CC BY
17Решетневскуе чтения. 2018
УДК 532.2
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА
В. И. Трифанов, Л. И. Оборина, А. С. Квитунов, И. В. Трифанов
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: sibgau-uks@mail.ru
Рассмотрены факторы, влияющие на процесс сжигания топлива. На основе выполненного теоретического анализа даны рекомендации по повышению эффективности сжигания топлива и управления газодинамическими процессами.
Ключевые слова: тепловой и химико-кинетический факторы, ионы-радикалы, процесс сжигания топлива.
IMPROVING THE EFFICIENCY OF FUEL COMBUSTION V. I. Trifanov, L. I. Oborina, A. S. Kvitunov, I. V. Trifanov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: sibgau-uks@mail.ru
The factors influencing the process of fuel combustion are considered. On the basis of the theoretical analysis recommendations for improving the efficiency of fuel combustion and control of gas-dynamic processes are given.
Keywords: thermal and chemical-kinetic factors, radical ions, fuel combustion process.
Для развития современной техники важным является эффективное сжигание топлива, управление газодинамическими процессами и режимами горения.
Известно, что управление процессами горения может иметь химический и не химический характер, в зависимости от факторов, влияющих на механизм протекающих реакций.
На процесс воспламенения и горения топлива оказывают влияние два фактора: тепловой и химико-кинетический, т. е. лавинообразное размножение активных промежуточных продуктов - свободных атомов и радикалов в периодически повторяющихся реакциях, образующих реакционные цепи [1]. Тепловой фактор реализуется, если тепловыделение от химических реакций превалирует над теплоотводом, при этом с повышением температуры тепловыделение ускоряется больше теплоотвода. Закономерности процесса горения всегда обуславливаются принципиальным различием цепного и теплового факторов. В серии работ [1; 2] показано, что при любом давлении саморазогрев становится существенным только после цепного воспламенения за счет развития цепного горения, при котором усиливается цепная лавина. Без реализации лавинного размножения свободных атомов и радикалов в их цепных реакциях не происходить ни воспламенения, ни горения. Скорость разветвлено-цепного процесса определяется выражением:
W = ^[В]/ dt = ю0 + Kpn[B], (1)
где t - время; п и [В] - концентрация носителей реакционных цепей и исходного реагента соответственно; ю0 - скорость зарождения цепей, т. е. образование носителей реакционных цепей в реакциях только ис-
ходных молекул; Кр - эффективная константа скорости лимитирующей стадии, обычно разветвления.
Наряду с реакцией и размножением носителей реакционных цепей происходят реакции их гибели, т. е. активные частицы рекомбинируют или адсорбируются [1; 2].
Изменение концентрации носителей реакционных цепей во времени [1-3] может быть представлено уравнением
dп / dt = ю0 + (f - q)п, (2)
где ю0 - скорость зарождения цепей; f и q - скорости разветвления и обрыва цепи при единичной концентрации носителей реакционных цепей (п), равные:
I = 2Kp [В], (3)
q = к„Т + кгоМ [ в ].[ м ], (4)
где [М] - концентрация газовой смеси; КгеТ и КгоМ -эффективные величины констант скоростей гетерогенного и тримолекулярного обрыва.
Условием цепного воспламенения, при котором происходит лавинное размножение носителей реакционных цепей, является [4]
I > ^ (5)
Знак равенства определяет условие перехода в режим горения.
Для повышения эффективности горения необходимо: повышать концентрацию носителей реакционных цепей в момент времени после которого не существенна роль реакции исходных молекулярных компонентов между собой. Для повышения эффективности сжигания топлива рекомендуется первоначально концентрацию носителей реакционных целей
Технология и мехатроника в машиностроении
создавать стимулированным разрушением молекул метастабильных промежуточных продуктов неполного сгорания топлива в предварительной камере сгорания, путем воздействия электронным ударам на продукты сгорания топлива в электронно-циклотронном резонансном режиме, с разделением ионов и электронов в поперечном магнитном поле.
Образовавшиеся активные ионы-радикалы и атомы промежуточных продуктов сгорания затем подаются в детонационную камеру сгорания [5-7] под действием давления и ускоряющего импульсного электрического поля. Таким образом, можно создавать лавину активных продуктов сгорания топлива в детонационной камере сгорания.
В детонационной камере сгорания за счет внешних носителей реакционных целей п повысятся объемная скорость зарождения цепей юу, а также скорости разветвления цепей ^ в процессе горения. Процесс сжигания топлива в детонационной камере сгорания при воздействии лавинообразного энергетического потока целесообразно поддерживать СВЧ-облучением с образованными стримерными разрядами в резонансном режиме [7], что позволит уменьшить скорость обрыва цепей g, обеспечить требуемую энергию активации разветвления цепей Ep, повысить скорость разветвления цепей ^ и объемное сгорание топлива.
Для рациональной организации процессов в предварительной и детонационной камерах сгорания потребуется обеспечить соответствующую концентрацию и соотношение исходных компонентов [В], а также концентрацию носителей реакционных цепей п.
Управления режимами сгорания топлива может быть обеспечено путем регулирования электрических параметров процесса, расхода и концентрации компонентов топлива, давление в камере сгорания, а также стабилизации теплового и кинетического механизмов. Повышение эффективности сжигания топлива может быть также обеспечено конфигурацией камеры сгорания, соответствующим механизмом образования детонационных волн, воздействием резонансным электрическим полем на повышение скорости горения и другими факторами, способствующими развитию кинетических режимов разветвлено-цепных взрывов детонацией газов.
Библиографические ссылки
1. Азатян В. В., Тимербулатов Т. Р., Шатиров С. В. Эффективные химические методы управления горением, взрывом и детонацией газов // Вестник Научного центра. 2012. № 2. С. 1-9.
2. Семенов Н. Н. О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности. М. : Изд-во АН СССР, 1958. 686 с.
3. Азатян В. В. Нелинейные реакции активных центров цепей и различные кинетические режимы разветвлено-цепных процессов // Кинетика и катализ. 1977. Т. 18, № 5. С. 1098-1109.
4. Азатян В. В., Андрианова З. С., Иванова А. Н. Роль цепной лавины в развившемся горении смесей водорода с кислородом и воздухом при атмосферном давлении // Журн. физ. химии. 2006. Т. 80, № 7. С. 1194-1199.
5. Пат. 2635951 Российская Федерация, МПК F03H 1/00 (2006.01). Способ создания электрореактивной тяги / Трифанов И. В., Казьмин Б. Н., Оборина Л. И. № 2016116135 ; заявл. 25.04.2016 ; опубл. 17.11.2017, Бюл. № 32, 8 с.
6. Пат. 2633075 Российская Федерация, МПК F03H 99/00 (2009.01). Способ создания электрореактивной тяги / Трифанов И. В., Казьмин Б. Н., Трифанов В. И., Оборина Л. И. № 2016117685 ; заявл. от 04.05.2016 ; опубл. 11.10.2017. Бюл. № 29, 9 с.
7. Заявка на патент № 2017136934. Способ сжигания углеводородного топлива и устройство для его реализации / Трифанов И. В. от 19.10.2017 ; опубл. 17.04.2018. Бюл. № 11.
References
1. Azatyan V. V., Timerbulatov T. R., Shatirov S. V. [Effective chemical methods of control of combustion, explosion and detonation of gases] Vestnik Nauchnogo tsentra. 2012. № 2. P. 1-9.
2. Semenov N. N. [About some problems of chemical kinetics and reactivity]. Moscow: from the USSR Academy of Sciences, 1958. 686 p.
3. Azatyan V. V. [Nonlinear response of the active sites of chains and different kinetic regimes of the branching-chain processes] Kinetika i kataliz. 1977. Vol. 18, No. 5. P. 1098-1109.
4. Azatyan V. V., Andrianova Z. S., Ivanova A. N. [The role of a chain avalanche in the developed combustion of mixtures of hydrogen with oxygen and air at atmospheric pressure]. Zhurn. fiz. khimii. 2006. T. 80, № 7. P. 1194-1199.
5. Trifanov I. V., Kaz'min B. N., Oborina L. I. Sposob sozdaniya elektroreaktivnoy tyagi [The way to create thrust electrojet]. Patent RF, No. 2635951, 2017.
6. Trifanov I. V., Kaz'min B.N., Trifanov V. I., Oborina L. I. Sposob sozdaniya elektroreaktivnoy tyagi [The way to create thrust electrojet]. Patent RF. No. 2633075, 2017.
7. Trifanov I. V. Sposob szhiganiya uglevodorodnogo topliva i ustroystvo dlya ego realizatsii [Method of combustion of hydrocarbon fuel and device for its implementation]. Patent application. No. 2017136934, 2018.
© Трифанов В. И., Оборина Л. И., Квитунов А. С., Трифанов И. В., 2018
