Способ определения сажеобразования при горении углеводородного топлива Советский патент 1989 года по МПК G01N25/52 

Изобретение относится к оценке и регламентации физикохимических свойств Углеводородных топлив, а именно к определению сажеобразования при диффузионном горении, от которого зависит тепловое излучение пламени, дымление двигателя и нагароотложение в его газовом тракте

Известен способ определения склонности топлив к образованию углеродистых продуктов горения по точке дымления или максимальной высоте некоптящего пламени Путем сжигания топлив на фитильной лампе определяется момент появления копоти при подъеме фитиля. Показателем качест ва

3113

топлива при этом является расстояние от среза горелки до верхней точки пламени Способ первоначально предназначался для визуальной оценки качества осветительных керосинов«Он не учитьгоает специфики диффузионного горения реактивных топлив, обеспечивающий сжигание образующейся сажи в зоне пламенио Способ субъективен и недостаточно точен.

Наиболее близким к предложенному способу по решаемой задаче является способ определения сажеобразования при горении углеводородного топлива, выбранный в качестве прототипа изобретения, заключающийся в поочередном сжигании испытуемого и эталонного топлив на диффузионной горелке с регулированием расхода топлива до получения одинаковой яркости свечения, регистрируемой в желто-зеленой полосе спектра, генерируемого образующейся в пламени сажей.

Однако принципиально правильный подход к регистрации сажи в диффузионном пламени реактивного топлива при реализации этого способа обесценивается неудачным выбором критерия оценки реактивных топлив, который не имеет прямого физического смысла, но аддитивен по отношению к компонентам смесей, нелинейно (гиперболически) связан с концентрацией сажи в пламени и энергией ее излуче нияо Это затрудняет прогнозирование свойств смеси топлив, приводит к недооценке опасного снижения в области малых значений люминометрических чисел и завышению оценки при их увеличеиии в области повышенных значений. Использование температуры над пламенем в качестве параметра, по которому производится расчет люминометрических чисел, ненадежно,так как для термопары, расположенной в узком токе горячего газа над пламенем, велики случайные.отклонения в результатах измерения,.а разностный метод, лежащий в основе.вычисления люминометрических чисел, приводит к их накоплению Способ привязан к таким эталонным топливам, режим горения которых существенно отличается от режима горения реальных реактивных ТОПЛИВ, а их взаимная нерастворимость исключает возможность применения промежуточных эталонных топлив Все это в конечном счете отрицательно сказывается на достоверности оценки ре.активных топлив и точности ее определений

Цель изобретения - повышение достоверности определения.

Это достигается тем, что в способе определения сажеобразования при горении углеводородного топлива,заключающемся в поочередном сжигании испытуемого и эталонного топлив на диффузионной горелке с регулировкой расхода топлива до получения одинаковой яркости свечения, регистрируемой в желто-зеленой полосе спектра, генерируемого взвешенной в пламени сажей, в качестве эталона используют топливо со степенью черноты пламени около единицы и определяют показатель сажеобразования - индекс черноты диффузионного пламени (ИЧДП) по процентному отношению массовых расходов G. и Ge. эталонного и испытуемого топлив соответственно: ИЧДП

С А

--- 100, С целью повышения точGI

ности определения путем получения близких по размеру пламен, обеспечивающих сходные условия горения испытуемого и эталонного топлив, в качестве эталона выбирают две толуолсодержащие смеси со значениями ИЧДП, различающимися на 0,5-3 единицы,при горении одной из которых расход топлива вьше, а при горении другой ниже, чем расход испытуемого топлива, и вычисление ИЧДП испытуемого топлива производят путем интерполяции В качестве эталона могут быть выбраны омеси толуола и изооктана, различающихся по содержанию изооктана на 1-7 об.%.

Изобретение позволяет достигнуть наибольшей достоверности и повысить точность оценки сажеобразования при горении углеводородных топлив,например керосина, в реактивных двигателях, что обеспечивается возможностью экспериментального сопоставления испытуемого топлива с одинаковым эталонным топливом в различных видах испытаний, на различных аппаратах с диффузионной горелкой, в камере сгорания и созданием соответственно одинаковых условий сжигания испытуемого и эквивалентного ему эталонного топлива

Поскольку лучистый поток пропорционален произведению расхода G топj о a фиг.2 приведены примеры результатсув испытаний на индикаторе ерноты пламени с фитильной горелкой трех образцов углеводородных топлив: РТ - прямая 1, ТС-1 - пряая 2, Т-1 - прямая 3, с использованием эталонных смесей толуола и изооктана, различающихся на 5 об.% толуола при испытании каждого угле- |Q водородного топлива: прямые А и 5 соответственно 10 и 15% толуола, прямые 6 и 7 - 20 и 25% толуола,прямые 8 и 9 - 35 и 40% толуола. Инексы эталонных тошшв, линейно за- 5 висящие от массойой доли толуола в их составе: 64,9 для 10%, 67,2 для 15%, 69,5 для 20%, 71,8 для 25%, 76,1 для 35% и 78,2 для 40%. При . ототоке ф 50 мкА, соответствую- 20 ем расчетному уровню излучения пламени каждого испытуемого и.эталонного углеводородного топлива, замерен параметр расхода П (G) в условных единицах. По его значениям путем ли- 25 нейной интерполяции вычислены индексы черноты пламен испытуемых углеводородных топлив (ИЧДП):

для топлива РТ ИЧДП 64,9 +

+ (67,2 - 64,9) -

для топлива ТС-1 ИЧДП - 69,5 + (71,8 - 69.5) --|||-1-§|-- 70,8;

для топлива Т-1 ИЧДП 7б,1 + 35 + (78,2-76,1) -flflfli- 77,2.

Эти результаты, полученные в случае вилки двух эталонных топлив, различающихся по объемной доле толуо- 40 ла на 5%, помещены в таблице. В той же таблице даны аналогичные результаты испытания тех же образцов топлив РТ, ТС-1 и Т-1 для случаев различия эталонных топлив на 1 и 7% дЗ объемной доли толуола.

Из представленного табличного материала видно, что разница в результатах определения ИЧДП незначительна.50

Исследования показали возможность реализации способа на аппарате,предназначенном для определения люминометричёских чисел топлив, который имеется в лабораториях Использование этого аппарата может способствовать освоению предлагаемого способа и внедрению нового показателя до оснащения лабораторий более простым специально разработанным индикатором черноты пламени

Использование предлагаемого способа позволит за счет повышения достоверности и точности оценки огневых свойств реактивного топлива увеличить ресурсы топлива вследствие рационального регулирования состава при разработке новых сортов топлива и совершенствования технологии производства вырабатываемых топлив, исключения ощибочной отбраковки кондиционных топлив, исключения допуска некондиционного топлива к. применению на авиационной технике и связанного с этим ущерба самой технике (то есть косвенно поможет повысить надежность авиационной техники) о

Поскольку предлагаемый способ основан на фундаментальном физическом понятии степени черноты, он позволит применять результаты оценки реактивных углеводородных топлив для инженерных расчетов теплообмена при проектировании и испытании двигателей, а также при подборе топлива для конкретных типов двигателей

Аддитивность результатов оценки по предлагаемому способу обеспечивает выполнение расчета характеристик сгорания при смешении топлив разного состава, что нельзя сделать на основе люминометрических чисел, характеристики смешения для которых неаддитивны.

Принцип сравнения испытуемого и эталонного топлива по расходу или другому параметру, однозначно и монотонно с ним связанному, открывает возможность .разработки более простого по конструкции и удобного в экслуатации аппарата для оценки огневьп свойств по сравнению с применяемым аппаратом. - ; 5 лива и степени черноты пламени или концентрации сажи в пламени С J при регулировке расхода топлив одинаковый фотоэффект для испытуемого топлива (обозначение исп„) и эталонного топлива с индексом 100 пламя которого в характерных услови ях реактивного двигателя излучает как абсолютно черное тело, реализуК1тся следующие соотношения: , с . . ЛОО С.,(ОО эо l- l-too Если выразить исп в процентах к степени черноты пламени эталонного топлива, то индекс черноты диффузио ного пламени 1Д«5Л .,00 ИЧДП « Jipo. ,00, то-есть ИЧДП топлив экспериментальн определяется отношением их расходов Для лучших топлив, при сгорании которых образуется меньше сажи, эта лонный фотоэффект достигается при большей высоте язычка пламени и,соответственно, большем расходе топли ва, обратно пропорциональном концен рации сажи, степени черноты пламени и энергии его излучения. Таким образом, ИЧДП характеризует энергию излучения, испускаемого твердой дисперсной фазой - микрочас тицами сажи при диффузионном горени углеводородного топлива, выражаемую в процентах к соответствующей энергии эталонного топлива, индекс кото рого принят за 100, Наиболее подходящими в качестве эталонноготоплива являются толуолсодержащие смеси. Толуол в условиях работы реактивного двигателя (давле ние воздуха в камере сгорания 1,0 1,5 МПа) имеет степень черноть « 1 Смеси толуола с разбавителем,имеющим меньшую степень черноты, дают другие значения ИЧДП, Этим разбавителем может быть изооктан. На фиг,1 показана зависимость энергии нор11 ального излучения Е факела толуола от давления РК в каме 1 ре сгорания в МПа; на фиг, 2 - зависимости свечения пламени по величине фототока (ф} от расхода П (о) уг;певодородного топлива в горелке в условных единицах, В таблице приведены результаты испытаний разных видов углеводородного топлива и толуолеодержащих смесейоПо сравнению с тетралином толуол более стабилен, ближе по химической природе к реактивным углеводородным топливам для реактивных двигателей, обладает менее резким запахом и менее токсичен. Химически чистый толуол менее дефицитен, чем тетралин. В отличие от тетралина, малорастворимого в других углеводородах, толуол неограниченно растворяется в парафиновых углеводородах, что обеспечивает приготовление смесей эталонных топлив любого состава, сажистость пламени которых близка к сажистости горящих углеводородных топлив. Целесообразность применения толуолсодержащих смесей в качестве эталона в предлагаемом способе диктуется тем, что при непосредственном сравнении испытуемого т-оплива с толуолом точ- ность определения недостаточна вследствие значительной разницы в размере пламени, конвективных токах воздуха и связанных с этим факторах. Режимы горения испытуемого топлива и ближайших по сажистости пламенисмесей основного эталонного топлива - толуола с разбавителем, сажистость пламени которого ниже, чем у реальных углеводородт.1х топлив,близки друг к другу по расходу и зависящим от него параметрам. Благодаря этому ослабляется влияние конструктивных особенностей аппарата, регулировки измерительных устройств,атмосферных условий и других внешних факторов на точность результатов испытаний,.В качестве разбавителя толуола можно использовать изооктан (2,2,4-триметилПентан), пламя которого в характерных условиях работы имеет степень черноты . О,6,Индекс изооктана принимается равным 60, Индекс любой эталонной смеси определяется его линейной зависимостью от массовой доли толуола в смеси, точный состав смесей контролируется по коэффициенту рефракции.

1.СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ САЖЕОБРАЗОВАНИЯ ПРИ ГОРЕНИИ УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА, заключающийся в поочередном сжигании испытуемого и эталонного топлив на диффузионной горелке с регулировкой расхода топлива до получения одинаковой яркости свечения, регистрируемой в желто-зеленой полосе спектра, генерируемого взвешенной в пламени сажей, отличающийс я тем, что, с целью повьшшния достоверности определения, в качестве эталона используют топливо со степенью черноты пламени около единицы и определяют показатель сажеобразования - индекс черноты диффузионного пламени ИЧДП по процентному отношению массовьк расходов G и Ga. эталонного и испытуемого топлив соответственно: ИЧДП . Gj 2.Способ по По 1, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности определения путем получения близких по размеру пламен,обеспечивающих сходные условия горения исцытуемого и эталонного топлив, в качестве эталона выбирают две толуолсодержащие смеси со значениями ИЧДП, различающимися на 0,5-3 едини(f) цы, при горении одной из которых расход топлива выше, а при горении другой ниже, чем расход испытуемого топлива, и вычисление ИЧДП испытуемого топлива производят путем интерполяции 3.Способ по п.2, о тлич ающ и и с я тем, что в качестве эталона выбирают две смеси толуола и изооктана, различающиеся по содержанию изооктана на 1-7 об.%,