CC BY
136
УДК 534
С. Ю. Гармонов, О. Х. Ягофаров, В. П. Багнюк,
А. Н. Карпов, И. А. Хафизов, В. Ф. Сопин
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЦЕССОВ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ГОРЕНИЯ ПРИ ГЕНЕРАЦИИ ПРОДОЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ В АКУСТИЧЕСКОМ КОНТУРЕ
Ключевые слова: пульсирующее горение, бесфорсуночный горелочный узел, утилизация
горючих отходов.
Исследованы акустические характеристики процессов пульсирующего горения и разработана установка для сжигания жидких горючих веществ. Горелочное устройство представляет собой полуволновой резонатор без принудительного подачи воздуха. Создан бесфорсуночный горелочный узел испарительного типа с организацией трехзонного горения, которое позволяет обеспечить полное сгорание топлив.
Keywords: pulsing burning, unit of burning, recycling of combustible waste
Acoustic characteristics of processes of pulsing burning are investigated and installation is developed for burning liquid combustible substances. The device represents the half-wave resonator without compulsory submissions of air. It is created without atomizer unit with evaporation with the organization three zones burning which allows to provide full combustion geptile.
С каждым годом увеличивается степень негативного антропогенного воздействия, связанная с появлением значительного количества разнообразных отходов, требующих утилизации. Термическое разложение горючих жидких отходов, особенно конверсионных, является наиболее целесообразным способом их уничтожения [1,7]. В этом направлении перспективна организация горения в пульсирующем потоке, что позволяет интенсифицировать процессы тепло- и массообмена, кинетику горения и, в итоге, значительно улучшить экологические характеристики выброса [2-9].
Цель работы - исследовать характеристики процессов пульсирующего горения при генерации продольных колебаний в акустическом контуре и обосновать конструкцию экологически безопасной, эффективной, экономичной, простой по техническому исполнению установки бесфорсуночного типа для термического обезвреживания горючих жидких отходов на основе эффекта пульсирующего горения.
Измерение акустических пульсаций проводилось пьезокерамическим датчиком давлений ЛХ-610 через акустический зонд информационно-измерительным комплексом М1С-200. Поступающий из блока усиления сигнал обрабатывался с помощью программы спектрального анализа звука Sound Technology SpectraLAB v4.32.16 на ПЭВМ. Измерение и регистрация температуры газов производилась с использованием цифровой системы К484/2 в комплекте с цифропечатающим устройством МТ-1016.
Для решения задач по огневому обезвреживанию жидких отходов предложена установка, в которой реализована конструктивная схема «горелочный узел
бесфорсуночного типа - цилиндрическая труба, открытая с обоих концов». По акустическим характеристикам данная конструкция представляет собой полуволновой резонатор. Выбор такой конструкционной схемы с горелочным устройством бесфорсуночного типа обоснован тем, что, в таких конструкциях легко возбуждаются акустические колебания; при известной температуре газов в трубе с достаточной точностью можно использовать известные теоретические соотношения по определению частот колебаний; горелочный узел бесфорсуночного типа позволяет сжигать широкий спектр жидких горючих веществ, в том числе и отходов.
Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1. Установка состоит из вертикально расположенной стальной трубы 14, выполняющей функцию полуволнового резонатора. Длина трубы составляет /тр=4,5 м, внутренний диаметр С^=0,145 м, наружный диаметр С^=0,155 м. Соотношение длины трубы к её диаметру /тр/с^=31 выбиралось из соображения получения минимальных энергетических затрат для возбуждения колебаний в трубе. Изменение положения трубы по вертикали осуществлялось при помощи
Рис. 1 - Схема экспериментальной установки:1 - трубопровод;
2 - регулировочное устройство;
3 - днище резонатора;
4 - корпус резонатор;
5 - штуцер патрубка подачи;
6 - горелочный узел;
7 - свеча накаливания;
8 -крепление горелочного узла;
9 - распределительное устройство;
10 - фиксирующие болты;
11 - гребенка термопар;
12 - КСП;
13 - регулирующий блок;
14 - труба;
15 - трубка для замера отработанных газов;
16 - микрофон;
17 - блок усилителя;
18 - средства контроля;
19 - бак с утитилизируемым ЖРТ;
20 - бак с вспомогательным горючим;
21,22 - вентиль
регулировочного устройства с противовесом 13. К нижней части трубы крепился узел подачи горючей жидкости 6 и воздухозаборное устройство, состоящее из ряда отверстий, играющих роль смесителя горючих газов и воздуха в зоне горения. Количество, расположение и конструктивное исполнение отверстий в воздухозаборном устройстве выбиралось, исходя из рекомендаций, полученных опытным путём:
- обеспечить доступ в зону горения достаточного количества воздуха за счёт естественной тяги установки. Кроме того, воздухозаборное устройство должно выполнять функцию аэродинамического клапана;
- для улучшения условий смесеобразования горючих паров и воздуха подачу последнего в зону горения рекомендуется осуществить в виде поперечных струй. Причём, предпочтительным является подача воздуха в виде нескольких параллельных струй, дробленных рядом отверстий;
- местоположение ряда отверстий определяется, исходя из условия организации в горелочном устройстве трехзонного горения.
Горючее в горелочный узел 6 подавалось самотеком и капало на дно испарителя. Далее оно растекалось по дну испарителя, прогревалось до температуры кипения, испарялось и превращалось в пар. Воздухозаборное устройство и узел подачи горючей жидкости конструктивно выполнено в виде единого горелочного узла. Конструктивная схема такого узла приведена на рис. 2.
Огневые опыты проводились с различными конструкциями узла подачи горючих веществ. Конструктивные схемы таких устройств приведены на рис. 4. Это обусловлено максимальным использованием теплоты сгорания горючего и интенсификации процесса испарения.
Установка работает следующим образом: из емкости 19 (рис. 1), через патрубок 1 уничтожаемая смесь за счет гидростатического давления подводится на узел подачи горючего, где его небольшая часть за счет энергии топлива интенсивно испаряется, а остальная часть, предварительно нагревшись, стекает вниз. Основная зона горения локализована в нижней части горелочного узла, где происходит интенсивное испарение и смешение паров гептила с воздухом. Расход подачи гептила регулируется путем дросселирования при помощи вентиля 21. Опыты проводились на двух видах горелочного узла, отличающихся друг от друга наличием ложного днища (рис. 2, 3). В случае ложного днища нагрев жидкости осуществляется не только за счёт лучистого теплообмена, но и снизу за счет конвективного. Конвективный теплообмен обеспечивается за счет акустического ветра гуляющего между плоскостью ложного и основного днища.
"У'' 75сгЄМ
Л" Т5са»*г 'О
; " А?' / 19ат0*6 \/ 19спС*2 'О м
, Яап6*2 X ;
т Хопл*: &
т т &
4 'А к
к
Рис. 2 - Горелочный узел с одним днищем
3^ —Ч
О О ОЛ О 0^0 о 0.0 о О < о е & ооо о а о О О «О О ♦ оК> о $ / р/о А, х • ОООО ООО вг о о о о и » I о о о о | ООО©/ ооо/ 0 / » о • \ о о о А 1
>г и 'г I
ч 4 -
Рис. 3 - Горелочный узел с ложным днищем: 1- корпус; 2- ложное днище; 3-испаритель; 4-трубопровод
Рис. 4 - Узел подачи горючих веществ: 1 - воронкообразного типа; 2 - трубчатого типа; 3 - четырехлепесткового типа
Для предотвращения выброса паров горючего и продуктов сгорания предусмотрен кожух, который крепится к резонаторной трубе. Изменяя положение днища кожуха (днище имеет возможность перемещаться относительно корпуса кожуха) при помощи регулировочного устройства и положение самого кожуха относительно резонансной трубы осуществляется изменение местоположения зоны горения по отношению к нижнему срезу трубы. Следует отметить, что днище кожуха представляет собой регулируемый аэродинамический клапан, обеспечивающий самовсасывание воздуха в зону горения (настройка клапана осуществляется вручную).
Первоначальный запуск установки (поджег горючей жидкости) производится свечой накаливания 7, расположенной в нижней части горелочного узла. Питание на свечу накаливания подается от источника тока высокого напряжения. Запуск установки осуществляется на дизельном топливе. После прогрева установки вентиль подачи дизельного топлива перекрывается, начинается подача гептила. В случае затухания пламени в установке, вновь подается дизельное топливо и включается свеча накаливания.
Забор отходящих газов для анализа проводится через трубку 15 в верхней части трубы. Температура продуктов сгорания в трубе измеряется термопарами 11. Акустический сигнал в экспериментальной установке регистрируется микрофоном 16, подключенным к ПЭВМ.
Акустический сигнал регистрировался по следующей методике: резонаторная труба установки крепилась вертикально к раме на высоте 1 м от поверхности земли; рядом у верхнего торца трубы устанавливался микрофон, который подключался к измерительному комплексу; в трубе искусственно создавался импульс давления (путем прокалывания в трубе резинового шара); на измерительном комплексе записывался акустический сигнал; далее, записанный сигнал обрабатывался с использованием программного обеспечения Sound Forge; из АЧХ сигнала определялись энергонесущие частоты.
Далее определилось влияние горелочного узла на АЧХ сигнала. При этом к резонаторной трубе крепился горелочный узел бесфорсуночного типа. Результаты представлены на рис. 5,6. Аналогичное исследование акустического сигнала проводилось и на работающей установке. Результаты экспериментов в виде АЧХ представлены на рис.
7, 8 и табл. 1.
Рис. 5 - Амплитудно-частотная
характеристика цилиндрической
трубы при Т = 293 К
Рис. 6 - Акустический сигнал,
записанный у верхнего среза трубы при Т = 293 К
Таблица 1 - Модальные характеристики установки при Т = 293 К и Т = 850 К
№ моды Т = 293 К Т = 850 К
Расчет (Гц) Опыт (Гц) Расчет (Гц) Опыт (Гц)
0 37 37 55 60
1 74 72 110 115
2 111 113 165 165
3 148 152 220 230
4 185 189 275 285
Рис. 7 - АЧХ сигнала, записанного у среза трубы в экспериментальной установке при выходе ее на устойчивый режим пульсирующего горения
Рис. 8 - АЧХ сигнала, записанного у среза трубы в экспериментальной установке на стационарном
пульсирующем режиме горения
Кроме того, проводилась скоростная киносъемка горелочного узла в процессе его работы. В предложенной конструктивной схеме горение жидкости происходит в сложных физических условиях. В первую очередь, это объясняется с взаимодействием эффекта пузырькового кипения с пульсациями давления. Параметры колебаний давления чаще
всего определяются геометрическими размерами экспериментальных установок, определяющими условия колебания парообразования в жидкости. Между процессами пульсирующего кипения жидкости, сопровождающимися акустическими колебаниями и пульсирующим горением горючего в сжигающем устройстве можно провести аналогию. Собственно процесс горения всегда не стационарен и имеет широкий спектр частот. Процесс образования паровых пузырей также зависит от множества определяющих факторов и, следовательно, тоже имеет широкий спектр частот. В рассматриваемом случае оба этих процесса находятся в зависимости от параметров колебаний газовоздушной среды, возникающих в полуволновом резонаторе.
Сравнительный анализ АЧХ сигналов, записанных у верхнего среза цилиндрической трубы и трубы с горелочным устройством показывает, что рассматриваемая конструктивная схема является простым акустическим контуром -трубой, открытой с обоих концов. Из табл. 1 видно, что значения сравниваемых частот отличаются друг от друга не более, чем на 20% . На рис. 7 приведена АЧХ сигнала, записанного у верхнего среза трубы экспериментальной установки при входе ее на устойчивый режим пульсирующего горения. При этом отчетливо видны энергонесущие частоты. Соотношение этих частот свидетельствуют о том, что в экспериментальной установке генерируются колебания, характерные для полуволновых резонаторов. Также можно заметить амплитудные сигналы и на других частотах. Это можно объяснить колебаниями пузырькового кипения, в сильной степени зависящего от параметров окружающей среды. На участке трубы, соответствующим местоположению испарительно-кипящего слоя жидкости газодинамические параметры среды сильно колеблются.
Предполагается, что благодаря колебательным процессам в резонансной трубе процесс кипения жидкости также носит колебательный характер. Частота колебаний кипения жидкости совпадает с одной из собственных мод колебаний резонансной трубы. Практически во всех работах, посвященных звуковым явлениям при кипении различных жидкостей, отмечается, что своего максимума амплитуда колебаний достигает на резонансных частотах, определяемых размерами экспериментальных установок. Они же указывают на то, что колебания давления управляют объемом паровой фазы.
Анализ схемы распространения воздуха (рис. 9) позволяют установить
ориентировочную картину тепло-массообменных процессов, происходящих в горелочном узле.
Рис. 9 - Горелочный узел и схема распределения воздуха по зонам
В I зоне происходит нагрев, испарение и горение с избытком горючего в условиях недостаточного окисления. Нагретые пары подвергаются пиролизу и другим превращениям. Большое количество недогоревших частиц в раскаленном состоянии
придает факелу ослепительный ярко - желтый цвет, характерный для углеводородных топлив. Создание такого свечения факела при высокой температуре позволяет организовать интенсивный теплообмен излучением. Этот светящийся слой следует сразу же за зоной испаренного горючего и прогревает новые порции горючего.
Во II зоне, путем увеличения расхода воздуха горение организовывается с коэффициентом избытка воздуха, близким к 1. При этом происходит полное термическое разложение утилизируемой смеси.
III зона служит для разбавления факела дополнительным количеством холодного воздуха с целью резкого снижения его температуры. Это способствует снижению условий образования в продуктах сгорания вредных веществ.
Кроме того, можно сделать заключение об обязательной установке защитного кожуха для обеспечения всасывания выброшенных парогазовых смесей в факел горения. Вместе с парами топлива в зону горения при самовсасывании попадает дополнительное количество воздуха, способствующего форсированию камеры сгорания.
В процессе исследования сжигались сточные воды, содержащие гептил - от 0,2 до 6400 мг/л, диметиламина - от 20 до 840 мг/л. Отходы, подаваемые на сжигание, анализировали на содержание гептила, выхлопные газы - на присутствие гептила, диметиламина, формальдегида, цианистого водорода и оксидов азота по стандартизированным методикам.
При работе установки в режиме пульсирующего горения, в отводимых газах гептил обнаруживается на уровне 1-5 ПДК в воздухе рабочей зоны. Были проведены эксперименты по изучению процессов горения водных растворов гептила различной концентрации. Результаты исследования показали, что во всех случаях сжигания сточных вод независимо от их состава НДМГ и продукты его окисления (диметиламин, цианистый водород, формальдегид) в выхлопных газах установки практически отсутствуют. Концентрация КО2 в выхлопных газах изменялось в пределах от 0,009 до 2,2 мг/л.
Было выявлено, что водные растворы гептила с концентрацией 80% и выше сгорают без дополнительного топлива. Однако при более низких концентрацииях необходимо подавать в зону горения вспомогательные топлива для поддержания процессов нагрева и испарения негорючего компонента. В качестве них использованы дизельное топливо, отходы нефтепереработки и отработанные минеральные масла. При этом их расход по отношению к раствору гептила составляет от 1:4 до 1:2 по объему.
Были определены концентрации других загрязняющих продуктов при сжигании (углекислый газ, угарный газ, оксиды серы). На основе этих данных проведены расчеты рассеивания выбросов при самых неблагоприятных метеоусловиях и при этом максимальная приземная концентрация на границе санитарно-защитной зоны не превышает нормативных значений.
Использование установки пульсирующего горения непосредственно в местах получения отходов позволяет экологически чисто и экономически выгодно освобождаться от сточных вод, исключая затраты на их транспортировку и прочие расходы. Процесс обезвреживания происходит в устойчивом режиме, концентрации токсичных веществ в газовых продуктах сгорания при этом - ниже допустимых концентраций. За счет высоких температур в термическом реакторе (1200-1300°С) достигается возможность термического обезвреживания горючих отходов с полным сгоранием вредных веществ. Их сжигание в установке значительно экономит средства по устройству, оборудованию и эксплуатации полигонов и не нарушает экологического баланса окружающей среды.
Литература
1. Новицкий, Б.Г. Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах / Б.Г. Новицкий. - М.: Химия, 1983. - 190 с.
2. Раушенбах, Б.В. Вибрационное горение / Б.В. Раушенбах. - М.: Физматиз, 1961. - 224 с.
3. Чучкалов, И.А. Вибрационное распространение пламени / И.А. Чучкалов, С.А. Абруков. -Чебоксары: Чувашский государственный университет, 1975. - 116 с.
4. Северянин, В.С. Технологическое пульсационное горение / В.С. Северянин [ и др.]. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 318 с.
5. Гретуш, П.И. Воздействие звука на процессы горения // Акустический журнал, т.8, №4, 1962. -С.420-424.
6. Кочергин, А.В. О перспективах использования пульсационного горения / А.В. Кочергин, В.С. Северянин, Г.И. Павлов. - Казань: КФВАУ, 2000.
7. Вильямс, Ф.А. Теория горения / Ф.А. Вильямс. - М.: Наука, 1971. - 616 с.
8. Кочергин, А.В. Способ сжигания топлива и устройство для сжигания топлива / А.В. Кочергин [и др.]: заявка на изобретение № 2005115293/06 (017518), 2005.
9. Северянин, В.С. Установки пульсирующего горения / В.С. Северянин // Вестник МГТУ. Серия Машиностроение. - 1995. - №1.
© С. Ю. Гармонов д-р хим. наук, проф. кафедры аналитической химии, сертификации и
менеджмента качества КГТУ, serggar@mail.ru; В. П. Багнюк - препод. каф. конструкции, проектирования и эксплуатации артиллерийских орудий и боеприпасов КВВКУ; О. Х. Ягофаров -канд. техн. наук, доц. той же кафедры; А. Н. Карпов - адъюнкт той же кафедры; И. А. Хафизов -асп. каф. инженерной экологии КГТУ; В. Ф. Сопин - д-р хим. наук, проф., зав. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КГТУ.
