СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ СЖИГАНИЯ И ПИРОЛИЗА КОМПОЗИЦИОННОГО ЖИДКОГО ТОПЛИВА Российский патент 2024 года по МПК G01N33/22 

Изобретение относится к области исследования или анализа материалов путем определения их химических или физических свойств, а именно к исследованию композиционного жидкого топлива и может быть использовано для определения состава и температуры дымовых газов при сжигании и пиролизе разного композиционного жидкого топлива при изучении процессов, происходящих в камерах сгорания котельных агрегатов и пиролизных реакторов.

Известен стенд для исследования процесса зажигания и горения капли органоводоугольного топлива [RU 2596797 C1, МПК G01N33/22 (2006.01), опубл. 10.09.2016] который содержит полый цилиндр из кварцевого стекла, который с одной стороны соединен с нагнетательной системой для подачи воздуха, отверстие для подачи капли топлива, две термопары, которые через измеритель температуры связаны с персональным компьютером, вытяжную вентиляцию. Цилиндр из кварцевого стекла размещен на нижней полке опорной металлической рамы в виде стеллажа с двумя расположенными друг над другом горизонтальными полками. Один конец полого цилиндра соединен с выходом воздухонагревателя, соединенного с вентилятором высокого давления. Другой конец полого цилиндра металлической гофрированной трубой соединен с вытяжной вентиляцией, в верхней части полого цилиндра выполнено два отверстия. На верхней полке опорной рамы над первым отверстием полого цилиндра расположено координатное устройство, на подвижной части которого закреплена первая термопара с возможностью помещения конца спая термопары с закрепленной на ней каплей органоводоугольного топлива внутрь полого цилиндра. Во второе отверстие полого цилиндра вставлена вторая термопара, обе термопары соединены с измерителем температуры, расположенным на верхней полке опорной рамы. С внешней стороны полого цилиндра установлены высокоскоростная и кросскорреляционная видеокамеры, двойной импульсный лазер. Кросскорреляционная видеокамера и двойной импульсный лазер соединены с синхронизатором сигналов. Воздухонагреватель, вентилятор высокого давления, вытяжная вентиляция, координатное устройство, измеритель температуры, высокоскоростная видеокамера, кросскорреляционная видеокамера, синхронизатор сигналов и аналитические весы соединены с персональным компьютером.

Данный стенд используют для исследования процессов тепломассопереноса, фазовых превращений и химического реагирования при зажигании одиночных капель различных по компонентному составу органоводоугольных топлив.

Недостатком стенда является невозможность исследования состава дымовых газов, образующихся при горении топлив.

Известен огневой стенд для испытания различных видов топлива [RU 2749625 C1, МПК G01N 33/22 (2006.01), опубл. 16.06.2021], выбранный в качестве прототипа, содержащий топливную систему, газовоздушную систему и комплекты змеевиков. Топливная система состоит из корпуса, выполненного в виде прямоугольного параллелепипеда с жестко присоединенной внутренней футеровкой. С торца, в верхней части корпуса выполнен узел крепления горелочных устройств цилиндрической формы. На боковой стенке корпуса установлено с возможностью съема крепление пяти термопар. На стенке в центре корпуса выполнено прямоугольное отверстие, в которое установлена загрузочная дверь. Газовоздушная система включает дутьевой вентилятор, который крепится с возможностью съема к нижней части стенки и соединен шлангами последовательно с дросселями, штуцерами и воздухоподогревателями. Под дутьевым вентилятором снаружи корпуса установлен газоанализатор, который соединен с дымовой трубой, которая жестко закреплена в отверстии, которое выполнено в корпусе. Воздухоподогреватели выполнены в виде комплектов змеевиков, между ними и камерой сгорания установлена внутренняя стенка, которая жестко закреплена на основании корпуса и ее высота составляет 3/4 высоты боковой стенки корпуса. Внутри корпуса к его нижней части жестко прикреплены две перфорированные трубы, над ними установлена колосниковая решетка. К верхней части корпуса жестко закреплены две трубы для подачи воздуха. Первая труба соединена через воздухоподогреватель с форсункой, которая жестко закреплена в нижней части стенки стенда. Вторая труба для подачи воздуха соединена через воздухоподогреватель с перфорированными трубами. Перед пуском огневого стенда топливо подсветки выкладывается либо распыляется на колосниковую решетку.

Данный стенд позволяет моделировать процессы сжигания твердого, жидкого топлива и их комбинаций. Недостатком данного стенда является отсутствие возможности изменения газовой среды в камере сгорания, а также необходимость использования топлива подсветки.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в создании стенда для исследования процессов сжигания и пиролиза композиционного жидкого топлива, позволяющего изучать протекающие в камере сгорания процессы с непрерывной регистрацией коэффициента избытка воздуха, температуры в камере сгорания, температуры дымовых газов, состава дымовых газов.

Предложенный стенд для исследования процессов сжигания и пиролиза композиционного жидкого топлива, так же как в прототипе, содержит камеру сгорания в форме прямоугольного параллелепипеда, дымовую трубу, форсунку, три термопары и газоанализатор.

Согласно изобретению, камера сгорания выполнена из стали с откидной дверцей спереди. Внутри камеры сгорания в центральной части верхней и нижней стенок вмонтированы соответственно первый и второй керамические нагревательные элементы. В центральной части двух противоположных боковых стенок, прилегающих к дверце, вмонтированы соответственно третий и четвертый керамические нагревательные элементы. Все керамические нагревательные элементы подключены к ПИД-регулятору температуры. В верхнюю часть одной боковой стенки камеры сгорания, прилегающей к её дверце, вмонтирована форсунка с каналами подачи воздуха и топлива так, что она расположена под углом 45° к внутренней поверхности боковой стенки над третьим керамическим нагревательным элементом. Канал подачи воздуха форсунки трубопроводом соединен с воздушным компрессором, а канал подачи топлива трубопроводами через дозировочный насос соединен с емкостью, наполненной жидким композиционным топливом. Дымовая труба жестко закреплена в отверстии, которое выполнено в верхней стенке камеры сгорания. Внутрь дымовой трубы вмонтирована первая термопара. Вторая термопара вмонтирована через верхнюю стенку внутрь камеры сгорания. Третья термопара вмонтирована в камеру сгорания через вторую боковую стенку, прилегающую к дверце, ниже четвертого керамического нагревательного элемента. Все термопары соединены с аналогово-цифровым преобразователем, который связан с персональным компьютером. К персональному компьютеру подключены газоанализатор, ИК-спектрометр и газовый контроллер, соединенный силиконовыми трубками с баллоном, наполненным азотом и с баллоном, наполненным воздухом. Штуцер вмонтирован в нижнюю часть камеры сгорания через вторую боковую стенку, прилегающую к дверце, ниже третьей термопары и силиконовой трубкой соединен с газовым контроллером. Газоанализатор трубопроводом через насос соединен с газовым пробоотборным зондом, который через отверстие в центре дверцы вставлен внутрь камеры сгорания так, что вход зонда для отбора пробы расположен посередине камеры сгорания.

Преимуществами предлагаемого стенда является возможность исследования процессов сжигания и пиролиза композиционного жидкого топлива при варьировании состава газовой среды в камере сгорания, создаваемой газовым контроллером. Использование сжатых газов обеспечивает возможность точного регулирования состава газовой среды, подаваемой газовым контроллером в камеру сгорания Использование керамических нагревательных элементов позволяет изменять температуру в камере сгорания. Использования газоанализатора и ИК-спектрометра позволяет определять широкий перечень компонентов в составе дымовых газов.

Предложенный стенд для исследования процессов сжигания и пиролиза композиционного жидкого топлива позволяет проводить исследования процессов сжигания и пиролиза различных составов композиционного жидкого топлива, экспериментально изучать протекающие в камере сгорания процессы и непрерывно регистрировать коэффициент избытка воздуха в камере сгорания, температуру в камере сгорания, температуру дымовых газов, состав дымовых газов.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого стенда.

Стенд для исследования процессов сжигания и пиролиза композиционного жидкого топлива содержит стальную сварную камеру сгорания 1 в виде прямоугольного параллелепипеда с передней стенкой в виде откидной дверцы, установленной на петлях (на фиг. 1 не показано). Внутри камеры сгорания 1 в центральной части верхней и нижней стенок вмонтированы соответственно первый 3 (НЭ1) и второй 4 (НЭ2) керамические нагревательные элементы. Внутри камеры сгорания 1 в центральной части двух противоположных боковых стенок, прилегающих к дверце, вмонтированы соответственно третий 5 (НЭ3) и четвертый 6 (НЭ4) керамические нагревательные элементы. Все керамические нагревательные элементы 3 (НЭ1), 4 (НЭ2), 5 (НЭ3) и 6 (НЭ4) подключены к ПИД-регулятору температуры (на фиг. 1 не показано). В верхнюю часть одной боковой стенки, прилегающей к дверце, вмонтирована форсунка 2 с каналами подачи воздуха и топлива так, что она расположена наклонно под углом 45° к внутренней поверхности боковой стенки над третьим керамическим нагревательным элементом 5 (НЭ3). Снаружи расположена дымовая труба 7, жестко закрепленная сварным соединением в отверстии верхней стенки камеры сгорания 1. Внутрь дымовой трубы 7 вмонтирована первая термопара 8. Вторая термопара 9 вмонтирована через верхнюю стенку внутрь камеры сгорания 1. Третья термопара 10 вмонтирована в камеру сгорания 1 через вторую боковую стенку, прилегающую к дверце, ниже четвертого керамического нагревательного элемента 6 (НЭ4).

Канал подачи воздуха форсунки 2 трубопроводом соединен с воздушным компрессором 11 (ВК). Канал подачи топлива форсунки 2 соединен трубопроводами через дозировочный насос 12 (ДН) с емкостью, наполненной жидким композиционным топливом 13 (ТЕ).

Все термопары 8, 9 и 10 соединены с аналогово-цифровым преобразователем 14 (АЦП), который связан с персональным компьютером 15 (ПК), к которому подключены газоанализатор 16 (ГА), ИК-спектрометр 17 (ИК) и газовый контроллер 18 (ГК), соединенный силиконовыми трубками с баллоном, наполненным азотом 19 (БА) и с баллоном, наполненным воздухом 20 (БВ).

Газовый контроллер 18 (ГК) силиконовой трубкой соединен со штуцером 21, который вмонтирован в нижнюю часть камеры сгорания 1 через вторую боковую стенку, прилегающую к дверце, ниже третьей термопары 10.

Через отверстие в центре дверцы внутрь камеры сгорания 1 вставлен газовый пробоотборный зонд 22 так, что вход для отбора пробы расположен посередине камеры сгорания 1. Зонд трубопроводом через насос 23 (Н) соединен с газоанализатором 16 (ГА).

Использован дозировочный насос 12 (ДН) с пневматическим приводом, максимальная вязкость жидкости при перекачивании которым составляет 5000 мПас. Форсунка 2, изготовленная из нержавеющей стали, имеет следующие размеры: диаметр входного канала топлива - 8 мм; диаметр входного канала воздуха - 4 мм; диаметр выходного отверстия форсунки - 3 мм. Использован воздушный поршневой компрессор 11 (ВК) производительностью 260 л/мин, с рабочим давлением до 8 бар и мощностью двигателя 1,8 кВт. Газовый пробоотборный зонд 22 выполнен из жаропрочной стали длиной 1000 мм. В качестве керамических нагревательных элементов 3 (НЭ1), 4 (НЭ2), 5 (НЭ3) и 6 (НЭ4) использованы керамические нагревательные элементы мощностью 1 кВт, габаритными размерами 122х122 мм. Баллон 19 (БА) наполнен техническим азотом чистотой 99,6%. Баллон, наполненный воздухом 20 (БВ) содержит 78% азота, 21% кислорода и 1% примесей.

Стенд работает следующим образом.

ПИД-регулятором температуры задают температуру нагрева четырех керамических нагревательных элементов 3 (НЭ1), 4 (НЭ2), 5 (НЭ3) и 6 (НЭ4), создавая необходимый температурный режим в камере сгорания 1, который контролируют первой и второй термопарой 9 и 10, сигналы которых оцифровывают аналогово-цифровым преобразователем 14 (АЦП) и передают в персональный компьютер 15 (ПК). Необходимую газовую среду в камере сгорания 1 создают с помощью газового контроллера 18 (ГК), подавая в камеру сгорания через штуцер 21 азот из баллона, наполненного азотом 19 (БА), при пиролизе композиционного жидкого топлива или воздух из баллона, наполненного воздухом 20 (БВ), при создании условий для сжигания. Управление газовым контроллером 18 (ГК) осуществляют при помощи персонального компьютера 15 (ПК). При достижении заданного температурного режима в камере сгорания 1 через канал подачи воздуха в форсунке 2 с помощью воздушного компрессора 11 (ВК) подают воздух, а через канал подачи топлива в форсунке 2 дозировочным насосом 12 (ДН) подают, например, водоугольное топливо из емкости, наполненной жидким композиционным топливом 13 (ТЕ), формируя на выходе из форсунки 2 готовую топливовоздушную смесь в виде аэрозоля, состоящего из мелкодисперсных капель композиционного топлива. В результате попадания капель композиционного жидкого топлива в высокотемпературную газовую среду, разогретую до температуры более 700°С, происходит их зажигание. Дымовые газы, образующиеся при пиролизе или горении композиционного жидкого топлива, через пробоотборный зонд 22 перекачивают насосом 23 (Н) к сенсорам газоанализатора 16 (ГА) и газовой кювете ИК-спектрометра 17 (ИК), получая результаты измерений состава дымового газа и коэффициента избытка воздуха в персональном компьютере 15 (ПК). Результаты измерений температуры в камере сгорания термопарами 9 и 10, а также температуры дымовых газов, измеряемой термопарой 8 в дымовой трубе 7, через аналогово-цифровой преобразователь 14 (АЦП) поступают в персональный компьютер 15 (ПК). После завершения экспериментальных исследований открывают дверцу и очищают внутренние поверхности камеры сгорания от твердых продуктов горения.

Изобретение относится к стенду для исследования процессов сжигания и пиролиза композиционного жидкого топлива. Техническим результатом является изучение протекающих в камере сгорания процессов с непрерывной регистрацией коэффициента избытка воздуха, температуры в камере сгорания, температуры дымовых газов, состава дымовых газов. Технический результат достигается стендом для исследования процессов сжигания и пиролиза композиционного жидкого топлива, который содержит камеру сгорания в форме прямоугольного параллелепипеда с откидной дверцей. Внутри камеры сгорания в центральной части верхней и нижней стенок, а также в центральной части двух противоположных боковых стенок, прилегающих к дверце, вмонтированы соответственно первый, второй, третий и четвертый керамические нагревательные элементы. Все керамические нагревательные элементы подключены к ПИД-регулятору температуры. В верхнюю часть одной боковой стенки камеры сгорания, прилегающей к дверце, вмонтирована форсунка с каналами подачи воздуха и топлива, расположенная под углом 45° к внутренней поверхности боковой стенки. Канал подачи воздуха соединен с воздушным компрессором, а канал подачи топлива через дозировочный насос соединен с емкостью, наполненной жидким композиционным топливом. Дымовая труба жестко закреплена в отверстии, которое выполнено в верхней стенке камеры сгорания. Внутрь дымовой трубы вмонтирована первая термопара. Вторая термопара вмонтирована через верхнюю стенку внутрь камеры сгорания. Третья термопара вмонтирована в камеру сгорания через вторую боковую стенку, прилегающую к дверце, ниже четвертого керамического нагревательного элемента. Все термопары соединены с аналогово-цифровым преобразователем, который связан с персональным компьютером. К персональному компьютеру подключены газоанализатор, ИК-спектрометр и газовый контроллер, соединенный с баллоном, наполненным азотом и с баллоном, наполненным воздухом. Штуцер вмонтирован в нижнюю часть камеры сгорания через вторую боковую стенку, прилегающую к дверце, ниже третьей термопары и соединен с газовым контроллером. Газоанализатор через насос соединен с газовым пробоотборным зондом, который через отверстие в центре дверцы вставлен внутрь камеры сгорания так, что вход зонда для отбора пробы расположен посередине камеры сгорания. 1 ил.

Стенд для исследования процессов сжигания и пиролиза композиционного жидкого топлива, содержащий камеру сгорания в виде прямоугольного параллелепипеда, дымовую трубу, форсунку, штуцер, три термопары и газоанализатор, отличающийся тем, что камера сгорания выполнена из стали с откидной дверцей спереди, внутри камеры сгорания в центральной части верхней и нижней стенок вмонтированы соответственно первый и второй керамические нагревательные элементы, в центральной части двух противоположных боковых стенок, прилегающих к дверце, вмонтированы соответственно третий и четвертый керамические нагревательные элементы, все керамические нагревательные элементы подключены к ПИД-регулятору температуры, в верхнюю часть одной боковой стенки камеры сгорания, прилегающей к её дверце, вмонтирована форсунка с каналами подачи воздуха и топлива так, что она расположена под углом 45° к внутренней поверхности боковой стенки над третьим керамическим нагревательным элементом, при этом канал подачи воздуха трубопроводом соединен с воздушным компрессором, а канал подачи топлива трубопроводами через дозировочный насос соединен с емкостью, наполненной жидким композиционным топливом, дымовая труба жестко закреплена в отверстии, которое выполнено в верхней стенке камеры сгорания, внутрь дымовой трубы вмонтирована первая термопара, вторая термопара вмонтирована через верхнюю стенку внутрь камеры сгорания, третья термопара вмонтирована в камеру сгорания через вторую боковую стенку, прилегающую к дверце, ниже четвертого керамического нагревательного элемента, все термопары соединены с аналогово-цифровым преобразователем, который связан с персональным компьютером, к которому подключены газоанализатор, ИК-спектрометр и газовый контроллер, соединенный силиконовыми трубками с баллоном, наполненным азотом, и с баллоном, наполненным воздухом, штуцер вмонтирован в нижнюю часть камеры сгорания через вторую боковую стенку, прилегающую к дверце, ниже третьей термопары и силиконовой трубкой соединен с газовым контроллером, газоанализатор трубопроводом через насос соединен с газовым пробоотборным зондом, который через отверстие в центре дверцы вставлен внутрь камеры сгорания так, что вход зонда для отбора пробы расположен посередине камеры сгорания.