СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ГОРЕНИЯ ГАЗОВЗВЕСИ ПОРОШКООБРАЗНЫХ ВЕЩЕСТВ Российский патент 2005 года по МПК G01N25/22 G01N25/24 

Изобретение относится к области измерения параметров процессов горения порошкообразных веществ в камере сгорания.

Измерение параметров процессов горения частиц металлов производится высокоскоростным фотографированием отдельных частиц в специальной камере сгорания /1/. По обобщенным данным /2/, эмпирический закон горения частицы алюминия диаметром d в газовой среде, содержащей окислительные реагенты водяной пар Н₂О и углекислый газ СО₂, имеет вид

(1) τ=kdⁿ/L^0,9,

где τ - время полного сгорания частицы;

α - мольная концентрация окислительных реагентов Н₂О и СО₂;

k - коэффициент соотношения размерностей, при τ в мс, d в мкм и α в% равный 0,67.

Показатель степени n, определяющий скорость горения, может быть назначен в пределах 1,2-:- 2,0 в зависимости от принятой модели горения (парофазная, диффузионная и другие), при этом отдают предпочтение n=2 /3, 4/.

Процессы горения газовзвесей в реальных камерах сгорания усложнены высокой температурой, турбулентностью, взаимовлиянием частиц и другими факторами /4/, в связи с чем обоснован вопрос о действительном значении скорости горения.

В известной литературе технические решения поставленной задачи не приводятся.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения скорости горения газовзвеси порошкообразного вещества в камере сгорания с учетом влияния реальных процессов на горение газовзвеси.

Технический результат достигается тем, что при проведении сгорания газовзвеси порошкообразного вещества с измерением параметров состава гетерогомогенных топлив и параметров процессов горения топлива в камере сгорания процесс горения газовзвеси осуществляют в камере сгорания длиной, меньшей расчетной длины камеры сгорания, соответствующей полному сгоранию порошкообразного компонента топлива по реперному значению скорости горения, измеряют расходный комплекс без учета экзотермических реакций горения порошкообразного компонента топлива, необходимый для определения действительной полноты сгорания газовзвеси, строят функциональную зависимость скорости горения газовзвеси от параметров состава топлива, параметров процессов в камере сгорания и полноты сгорания газовзвеси, измеряют действительную полноту сгорания газовзвеси, по которой судят о скорости горения газовзвеси, при этом:

- реперное значение скорости горения определяют высокоскоростным фотографированием отдельных частиц порошкообразного компонента в камере сгорания;

- процесс горения газовзвеси осуществляют в камере сгорания длиной, составляющей 0,1-:-0,6 расчетной длины камеры сгорания, соответствующей полному сгоранию порошкообразного компонента топлива по реперному значению скорости горения;

- действительную полноту сгорания газовзвеси m* измеряют по формуле

m_*=R_s-D_m/ϕ_β,

где R_s=(1-z_m)/[z_m(k_z-1)];

D_m=R_s(1-z_m)β_m1/(μ_cβ_mд);

z_m - массовая доля порошкообразного компонента в топливе;

k_z - массовое число реакции горения порошкообразного компонента топлива;

ϕ_β - отношение действительного β_mд и расчетного расходных комплексов камеры сгорания;

β_m1 - расходный комплекс без учета экзотермических реакций горения порошкогообразного компонента топлива;

μ_c - коэффициент расхода сопла.

В качестве реперного (или опорного) значения скорости горения можно предварительно использовать значение скорости (или показателя степени в законе горения), определенное высокоскоростным фотографированием отдельных частиц порошкообразного вещества в специальной камере. Это значение является первым приближением измеряемой величины и необходимо для определения технических характеристик экспериментального оборудования.

Проведение процесса горения в камере сгорания длиной, составляющей 0,1-:-0,6 расчетной длины камеры сгорания, соответствующей полному сгоранию порошкообразного компонента топлива по реперному значению скорости горения, необходимо для корректного решения уравнений, определяющих скорость горения частиц порошкообразного вещества от параметров состава топлива, параметров процессов в камере сгорания и полноты сгорания порошкообразного компонента. При известных параметрах состава топливной смеси, процессов в камере сгорания и при длине камеры, меньшей 0,1 или большей 0,6 указанной расчетной длины камеры сгорания, корректное решение уравнений для скорости горения затруднено ввиду большой чувствительности функции n=f(П_т, П_к, m_сг) от полноты сгорания m_сг, что приводит к большой погрешности при измерении скорости горения.

К комплексу параметров состава топливной смеси П_т относятся состав топливной смеси, например, расходы ее компонентов, их химический состав и энтальпия. К комплексу параметров процессов в камере сгорания П_к относятся давление в камере р₀ и время пребывания газовзвеси порошкообразного вещества в зоне горения, определенное по скорости движения газовзвеси и длине камеры сгорания.

Измерение β_m1, по имеющимся данным, в практике не встречается /5/. В данном способе это необходимо для измерения значений D_m и m_*. Расходные комплексы измеряются косвенным путем с использованием полученных значений П_т и П_к и термодинамических расчетов параметров состояния продуктов сгорания по известным (напр., /5/) методикам. Значение R_s измеряется по данным термодинамических расчетов и П_т. Значение k_z равно отношению массовой доли конденсированных продуктов сгорания в составе продуктов сгорания к z_m.

Формула (2) является частным решением общего уравнения неразрывности для канала с газофазными реакциями в ограниченных трактом потоках, содержащих частицы, в постановке, что показателем совершенства горения является полнота сгорания газовзвеси (напр., /6/), а измеряемыми параметрами - комплексы П_т и П_к.

На чертеже показана условно-графическая схема камеры сгорания и графические пояснения к способу измерения.

Камера сгорания состоит из переднего днища 1, цилиндрического корпуса 2 и сопла 3. Через днище 1 в камеру сгорания вводятся компоненты топливной смеси: гомогенные окислитель и горючее и порошкообразное вещество. Камера сгорания обычно условно разделяется на две зоны, в первой из которых происходит горение гомогенных компонентов топлива, во второй зоне длиной l_k - горение порошкообразного вещества в продуктах сгорания первой зоны. Продукты сгорания истекают через сопло 3.

Для конкретного состава топливной смеси, расчетного р₀ и камеры сгорания с известными геометрическими характеристиками с использованием системы уравнений, описывающих движение частиц переменной массы, переменного диаметра в потоке переменной скорости с переменной концентрацией окислительных реагентов определяется зависимость m_сг=f(n, l_пр), где l_пр=l/l_p - относительная координата по длине камеры, l - текущая линейная координата по длине камеры, l_р - расчетная длина камеры сгорания, соответствующая полному сгоранию порошкообразного порошкообразного компонента топлива по реперному значению скорости горения. На графике эти зависимости показаны пучком кривых 5 для различных назначенных показателей степени n₁>n₂>n₃>n₄. Расчетами установлено, что при l_пр<0,1 и l_пр>0,6 линии графиков располагаются друг к другу очень близко. Характер кривых m_сг=f(n, l_пр) таков, что вначале они круто поднимаются вверх, затем следует перегиб, затем следует медленное изменение m_сг. Это объясняется тем, что вначале быстро сгорают мелкодисперсные фракции порошкообразного вещества в среде с высоким содержанием окислительных реагентов, область перегиба характеризуется интенсивным горением среднедисперсных фракций в среде с умеренным содержанием окислительных реагентов, пологая область функций характеризуется горением крупнодисперсных фракций в среде с относительно низким содержанием окислительных реагентов. Примерный график изменения содержания окислительных реагентов по длине камеры α=f(l_пр) показан линией 6.

Для экспериментального оборудования с известными характеристиками производится расчет состава топлива таким образом, чтобы выполнялось соотношение l_к=(0,1-:-0,6)l_p. Проводятся расчеты с построением графиков. Производится процесс сгорания топлива. По полученным значениям комплексов П_т и П_к и соответствующих расчетов по формуле (2) определяется действительное значение полноты сгорания m_*. На пересечении линий m_*=m_сг и l_пр=l_к/l_р находится точка 7, соответствующая некоторой зависимости m_*=f(n_*, l_пр), где n_* есть измеренное значение показателя n в законе горения (1), учитывающее комплексное влияние реальных процессов в камере сгорания на скорость горения порошкообразного вещества.

Практический пример. По результатам обработки экспериментов, проведенных на стендовом газогенераторе, оснащенного системами подачи компонентов жидкого ракетного топлива окислителя АК-27И и горючего ТГ-02 /7/ и полидисперсного порошкообразного алюминия дисперсностью 5-:-50 мкм (d₃₂=26,5 мкм) для указанного трехкомпонентного топлива показатель степени в (1) в пределах 1,2-:-1,9 с погрешностью ˜ 11% описывается соотношением n=0,76+(0,84+480α₀g_f/z_m)^-1, где

α₀ - начальная мольная концентрация окислительных реагентов (Н₂О+CO₂) в продуктах сгорания топлива АК-27И+ТГ-02;

g_f - расходонапряженность, с/м.

Скорость горения газовзвеси порошкообразного вещества зависит от обобщенных характеристик состава топлива и камеры сгорания.

Практическое значение способа измерения скорости горения состоит в проведении исследований в целях усовершенствования пылеугольных горелок котлов, в применении в расчетах перспективных двигательно-энергетических установок /8/ на металлосодержащих топливах «бериллий + кислород + водород» и «литий + кислород + водород», решения вопросов оптимизации процессов горения металлических порошков по давлению /9/ и т.д.

Литература

1. А.Ф.Беляев, Б.С.Ермолаев, А.И.Коротков, Ю.В.Фролов. Особенности горения порошкообразного алюминия. Физика горения и взрыва, т. 5, №5, 1969.

2. Ю.В.Фролов, П.Ф.Похил, В.С.Логачев. Воспламенение и горение порошкообразного алюминия в высокотемпературных газовых средах и составе гетерогенных конденсированных систем. Физика горения и взрыва, т. 8, №2, 1972.

3. К.К.Лоу, Х.К.Лоу. Закон d² для испарения и горения многокомпонентной капли. Ракетная техника и космонавтика, т. 20, №5, 1982.

4. Combustion d'une goutte immobile: etude numerial de l'influence des hypotheses conduisant a la "Loi du D²". Sherrer D. "Rech. Aerospat.", 1985, №5, 311-321 (фр.).

5. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. Теория ракетных двигателей. М.: "Машиностроение", 1980.

6. Адамс. Достоверный критерий полноты сгорания. Ракетная техника и космонавтика, т. 7, №7, 1969.

7. Большаков Г.Ф. Химия и технология компонентов жидкого ракетного топлива. Л.: "Химия", 1983.

8. Гаррисон П.В. Перспективные двигательные установки для будущих межпланетных космических полетов. Аэрокосмическая техника, т.1, №9, 1983.

9. Кудрявцев В.М., Суслов А.В., Воронецкий А.В. Горение частиц магния при высоких давлениях. Известия ВУЗов, "Машиностроение", 1977, №6.

Изобретение относится к измерительной технике. Процесс горения газовзвеси проводят в камере сгорания (КС) длиной, составляющей, в частности, от 10 до 60% длины КС, соответствующей полному сгоранию газовзвеси по реперному значению скорости горения. Измеряют расходный комплекс продуктов сгорания без учета экзотермических реакций горения порошкообразного компонента топлива, строят функциональную зависимость скорости горения от параметров состава топлива, параметров процессов горения в КС и полноты сгорания газовзвеси, измеряют действительную полноту сгорания, по которой судят о скорости горения. Технический результат - повышение точности измерений. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения скорости горения газовзвеси порошкообразного вещества, заключающийся в измерении параметров состава гетерогомогенных топлив и параметров процессов горения топлива в камере сгорания, отличающийся тем, что процесс горения газовзвеси осуществляют в камере сгорания длиной, меньшей расчетной длины камеры сгорания, соответствующей полному сгоранию порошкообразного компонента топлива по реперному значению скорости горения, измеряют расходный комплекс без учета экзотермических реакций горения порошкообразного компонента топлива, необходимый для определения действительной полноты сгорания газовзвези, строят функциональную зависимость скорости горения газовзвеси от параметров состава топлива, параметров процессов в камере сгорания и полноты сгорания газовзвеси, измеряют действительную полноту сгорания газовзвеси, по которой судят о скорости горения газовзвеси.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что реперное значение скорости горения определяют высокоскоростным фотографированием отдельных частиц порошкообразного компонента в специальной камере сгорания.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс горения газовзвеси осуществляют в камере сгорания длиной, составляющей 0,1-0,6 расчетной длины камеры сгорания, соответствующей полному сгоранию порошкообразного компонента топлива по реперному значению скорости горения.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что действительную полноту сгорания газовзвеси m_* измеряют по формуле

m_*=R_s-D_m/ϕ_β,

где R_s=(1-z_m)/[z_m(k_z-1)];

D_m=R_s(1-z_m)β_m1/(μ_cβ_mд);

z_m - массовая доля порошкообразного компонента в топливе;

k_z - массовое число реакции горения порошкообразного компонента топлива;

ϕ_β - отношение действительного β_mд и расчетного расходных комплексов камеры сгорания;

β_m1 - расходный комплекс без учета экзотермических реакций горения порошкогообразного компонента топлива;

μ_c - коэффициент расхода сопла.