное зажигание. При нагревании топлива протекают фазовые переходы (плавление и испарение), а горючая смесь формируется в результате смешения паров топлива с газообразным окислителем [16] или парами окислителя, который также входит в состав топлива. Для прогнозирования характеристик процессов газофазного зажигания гелеобразных топлив необходимы соответствующие физические и математические модели, которые должны достаточно существенно отличаться, например, от моделей зажигания твердых [14, 15] и жидких [17, 18] конденсированных веществ. Разработка таких прогностических моделей невозможна без установления достоверных механизмов и характеристик процессов зажигания и горения гелеобразных топлив.
Экспериментальные исследования этих процессов при разработке новых топлив представляют достаточно сложную задачу. Метрологическое обеспечение на высоком уровне экспериментов по изучению взаимосвязанных физико-химических процессов, одновременно
протекающих в конденсированной фазе и газовой среде, во многих случаях трудно реализуемо на практике, например, вследствие относительно малых значений времен задержки зажигания, а также характерных размеров областей протекания интенсивных процессов тепломассопереноса, фазовых превращений и химического реагирования. Достаточно существенные ограничения требуют разработки современных экспериментальных методик, основанных на применении высокоскоростных программно-аппаратных средств регистрации характеристик быстропротекающих процессов. Результаты таких экспериментальных исследований представляют основу для разработки новых моделей зажигания, адекватно описывающих закономерности и достоверно прогнозирующих характеристики процесса.
При разработке новых топлив большое внимание уделяется решению проблемы их энергоэффективного и устойчивого зажигания. В настоящее время для инициирования горения твердотопливных зарядов в зависимости от их массогабаритных характеристик используют пиротехнические или пирогенные воспламенительные устройства [12, 19, 20]. Принцип действия энергоэффективного воспламенительного устройства гелеобразного топлива может быть основан, например, на локальном кондуктивном подводе энергии к топливному заряду небольшой группой источников ограниченного теплосодержания [11]. Предполагается, что основным преимуществом таких воспламенительных устройств по сравнению с пирогенными воспламенительными устройствами, принцип действия которых основан на зажигании основного топливного заряда горячими газообразными продуктами сгорания воспламенительного заряда, будут являться меньшие массогабаритные характеристики. Такой положительный эффект, несомненно, будет способствовать увеличению массы полезного груза ракеты-носителя. Применение же на практике пиротехнических воспламенительных устройств для зарядов гелеобразных топлив требует научного обоснования. Принцип действия таких устройств при твердофазном зажигании смесевых топлив основан на кондуктивном нагреве конденсированного вещества теплотой, выделяющейся в результате пропускания электрического тока через металлическую спираль, расположенную в приповерхностном слое топлива [19, 20]. Зажигание
гелеобразного топлива происходит в газовой среде после формирования горючей газовой смеси. В таких условиях теплоты, кратковременно выделяющейся разогретой спиралью в конденсированной фазе, может быть недостаточно для формирования и воспламенения горючей газовой смеси.
В рамках другого направления практического применения гелеобразных топлив (в качестве горючего в прямоточных воздушно-реактивных двигателях или при факельном сжигании композиционных топлив в топках котлов) сделан вывод [11, 21-25] о существенно разных закономерностях физико-химических процессов, протекающих при нагревании гелеобразных топлив и горючих жидкостей в обычном состоянии (на основе которых приготовлены гелеобразные топлива). При прогреве капли жидкого топлива интенсифицируется испарение с ее поверхности. Даже в условиях нагрева при относительно высоких температурах окружающей среды, например более 927 °С, вследствие протекания процесса испарения размер капли уменьшается монотонно [21-24]. Это достаточно хорошо описывается в рамках линейной зависимости изменения квадрата диаметра капли горючей жидкости от времени прогрева и последующего выгорания компонентов топлива [21-24]. В окрестности капли формируется парогазовая смесь, которая зажигается при достижении предельных по температуре и концентрации условий. При воспламенении частиц гелеобразных топлив в течение индукционного периода реализуется другая совокупность физикохимических процессов [16]. В большей мере это связано с многокомпонентным составом топлива и в меньшей степени с его агрегатным состоянием в начальный момент времени. Если первый фактор является причиной диспергирования капель расплава гелеобразного топлива, то второй фактор ведет к увеличению времени задержки зажигания вследствие протекания эндотермического процесса плавления топлива на начальном этапе прогрева частицы. Диспергирование (как частичное, так и полное) капли расплавленного топлива, интенсифицирует процесс его выгорания [16, 23-28]. В отличие от жидких однокомпонентных топлив горючие пары начинают гореть не в малой окрестности капли, а в достаточно большой по размерам области, что положительно влияет на развитие процесса.
В связи с перечисленными выше перспективами применения гелеобразных топлив для решения широкого круга задач основные актуальные проблемы фундаментального характера состоят в разработке способов приготовления топливных составов на основе разных компонентов, определении их реологических и физико-механических характеристик, а также установлении механизмов и характеристик процессов зажигания и горения топливных составов при разных условиях подвода теплоты.
Целью работы является установление по результатам
экспериментальных исследований закономерностей (механизмов, характеристик, условий) зажигания группы ранее неизученных перспективных составов гелеобразных топлив на основе неорганических и полимерных органических загустителей, в том числе структурнонеоднородных, содержащих твердые мелкодисперсные горючие частицы, при лучисто-конвективном и локальном кондуктивном нагреве.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
1. Экспериментальное обоснование возможности приготовления группы перспективных составов (пластично и упруго деформируемых) гелеобразных топлив, в том числе содержащих мелкодисперсные твердые горючие компоненты, и определение для этих составов реологических и физикомеханических характеристик первичных топливных эмульсий и пеллет, соответственно.
2. Разработка экспериментальных методик, отличающихся от известных использованием программно-аппаратных комплексов высокоскоростной видеорегистрации быстропротекающих процессов, малоинерционной контактной регистрации температуры, для исследования процессов зажигания гелеобразных топлив при нагревании одиночных частиц в высокотемпературной среде окислителя и при взаимодействии топливных зарядов с локальными источниками нагрева с конечным запасом энергии.
3. Определение по результатам экспериментальных исследований процессов зажигания и горения группы перспективных составов гелеобразных топлив на основе этанола, керосина, дизельного топлива, отработанного масла, в том числе с добавлением мелкодисперсных твердых горючих частиц основных характеристик и условий зажигания таких топлив.
4. Установление механизмов зажигания гелеобразных топлив в широких диапазонах варьирования параметров группы значимых факторов (температура источника нагрева, начальная температура топлива, компонентный состав топлива, начальный размер топливных частиц).
5. Разработка физических моделей процессов зажигания и горения гелеобразных топлив при нагреве одиночных частиц топлива в высокотемпературной среде окислителя и локальном кондуктивном нагреве топливных пеллет источником ограниченного теплосодержания.
Научная новизна работы. Впервые на основании результатов выполненного цикла экспериментальных исследований, состоящего в обосновании возможности приготовления топливных составов, определении реологических характеристик эмульсий и суспензий и физико-механических характеристик пеллет, установлении основных закономерностей и определении значимых характеристик процессов инициирования горения, разработана группа физических моделей зажигания гелеобразных топлив на основе этилового спирта, керосина, дизельного топлива, отработанного масла нефтяного происхождения, в том числе с добавлением мелкодисперсных твердых горючих компонентов, описывающих физико-химические процессы, протекающие при нагреве частиц топлива (или капель расплава) в высокотемпературной среде окислителя и при локальном кондуктивном нагреве топливных пеллет источником с конечным запасом энергии.
Теоретическая значимость. Результаты выполненных экспериментальных исследований представляют собой новые знания о механизмах и характеристиках протекания физико-химических процессов в теории горения конденсированных веществ, а также являются основой для разработки и верификации предполагаемых к разработке математических моделей и алгоритмов численного решения задач зажигания и горения группы перспективных гелеобразных топлив при разных механизмах подвода теплоты.
Практическая значимость. Для гелеобразных топлив, приготовленных на основе группы жидких горючих компонентов, определены предельные условия устойчивого зажигания, минимальные температуры источника энергии, необходимые для инициирования горения. Выявлены основные закономерности протекания физико-химических процессов в течение индукционного периода. Установлено влияние группы значимых факторов на характеристики зажигания.
Разработаны рекомендации для приготовления перспективных составов гелеобразных топлив, включающие описание способов подготовки компонентов, методов и условий их перемешивания, обеспечивающие стабильность топливных эмульсий и однородность структуры топливных пеллет.
Результаты диссертационной работы могут использоваться в авиакосмической отрасли, теплоэнергетике и энергетическом машиностроении для проектирования камер сгорания новых двигателей, расширения номенклатуры сырьевой топливной базы, обеспечения норм и требований пожаровзрывобезопасности, снижения экологической нагрузки на окружающую среду.
В авиакосмической технике гелеобразные топлива могут быть использованы как вместо жидких, так и вместо смесевых твердых ракетных топлив. В первом случае, минимизируя перечисленные выше недостатки жидких топлив, гелеобразные топлива предварительно будут плавиться в баке (за счет внутреннего источника энергии или теплоты набегающего высокотемпературного внешнего газового потока) и подаваться в жидком виде по топливопроводу в камеру сгорания. Во втором случае эффект загущения отдельных компонентов (например, перспективных горючих или окислителей, находящихся в жидком состоянии) может стать основой для приготовления смесевых топливных составов для прямоточных воздушно-реактивных двигателей, причем процессы плавления компонентов (в отличие от газификации широко распространенных твердотопливных компонентов) и дальнейшего диспергирования частиц гелеобразного топлива после попадания в камеру сгорания могут существенно интенсифицировать его выгорание и повысить энерговыделение в единицу времени.
В теплоэнергетике гелеобразные топлива представляют интерес, в первую очередь, с точки зрения снижения экологической и пожарной опасности отработанных масел, ежегодный объем производства которых составляет десятки миллионов тонн, а уровень переработки и повторного применения не превышает 15 %. Загущение отходов позволит снизить их опасность при хранении и транспортировке, а также в дальнейшем использовать в качестве энергоресурсов, например, в виде пеллет или брикетов в котлах со слоевым сжиганием топлива или в кипящем слое. Кроме этого в состав таких топливных композиций можно добавлять отходы углеобогащения (влажную угольную пыль) и низкосортные марки углей, самостоятельное применение которых в качестве энергоресурсов нецелесообразно, тем самым расширяя номенклатуру ресурсов топливно-энергетического сектора экономики в условиях уменьшения потребления высококачественных углеводородов и снижения экологической нагрузки отходов на окружающую среду.
Методы исследования.
Вязкость топливных эмульсий определена с использованием вискозиметра в рамках широко известных методик (измерение в условиях регулируемого внешнего давления вискозиметрами Убеллоде и гидростатического давления вискозиметрами Оствальда, Кэнон-Фэнске и Пинкевича). Измерение скорости сдвига в областях низких и средних значений проводилось с применением реометра. Реологическое поведение топливных эмульсий описано в рамках модели Гершеля-Балкли, применяемой для описания характеристик течения псевдопластических жидкостей.
Исследование характеристик упругой деформации топливных пеллет выполнено с использованием стандартной методики в рамках модели упругой деформации на основе закона Гука. Модуль упругости определялся по экспериментальным данным, полученным при измерении деформации цилиндрического пеллета вдоль оси симметрии, в виде разницы его размеров до приложения и после снятия нагрузки, а также значения напряжения, создаваемого в пеллете.
Экспериментальные исследования процессов зажигания и горения выполнены в рамках хорошо апробированной методики с использованием средств программно-аппаратного комплекса видеорегистрации
быстропротекающих процессов, включающего высокоскоростную цветную видеокамеру Phantom V411 (Vision Research, США), программное обеспечение Tema Automotive (Image Systems AB, Швеция). При зажигании гелеобразного топлива металлической частицей выполнялось измерение температуры топливного пеллета в условиях плавления на разной глубине слоя с использованием малоинерционных термопар и высокоскоростного аналогоцифрового преобразователя. Для определения теплового потока, подводимого к частице (или капле расплава) гелеобразного топлива в течение индукционного периода, применялся оригинальный алгоритм, основанный на экспериментальных данных интенсивного изменения температур частицы (или капли расплава) и окружающей парогазовой среды в ее окрестности.
Положения, выносимые на защиту:
1. Обоснована возможность приготовления перспективных гелеобразных топлив при использовании в качестве загустителей полимерных криогелей. В результате цикла заморозки / оттаивания при температурах минус 15 °C и плюс 20 °C, соответственно, топливная эмульсия переходит в гелеобразное состояние, обусловленное формированием полимерной матрицы, в ячейках которой расположены мелкодисперсные капли горючей жидкости. Содержание последней в топливе может достигать 80 % (при концентрации загустителя в водном растворе 10 %).
2. Впервые экспериментально установлены механизмы зажигания одиночных частиц трех групп гелеобразных топлив на основе полимерного загустителя: маслонаполненных криогелей (без добавления твердых частиц); маслонаполненных криогелей, содержащих мелкодисперсные (менее 140 мкм) твердые горючие частицы; безмасляных криогелей, содержащих мелкодисперсные частицы. Для первого и второго механизмов характерно диспергирование капли расплава, интенсифицирующее прогрев и зажигание компонентов гелеобразного топлива. Третий механизм - аналогичен процессу зажигания частицы твердого натурального топлива.
3. Частицы гелеобразных топлив (массой 7-13 мг, размерами 2,5-3,1 мм) на основе широко распространенных горючих жидкостей (отработанное масло, рапсовое масло, этиловый спирт, дизельное топливо, керосин), в том числе с добавлением мелкодисперсных твердых горючих частиц, устойчиво воспламеняются (с последующим полным выгоранием) в условиях лучистоконвективного нагрева при температурах источника 550-1000 °С. Времена задержки зажигания в зависимости от интенсивности подвода теплоты и компонентного состава топлива составляют 0,5-15 с (1-15 с для составов на основе маслонаполненных криогелей, 0,5-7 с для аналогичных составов с добавлением мелкодисперсных горючих частиц, 2-15 с для составов на основе мелкодисперсных твердых частиц без добавления жидкого горючего компонента). Если топливо не начало гореть в течение этого промежутка времени, то оно не будет гореть при более длительных временах вследствие полного испарения компонентов.
4. Варьирование начальной температуры топлива в широком диапазоне от -85 °С до 20 °С не влияет на механизм зажигания и горения топлива, но оказывает существенное влияние на время задержки зажигания. Чем меньше начальная температура топлива, тем больше длительность индукционного периода. Времена задержки зажигания и времена выгорания частиц топлив с температурой 20 °С и температурами от -85 °С до 20 °С отличаются на 25-95 %.
5. Впервые установлены скорости вдува паров в среду окислителя и движения мелкодисперсных фрагментов при диспергировании капель расплавов группы гелеобразных топлив. Скорости вдува паров горючего в окружающую газовую среду вблизи поверхности капли составляют до 3 м/с, размеры зон их распространения изменяются от 6 до 8 мм в зависимости от условий нагрева. Скорости движения мелкодисперсных фрагментов для криогелей на основе горючей жидкости составляют 1-2 м/с, для аналогичных составов с добавлением мелкодисперсных твердых частиц 1,5-2,5 м/с. Объемы соответствующих областей выгорания мелкодисперсных фрагментов составляют 0,7-8,0 см3 и 1,5-13,5 см3.
6. Впервые экспериментально установлен механизм зажигания пеллет гелеобразных топлив разогретыми до высоких температур металлическими частицами, отличающийся от механизма зажигания горючих жидкостей последовательным протеканием двух фазовых превращений в течение индукционного периода и постепенным погружением локального источника энергии в приповерхностный слой топлива. В таких условиях время задержки зажигания не превышает длительности процесса полного погружения остывающей частицы в расплав топлива.
Степень достоверности результатов исследования.
При проведении экспериментальных исследований использовались современные методы обработки полученных данных с применением метрологически аттестованной контрольно-измерительной аппаратуры. Контроль температуры при заморозке гелеобразных топлив в морозильной камере Artico ULUF 15 обеспечивался встроенным термопреобразователем сопротивления НСХ Pt1000 с погрешностью измерения не более 0,1 °C. При приготовлении топлив измерение объемных долей компонентов выполнялось при помощи стеклянных колб первого класса точности с погрешностью не более 0,5 %, выполненных по ГОСТ 1770-74. Массовые доли компонентов топлив определялись при взвешивании на электронных аналитических весах ViBRA AJH-420CE с дискретностью измерения 1 мг и погрешностью не более 5 мг. Допускаемая приведенная погрешность измерения вязкости эмульсий и суспензий вискозиметром Brookfield DV составляла менее 1 %. При определении модуля упругости и предела прочности топливных пеллет применялся манометр МПТИ с классом точности 0,4 и погрешностью измерения 0,24 кПа. Относительная погрешность измерения теплоты сгорания топлива аналитическим калориметром составляла не более 0,1 %. В экспериментах температура источника нагрева топливных и металлических частиц контролировалась встроенной в муфельную печь термопарой НСХ ХА с погрешностью ±1 °С. Систематическая погрешность определения времен задержки зажигания не превышала 0,5 %. Случайные погрешности для серий из 5-10 экспериментов, выполненных при идентичных начальных условиях, составляли менее 10 %. Погрешность канала измерения температуры топлива (для определения скорости распространения фронта плавления по координате соответствующей изотермы), состоящего из малоинерционной термопары НСХ ХА и осциллографа Rigol, составляла 1,5 %.
Связь работы с научными программами и грантами.
Диссертационная работа выполнена на стыке двух направлений научной деятельности Национального исследовательского Томского
политехнического университета «Рациональное природопользование и глубокая переработка природных ресурсов» и «Традиционная и атомная энергетика, альтернативные технологии производства энергии». Основные результаты исследований в виде экспериментальных методик, теоретических следствий применяются в Национальном исследовательском Томском политехническом университете при подготовке магистров техники и технологии по направлениям «Теплоэнергетика и теплотехника», «Энергетическое машиностроение», а также аспирантов по направлениям «Физика и астрономия», «Электро- и теплотехника».
Тема диссертации соответствует приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации (Указ Президента Российской Федерации № 899 от 7 июля 2011 года): «Транспортные и космические системы», «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика», а также Программе фундаментальных научных исследований в Российской Федерации на долгосрочный период (2021-2030 годы) (Распоряжение Правительства Российской Федерации № 3684-р от 31 декабря 2020 года): подпрограмма 2 «Фундаментальные и поисковые научные исследования».
Диссертационное исследование выполнено в рамках реализации грантов РНФ № 18-13-00031 «Разработка физических и математических моделей зажигания гелеобразных топлив в условиях, характерных для космоса, Арктики и Антарктики» (2018-2020 гг., 2021-2022 гг.).
Личный вклад автора диссертации состоит в постановке задачи; планировании и проведении экспериментальных исследований; оценке случайных погрешностей измерения группы регистрируемых характеристик; обработке, анализе и обобщении полученных результатов; формулировании практических рекомендаций; апробации результатов на научных конференциях и их опубликовании в рецензируемых периодических научных изданиях; формулировке защищаемых положений и основных выводов диссертационной работы.
Апробация результатов исследования.
Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях: ХХП Международный научный симпозиум студентов и молодых ученых имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр», г. Томск, 27 апреля 2018 г.; Международная молодежная научная конференция «Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования», г. Томск, 24-26 апреля 2018 г.; XV Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук», г. Томск, 24-27 апреля 2018 г.; Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Химия и химическая технология в XXI веке» имени профессора Л.П. Кулева, г. Томск, 21-24 мая 2018 г.; Международная конференция «Физика и химия горения (ConfPhysChem'18)», г. Самара, 24-28 июля 2018 г.; XXI Всероссийская научная конференции с
международным участием «Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии», г. Томск, 17-19 сентября 2018 г.; Международная научно-практическая конференция «Экологическая, промышленная и энергетическая безопасность - 2018», г. Севастополь, 24-27 сентября 2018 г.; XV Всероссийская школа-конференция молодых ученых с международным
участием «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», г. Новосибирск, 20-23 ноября 2018 г.; Международная молодежная научная конференция «Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования», г. Томск, 23-25 апреля 2019 г.; XXII Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», г. Москва, 20-24 мая 2019 г.; Всероссийская конференция «XXXV Сибирский теплофизический семинар», г. Новосибирск, 27-29 августа 2019 г.; 9-й Международный симпозиум по неравновесным процессам, плазме, горению и атмосферным явлениям NEPCAP-2020, г. Сочи, 5-9 октября 2020 г.;
XVI Всероссийская школа-конференция молодых ученых с международным участием «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», г. Новосибирск, 24-27 ноября 2020 г.
....
Купить

1. Приготовлены четыре группы составов (общее число 26) перспективных
гелеобразных топлив (пластично и упруго деформируемых), в том числе содержащих мелкодисперсные твердые горючие частицы. Определены реологические характеристики первичных топливных эмульсий (100-20 % об. водный раствор ПВС (5, 10 % масс.) + 0-80 % об. масло), для которых
напряжение сдвига возрастает нелинейно с увеличением скорости сдвига в диапазоне 0-70 1/с, что характерно для типичных неньютоновских жидкостей. Установлены физико-механические характеристики топливных пеллет. Отличие их модулей упругости для составов на основе 5 %-го и 10 %-го водных растворов ПВС составляет 27-71 % при разных концентрациях жидкого горючего компонента в составе топлива. Пределы прочности пеллет на основе 5 %-го водного раствора ПВС в диапазоне варьирования концентрации масла 080 % отличаются на 85 % (от 16 до 2,5 кПа), пеллет на основе 10 %-го водного раствора ПВС - на 80 % (от 60 до 11 кПа). При идентичных концентрациях масла отличие пределов прочности пеллет на основе 5 %-го и 10 %-го водных растворов ПВС составляет 73-78 %.
2. Разработаны экспериментальные методики исследования процессов зажигания частиц гелеобразных топлив при нагревании в высокотемпературной неподвижной среде окислителя и топливных пеллет при взаимодействии с разогретыми до высоких температур металлическими частицами, отличающиеся от известных использованием программно-аппаратных комплексов высокоскоростной видеорегистрации быстропротекающих процессов, малоинерционной контактной регистрации температуры.
3. По результатам выполненных экспериментальных исследований процессов зажигания и горения группы составов гелеобразных топлив на основе этанола, керосина, дизельного топлива, отработанного масла, в том числе с добавлением мелкодисперсных твердых горючих частиц, установлено отличие закономерностей протекания физико-химических процессов и их характеристики при зажигании горючих жидкостей в обычном состоянии и гелеобразных топлив на их основе. Более длительный индукционный период обусловлен протеканием эндотермического процесса плавления гелеобразного топлива на начальном этапе прогрева.
4. Установлены механизмы зажигания одиночных частиц трех групп гелеобразных топлив на основе полимерного загустителя: маслонаполненных криогелей (без добавления твердых частиц); маслонаполненных криогелей, содержащих мелкодисперсные (менее 140 мкм) твердые горючие частицы; безмасляных криогелей, содержащих мелкодисперсные частицы. Для первой и второй групп характерно диспергирование капли расплава, интенсифицирующее прогрев и зажигание компонентов гелеобразного топлива. Механизм зажигания третьей группы топлив аналогичен процессу инициирования горения частицы твердого натурального топлива.
5. Установлены условия устойчивого зажигания частиц группы топливных составов при лучисто-конвективном нагреве. Минимальные температуры разогретого воздуха, при которых происходит зажигание, соответствуют температурам, при которых воспламеняются капли жидких топлив в обычном состоянии. Частицы гелеобразных топлив (массой 7-13 мг, размерами 2,5
3,1 мм) на основе широко распространенных горючих жидкостей (отработанное масло, рапсовое масло, этиловый спирт, дизельное топливо, керосин), в том числе с добавлением мелкодисперсных твердых горючих частиц, устойчиво воспламеняются при температурах источника нагрева 550-1000 °C. Времена задержки зажигания составляют 1-15 с для составов на основе маслонаполненных криогелей, 0,5-7 с для аналогичных составов с добавлением мелкодисперсных горючих частиц, 2-15 с для составов на основе мелкодисперсных твердых частиц без добавления жидкого горючего компонента. Если топливо не начало гореть в течение этого промежутка времени, то оно не будет гореть при более длительных временах вследствие полного испарения компонентов.
6. Показано, что варьирование начальной температуры топлива в широком диапазоне от -85 до 20 °C не влияет на механизм зажигания и горения топлива, но оказывает существенное влияние на время задержки зажигания. Чем меньше начальная температура топлива, тем больше длительность индукционного периода. Времена задержки зажигания и времена выгорания частиц топлив с температурой 20 °C и температурами от -85 до -40 °C отличаются на 25-95 %.
7. В условиях протекания процессов диспергирования капель расплавов группы составов гелеобразных топлив установлено, что скорости вдува паров горючего в окружающую газовую среду вблизи поверхности капли составляют до 3 м/с, размеры зон их распространения изменяются от 6 до 8 мм в зависимости от условий нагрева. Скорости движения мелкодисперсных фрагментов для криогелей на основе горючей жидкости составляют 1-2 м/с, для аналогичных составов с добавлением мелкодисперсных твердых частиц 1,52,5 м/с. Объемы соответствующих областей выгорания мелкодисперсных фрагментов составляют О,7-8,0 см3 и 1,5-13,5 см3.
8. Экспериментально установлен механизм зажигания пеллет
гелеобразных топлив разогретыми до высоких температур металлическими частицами, отличающийся от механизма зажигания горючих жидкостей последовательным протеканием двух фазовых превращений в течение индукционного периода и постепенным погружением локального источника энергии в приповерхностный слой топлива. В таких условиях время задержки зажигания не превышает длительности процесса полного погружения разогретой частицы в расплав топлива.
9. Разработаны физические модели процессов зажигания и горения гелеобразных топлив при нагреве одиночных частиц топлива в высокотемпературной среде окислителя и локальном кондуктивном нагреве топливных пеллет источником ограниченного теплосодержания, представляющие основу для разработки и верификации прогностических математических моделей.

Купить