CC BY
111
УДК 536.423
МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВОСПЛАМЕНЯЕМОСТИ ЖИДКИХ ТОПЛИВ
С.Е. Селиванов, профессор, д.т.н., М.И. Кулик, аспирант, ХНАДУ
Аннотация. Разработаны новые методы экспериментального определения показателей воспламеняемости жидких топлив, основанные на применении созданной комплексной установки по определению показателей пожароопасности веществ и материалов.
Ключевые слова: методы, стационарная капля, показатели, кинетика, воспламеняемость, жидкие топлива.
Введение
Перед исследователями стоит задача повышения эффективности камер сгорания двигателей, использующих диспергированное жидкое топливо. Ее решение непосредственно связано с конструктивными изменениями камер сгорания, и с улучшением характеристик жидких топлив, сжигаемых в дисперсном виде, а именно:
- кинетических, таких как температура воспламенения, время задержки воспламенения (период индукции), скорость и полнота сгорания топлива, скорость срыва пламени с капли;
- технологических, таких как химическая стабильность, антидетонационные свойства, корро-зионность, нагарообразующая способность и др.
Если характеристики первой группы влияют на конструкцию камер сгорания: размер, мощность распылителей, критический размер сопла и др., то характеристики второй группы влияют на сроки хранения топлив, максимально возможного давления в камерах сгорания, на материал стенок камер сгорания и др.
Таким образом, исследование жидких топлив является актуальным, так как направлено на улучшения работы двигателей.
Анализ публикаций
В ряде работ [1, 2] разработаны и используются разные методы экспериментального определения воспламеняемости жидких топлив. Однако, многие из этих методов (включая и ГОСТ 12.1.044-89) [3] очень трудоемкие, дают большой разброс экспериментальных данных, не учитывают ряда физических факторов, которые влияют на процесс горения. Большинство методов огневых испытаний не дают возможности исследовать кинетику го-
рения жидких топлив. Каждый метод экспериментального определения воспламеняемости жидких топлив, разработанный в ГОСТ 12.1. 044-89 [3], имеет узкую направленность и требует довольно громоздкого и сложного оборудования, например, в части заправочной емкости, блока горелок и измерительного блока. Кроме того, применение открытого пламени или электрической спирали для зажигания жидкостей ограничивает условия испытаний. Эти методы не дают ответа на вопрос, при какой температуре произошло зажигание жидкостей, и какова мощность лучистой энергии привела к зажиганию жидкостей, они не позволяют определить показатели физики горения - константы скорости горения жидкостей, изучить срыв пламени и т. д.
Цель и постановка задачи
Целью данной работы является разработка новых методов экспериментального определения показателей воспламеняемости жидких топлив. Исходя из этого, была поставлена задача рассмотреть разработанные устройства, привести их схему, описать методику проведения исследований по определению кинетических показателей испарения, воспламенения и горения неподвижной капли жидкости различного диаметра в нагретом воздушном потоке и с помощью моделирования стационарной капли определить нагарообразова-ние, количество несгоревших летучих, дисперсность продуктов сгорания, температуру пламени.
Методы и устройства (установки) для проведения экспериментов с жидкими топливами
Для исследования испарения, воспламенения и горения одиночной неподвижной (подвешенной) капли жидкости в нагретом воздушном потоке, «каплю» исследуемой жидкости вводят в нагре-
тый электрическими печами с П-образным профилем скоростей поток воздуха, со стабилизированным расходом, с помощью подвеса всегда в одну и туже точку в центре потока. Подвесом для «капли» служит нихромовая проволока диаметром 2-10-4 м с наваренным на конце серебряным шариком (шарик наваривают диаметром от 5-10-4 до 3-10-3 м). Начальный диаметр «капли» измеряется микроскопом «Мир» с увеличением в 35 раз. Производилась съемка «капли» на фоне матового стекла, освещенного фотолампой, регулировка накала которой осуществляется автотрансформатором. При измерении радиуса «капли» в момент испарения съемка производится с малого расстояния с применением насадочных колец, а при измерении радиуса «капли» в момент воспламенения съёмка производится с большого расстояния. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 -воздуходувка; 2, 8, 9, 10 - автотрансформаторы; 3 - вольтметр; 4 - ротаметр, 5, 6 -система электронагревательных трубчатых печей; 7 - сопло Ветошинского; 11 - амперметр; 12 - электронный потенциометр с термоэлектрическим преобразователем; 13 -милливольтметр; 14 - тиристорное устройство; 15 - электронный цифровой прибор с термоэлектрическим преобразователем; 16 -препаратовводитель; 17 - держатель-подвес с образцом; 18 - гермитизированный переключатель; 19 - электронное устройство; 20 - фотодиод; 21, 22 - электронные счетчики; 23 - лазер; 24 - ослабитель мощности; 25 - измеритель средней мощности излучения; 26 - электронный цифровой измеритель; 27 - телекамера; 28 - видеоконтрольное устройство; 29 - видеомагнитофон
Методика проведения исследований сводится к определению скорости испарения капель при температурах, близких к температурам их воспламенения, определению температуры самовоспламенения и воспламенения, периода индукции, времени горения. Кинетика испарения определяется методом киносъемки «капель» с частотой 16 кадров в секунду. Рассчитанная по массовому расходу скорость нагретого до заданной температуры потока воздуха поддерживается равной 0,9 м/с, что соответствует Яе = 30. Такая скорость выбрана во избежание срыва пламени с «капли». За температуру воспламенения «капли» в потоке выбирается минимальная температура потока, при которой пламя охватывает «каплю» сразу же после ввода ее в поток. Период индукции (время задержки воспламенения) измеряется от ввода «капли» в поток до появления пламени, далее измеряется время горения «капли». Отсчет времени производится посредством собранной электронной схемы с фотодиодом и электронными счетчиками. Температура потока воздуха изменяется в широком диапазоне, от 0 до 700 °С.
С целью определения скорости выгорания жидкого топлива и нагарообразования создана специальная конструкция для моделирования стационарной капли, схема которой представлена на рис. 2. Созданное устройство для моделирования стационарной капли оснащено: капиллярной трубкой с шариком, плотно скрученным из тонкой нихромовой проволоки, или шариком из термостойкого пористого материала, системой подачи жидкости к шарику, вводимого в центр Я-образного нагретого потока воздуха, кварцевой пластинкой.
6
Рис. 2. Схема экспериментального устройства по воспламенению и горению капли жидкости: 1 - пористый шарик - «капля»; 2 - заправочная емкость; 3 - электродвигатель; 4 -автотрансформатор; 5 - редуктор; 6 - индикатор
Для проведения исследований (испытаний) медицинский шприц заполняют исследуемой жидкостью. Поршень шприца приводится в движение электродвигателем, питание которого осуществляется через автотрансформатор. С помощью редуктора и автотрансформатора задают такую скорость перемещения поршня, чтобы жидкость не-
прерывно подавалась по капиллярной трубке к шарику и смачивала его.
Включают систему электрических печей с профилированным соплом Ветошинского для получения П-образного потока воздуха и задают определенный расход воздуха, который во всех испытаниях дает постоянную скорость нагретого потока. Скорость выбирается такая, чтобы во время испытаний избежать срыва пламени с «капли».
Устанавливают с помощью блока управления тепловой режим нагрева печи до достижения на выходе сопла печи стационарного температурного потока, температура которого выше температуры воспламенения исследуемой жидкости.
Закрывают отверстие сопла створкой (по типу фотозатвора). Помещают шарик в центр потока и к нему подают горючую жидкость. Открывают створку, и тепловой поток попадает на образующуюся на шарике стационарную «каплю». В соответствии с выгоранием «капли» регулируют и устанавливают такую постоянную подачу жидкости к «капле», чтобы скорость выгорания жидкости была равна скорости подачи жидкости, при этом измеряют скорость перемещения поршня. За перемещением поршня следят по изменению показаний индикатора часового типа, чувствительный элемент которого прижимается к направляющей штока поршня. Время отсчитывают по электронному секундомеру, подключенному к электрической контактной группе.
Нагарообразование исследуется следующим образом: добившись постоянной подачи жидкости, во время исследований помещают вблизи за «каплей» по ходу потока летучих продуктов при горении жидкости кварцевую пластинку для осаждения дыма и, зная количество сгоревшей жидкости по заполнению шприца, массу шарика, массу кварцевой пластинки до проведения исследований и после, определяют количество нагарообра-зования, т. е. количество несгоревших летучих, Далее под микроскопом возможно определение диаметра осажденных на кварцевую пластинку продуктов сгорания (тем самым определяется дисперсность продуктов сгорания).
Установка и устройство к ней позволяют определять важный показатель физики горения - константу скорости горения, т.е. зная радиус скрученного, пористого шарика, радиус поршня, скорость перемещения поршня, которую в процессе исследования регулируют таким образом, чтобы жидкость смачивала «каплю», но не стекала с ее поверхности, определяют константу скорости горения.
Для исследования срыва пламени с «капели» шарики изготавливаются разных диаметров, при
этом недостатком метода «искусственная капля» является невозможность исследования скорости срыва с «капель» малых диаметров, а также трудность исследования жидкостей с нелетучими добавками. Поэтому эксперименты по влиянию нелетучих добавок на скорость срыва необходимо проводить по методике, разработанной для одиночной неподвижной (подвешенной) «капли» в нагретом газовом потоке.
Отметим, что модель стационарной капли используется и в процессе измерения температуры пламени.
Для выяснения критических условий зажигания стационарной «капли», кроме исследований в потоке нагретого воздуха, проводятся исследования и в потоке лазерного излучения, что свидетельствует о расширении функциональных возможностей устройства и установки в целом.
Выводы
Созданная в ХНАДУ комплексная установка по определению показателей пожароопасности веществ и материалов позволяет исследовать следующие показатели воспламеняемости жидких веществ: пожароопасные - скорость выгорания жидкости, нагарообразование; кинетические -температуры самовоспламенения и воспламенения, период индукции, скорость и полноту сгорания, дисперсность продуктов сгорания, температуру пламени, скорость срыва пламени с капли, а также построить ряд зависимостей. Комплекс устройств позволяет оценить влияние различных присадок на свойства жидких топлив.
Литература
1. Клячко Л.А. Горение двухфазных систем. Сб. -
М.: Изд-во АНСССР, 1958. - 191 с.
2. Федосеев В. А. Изучение кинетики испарения и
горения мелких капель и частиц \\ Физика аэродисперсных систем. - Киев: Изд-во Киевского университета. - 1969. - Вып. 1. -С. 86 - 100.
3. ГОСТ 12.1.044 - 89. Система стандартов безо-
пасности труда. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения. - Введ. 01.01.91. - М.: Изд-во стандартов, 1990. -143 с.
Рецензент: Л.И. Нефёдов, профессор, д. т. н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 25 февраля 2005 г.
