РОЗДІЛ 2
ДиспергованА водА У Спалюванні рідкого палива.
контроль параметрів дисперсних частинок за ЗОБРАЖЕННями шляхом ПОБУДУВАННЯ ЇХ
АНАЛІТИЧНИХ МОДЕЛЕЙ
Широке коло питань, пов’язаних з горінням рідких емульгованих палив (розпилення
та випар, сумішоутворення у струмені повітря, запалення вуглеродів, теплообмін)
достатньо повно розглянуто у ряді робот [118, 119]. Наявність води, яка є
теплопоглинаючим компонентом і у більшості випадків баластом, суттєво впливає
на характер фізичних процесів і хімічних реакцій, що проходять при спалюванні
рідкого палива. Проте, спалювання палива з диспергованою у ньому водою змінив
погляд на воду як на баласт, що погіршує ефективність процесів горіння, і на її
роль у цих процесах. Врахування особливостей поведінки і розмірів окремих
капель є важливою умовою для розуміння процесів горіння та є необхідним при
розробці та розрахунках пальникових приладів та топкових камер.
Експериментальні дослідження процесів спалювання окремих крапель водопаливної
емульсії [1, 120, 121], виявили якісну різницю цих процесів у порівнянні з
процесами горіння крапель безводного палива. Встановлено, що головною відміною
процесу горіння краплі водопаливної емульсії є її руйнування (мікровибух) під
дією тиску водяної пари, що утворюється з диспергованих у паливі крапель води.
Ефективність мікровибухів в значному ступені залежить від розмірів дисперсної
фази. Тому розвиток методів, які дають можливість вивчати геометрію окремої
частинки та отримувати розподіл крапель за розмірами є дуже перспективним.
2.1. Фізико-хімічні особливості технологічного процесу спалювання водопаливної
емульсії
Головною відмінністю поведінки краплі водопаливної емульсії у
високотемпературному середовищі є можливість її мікровибуху. Феноменологія
явища мікровибуху, запропонована В.І. Івановим [1], пояснюється таким чином.
Оскільки температура випару більшості рідких палив перевищує 200-300°С, а
температура кипіння води дорівнює 100 °С при нормальному тиску, то у процесі
нагріву краплі емульсії до температури випару палива частинки води
перетворюються у пару. Незважаючи на те, що температура краплі рідини у процесі
її випарювання трохи нижче температури кипіння, різниця між температурою
поверхні частинки палива і температурою кипіння води у краплі палива
залишається значною. Тому мікрочастинки води у процесі прогріву емульсії швидше
перетворюються у пароподібний стан, ніж плівка палива, що їх обволікає. При
цьому товщина плівки палива внаслідок випарювання зменшується. Сили
поверхневого натягу вже послаблені. Подальший нагрів призводить до ще більшого
підвищення тиску водяної пари у краплі. У момент, коли тиск водяних парів, які
розширюються, у краплі перевищує послаблені сили поверхневого натягу паливної
плівки, відбувається руйнування поверхні краплі, тобто мікровибух, під дією
якого емульговане розпилене паливо додатково диспергується на ще дрібніші
частинки. Оцінюванню швидкості розльоту краплі при гомогенному скіпанні води у
рідкому паливі присвячена робота [122]. Слід зазначити, що існуючі форсуночні
пристрої практично не в змозі забезпечити диспергування рідких палив на рівень
дисперсності менше
50 мкм. У топкових котлоагрегатах, що працюють із мазутом, диспергування
останнього ведеться до рівня 300-800 мкм.
У краплі ВПЕ діаметром dКЕ, що зійшла із форсуночного пристрою, може міститися
розрахункове число n крапель води діаметром dКВ:
n=W(dКЕ / dКВ)3, (2.1)
де W - рівень водності емульгованого мазуту.
Прийнявши dКЕ =500 мкм і dКВ=5 мкм, одержимо при W=0,2, n=200х103.
У топковій камері крапля емульсії вибухає, що призводить до повторного
диспергування палива та забезпечує дисперсність того ж порядку, що й вода, яка
міститься в емульсії (~5 мкм). Такого розпилу форсунки при звичайно
використовуваних тисках порядку 10 - 30 атн забезпечити не можуть.
Крім того, при застосуванні водопаливної емульсії в результаті мікровибухів у
топці виникають осередки турбулентних пульсацій, завдяки чому факел
укорочується, збільшується в обсязі і більш повно заповнює топкову камеру.
Внаслідок чого, а також через розкладання водяної пари на водень і гідроксильну
групу зростає інтенсивність підведення окислювача в реакційну зону, що збільшує
швидкість вигоряння й об’єм факела. Це призводить до вирівнювання
температурного поля топки зі зменшенням локальних максимальних температур і
одночасного збільшення середньої температури.
Але явище мікровибуху відбувається не при всіх характеристиках дисперсної фази.
Зі зменшенням дисперсності емульсій спостерігається тенденція до зниження
ефективності мікровибухів. Так в [44] вказано, що кипіння крапель субмікронного
рівня не призводить до розвитку швидкостей росту парової бульбашки, які
створюють умови для руйнування паливної поверхні. Тобто при зниженні діаметрів
мікрокрапель води в емульсії до субмікронного розміру мікровибухи змінюються
більш плавним вигоранням по схемі чистого палива. Оптимальний рівень водності
емульсії близький до 10% при діаметрі мікрокрапель води порядку 10 мкм. При
перевищенні цих значень відбувається зайве обводнення одиниці об’єму топки, що
баластує зону горіння, бо у паровий пухирець переходить тільки частина об’єму
води.
Процес горіння важкого рідкого палива являє собою складне багатостадійне явище,
деякі фізико-хімічні сторони якого ще достатньо не вивчені. Проте, сучасні
уявлення вказують на те, що процес горіння складається з таких основних стадій:
прогріву, деструкції важких вуглеводнів і випарування низькомолекулярних
сполук, запалення і горіння газів, що виділяються, поліконденсаці
- Київ+380960830922