способ сжигания жидких топлив

Формула изобретения

СПОСОБ СЖИГАНИЯ ЖИДКИХ ТОПЛИВ, заключающийся в смешении топлива с окислителем, подготовке полученной смеси к сжиганию и сжигании ее, отличающийся тем, что подготовку топливоокислительной смеси производят путем дополнительной выдержки ее при 200 - 550^oС в течение 10^-3 - 10^-2 с при скорости течения, равной 1,2 - 1,6 скорости турбулентного распространения пламени, а скорость топливоокислительной смеси в зоне горения поддерживают равной 0,6 - 0,95 скорости турбулентного распространения пламени при коэффициенте избытка окислителя в зоне подготовки более 0,95.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике сжигания жидкого топлива в различных двигателях и энергетических установках и может быть использовано для повышения эффективности и экологической чистоты проведения разнообразных высокотемпературных технологических процессов (технологического нагрева металлов, жидкостей, неорганических продуктов и т.д.): топок котельных, парогазовых и других агрегатов, работающих на разнообразном топливе, для получения ценных продуктов из нетрадиционного сырья, для расширения сырьевой базы топлива за счет снижения требований к его качеству.

Известны разнообразные способы и устройства для сжигания жидкого топлива в энергетических установках, двигателях внутреннего сгорания, реактивных двигателях (газотурбинных), турбореактивных, воздушно-реактивных (ВРД) и т. д. а также в теплосиловых установках.

Известны способы сжигания жидкого топлива, заключающиеся в сжигании топливоокислительной смеси с предварительной подготовкой и смешением топлива с окислителем (см. например, авт. св. СССР N 1163694, кл. F 23 R 3/00, 29.12.84). При этом для обеспечения эффективного процесса горения основное внимание и усилия прилагаются для совершенствования конструкции горелок, камер сгорания и системы поджига. Стадия подготовки рабочей смеси топлива с окислителем состоит, как правило, в смешении в определенной пропорции жидкого топлива с окислителем при температуре окружающей среды. При этом большое внимание уделяется эффективному распылению жидкого горючего. В редких случаях, например в особо теплонапряженных ВРД, смешение происходит при температуре до 550^оС. Практически во всех конструкциях смешение горючего и окислителя, испарение жидкого топлива и его горение осуществляются в основном в одном и том же объеме при диффузионном характере пламени.

Основными недостатками существующих способов для сжигания жидкого топлива являются недостаточная устойчивость горения, сравнительно узкий диапазон эффективного сжигания как по составу топлива, так и по соотношению топливо окислитель, неполнота сжигания топлива, сопровождающаяся образованием сажи, дыма, нагара, других токсичных продуктов монооксида углерода, несгоревших углеводородов, в том числе синтез высокомолекулярных канцерогенных соединений полиароматического ряда и бензопиренов, образование окислов азота, высокие требования к качеству топлива.

Изобретение направлено на повышение эффективности, устойчивости и экологической чистоты сжигания жидкого топлива, преодоление отмеченных выше недостатков существующих способов.

Это обеспечивается тем, что по способу сжигания жидкого топлива, заключающемуся в смешении топлива с окислителем, подготовке и сжигании топливо-окислительной смеси, подготовку топливо-окислительной смеси производят путем дополнительной выдержки при температуре 200-500^оС в течение 10^-3-10^-2 с при скорости течения в пределах 1,2-1,6 скорости турбулентного распространения пламени, а скорость топливо-окислительной смеси в базе горения поддерживают в пределах 0,6-0,95 скорости турбулентного распространения пламени при коэффициенте избытка окислителя в зоне подготовки более 0,95.

Изобретение поясняется чертежом и таблицей, где приведены результаты испытаний на модельной камере сгорания.

На чертеже схематически показано устройство для сжигания жидкого топлива.

Оно содержит камеру 1 смешения-подготовки топливо-окислительной среды, камеру 2 горения, устройство 3 для подачи топлива, устройства 4 для поджига смеси.

Работа устройства для реализации предлагаемого способа сжигания жидкого топлива на примере камеры сгорания ВРД состоит в следующем.

Предназначенная для сжигания всего топлива часть предварительно подогретого до температуры 200^оС и более воздуха (за счет сжатия в компрессоре) подается в камеру 1 для смешения с топливом, которое подается устройством 3, при этом обеспечивается коэффициент избытка воздуха в камере смешения-подготовки не менее 0,95, скорость течения топливо-окислительной среды поддерживается в пределах 1,2-1,6 скорости турбулентного распространения пламени в этих условиях при времени нахождения в пределах 10^-2-10^-3 с. Подготовленная таким образом топливная смесь, попадая в камеру 2 горения, поджигается от запального устройства 4, сгорает в узкой пространственной зоне.

В предлагаемом способе эффективность сжигания повышается за счет изменения этапов подготовки топливо-окислительной смеси. При этом помимо тщательного предварительного испарения и смешения жидкого топлива с оксилителем происходит и энергонасыщение смеси. В результате сжигание подготовленной таким способом смеси происходит в узкой пространственной зоне, формируемой за счет особенностей газодинамики потока подготовленной в предлагаемом устройстве смеси.

Для решения задачи подготовки топливо-окислительной смеси и ее энергонасыщения топливо смешивается с окислителем при температуре последнего, превышающей среднюю температуру кипения топлива (например, для керосинов > 200^оС), но значительно ниже температуры самовоспламенения, чтобы избежать инициирования горения в подготовительной зоне. При типичных размерах капель, распыляемых различными устройствами, составляющих для углеводородного топлива 10-140 мкм, время испарения, зависящее от температуры и диаметра капель, как показали специальные эксперименты, в диапазоне температур 200-550^оС, составляет от 10^-3 до 10^-2 с. За это время в рабочем диапазоне давлений 1-50 атм успевает произойти энергонасыщение паров топлива с окислителем, состоящее в образовании высокохимически активных части карбенов. Высокая скорость топливо-окислительной среды в зоне подготовки 1,2-1,6 величины скорости турбулентного распространения пламени не позволяет образоваться очагам самовоспламенения в зоне подготовки и препятствует проскоку пламени из зоны горения.

Скорость турбулентного распространения пламени определяется физико-химическими свойствами топлива и параметрами окислителя температурой и давлением. С повышением температуры и давления окислительной среды скорость турбулентного распространения пламени увеличивается. Например, при температуре 20^оС и атмосферном давлении скорость турбулентного распространения пламени керосино-воздушной смеси при 1 составляет 0,5 м/с, а при t=450^oC и давлении 1МПа при 1 составляет 45 м/с.

Нижний предел скорости топливо-окислительной среды в зоне подготовки, составляющий 1,2 величины скорости распространения турбулентного пламени, выбран исходя из профиля скорости турбулентного потока в трубе с тем, чтобы у стенок трубы скорость потока была выше скорости турбулентного распространения пламени и не возникало условий для проскока пламени из зоны горения в зону подготовки вдоль стенок зоны.

Увеличение верхнего предела скорости топливо-окислительной среды в зоне подготовки выше величины 1,6 скорости турбулентного распространения пламени резко увеличивает аэродинамическое сопротивление зоны подготовки и ее длину, поскольку время испарения топлива с увеличением скорости снижается незначительно на 5-8% при тех же давлении и температуре топливо-окислительной среды.

В зоне горения скорости топливо-окислительной среды должна составлять 0,6-0,95 от скорости турбулентного распространения пламени. Резкое падение скорости топливо-окислительной среды в месте перехода из зоны подготовки в зону горения создает условия для возникновения процесса горения и для создания возвратного течения продуктов полного и неполного сгорания после зоны подготовки в начале зоны горения, создается таким образом фронт устойчивого поджига свежей топливо-окислительной среды. В зоне возвратного течения за счет пульсационной составляющей турбулентного течения топливо-окислительного потока в высокотемпературные продукты полного и неполного горения постоянно поступает свежая топливо-окислительная смесь. В зоне подготовки горючей смеси и микрообъемах вихревой возвратного течения создаются условия для термического разложения топлива с образованием карбенов, их аналогов и других энергонасыщенных частиц.

Известно, что продукты неполного горения могут содержать также радикалы типа ОН, атомы водорода, возбужденные частицы, обладающие высокой реакционной способностью. Втекающая в слой смешения свежая топливо-окислительная смесь поджигается горячими продуктами сгорания, содержащими частицы, инициирующие и ускоряющие процесс горения, создавая, таким образом, условия для быстрого взаимодействия топлива с окислителем. Это способствует увеличению тепловыделения и полному сжиганию подготовленной смеси без образования частиц сажи, дыма, оксида углерода и окислов азота.

Нижний предел скорости топливо-окислительной смеси в зоне горения 0,6 от скорости турбулентного распространения пламени обусловлен размерами возвратного вихря. С увеличением размера области возвратного течения продуктов полного и неполного горения увеличивается время пребывания инициирующих частиц, снижается их концентрация, реакционная способность продуктов сгорания резко снижается, тем самым снижается скорость реакции топлива с окислителем, полнота сгорания и ухудшаются экологические показатели. Снижение скорости реакции топлива с окислителем увеличивают протяженность зоны горения, одновременно увеличивается содержание окислов азота, моноокиси углерода, частиц сажи.

Верхний предел скорости топливо-окислительной среды в зоне горения 0,95 скорости турбулентного распространения пламени резко снижает размеры возвратного вихря, уменьшает длину циркуляционной зоны и количество инициирующих частиц, уменьшая одновременно тепловое взаимодействие продуктов полного и неполного горения с втекающим в зону горения потоком топливо-окислительной смеси. Процесс горения в этих условиях переходит в режим пространственного турбулентного диффузионного пламени с образованием частиц сажи, окислов азота, моноокиси углерода, снижая КПД процесса горения.

Работа устройства для сжигания жидкого топлива, реализующего заявленный способ была проверена на модельной камере сгорания ВРД в стендовых условиях на различном топливе (ТС-1, РТ, Т-6). Топливо различалось как по содержанию ароматических углеводородов (от 8 до 38 мас.), так и по плотности (780-843 кг/м³). При этом по содержанию ароматических углеводородов ряд образцов имели их значительно больше, чем предусмотрено существующими спецификациями, как отечественными (для топлива Т-6 не более 10 мас. для других топлив не более 22 мас.), так и зарубежными (не более 25 об. или 27-28 мас.). Следует отметить, что ограничения по содержанию ароматических углеводородов в реактивных топливах введены из-за повышенной склонности их к сажеобразованию, дымлению и, как следствие, к повышенному нагреву стенок жаровых труб камер сгорания, лопаток турбины и соплового аппарата, снижения надежности их работы за счет радиационного нагрева от излучения раскаленных частиц сажи, образование которых обязательно при диффузионном горении, характерным признаком которого является цвет пламени от белого до ярко желтого в зависимости от концентрации сажи. Поэтому при проведении экспериментальных работ на опытных устройствах эффективность горения оценивалась по цвету пламени для бессажевого горения характерный цвет от голубого до прозрачного.

Испытания показали следующее. При проведении экспериментальных работ на опытных устройствах, реализующих предлагаемый способ сжигания жидкого топлива, имело место устойчивое бессажевое сгорание топлива (см. таблицу), при этом оно обеспечивалось при горении топлива с содержанием ароматических углеводородов от 8 до 38 мас. при плотности 780-843 кг/м³, т.е. в бессажевом режиме сжигались топлива от керосина до дизельного.

Предлагаемый способ сжигания топлива был проверен в стендовых условиях на реальной конструкции жаровой трубы современного авиадвигателя путем сравнительных испытаний.

На существующей конструкции жаровой трубы, имеющей камеру предварительного смешения топлива с воздухом, расположенную в зоне горения даже при сжигании самого легкого по плотности и фракционному составу топлива ТС-1 (плотность 780 кг/м³, конец кипения 245^оС, содержание АУ 16 мас.) во всем диапазоне от 3 до 16 процесс горения проходил по диффузионному механизму с образованием сажи и соответственно с радиационным излучением цвет пламени был неизменно ярко желтым и только на самых бедных смесях он изменялся до желто-белого.

Эта же жаровая труба, оборудованная устройством для реализации нового способа сжигания топлива, обеспечила высокую эффективность горения цвет пламени при сжигании топлива был голубым, включая и при сжигании топлива с 38 мас. ароматических углеводородов.

Таким образом, предлагаемый способ сжигания жидкого топлива позволяет повысить эффективность сжигания топлива, при этом повышаются полнота сгорания, экономичность, снижаются выбросы экологически вредных веществ, повышается надежность работы горячей части двигателя.