Технические науки./5.Энергетика.

д.т.н. профессор Громцев С.А., бакалавр Громцев А.С.

Санкт-Петербургский Государственный Национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики. Институт холода и биотехнологий.

Интенсификация горения твердого топлива.

Основное направление исследований, это область интенсификации и эффективности сжигания твердых топлив, в том числе, с использованием электрического поля (ЭП), наложенного на факел пламени, как катализатора. В этой области исследования не имеется достаточно обоснованной научной и практической информации. Особенно это относится к экспериментам, которые приближенны к реальным условиям сжигания твердого топлива в теплоагрегатах малой и средней теплопроизводительности.

Цель работы заключается в исследовании горения древесной стружки, которая сжигается в топочном устройстве средней теплопроизводительности.

Из анализа литературных источников [1] следует, что одним из приоритетных направлений интенсификации горения твёрдого топлива является организация его горения при наложении электрического поля на факел пламени [2, 3, 4, 5, 6].

Для экспериментального подтверждений гипотезы на кафедре была создана лабораторная установка. Схема которой представлена на рис. 1. Установка состоит из вертикальной цилиндрической поверхности нагрева I (ПН), т.е жаровой трубы, которая нагревает воду G в пластмассовом корпусе 2. Над колосниковой решеткой микротопка 3 расположен электрод 4 (Э) из нихромовой проволоки. Микротопка 3 помещена в герметический кожух 5 из термостойкого оргстекла. Отбор газов для анализов осуществлялся через стеклянную трубку 6.

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки.

1 – поверхности нагрева, 2 – корпус, 3 – микротопка, 4 – электрод,

5 – кожух, 6 – стеклянная трубка.

Воздух подается через ресивер и реометр РДС под колосниковую решетку.

Электрод 4 подключен к высоковольтному трансформатору ТГ 220/2 V [7, 8]. Второй электрод (колосниковая решетка микротопки – К) заземлен. Фотография установки представлена на рис.2.

В экспериментах при и U = 386 ÷ 8000 V заземление отсутствует (кроме поверхности нагрева).

При проведении эксперимента сжигали постоянное количество стружки В при постоянном расходе воздуха L и нагревали постоянное количество воды G от начальной температуры до конечной температуры при наложенном электрическом поле на пламя (эксперимент – Э) и без поля (контроль – К).

Рисунок 2. Лабораторная установка по определению эффективности тепловых аппаратов малой мощности.

Электрод 4 был выполнен в двух вариантах: штыревой и кольцевой. Электроды изготовлены из нихромовой проволоки диаметром Расстояние от конца (круга) электрода до поверхности колосниковой решетки = 35 и 60 мм. Диаметр круга электрода =34 мм. Напряжение между электродами:

I вариант U_┐ = 114 ÷ 5683 V. . =35 мм;

II вариант U_{– о} = 228 ÷ 5683 V. = 32 мА. =35 мм;

III вариант U_{– о} = 386 ÷ 8001 V. = 20 мА. =60 мм,

где – максимальный ток.

> 1 мкА существует только при существовании пламени.

Средний ток :

I вариант U_┐ = 114 ÷ 5683 В = 4 ÷ 5250 мкА.

II вариант U_{– о} = 228 ÷ 5683 В = 22 ÷ 8084 мкА.

III вариант U_{– о} = 386 ÷ 8001 В = 2 ÷ 6500 мкА.

Определяли содержание С , в продуктах горения, температуру уходящих дымовых газов , энтальпию воды , нагрев микротопки , нагрев кожуха микротопки , время существования пламени , количество согревшего топлива В для контроля и эксперимента.

Основные зависимости для расчёта см. [4, 5].

Визуально установлено, что при наложении электрического поля пламя сокращается и расширяется (см. рисунок 3), становится беспокойным и при напряжении 4-5 кВ начинаются разряды в пламени, появляется отдельные яркие точки в горящей массе, а также появляется продукты горения оранжевого цвета в зоне разряда.

Рисунок 3. Эффект влияния электрического поля на процесс горения древесной стружки в топке экспериментальной установки.

слева – контроль (без напряжения); справа – при наложенном электрическом поле.

1 – факел пламени; 2 – электрод; 3 – микротопка (с заземлением).

Одной из причин сокращения размеров пламени является «электрический ветер», т.е. поток электрически заряженных частиц в сторону колосника. Прямым следствием этого сокращения размеров пламени является перемещение температурного поля вниз, что увеличивает нагрев металлических частей микротопки и уменьшает нагрев воды, т.е. уменьшает КПД установки для всех вариантов.

Во всех вариантах при малых градиентах напряжения (0,15 – 0,22 кВ/см) этот эффект ничтожен и поэтому КПД установки здесь всегда увеличивается [8, 9].

Одна из причин повышения является увеличение яркости и тепловой радиации пламени, а также увеличение теплопередачи от пламени к металлическими частями микротопки, что может быть следствием изменений акустических колебаний горячих газов внутри кожуха (слышен звук при U>6 кВ).

ВЫВОДЫ

1. В условиях данных экспериментов пламя горящей древесины под влиянием переменного электрического поля (ПЭП) сокращается и расширяется. Усиливается яркость и тепловая радиация пламени, а также теплопередача от горящий массы и пламени к металлическим частям топки. Эти эффекты тем больше, чем больше градиент напряжения поля.

2. Прямым следствием изменения геометрии пламени под влиянием ПЭП является изменение температурного поля в топке, что отражается на КПД установки.

Максимальное увеличение КПД установки на 2,4 [I]; 7,6 [II]; 0,9 [III]% наблюдается при градиенте напряжение Е = 0,065 кВ/см во всех вариантах.

Максимальное снижение КПД установки на -34,1 [I]; -49,9 [II]; -32,2 [III]% наблюдается при, соответственно, Е = 1,624; 1,624; 0,508 кв/см, максимальное 6,1[I]; 8,0[II]; 9,9[III] % при соответственно, Е=0,111; 0,065; 0,947 кВ/см.

минимальное -10,4[I]; -49,4[II]; -0,1[III] % при, соответственно, Е=1,624; 1,624; 0,508 кВ/см.

3. В большинстве случаях, под воздействия ПЭП, тепловыделение увеличивается по сравнению с контролем, но распределение нагрева отдельных частей экспериментальной установки сильно изменяется, что требует изменения конструкции установки для повышения КПД.

4. Горение улучшается во всех случаях, кроме 1 варианта, где увеличения , улучшение наблюдается только при Е = 0.111 кВ/см и во 2 варианте ,где наблюдается снижение при Е = 0,314 0,514 кВ/см и при Е больше 1,314 кВ/см (во всех вариантах).

5. Снижение можно объяснить расположением электрода в пламени, где при относительной высоких напряжениях, образуются другие продукты горения, при образовании которых выделяется тепла меньше. Это подтверждают результат 3 варианта, где электрод находится вне пламени при этом всегда положительное до =7,7 кВ/см (Е=1,3кВ/см) и кривая окислов азота почти всегда противоположна кривой и кривой , т.е. при ухудшении горения, содержание окислов азота в продуктах горения увеличивается.

6. Если электрод находится в пламени, то увеличение тока и напряжения в общем ухудшает горение, а вне пламени наблюдается до известного предела обратный эффект. Это означает, что изменения горения и КПД установи зависит от формы электрода и зоны расположения его в пламени или над ним. При штыревом электроде и расстоянии конца электрода 15 35 мм от горящей массы ток через пламя и изменения КПД установки меньше, чем при кольцевом электроде, что можно объяснить увеличением активной площади электрода.

При расположении кольцевого электрода вне пламени достигается наибольшее увеличения КПД установки = 9,9% при = 1,88% и NO = 3,2 мг/ . Однако в остальных случаях значение NO остаётся больше контроля.

7. Полученные экспериментальные данные позволяют сделать вывод о том, что при наложении электрического поля на факел пламени твёрдого топлива (древесины) в тепловых устройствах малой и средней теплопроизводительности возрастает светимость факела, повышается температура его горения и выделяемая тепловая мощность, изменяется форма факела, что позволяет уменьшить геометрические размеры топки, а, следовательно, и её металлоёмкость.

Литература.

1. Еналеев Р.Ш., Красина И.В., Гасилов В.С., Чистов Ю.С., Тучкова О.А. Сжигание древесины. Вестник Казанского технологического университета, 16, 10, 99 -106 (2013).

2. Третьяков П. К., Тупикин А. В., Зудов В. Н. Воздействие лазерным излучением и электрическим полем на горение углеводородовоздушных смесий//Физика горения и взрыва. -2009. -T. 45, № 4. -С. 77-85.

3. Starikovskii A., Skoblin M., Hammer T. Influence of weak electric fields on flame structure//46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. -AIAA Paper. -N 2008-995. -2008. -P. 20.

4. Громцев С.А., Антуфьев В.Т. Математическая модель вепольной теплоотдачи. Вестник Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий. СПб., 2009.

5. Громцев С.А., Антуфьев В.Т. Методы вепольного повышения эффективности тепловых аппаратов пищевой промышленности.//Вестник Международной академии холода. 2010. № 4. С. 27-29.

6. Амосова М.А. и др. Способы и методы повышения характеристик газового оборудования общественного питания/М.А. Амосова, В.Т. Антуфьев, С.А. Громцев//ЭНЖ НИУ ИТМО «Процессы и аппараты пищевых производств». 2009. № 1.

7. Громцев С.А., Смирнов В.Т, Пурмал М.Я. Способ вепольного регулирования процессов горения и теплоотдачи в тепловых установках и устройство для его осуществления. (Описание изобретения) М.: ВНИИГПЭ, патент № 5036130, 1993 г.

8. Громцев С.А., Камбаров А.О. Способ регулирования процесса горения топлива и устройство для его осуществления. (Описание изобретения). М.:ВНИИГПЭ, А.С. 1394000, 1986 г.