CC BY
7
выходе которого пропорционально временной форме падающего поля. Временные формы возбуждающего импульса и импульса, излученного в направлении максимума ДН, показаны на рисунке 4.
Измеренные во временной области ДН антенны в двух плоскостях приведены на рисунке 5. Здесь под ДН понимается угловая зависимость максимума модуля напряженности электрического поля.
ксвн
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
1 / 1 1 ». /'» 2 1 \ - Ч'' '"Л, А/
2 4 6 8 10 12 14 А ГГц Рисунок 3. Частотная зависимость КСВН: 1- результаты моделирования, 2- результаты измерений
0.2 0.4
Рисунок 4. Форма излученного импульса (1) и импульса на входе антенны (2)
Рисунок 5. Диаграмма направленности при импульсном воздействии в Е-плоскости (1) и Н-плоскости (2)
На основе комбинации излучателей электрического и магнитного типов создан антенный элемент с полосой пропускания 1.2-18 ГГц. Максимальный размер элемента на нижней частоте не превышает 1/6 длины волны. Антенный элемент может быть использован для излучения импульсов субнаносекундной длительности в составе сверхширокополосной синтезированной апертуры [3] для радиолокации скрытых объектов [4].
Список литературы 1. Андреев Ю.А., Буянов Ю.И., Кошелев В.И. Комбинированная антенна с расширенной полосой пропускания // Радиотехника и электроника. - 2005. -Т.5. - 5. - С.585-594.
2. Kwon D.-H., Balzovsky E. V., Buyanov Yu. I., Koshelev V. I., Kim Y. Small printed combined electric-magnetic type ultrawideband antenna with directive radiation characteristics // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2008. - Vol. 56. - No. 1. -P. 237-241.
3. Сатаров Р.Н., Кузьменко И.Ю, Муксунов Т.Р. и др. Коммутируемая сверхширокополосная антенная решетка для радиотомографии // Известия вузов. Физика. - 2012. - Т. 55. - №8. - С. 26-30.
4. Якубов В.П., Шипилов С.Э., Суханов Д.Я., Клоков А.В. Радиоволновая томография: достижения и перспективы. - Томск: Изд-во НТЛ, 2014. - 280 с.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА ПРИ НАЛИЧИИ ГОРЕНИЯ В ОБЛАСТЯХ РЕАЛЬНОЙ ГЕОМЕТРИИ
Аскарова Алия Сандыбаевна, Болегенова Салтанат Алихановна
доктора ф.-м. наук, Казахского Национального, университета им. аль-Фараби, г. Алматы
Болегенова Сымбат Алихановна, Максимов Валерий Юрьевич
PhD, старшие научные сотрудники НИИ экспериментальной и теоретической физики, г. Алматы
Вычислительный эксперимент был проведен на реальном энергетическом объекте. В качестве исследуемого объекта в работе выбрана камера сгорания котла ПК-39 к блоку 300 Мвт, паропроизводительностью 475т/ч. Котел установлен на Ермаковской электростанции (Казахстан). На рисунке 1 представлена общая схема камеры сгорания этого котла и разбивка ее на элементарные объемы для проведения вычислительных экспериментов. Камера сгорания оборудована 12 вихревыми трехканальными горел-
ками. Горелки расположены встречно в два яруса по 6 горелок в каждом. Для интенсификации воспламенения и создания благоприятных условий устойчивого горения горелки имеют два размера, что позволяет обеспечить разные коэффициенты избытка воздуха в них: нижний ярус аг=1,4, верхний ярус аг=0,9. Топливо по ярусам распределено поровну.
Источником кислорода для камеры сгорания является атмосферный воздух. Для осуществления реакции горючих компонентов топлива с кислородом необходима
достаточно высокая температура для воспламенения, тщательное перемешивание топлива или турбулентность, обеспечивающая такое перемешивание, а также время, достаточное для полного сгорания. Анализ скоростных и температурных полей показал, что в центре топочной камеры создаются благоприятные условия для интенсив-
ного протекания реакций горения. Изменение концентрации окислителя по высоте топочной камеры представлено на рисунке 2 в виде кривых изменения концентрации кислорода. Максимальные изменения концентрации кислорода имеют место в области горелок, через которые подается топливо и окислитель.
Рисунок 1. Общий вид топочной камеры котла ПК-39 и разбивка ее на контрольные объемы
В этой области химические реакции идут наиболее интенсивно и однородно. По мере приближения к выходу отклонения максимальных и минимальных значений от среднего сокращается.
1-0 - минимальные; 2-0 - средние; 3-0 - максимальные в сечении значения. Линии 1-0, 2-0, 3-0 - расчет; ♦ - эксперимент Рисунок 2. Распределение концентрации О2 по высоте топочной камеры
Картина образования оксидов углерода (СО, СО2) представлена на рисунках 2 - 4. Процесс этот неоднозначен. В процессе горения углерода вторичные реакции догорания СО в газовом объеме и восстановления СО2 на поверхности углерода, переплетающиеся с первичными реакциями, позволяют судить о нелинейности истинного
химического механизма горения углерода. Кроме того, гетерогенный процесс горения углерода, связанный с наложением диффузионных явлений на химические процессы, вместе с внутренним реагированием еще более искажает основной химический процесс. Механизм реагирования
углерода с кислородом представляется следующим образом. Из газового объема кислород адсорбируется на поверхности углерода, где атомы кислорода вступают в химическое соединение с углеродом, образуя сложные углеродно-кислородные комплексы СхОу. Последние распадаются с образованием СО2 и СО. Скорость распада сильно увеличивается с увеличением температуры. Углерод при определенных температурных условиях реагирует с кислородом и углекислотой. В результате реагирования углерода с кислородом одновременно образуется оба окисла углерода - СО2 и СО, а в результате реагирование с углекислотой - окись углерода. Совместное нахождение окиси углерода и кислорода, способных реагировать друг с другом, дает третью реакцию - горение окиси углерода. В местах расположения горелок происходит как подача пылеугольной пыли с определенной концентрацией углерода, так и воздуха с определенным значением концентрации углерода. В этой области происходят основные реакции реагирования углерода, о чем свидетельствуют максимумы на кривых распределения СО (рисунок 3).
Таким образом, можно выделить три основных процесса, преобладающих при реагировании углерода топлива:
• реагирование углерода с кислородом, связанное с одновременным образованием СО2 и СО: С + О2 =
00,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0,00
Н
25 30
Ие|дМ, т
1-0 - минимальные; 2-0 - средние; 3-0 - максимальные в сечении значения Рисунок 3. Распределение концентрации СО по высоте топочной камеры
СО2 + 409,1 МДж/моль 2С + О2 = 2СО + 2*123,3 МДж/ 2 моля
• взаимодействие углекислоты с углеродом С + СО2 = 2СО - 162,5 МДж/моль
• соединение кислорода с окисью углерода 2СО + О2 = 2СО2 + 2*285,8 МДж/2 моля.
Как видно из рисунков 3 и 4 картина распределения СО не соответствует полю С02, что говорит об отличиях в процессе образования СО2 и СО. Видно, что основное образование диоксида углерода СО2 происходит по мере удаления от центра топки, т.е. области столкновения струй топлива и окислителя из противогорелок. Таким образом, можно сделать вывод о том что, процесс образования оксидов углерода зависит не только от явлений переноса, но и от кинетики процесса. Тот факт, что углерод может реагировать с кислородом разными способами, чрезвычайно важен при проектировании топочных камер. Любые технологии сжигания должны обеспечивать полное смешивание топлива с кислородом до полного сгорания с образованием С02, а не СО. В противном случае тепловыделение резко снизится, поскольку при образовании СО выделяется лишь 28% той энергии, которая выделяется при образовании СО2.
10
15
20
25 30 пе1дМ, т
1-0 - минимальные; 2-0 - средние; 3-0 - максимальные в сечении значения. Линии 1-0, 2-0, 3-0 - расчет; ♦ - эксперимент Рисунок 4. Распределение концентрации СО2 по высоте топочной камеры
0
5
Кроме углерода, в топливе содержится определенное количество водорода, что тоже вносит свой вклад в процесс горения 2Н2 +О2 = 2Н2О. В процессе реакции горения вода, содержащаяся в топливе, испаряется. Поскольку экибастузский уголь имеет высокую влажность при высоких температурах процесс испарения идет интенсивно, с чем связано наличие минимумов на кривых распределения концентрации Н2О (рисунок 5). Образование воды в газообразном состоянии наиболее интенсивно происходит на некотором расстоянии от зоны горелок и имеет равномерный характер по мере приближения к выходу из топочного пространства. Распределение концентрации водорода (рисунок 6) говорит об отличии в формировании этого вещества в процессе горения. Видно, что основное выделение водорода происходит выше основной области горения, где расположены горелочные устройства.
При организации процесса горения, необходимо особое внимание уделять процессу формирования оксидов азота, поскольку в настоящее время данные соединения признаны одними из наиболее опасных веществ, выбрасываемых в атмосферу. В общем случае азот образует с кислородом шесть оксидов: N20, N0, N203, N02, N204 и N205. Наибольшее количество оксидов азота, образующихся при горении пылеугольной пыли и их последующей трансформации в атмосфере, представлено оксидом (N0) и диоксидом азота (N02). Исследования [1, с.99; 2, с.218] показали, в основном можно указать два основных источника образования оксидов азота: окисление азота воздуха и переход азота угля в оксиды. При горении пы-леугольной пыли, при умеренных температурах ядра факела (~1500°С) основным источником оксидов азота является азот топлива. При более высоких температурах значительную роль играют воздушные оксиды азота.
Картина распределения максимальных, минимальных и средних значений NOx по всему топочному пространству представлена на рисунке 7. Видно, что зоной основного газообразования NOx является область
расположения горелок, т.е. там, где в максимальном количестве присутствуют топливо и окислитель и уровень температур достаточно высок.
0
5
10
15
20
25 30
height, m
1-0 - минимальные; 2-0 - средние; 3-0 - максимальные в сечении значения Рисунок 5. Распределение концентрации Н2О по высоте топочной камеры
со
I 60
та Е
Х™50 40
30
20
10
................... "'/Л.................... 1 ■ ...........
3-0 *
\ \
\ \
\
ч
\
\
\
\
ч
V
\
\
/ / " 1 / / / . ■ ■ ■ . гчГГГГГТТГГТТ,
5
10
15
20
25 30
height, m
1-0 - минимальные; 2-0 - средние; 3-0 - максимальные в сечении значения Рисунок 6. Распределение концентрации Н2 по высоте топочной камеры
0
0
ЕЮ' :
102
............. '/<'' '''"<....... / \ ' \ ...................
, \ 1 \ / ч' » 1 3-0
/ \ - ' У---2-0—"ч 4 - - ! v i \ \ / » ^____
' W\ ¡| i! ■ ii i! \ ii i \ ii ' 1-0 ii V«- ✓ * / * __________
0
5
10
15
20
25 30
height, m
1-0 - минимальные; 2-0 - средние; 3-0 - максимальные в сечении значения Рисунок 7. Распределение концентрации NОx по высоте топочной камеры
;240
о200 <
160
120
80
40
25 30
height, m
1-0 - минимальные; 2-0 - средние; 3-0 - максимальные в сечении значения Рисунок 9. Распределение концентрации золы по высоте топочной камеры
Е 70
Z
та
ю-60
о
50 40 30 20 10
0 5 10 15 20 25 30
height, m
1-0 - минимальные; 2-0 - средние; 3-0 - максимальные в сечении значения Рисунок 8. Распределение концентрации кокса по высоте топочной камеры
25 h ■ ы 30
height, m
1-0 - минимальные; 2-0 - средние; 3-0 - максимальные в сечении значения Рисунок 10. Распределение концентрации твердых частиц по высоте топочной камеры
103 -
0
Кроме газовых компонентов в процессе горения образуются и твердые вещества. Распределение твердых субстанций представлено в виде полей концентрации кокса (рисунок 8), золы (рисунок 9) и суммарной концентрации твердых частиц (рисунок 10). Максимумы всех концентраций и наиболее резкие изменения все кривые претерпевают в местах расположения горелок, т.е в области поступления в камеру сгорания топлива и окислителя. Отметим, что такой характер распределений наблюдается практически для всех типов топочных камер.
Формирование и разложение различных продуктов реакции горения происходит с выделением и поглощением энергии за счет химических реакций. Энергия, полученная в результате реакции горения, определяется только составом исходных веществ и конечных продуктов реакции, независимо от того, какие промежуточные продукты возникают в процессе горения.
Список литературы
1. Аскарова А.С., Болегенова С.А., Максимов В.Ю., Габитова З.Х. Моделирование процессов образования продуктов горения в пылеугольном факеле: Материалы VI Международной научно-практической конференции "Решение развития предприятий: роль научных исследований", ISSN 2308-703X. - Краснодар, 2014. - С.97-102.
2. Askarova A.S., Bolegenova S., Bekmukhamet A., Maximov V.- 3D modeling of heat and mass transfer in industrial boilers of Kazakhstan power plant: 2nd International Conference on Mechanical, Production and automobile Engineering (ICMPAE-'2012) / Singapore.- 2012. - 217-220 p.
К ЭЛЕМЕНТНОМУ РЕНТГЕНОФЛУОРЕСЦЕНТНОМУ АНАЛИЗУ ГЕТЕРОГЕННЫХ ПОРОШКОВЫХ ОБРАЗЦОВ СЛОЖНОГО ФАЗОВОГО СОСТАВА
Дуймакаев Шамиль Исхакович
*кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики наносистем и спектроскопии (КФН и С),
Потькало Максим Валерьевич аспирант КФН и С; физический факультета ЮФУ Шполянский Александр Яковлевич
кандидат химических наук, доцент кафедры "Физика ", Донской государственный технический
университет, Ростов-на-Дону,
При рентгеноспектральном флуоресцентном анализе на основе уравнений связи корректная постановка задачи предполагает измерение интенсивности флуоресценции по крайней мере (п-1) элементов п-элементного образца. Однако, если ряд элементов входит в состав гра-дуировочных (ГО) и анализируемых образцов в виде одних и тех же компонентов (минералов, фаз, химических соединений), то можно для каждого такого компонента измерять флуоресценцию только одного из элементов, входящих в состав компонента. В работе [1] такие элементы названы "ведущими". Соответствующие образцы будем называть образцами простого фазового состава.
В аналитической практике часто встречается и случай РСФА гетерогенных образцов сложного фазового состава, т. е. когда один и тот же «ведущий» элемент (флуоресценция которого измеряется) присутствует в образцах в виде разных компонентов [8, 9].
В настоящей работе подход [4] обобщен на случай элементного РСФА образцов сложного фазового состава. Пусть определяемый элемент А в состав проб входит в
" с¥
виде 2-х соединений (фазы а и а ). Величины а и
С¥» а'
а - объемные содержания соответственно частиц а
и а в твердой фазе системы (а +а ). Пусть для компонента (фазы) а значение коэффициента а из [4] отличается от такового для компонента а (в обозначениях [4]):
D'2 = aD[ D¡ = a * D; = a + 5
a
(1) (2) (3)
Здесь: D1 - исходный размер частиц порошкового образа; D2 - размер после дозированного доизмельчения; а - постоянный коэффициент [5].
Тогда соотношение (8) работы [4] в обозначениях [3, 4, 7] может быть представлено в виде:
1фф =
2a Y ~ A -Л/А+A )• Ca-
Ы i
a--+ a — 1
I
S
a + S
d;
(4)
A+A -
линейный коэффициент суммарного (первич-
где
ное плюс флуоресцентное излучение) ослабления излучения частицами фазы ^ ; A - то же, для твёрдой фазы образца; п - объёмный коэффициент упаковки образца.
Именно фактором MD определяется относительное изменение AI/I интенсивности флуоресценции, обусловленное изменением дисперсности порошкового образца.
Из формулы (4) видно, что в случае ^ ^ 0 (т.е. при a ^ a ) взаимно-однозначного соответствия между
[MD2 ] AI/I п
величинами эфф и ' нет. Оно строго имеет ме-
сто только при условии, что физико-механические свойства фазы а такие же, как и свойства фазы а . Именно
при выполнении этого условия справедливо равенство
*
a ~ a . По-видимому, при небольшом относительном
*
отклонении величины a от a нарушение рассматриваемого взаимно-однозначного соответствия будет небольшим. И соответственно учет фактора гетерогенности в условиях сложного (в данном случае - 2-компонентного) фазового состава будет значительным.
