Исследование пламени в модели микрокамеры сгорания

Разработка многофункционального экспериментального огневого стенда, включающего в себя линии подачи топлива и окислителя. Проектирование горелочных насадок со сменными частями. Исследование вихревого горелочного устройства с тангенциальной закруткой.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Введение

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

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

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

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

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

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

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

· С уменьшением размеров происходит уменьшение КПД устройства;

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

1. Литературный обзор

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

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

Концепция применения микрокамер сгорания основана на том, что мощность на единицу расхода смеси топливо-окислитель определяется скоростью реакции горения, которая в свою очередь определяет скоростью химической реакции, которая не зависит размера. Удельная мощность камеры сгорания должна увеличиваться при уменьшении размера, поскольку мощность на единицу расхода смеси уменьшается пропорционально площади, при этом вес устройства - пропорционально объему. Из данного закона следует, что удельная мощность камеры сгорания должна линейно расти с уменьшением размера [1]. Этот факт является мотивацией для исследований, направленных на развитие микрокамер сгорания.

Исследования, направленные на разработку микрокамер сгорания мезо- и микро-масштаба (с размерами менее 10 и 1 мм, соответственно), активно ведутся различными зарубежными исследовательскими группами. Из числа их разработок можно упомянуть двигатель на основе «Swiss roll concept» [2] с использованием регенерации тепловой энергии, получаемой из реакции горения. Различные решения были предложены для преобразования тепловой энергии горения топлива в электрическую. Среди них отметим P3 генератор [3] на основе пьезоэлектрических материалов и термофотопреобразователь TPV [4, 5].

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

К основной проблеме, препятствующей организации устойчивого сжигания в камерах малого масштаба, следует отнести проблему высоких теплопотерь из пламени. Одним из эффективных способов преодоления этой проблемы является повышение температуры стенок камеры сгорания за счет рециркуляции тепла, как это сделано в упомянутой выше “Swiss roll” горелке. В этой горелке происходит подогрев топливно-воздушной смеси до поступления в камеру сгорания с помощью горячих продуктов горения. Рециркуляция тепла позволяет решить также проблему повышения КПД микрокамер сгорания и снижения вредных примесей, в частности NOx, применением обедненного сжигания топливно-воздушной смеси. В лабораторных условиях для изучения эффекта подогрева стенок камеры применяют отдельный источник тепла [6].

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

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

2. Постановка задачи

В данной работе была выбрана цилиндрическая геометрия в качестве модельного рабочего участка для исследования процессов горения в миниатюрных камерах сгорания, что является оправданным как с научной точки зрения, поскольку позволит сравнение полученных данных с имеющимися в литературе результатами математического и экспериментального моделирования (например, [7]), так и с точки зрения возможностей непосредственного приложения полученных результатов к практическим устройствам, например, систем TPV [4].

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

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

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

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

· Исследование спектральных свойств излучения открытого и закрытого пламен.

· Теория

3. Пламена углеводородов

При излучении обычного бунзеновского пламени сразу можно заметить, что внешний вид пламени и, следовательно, его спектр изменяются в зависимости от скорости подачи воздуха, которая в случае применения горелки Бунзена определяется воздушным зазором в ее нижней части [8]. Если закрыть подачу воздуха, то получится яркое светящееся пламя. Спектр его имеет в основном сплошной характер, который обусловлен тепловым излучением угольных частиц. При небольшой подачи воздуха яркое желтое пламя заменяется на значительно менее яркое прозрачное сине-фиолетовое, называемое обычно несветящимся. При дальнейшем увеличении подачи воздуха пламя разделяется на два конуса: внутренний - яркий сине-зеленый и внешний - гораздо менее интенсивный, сине-фиолетового цвета. При ещё гораздо большей подаче воздуха для внутреннего конуса опять начинает преобладать фиолетовый оттенок; пламя такого типа обычно не может быть осуществлено в обыкновенной бунзеновской горелке, для этого необходим некой напор в струе воздуха.

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