CC BY
57
УДК 621.1
О ДИСПЕРСНОМ СОСТАВЕ ВОДОТОПЛИВНЫХ ЭМУЛЬСИЙ
А.К. ИЛЬИН, Р.А. ИЛЬИН, Т.Р. ГОРБАНОВ
Лаборатория нетрадиционной энергетики Отдела энергетических проблем
СНЦ РАН (при ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический
университет»), г. Астрахань
Приводятся и обсуждаются экспериментальные данные о диаметре капель воды в каплях водотопливных эмульсий. Анализируется влияние диаметра капель воды на теплофизические свойства эмульсий.
Ключевые слова: диаметр капель воды в эмульсии, давление и температура капель, теплофизическая модель.
Введение
Проблеме использования водотопливных эмульсий (ВТЭ) с момента ее возникновения - более ста лет. Накоплен определенный теоретический и практический системный материал по различным аспектам проблемы.
Существенные результаты в этой области получили, начиная с 30-х годов 20 века, Корницкий С.Я. (1935 г.), Тув И.А (1959), Иванов В.М. (1955, 1962 и далее), Cornet I. (1955), Abdelfattch A.T. (1957), Чичиринский М.Х. (1960), Канторович Б.В. (1961), Делягин Г.Н. (1962), Нефедов П.И. (1962), Сергеев Л.В. (1965), Ishii Y. (1974), Лебедев О.Н. (1976), Dryer F.L. (1976), Исаков А.Я., Корягин В.А., Мироненко И.Г. и др.
В данной работе кратко рассмотрены некоторые аспекты использования ВТЭ при диаметре капель дисперсной фазы (воды) менее 1 мкм.
Различные аспекты получения и использования водотопливных эмульсий (ВТЭ) достаточно широко обсуждаются в литературе, в том числе в [1-28 и др.]. Теоретические и экспериментальные основы получения и использования водотопливных эмульсий были созданы в ИГИ Академии наук СССР Ивановым В.М. с сотрудниками [6-8, 17, 19]. В дальнейшем исследования были значительно расширены [1-5, 9-16, 18, 20-28 и др.].
Одним из главных свойств эмульсий, очевидно, является размер (диаметр или радиус) капель воды в каплях ВТЭ. В литературе этот диаметр, как в экспериментах, так и при анализе физических моделей горения ВТЭ, принимается от 1 мкм и существенно выше [2, 8, 11-21, 24-28]. В связи с этим имеются определенные трудности в расчетах по определению времени прогрева капель ВТЭ, времени до разрыва капель ВТЭ паровой фазой микрокапель воды и времени сгорания ВТЭ.
С целью получения дополнительных данных по диаметру капель воды в ВТЭ авторами проведены эксперименты с водотопливной эмульсией (минеральное масло-вода) при ее приготовлении методом механически-кавитационного перемешивания с помощью механической дрели с регулируемой частотой вращения суппорта.
Температура эмульсии в опытах составляла 20-22 оС. Частота вращения рабочей части мешалки - 12 об/с. Общее время перемешивания - до 20 мин. Фиксирование изображения капель воды проводились с помощью металлографического инвертированного агрегатного микроскопа ЛабоМет-12 с увеличением до 1000 раз на основе полученных цифровых фотографий. Использовалась также видеокамера с выводом и записью на компьютере. Дальнейшее увеличение изображения достигалось компьютерными манипуляциями с фотографиями.
© А.К. Ильин, Р.А. Ильин, Т.Р. Горбанов Проблемы энергетики, 2012, № 11-12
1. Дисперсность капель воды в ВТЭ
Одним из главных свойств эмульсий является размер (диаметр или радиус) капель воды в каплях ВТЭ. В литературе этот диаметр как в экспериментах, так и при анализе физических моделей горения ВТЭ принимается от 1 мкм и существенно выше. При этом имеются определенные трудности в расчетах по определению времени прогрева капель ВТЭ, времени до разрыва капель ВТЭ паровой фазой микрокапель воды и времени сгорания ВТЭ.
С целью уточнения данных по диаметру капель воды авторами проведены эксперименты с водомасляной (минеральное масло) эмульсией при ее приготовлении методом механически-кавитационного перемешивания.
Температура эмульсии в опытах 20-22 оС. Частота вращения мешалки - 12 об/с. Общее время перемешивания - до 20 мин. Измерения диаметров капель проводились с помощью металлографического инвертированного агрегатного микроскопа ЛабоМет-12 с увеличением до 1000 раз на основе полученных цифровых фотографий. Дальнейшее увеличение изображения достигалось компьютерными манипуляциями с фотографиями (рис. 1, 2). На полученных микрофотографиях видно (рис.1, в качестве примера), что большинство капель имеют диаметр до 0,05-0,08 мкм.
Рис.1. Микрофотографии капель водотопливных эмульсий при различных увеличениях и массовых долях воды р: а - вода-дизельное топливо при р = 0,2; увеличение - 300 раз [18]; диаметр капель 5-25 мкм, расстояние между каплями 3-10 мкм; б - вода-дизельное топливо при р = 0,1; увеличение - 100 [17]; диаметр капель 10-30 мкм, расстояние между каплями 3-60 мкм; в - вода-керосин при р = 0,25; увеличение - 500 [14]; диаметр капель 3-7 мкм; расстояние между каплями 2-5 мкм; г - вода-мазут
при р = 0,1^0,5; увеличение - 1600 раз [2]
О 4 * «
' С С 0 ' , и г -
°е С Я С'О-. --'
¡%Л« луЛо
_ о1-© _
о • ° . ео О \Сс С
• • о • ■ о
0,01 мкм
Рис.2. Фотография капель воды в проходящем свете в тонком слое модели 5-ти процентной водотопливной эмульсии (минеральное масло-вода) при большом увеличении. Диаметр капель находится в диапазоне 0,005-0,0005 мкм (5-0,5 нм). Данные авторов
Можно отметить следующие общие особенности опубликованных микрофотографий (рис.1).
- Спектр капель имеет как полидисперсный, так и почти монодисперсный характер, очевидно - в зависимости от способа приготовления.
- Независимо от дисперсности капли не коагулируют даже при минимальном (практически при соприкосновении через микропленку топлива) расстоянии между ними. Коагуляция может происходить при больших содержаниях воды: от 10% и выше [2 и др.].
- Очевидно, что при небольшом диаметре капель (рис.2) количество капель воды в каплях ВТЭ, вводимых в камеру сгорания котла или теплового двигателя, может быть очень большим (см. ниже), и можно предположить, что капли воды занимают весь объем капли ВТЭ и находятся, в том числе, близко к поверхности или непосредственно под поверхностью последних.
- На рис.2 видно, что вокруг каждой капли имеется светлый ореол, отличающийся по цвету от цвета масла «чистого» топлива в капле ВТЭ. Последнее требует дальнейшей расшифровки и пояснения.
2. Количество капель воды в капле ВТЭ
В развитие замечания в п.1 о количестве капель воды в капле ВТЭ, это количество рассчитано при условиях: диаметр капли ВТЭ = 100 мкм, что соответствует диаметру капель при распыливании ВТЭ котельными форсунками [22, 24 и др.], массовая доля воды в ВТЭ в = 0,05 и 0,10; диаметр капель воды = 1,0; 0,1 и 0,05 мкм. Расчетные данные приведены в таблице, где количество капель дано в миллионах штук (с округлениями до 5 %).
Количество капель воды различного диаметра <к в капле ВТЭ диаметром 100 мкм при р = 0,05 и 0,1
Таблица
р
1,0 0,1 0,05
0,05 0,05 50 400
0,10 0,1 100 800
Цифры таблицы подтверждают упомянутый тезис о том, что во всем объеме ВТЭ, и в том числе под поверхностью капли ВТЭ, находится большое количество мелких капель воды, отделенных от поверхности тонким слоем топлива. Это важно с точки зрения анализа скорости процесса нагрева воды теплопроводностью через эту пленку. Толщину слоя топлива, в котором находятся ближайшие к поверхности капли, очевидно, вполне обоснованно (в том числе с учетом микрофотографий на рис.1) можно принять равной — 2 * .
3. Термодинамические параметры капель воды в ВТЭ
Наши данные о том, что можно простым способом получать эмульсии с йк << 1 мкм, позволяют уточнить физические модели процессов нагревания и разрыва капель при сжигании ВТЭ. В частности, можно показать, что термическое сопротивление топливной пленки вокруг капли воды становится весьма незначительным, а время до разрыва капель составляет не десятые-сотые доли секунды, а весьма существенно меньше.
Особенностью процесса нагрева мелких капель воды в капле ВТЭ является то, что давление в капле воды достигает значительных величин в связи с межфазным (вода-топливо) поверхностным натяжением. На основе известного соотношения Лапласа оно равно:
Рк —+ 1, (1)
гк -105
где рк - давление в капле воды, обусловленное поверхностным натяжением, ата; ст -межфазный (вода-топливо) коэффициент поверхностного натяжения, Н/м, является функцией температуры и принимается по [5, 6, 14, 15, 21, 22]; гк - радиус капли воды, м.
Расчеты по выражению (1) показывают, что это давление рк может достигать больших величин (рис.3). При этом температура кипения воды соответственно может составлять 240-290 оС (рис.4 по справочным данным). Так как температура кипения топлив в капле ВТЭ, как правило, выше - более 300 оС, - образующийся водяной пар разрывает каплю ВТЭ в большинстве случаев [3], хотя при определенном сочетании параметров (гк; ст; 4 воды и топлива; температура в камере сгорания) парообразование может быть спокойным, без «микровзрыва», что иногда отмечается в литературе.
4. Нагревание капель до момента «микровзрыва»
Как следует из п.2, на скорость нагрева капель воды в капле ВТЭ в условиях камеры сгорания (температура газов 1500-1700 оС) положительно влияет то, что ближайшие к поверхности капли ВТЭ капли воды отделяет от горячих газов небольшая, 8т — 2 • йк., пленка топлива. Несмотря на низкий коэффициент теплопроводности топлива [5, 6, 14, 15], ее термическое сопротивление невелико, (0,5-5,0)* 10- м -град/Вт, что позволяет передать большие тепловые потоки от горячего газа к капле воды и большую скорость нагревания.
При расчете времени нагревания мелких капель воды авторы использовали:
- уравнение теплоотдачи от горячих газов к капле ВТЭ при конвективном теплообмене для мелких капель Киг = 2 и при учете радиационного теплообмена (по коэффициенту теплоотдачи, величина которого достаточно велика [14, 16, 22 и др.];
80 ■ -
60
40
20
300
200
100
А
5и„
рк , ата
8о,
50
30
10
0,05
10
30
50
70
Рис.3. Зависимость давления в капле воды от размеров капли: 1 - ст = 0,04; 2 - 0,02 Н/м
Рис.4. Температура кипения воды 4 при различных давлениях и отношении удельных объемов насыщенного водяного пара: и при температуре кипения и при давлении 1 ата к
и при давлениях рк ата. По справочным данным. Точки - температура капель ВТЭ, достигаемая при нагревании, по обобщениям Мироненко И.Г. [16]
- уравнение теплопроводности через пленку топлива толщиной 2 • йк при температуре поверхности капли ВТЭ, равной температуре кипения топлива в условиях камеры сгорания, и при максимальной температуре капли, т.е. ts по рис.4;
- уравнение теплообмена топлива и находящейся в нем капли воды при ts,т и ts по рис.4 при условии Кит = 2 (в соответствии с существующими представлениями [14, 20, 22, 23, 25 и др.];
- уравнение количества теплоты, необходимой для нагревания капли воды от температуры ^ до температуры ts , где ^ - температура капли ВТЭ, поступающей в камеру сгорания (92-97 оС); ts - температура кипения воды при давлении рк в капле (см. рис.3 и 4).
Время нагревания капли тк входит в правую часть первых трех уравнений.
Расчеты, выполненные на основе этой системы уравнений, показали, что при изменении диаметра капель воды от 1 мкм до 0,05 мкм время нагревания капель уменьшается до тысячных долей микросекунды.
Для крупных капель, как правило [17, 22 и др.], система уравнений усложняется за счет значительного влияния нестационарных составляющих процесса нагревания, и время процесса увеличивается (как видно на рис.5), оставаясь, однако, на уровне микросекунд.
Лебедев О.Н. в работе [15] на основе собственных экспериментов приводит формулу для времени нагревания капель ВТЭ (вода-моторное топливо ДТ, в = 0,150,50) до момента основного микровзрыва для давлений окружающего газа от атмосферного до 80 ата и температуры газа 380-670 оС. Для атмосферного давления среды (в камере сгорания) эту формулу запишем применительно к котлам в виде (с дополнительной погрешностью 2-3 %)
0,25 (/Ч ) (0Д17Г, -28)(273/Гг )2,7 , (2)
т = I
о
С
0
где Х - коэффициент теплопроводности топлива; Т - температура кипения воды при давлении в капле рк, К; Тг - температура газовой среды, К; Ст - диаметр капли ВТЭ, м.
Формула (2) дает завышенные результаты по сравнению с расчетами Мироненко И.Г. (рис.5) и нашими расчетами.
1,0
С/С0
А
Ф
'3
Время, мкс
0
1,0
2,0
3,0
Рис.5. Продолжительность прогрева капли эмульсии вода-моторное топливо (Р до 0,3) от начальной температуры 28 оС при температуре окружающего воздуха 600 оС и давлении 40 ата до первого микровзрыва по теоретической модели в работе [17]. Диаметр Ст0 капли ВТЭ: 1 - 0,56; 2 - 0,7; 3 - 1,0 мм. В квадрате - увеличенное изображение процессов при последующих микровзрывах. С0 - начальный диаметр капли ВТЭ; Ст - текущий диаметр при нагревании капли. Сплошная линия -нагревание; точка а - «микровзрыв» капли; прерывистая линия - вторичные микровзрывы (показано условно): А - участок а-3 (при увеличении), на котором видно чередование вторичных микровзрывов
с повторными процессами нагревания капли
а
а
а
1
2
и
5. О механизме «микровзрыва»
Установившееся представление о механизме микровзрыва капель ВТЭ (нагрев капель воды в ВТЭ до температуры кипения, кипение воды с образованием большого количества пара и, вследствие этого, первого микровзрыва (разрыва) капель ВТЭ; возможные разрывы (взрывы) вторичных капель и несколько последовательных взрывов, как показано на рис.5) в основном подтверждается теоретическими моделями и экспериментальными данными с каплями более 1 мкм (до 1-3 мм). Очевидно, что в целом механизм микровзрыва будет характерен и для мелких капель, менее 1 мкм - до сотых долей мкм, но, с учетом изложенного в пп.1-4, перечисленные процессы будут протекать существенно быстрее.
Это подтверждается тем, что нагрев капли происходит при повышенных давлениях, а кипение - при более высоких температурах (см. рис.3 и 4). В этом случае при кипении капли воды ее объем вместе с паровой оболочкой увеличивается, образовавшийся пар расширяется от давления рк до ратм, увеличивая объем пароводяной смеси капля-пар в 20-50 раз (рис.4), что при большой скорости нагревания капли воды приводит и к большой скорости разрыва капли ВТЭ (первому микровзрыву).
С точки зрения термодинамики расширение пара от рк до ратм в этом случае можно считать адиабатным процессом расширения, работа которого и затрачивается на разрыв капли. На рис.6 (по расчетам авторов) приведена величина этой работы, а также доля работы расширения пара (работа микровзрыва) от количества теплоты, затраченной на нагревание капель воды.
Таким образом, при нагревании капли воды и при ее разрыве осуществляется некоторый термодинамический цикл, теоретический КПД которого составляет 0,050,15.
Выводы
Приведенные данные по диаметру капель воды в водотопливных эмульсиях показывают, что при Ск < 1 мкм существенно изменяются параметры, важные для
использования ВТЭ: увеличивается количество капель воды в ВТЭ, увеличиваются давление внутри капель и температура кипения, принципиально уменьшается время нагрева капель до температуры кипения, существенно увеличивается скорость нагревания капель до кипения и уменьшается время до микровзрыва капель ВТЭ.
20 40 60 80
dK , мкм
0,05 0,04 0,03 0,02 0,015 0,01
Рис.6. Работа адиабатного расширения /ад, кДж/кг, насыщенного водяного пара при снижении давления от рк до ратм и доля этой работы п от теплоты, которая была затрачена на нагревание воды от 30 оС до температуры кипения при давлении рк (см. рис.4)
Summary
Experimental data about diameter of drops of water in drops of water fuel emulsions are brought and discussed. Influence of diameter of drops of water on heatphysical properties of emulsions is analyzed.
Key words: diameter of drops of water in emulsions, pressure and temperature of drops, heatphysical model.
Литература
1. Бринь А.А., Фисенко С.П., Ходыко Ю.А. Особенности испарительного охлаждения капель в высокотемпературных потоках // Инженерно-физический журнал. 2011. Т.84. №2. С.274-279.
2. Ведрученко В.Р., Крайнов В.В., Кокшаров М.В. Особенности сгорания водотопливных эмульсий в котельных топках // Промышленная энергетика. 2012. №2. С.32-39.
3. Воликов А.Н. Водотопливные эмульсии. Л.: Недра, 1989. 160 с.
4. Ганиев Р.Ф., Кормилицын В.И., Украинский Л.Е. Волновая технология приготовления альтернативных видов топлив и эффективность их сжигания. М.: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2008. 116 с.
5. Зройчиков Н.А., Лысков М.Г., Булгаков А.Б. Исследование и опыт применения водомазутных эмульсий на энергетических котлах ТГМП-314 и ТПМ-96 // Теплоэнергетика. 2006. №6. С.31-35.
6. Иванов В.М. Топливные эмульсии. М.: Изд-во АН СССР, 1962. 216 с.
7. Иванов В.М., Канторович Б.В. Топливные эмульсии и суспензии. М.: Металлургиздат, 1963.
183 с.
8. Иванов В.М. Парогазовые процессы и их применение в народном хозяйстве. М.: Наука, 1970.
320 с.
9. Ильин А.К., Ильин Р. А. О максимальной теоретической температуре горения водотопливных эмульсий / Известия вузов. Проблемы энергетики. 2010. № 3-4. С.8-10.
10. Ильин А.К., Ильин Р.А., Горбанов Т.Р. Об эффективности использования водотопливных эмульсий в теплоэнергетике // Вестник АГТУ. Серия: Морская техника и технология. 2011. №11. С.110-116.
11. Исаков А.Я. Моделирование микровзрыва капель водотопливной эмульсии // Известия вузов. Технические науки. Украина. 2004. Вып.4. С.94-97.
12. Исаков А.Я. О механизмах фазовых превращений в каплях водотопливной эмульсии // Труды КубГАУ. 2006. №21(5). С.21-24.
13. Кондратьев Е.Н., Опятюк В.В., Семенов К.И. Пульсационный режим испарения капель водотопливных эмульсий при пульсационном режиме // Физика аэродисперсных систем. 1969. Вып.40. С.71-81. Украина.
14. Корягин В.А. Сжигание водотопливных эмульсий и снижение вредных выбросов. СПб.: Недра, СПб-отделение, 1995. 304 с.
15. Лебедев О.Н., Сомов В.А., Сисин В.Д. Водотопливные эмульсии в судовых дизелях. Л.: Судостроение, 1988. 108 с.
16. Мироненко И.Г. Особенности эксплуатации судовых дизелей на водотопливной эмульсии. Новосибирск: Наука, 2005. 103 с.
17. Новые методы сжигания топлива и вопросы теории горения. М.: Наука, 1972. 184 с.
18. Селезнев Ю.С., Лапин А.М. Основы теории горения эмульгированного гидротоплива. Владивосток: ДВГТУ, 1994. 76 с.
19. Сергеев Л.В., Иванов В.М. Применение топливо-водяных эмульсий в двигателях внутреннего сгорания / Новые методы сжигания топлив и вопросы теории горения. М.: Наука, 1965. С.61-64.
20. Тув И.А. Сжигание обводненных мазутов в судовых котлах. Л.: Судостроение, 1968. 196 с.
21. Френкель Л.И., Павлов А.В. Получение и использование водотопливной эмульсии в котельных установках // Судостроительная промышленность. 1989. Вып.9. С.20-25.
22. Хитрин Л.Н. Физика горения и взрыва. М.: Изд-во МГУ, 1957. 445 с.
23. Исследование молекулярной структуры водостойких водотопливных эмульсий и продуктов их горения: С-Пб ГТУ. http://savonin.chat.ru/disper/FTIL.htm. 16 с.
24. Dryer F.L., Rambach G.D., Glassman I. Some preliminary observations on the combustion of heavy fuels and water-in-fuel emulsions / Aerospace and mechanical sciences report No. 1271. Princton university. USA, 1976. P.61-66.
25. Kennelly T.R. An investigation of the combustion of oil sand derived bitumen-in-water emulsions. Dissertation. University of Iowa. USA. 2009 year. 97 p. http//iowa/etd.
26. Sjoegren A. Verbesserte heizolver brennung mit wasser // Oel emulsionen. - Oel+dasfeurung. 1978. V.23. №3. P.148-157.
27. Walton D. Buffington Sh.,Millin J. Combustion of oil and water-oil emulsion layers supported on water. Pennsylvania state university. Final report by gr.60NANBD0036. 2000 y. 38 p.
28. Zwillenberg M.L., Sengupta C., Guerra C.R. Water-oil emulsion combustion in boilers and gas turbines // Ash deposits and corrosion impur combustion gases. Proc. Int. Conf., Heiniker, 1977. WashingtonLondon, 1978. P.335-355.
Поступила в редакцию 20 октября 2012 г
Ильин Альберт Константинович - д-р техн. наук, профессор, зав. лабораторией нетрадиционной энергетики Саратовского научного центра Российской Академии наук (при ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет»). Тел.: 8 (8512) 546243; 8 (8512) 614282.E-mail: akilyin@newmail.ru.
Ильин Роман Альбертович - канд. техн. наук, доцент, старший научный сотрудник лаборатории нетрадиционной энергетики Саратовского научного центра Российской Академии наук (при ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет»). Тел.: 8 (8512) 546243; 8 (8512) 614282.E-mail: akilyin@newmail.ru.
Горбанов Тимур Равильевич - аспирант кафедры «Теплоэнергетика» Астраханского государственного технического университета. Тел.: 8 (8512) 546243; 8 (8512) 614282. E-mail: akilyin@newmail.ru.
