Изобретение относится к машиностроению, а именно к способам распыливания суспензионных горючих в топках, камерах сгорания и т.п. Техническим результатом являются повышение качества распыливания и обеспечение стабильности расходной характеристики суспензионного горючего. Сущность изобретения заключается в том, что горючее предварительно подогревают, переводят его в метастабильное состояние с помощью понижения давления при истечении через распыливающее устройство, после чего происходит взрывообразное вскипание. Согласно изобретению, топливо нагревают до приведенной температуры дисперсионной среды τ = Т₀/Т_кр = 0,75-0,93, где Т₀ - температура нагрева на входе в распыливающее устройство, Т_кр - критическая температура дисперсионной среды, с последующим истечением и распыливанием на выходе из распыливающего устройства.

Предлагаемое изобретение относится к области распыливания суспензионных горючих в топках, камерах сгорания и др. и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства: теплоэнергетике, реактивной технике, химической промышленности и т.д., где требуется получить высокодисперсное распыливание суспензий.

Известен способ распыливания жидкого горючего, основанный на предварительном подогреве и впрыске в цилиндр двигателя внутреннего сгорания (см. патент США 2744507, 1956 г., НКИ 123-32 - аналог). Подогрев жидкого горючего осуществляют в статических условиях в кольцевом узком щелевом зазоре вытянутой формы между штоком и корпусом подогревателя. Подогреватель размещен в головке цилиндра двигателя, выступает в камеру сгорания и снабжен ребрами, непосредственно контактирующими с горячими продуктами сгорания, что повышает эффективность теплообмена. Однако этот способ основан на превращении жидкого горючего в парообразное состояние при переходе через кривую насыщения (бинодаль), что не позволяет использовать эффект взрывообразного вскипания горючего при переводе его в метастабильное состояние.

Известен также способ распыливания горючего, основанный на предварительном подогреве перед впрыском через распыливающее устройство (форсунку) (см. Lipinski J.J., Coleman E.B. and Heath B.P. "Boron slurry fuel atomisation evaluation" AJAA Paper 1184, 1985 - аналог). Было исследовано распыливание двух суспензионных горючих, где в качестве наполнителя использован борный порошок: суспензионное горючее 1 (борный порошок 65 мас.%; углеводородное горючее JP 10-31%; загуститель + поверхностно-активное вещество (ПАВ) 4%) и суспензионное горючее 2 (борный порошок 60%; JP 10-32%; загуститель + ПАВ 8%). Испытания проводились на пневматической форсунке при двух значениях перепада давления воздуха на форсунке (ΔP =12,5 и 25 кПа) и разных температурах нагрева суспензионных горючих (0^o<t_н<65^oC). Получено, что мелкость (качество) распыливания суспензии значительно зависит от температуры ее предварительного нагрева. Так, при подогреве суспензии до температур t_н=55-65^oС были получены в факеле распыливания капли, средний Заутеровский диаметр которых составил d₃₂≈30 мкм. Отмечено также, что в спектре распыливания присутствовали и крупные капли, диаметр которых превышал 100 мкм. Таким образом, этот способ не позволяет получить высокодисперсное распыливание суспензионного горючего.

Известен также способ распыливания горючих из топливного коллектора в продольные трубки, размещенные в форсажной камере и в которые поступает высокотемпературный газ после турбины (см. патент Франции 2188060, 1974 г., МКИ F 02К 3/00 - аналог). При движении топливогазовой смеси по продольным трубкам происходит ее перемешивание и нагрев газами, омывающими трубки. Смесь выбрасывается через струйные форсунки в форсажную камеру и при взаимодействии с газами, поступающими из турбины, происходят дальнейший нагрев и испарение топлива и самовоспламенение смеси. Однако этот способ не позволяет применить в качестве топлива суспензионное горючее, так как порошкообразный наполнитель (дисперсная фаза) будет оседать на стенках трубок по мере испарения жидкого углеводородного горючего (дисперсионной среды). Кроме того, возникают большие трудности с поддержанием требуемого расхода горючего, поскольку коэффициент расхода форсунок существенно зависит от соотношения жидкой и паровой фаз горючего.

Известен также способ распыливания горючего, основанный на предварительном подогреве, переводе его в метастабильное состояние с помощью понижения давления при истечении через распыливающее устройство и взрывообразном вскипании (см. патент США 4522183, 1985 г., НКИ 123/558, прототип). Горючее, находящееся при определенном давлении, нагревают до определенной температуры, а затем адиабатически с помощью уменьшения (сброса) давления переводят в метастабильное состояние и при достижении границы устойчивости (спинодали) происходит быстрый взрывообразный переход горючего из метастабильного жидкого состояния в парообразное. Однако этот способ не может иметь практического применения, так как основан на спинодальном перегреве горючего, что приводит к существенной нестабильности расходной характеристики. Действительно, как это указывается в рассматриваемом способе, при достижении спинодали, т.е. границы устойчивости, происходит взрывообразное вскипание метастабильной жидкости. Вскипание происходит на центрах, зародышах, спонтанно возникающих в объеме жидкости за счет тепловых флуктуаций (гомогенное кипение). Однако в этом способе взрывообразное вскипание горючего происходит в канале распыливающего устройства и небольшие колебания температуры подогрева приводят к значительному изменению расхода горючего в камере сгорания. А в случае вскипания метастабильного суспензионного горючего со спинодальным перегревом дисперсионной среды по данному способу порошкообразный наполнитель выпадает в канале распыливающего устройства (форсунки), осаждается на его стенках и в самом неблагоприятном случае может полностью перекрыть (забить) проходное сечение канала распыливающего устройства. Естественно, что при этом нельзя получить качественное распыливание суспензионного горючего.

Задачей настоящего изобретения является повышение качества распыливания и обеспечение стабильности расходной характеристики суспензионного горючего.

Для решения этой задачи в предлагаемом способе распыливания горючего, основанного на предварительном подогреве, переводе его в метастабильное состояние с помощью понижения давления при истечении через распыливающее устройство и взрывообразном вскипании, суспензионное горючее нагревают до приведенной температуры его дисперсионной среды τ = Т₀/Т_кр = 0,75-0,93,

где Т₀ - температура нагрева на входе в распыливающее устройство;

Т_кр - критическая температура дисперсионной среды, с последующим истечением и распыливанием на выходе из распыливающего устройства.

Для реализации предложенного способа и подтверждения его эффективности приведены следующие чертежи.

На фиг. 1, 2, 3 приведены принципиальные схемы устройств, реализующих предлагаемый способ. На фиг. 4 представлена схема экспериментальной установки, с помощью которой подтверждена возможность осуществления и эффективность предложенного способа распыливания горючего. На фиг. 5 приведена полученная зависимость относительного расхода различных жидкостей от приведенной температуры. На фиг. 6 представлено фото под микроскопом наполнителя модельной суспензии - субмикронного порошка аппретированного мела. На всех фото под микроскопом принято одно и то же увеличение в 144 раза. На фиг. 7 приведено фото под микроскопом следов факела распыливания нагретой модельной суспензии (в эксперименте приведенная температура дисперсионной среды равнялась τ = 0,66). На фиг. 8 приведено фото под микроскопом следов факела распыливания модельной суспензии в метастабильном состоянии по предлагаемому способу (в эксперименте приведенная температура дисперсионной среды равнялась τ = 0,82). На фиг. 9 изображена экспериментальная осредненная кривая распределения объема суспензии по размерам капель при распыливании по предлагаемому способу для условий эксперимента на фиг. 8.

Устройство, реализующее предлагаемый способ и изображенное на фиг. 1, состоит из камеры сгорания 1, входа 2 и выхода 3 из камеры сгорания, магистрали нагрева суспензии 4, смесителя 5, магистрали подачи холодной суспензии 6, форсуночного устройства 7, термопары 8 на выходе из магистрали нагрева, термопары 9 в магистрали подачи холодной суспензии, термопары 10 на входе в форсуночное устройство, расходомерного устройства 11, блока управления 12, регулятора расхода 13 на входе в магистраль нагрева, регулятора расхода 14 в магистрали подачи холодной суспензии, подогревателя 15.

Устройство работает следующим образом.

Холодная суспензия под давлением поступает в подогреватель 15, нагревается в нем и далее по магистрали 4 поступает в смеситель 5, в который также поступает холодная суспензия по магистрали 6. На входе в смеситель измеряются температуры нагретой суспензии термопарой 8 и холодной суспензии термопарой 9, а на выходе из смесителя температура суспензионного горючего измеряется термопарой 10. Расход суспензии после смесителя 5 измеряется с помощью расходомерного устройства 11. Соответствующие сигналы от термопар 8, 9, 10 и расходомерного устройства 11 поступают в блок управления 12, в котором для получения заданного расхода суспензионного горючего с приведенной температурой дисперсионной среды в соответствии с предлагаемым способом (τ = Т₀/Т_кр÷0,75-0,93) вырабатываются соответствующие команды. Команды из блока управления 12 поступают на приводы регуляторов расхода 13 и 14, с помощью которых получают необходимые значения параметров суспензии перед распыливающим устройством (по расходу и приведенной температуре дисперсионной среды). Суспензионное горючее из смесителя 5 поступает в распыливающее устройство 7, размещенное на входе 2 в камеру сгорания 1. В распыливающем устройстве при понижении давления осуществляется перевод суспензионного горючего в метастабильное состояние, а на выходе из распыливающего устройства дисперсионная среда суспензии взрывообразно вскипает, в результате чего достигается высокодисперсное распыливание на входе в камеру. Через вход 2 подается также воздух и в камере 1 происходит смешение и сжигание распыленного суспензионного горючего. Продукты сгорания покидают камеру через выход 3.

Устройства для реализации предлагаемого способа, приведенные на фиг. 2 и 3, отличаются от устройства на фиг. 1 только тем, что для подогрева суспензии используется тепло продуктов сгорания. В устройство на фиг. 2 магистраль нагрева суспензии 4 размещена внутри камеры сгорания, а в устройстве на фиг. 3 эта магистраль 4 выполнена в виде рубашки охлаждения камеры сгорания.

Для экспериментального подтверждения реализации и эффективности предложенного способа распыливания суспензионного горючего спроектирована и изготовлена экспериментальная установка, схема которой приведена на фиг. 4.

Установка включает следующие части: электронагревательную печь 1; цилиндрическую емкость 2 с испытуемой модельной суспензией и поршнем 3; баллон с азотом высокого давления 4 и отсечной кран 5 на магистрали, связывающей баллон 4 с емкостью 2; баллон с азотом низкого давления 6 и отсечной кран 7 на магистрали, соединяющей баллон с емкостью 2; распыливающее устройство 8; фотокамеру 9; ловушку 10 со стеклянной пластинкой 11; дренажную магистраль 12 с отсечным краном 13; датчики давления 14, термопары типа хромель-копель 15, 16, размещенные на наружной поверхности цилиндрической емкости 2; кабельную термопару типа хромель-копель 17, размещенную на входе в распыливающее устройство; регулируемый источник напряжения 18.

Распыливание модельной суспензии по предлагаемому способу осуществлялось следующим образом.

В цилиндрическую емкость 2 помещалась навеска модельной суспензии, после чего емкость с поршнем 3 и распыливающим устройством 8 ставилась в электронагревательную печь 1. Подсоединялись магистрали подачи азота высокого давления от баллона 4 и низкого давления от баллона 6. По магистрали от баллона низкого давления 6 открытием отсечного крана 7 в цилиндрическую емкость осуществлялся наддув азота под давлением, превышающим давление насыщения дисперсионной среды при выбранной температуре нагрева. Включался нагрев электропечи и с помощью регулируемого источника напряжения 18 добивались необходимой температуры нагрева модельной суспензии, контролируемой по показаниям термопар 15, 16, размещенных на наружной поверхности стенок цилиндрической емкости, и кабельной термопары 17, установленной перед распыливающим устройством 8. После достижения модельной суспензией заранее выбранной температуры производилась некоторая выдержка для выравнивания температуры по высоте столба суспензии в емкости. Затем выключалась электропечь, включалась протяжка регистрирующей аппаратуры (осциллограф, фотокамера), закрывался отсечной кран 7 на магистрали низкого давления и включался отсечной кран 5 на магистрали подачи азота высокого давления от баллона 4. Под действием азота высокого давления прорывалась мембрана (на фиг. 3 не показана) перед распыливающим устройством, и происходило истечение модельной суспензии. Спустя определенное время после начала истечения суспензии с помощью дистанционного управления срабатывала ловушка 10 и осуществлялся отбор капель суспензии из факела распыливания на поверхность стеклянной пластинки 11. После испытания на стекле получался след с застывшими каплями суспензии. В нескольких точках этого следа проводилось фотографирование на микроскопе марки МБИ-15 с увеличением в 144 раза. Полученные фотографии обрабатывались и определялась осредненная кривая распределения объема суспензии по размерам капель.

В экспериментальных исследованиях в качестве дисперсионной среды использовались жидкости (вода, гексан), а в качестве суспензии - модельная суспензия, состоящая из субмикронного порошка аппретированного мела, парафина и поверхностно-активного вещества.

На фиг. 5 приведены результаты экспериментальных исследований расходных характеристик при истечении жидкостей (вода, гексан) в метастабильном состоянии. Экспериментальные результаты представлены в виде обобщенной безразмерной расходной характеристики q_отн.= f(τ), где q_отн.=q_э/q_г - относительный расход, а τ = Т₀/Т_кр - приведенная температура. Здесь q_э - экспериментальное значение удельного расхода через распыливающее устройство; q_г - расход, рассчитанный по обычной гидравлической формуле Бернулли; Т₀ - температура жидкости, измеренная перед распыливающим устройством; Т_кр - критическая температура жидкости. Экспериментальные точки, относящиеся к воде, на фиг. 5 указаны светлыми кружками, а к гексану - темными кружками. Как видно из фиг. 5, при истечении жидкостей в метастабильном состоянии на безразмерной расходной характеристике при τ = 0,93 имеется четко выраженный излом и при τ>0,93 наблюдается резкое уменьшение расхода (q_отн.). Такое сильное уменьшение расхода, т. е. запирание потока метастабильной жидкости, объясняется тем, что при τ>0,93 реализуется уже спинодальный перегрев жидкости и взрывообразное вскипание происходит в канале распыливающего устройства, что и приводит к запиранию потока. Даже небольшие колебания температуры в области спинодального перегрева 0,93<τ<1 приводят к значительному изменению расхода жидкости, т.е. к значительной нестабильности расходной характеристики. А в случае вскипания метастабильного суспензионного горючего (суспензии) со спинодальным перегревом дисперсионной среды взрывообразное вскипание в канале распыливающего устройства сопровождается выпадением и осаждением на стенках канала порошкообразного наполнителя (дисперсной фазы).

Как показали эксперименты, при нагреве суспензии, когда приведенная температура ее дисперсионной среды становится меньше указанной в предлагаемом изобретении нижней границы τ = Т₀/Т_кр = 0,75, существенно замедляется процесс парообразования, что приводит к резкому снижению качества распыливания. На фиг. 6 приведены фото следов факела распыливания модельной суспензии на поверхности стекла в случае, когда приведенная температура дисперсионной среды составляла τ = 0,66, т.е. была меньше нижней границы. На фотографиях видны крупные капли и средний (медианный) размер капель в этом эксперименте получился достаточно большим d_ср≈230 мкм, т.е. качество распыливания было низким.

Переход к метастабильному состоянию в интервале приведенных температур дисперсионной среды суспензии в соответствии с предложенным в способе τ = Т₀/Т_кр= 0,75÷0,93 значительно повышает качество распыливания. В качестве примера на фиг. 8 приведены фото следов факела распыливания модельной суспензии в метастабильном (перегретом состоянии по данному способу с приведенной температурой дисперсионной среды τ = 0,82). А на фиг. 9 для этого же испытания представлена осредненная экспериментальная кривая распределения объема суспензии по размерам капель. В этом случае средний (медианный) диаметр капель составил d_ср≈19 мкм, т.е. снизился более чем на порядок.

Способ распыливания горючего, основанный на предварительном подогреве, переводе его в метастабильное состояние с помощью понижения давления при истечении через распыливающее устройство и взрывообразном вскипании, отличающийся тем, что его нагревают до приведенной температуры дисперсионной среды τ=Т₀/Т_кр= 0,75-0,93, где Т₀ - температура нагрева на входе в распыливающее устройство, Т_кр - критическая температура дисперсионной среды, с последующим истечением и распыливанием на выходе из распыливающего устройства.