Помощь студентам в учебе
КОМБИНИРОВАННЫЕ СХЕМЫ ВТОРИЧНОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ КАПЕЛЬ ЖИДКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ ТОПЛИВ В КАМЕРАХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
|
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПЕРВИЧНОГО И ВТОРИЧНОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ КАПЕЛЬ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ТОПЛИВ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
УСТАНОВКАХ 14
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД И МЕТОДИКА
ИССЛЕДОВАНИЙ 34
2.1. Современные методики исследования характеристик вторичного
измельчения капель жидкости 34
2.2. Экспериментальный стенд и методика исследования процессов
вторичного измельчения капель жидкости 38
2.3. Свойства исследованных топлив 48
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБСУЖДЕНИЕ 55
3.1. Влияние формы капель на характеристики взаимодействия при их
столкновении 55
3.2. Влияние параметров мишени и снаряда на характеристики
взаимодействия капель 67
3.3. Влияние скоростей движения и размеров исходных капель на
расчет критических чисел Вебера для режимов соударений 78
3.4. Экспериментальное определение последствий взаимодействия капель воды при смешении аэрозоля с нагретым газовым потоком.... 81
3.5. Экспериментальное определение последствий взаимодействия
капель воды в газовом потоке при разной степени турбулизации 90
3.6. Экспериментальное определение характеристик вторичного
измельчения капель воды с газовыми пузырьками 98
3.7. Влияние вязкости, поверхностного и межфазного натяжения
жидкости на режимы и последствия столкновений капель 106
3.8. Экспериментальное исследование столкновений
однокомпонентных и многокомпонентных капель топлив 121
3.9. Характеристики вторичных фрагментов при соударении капель
одно- и многокомпонентных жидкостей с нагретой стенкой 141
3.10. Комбинированное измельчение капель жидкости и
композиционных топлив 172
3.11. Энергетический анализ перспективных схем вторичного
измельчения 186
3.12. Измельчение капель жидкости в газовой среде при разном
давлении и температуре 193
3.13. Вторичное измельчение капель мазута при соударениях между
собой и с твердой стенкой 196
3.14. Рекомендации по использованию результатов исследований для
повышения эффективности работы теплоэнергетических установок за
счет первичного и вторичного измельчения капель топлив 205
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 216
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 219
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Перечень основных публикаций по теме диссертации 238
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Перечень научных мероприятий, на которых выполнена апробация результатов диссертационных исследований .... 241
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Акты об использовании результатов диссертационных исследований 242
УСТАНОВКАХ 14
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД И МЕТОДИКА
ИССЛЕДОВАНИЙ 34
2.1. Современные методики исследования характеристик вторичного
измельчения капель жидкости 34
2.2. Экспериментальный стенд и методика исследования процессов
вторичного измельчения капель жидкости 38
2.3. Свойства исследованных топлив 48
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБСУЖДЕНИЕ 55
3.1. Влияние формы капель на характеристики взаимодействия при их
столкновении 55
3.2. Влияние параметров мишени и снаряда на характеристики
взаимодействия капель 67
3.3. Влияние скоростей движения и размеров исходных капель на
расчет критических чисел Вебера для режимов соударений 78
3.4. Экспериментальное определение последствий взаимодействия капель воды при смешении аэрозоля с нагретым газовым потоком.... 81
3.5. Экспериментальное определение последствий взаимодействия
капель воды в газовом потоке при разной степени турбулизации 90
3.6. Экспериментальное определение характеристик вторичного
измельчения капель воды с газовыми пузырьками 98
3.7. Влияние вязкости, поверхностного и межфазного натяжения
жидкости на режимы и последствия столкновений капель 106
3.8. Экспериментальное исследование столкновений
однокомпонентных и многокомпонентных капель топлив 121
3.9. Характеристики вторичных фрагментов при соударении капель
одно- и многокомпонентных жидкостей с нагретой стенкой 141
3.10. Комбинированное измельчение капель жидкости и
композиционных топлив 172
3.11. Энергетический анализ перспективных схем вторичного
измельчения 186
3.12. Измельчение капель жидкости в газовой среде при разном
давлении и температуре 193
3.13. Вторичное измельчение капель мазута при соударениях между
собой и с твердой стенкой 196
3.14. Рекомендации по использованию результатов исследований для
повышения эффективности работы теплоэнергетических установок за
счет первичного и вторичного измельчения капель топлив 205
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 216
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 219
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Перечень основных публикаций по теме диссертации 238
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Перечень научных мероприятий, на которых выполнена апробация результатов диссертационных исследований .... 241
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Акты об использовании результатов диссертационных исследований 242
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 микровзрывного 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 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, В). 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.
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 микровзрывного 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 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, В). 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.
1. Условия отскока, коагуляции, дробления и фрагментации сталкивающихся капель можно регистрировать достоверно при варьировании параметров аэрозолей и газов в широких диапазонах, соответствующих энергетическим установкам. Выполнены экспериментальные оценки влияния углового и линейного параметров взаимодействия капель на частоту возникновения основных режимов взаимодействия с учетом доминирования влияния размеров и скоростей перемещения капель. Показано, что данные частоты могут быть применимы для прогнозирования условий интенсивного вторичного измельчения капель жидких и композиционных топлив в камерах сгорания энергетических установок.
2. Увеличение вязкости жидких и композиционных топлив (от 0.001 до 0.0063 Па-с) приводит к смещению границ дробления и разлета в сторону больших чисел Вебера (We-153 и We-58, соответственно) и снижению количества вторичных фрагментов с радиусом менее 0.15 мм практически на 40%.
3. Снижение поверхностного натяжения (от 0.07269 до 0.036 Н/м) топлив приводит уменьшению критических (переходных между режимами) чисел Вебера для дробления и разлета на 67% и 63%, соответственно, и к росту отношения площадей свободной поверхности капель практически на 20%. Снижение поверхностного натяжения жидкости создает условия для реализации синергетических эффектов, способствующим развитию цепных механизмов вторичного измельчения капель.
4. Снижение межфазного натяжения (от 0.04257 до 0.00341 Н/м) эмульгированных топлив позволяет получить большее количество вторичных фрагментов, чем у исходной эмульсии без эмульгатора практически на 70%. Т.е. введение в состав капли даже нескольких процентов по относительной объемной концентрации эмульгатора способствует существенной фрагментации.
5. По результатам выполненных экспериментов с использованием карт P(We), B(We), We(Oh), Re(Oh), We(Ca) установлены диапазоны смещения переходных границ между четырьмя режимами взаимодействия однородных и неоднородных капель. Показан вклад угла атаки, соотношений размеров и скоростей движения, вязкости, плотности, поверхностного натяжения составов, их температуры нагрева, способствующей испарению и формированию вокруг капель паровой оболочки.
6. Для всех топливных композиций можно обеспечить реализацию каждого из четырех режимов взаимодействий. При этом данными режимами можно управлять за счет варьирования группы рассмотренных эффектов и факторов. Например, можно обеспечить интенсивное дробление капель топлив даже при относительно невысоких значениях We и Re за счет варьирования углов атаки, прицельный расстояний между каплями, компонентного состава жидкостей.
7. Наиболее перспективная комбинация схем вторичного измельчения капель для получения мелкодисперсного аэрозоля представляет собой соударения между собой капель или со стенкой, а затем нагрев образующихся жидкостных фрагментов до состояния вскипания и последующего микро-взрывного разрушения. При такой комбинации обеспечивается рост отношения Si/Sn более чем в 100 раз. В этом случае затрачена минимальная энергия на разогрев капель на втором этапе, и не требуются большие скорости взаимодействия в рамках первого этапа.
2. Увеличение вязкости жидких и композиционных топлив (от 0.001 до 0.0063 Па-с) приводит к смещению границ дробления и разлета в сторону больших чисел Вебера (We-153 и We-58, соответственно) и снижению количества вторичных фрагментов с радиусом менее 0.15 мм практически на 40%.
3. Снижение поверхностного натяжения (от 0.07269 до 0.036 Н/м) топлив приводит уменьшению критических (переходных между режимами) чисел Вебера для дробления и разлета на 67% и 63%, соответственно, и к росту отношения площадей свободной поверхности капель практически на 20%. Снижение поверхностного натяжения жидкости создает условия для реализации синергетических эффектов, способствующим развитию цепных механизмов вторичного измельчения капель.
4. Снижение межфазного натяжения (от 0.04257 до 0.00341 Н/м) эмульгированных топлив позволяет получить большее количество вторичных фрагментов, чем у исходной эмульсии без эмульгатора практически на 70%. Т.е. введение в состав капли даже нескольких процентов по относительной объемной концентрации эмульгатора способствует существенной фрагментации.
5. По результатам выполненных экспериментов с использованием карт P(We), B(We), We(Oh), Re(Oh), We(Ca) установлены диапазоны смещения переходных границ между четырьмя режимами взаимодействия однородных и неоднородных капель. Показан вклад угла атаки, соотношений размеров и скоростей движения, вязкости, плотности, поверхностного натяжения составов, их температуры нагрева, способствующей испарению и формированию вокруг капель паровой оболочки.
6. Для всех топливных композиций можно обеспечить реализацию каждого из четырех режимов взаимодействий. При этом данными режимами можно управлять за счет варьирования группы рассмотренных эффектов и факторов. Например, можно обеспечить интенсивное дробление капель топлив даже при относительно невысоких значениях We и Re за счет варьирования углов атаки, прицельный расстояний между каплями, компонентного состава жидкостей.
7. Наиболее перспективная комбинация схем вторичного измельчения капель для получения мелкодисперсного аэрозоля представляет собой соударения между собой капель или со стенкой, а затем нагрев образующихся жидкостных фрагментов до состояния вскипания и последующего микро-взрывного разрушения. При такой комбинации обеспечивается рост отношения Si/Sn более чем в 100 раз. В этом случае затрачена минимальная энергия на разогрев капель на втором этапе, и не требуются большие скорости взаимодействия в рамках первого этапа.
