Способ стабилизации диффузионного горения водорода в газовой микрогорелке
Владельцы патента RU 2680534:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН) (RU)
Изобретение относится к области энергетики. Изобретение может быть использовано для термообработки металлов, ремонта и изготовления ювелирных изделий, стоматологических протезов, пайки проводов, декоративного обжига столярных изделий, отжига старой краски. Способ стабилизации диффузионного горения водорода в газовой микрогорелке включает генерацию микроструи водорода в цилиндрическом сопле или сопле Лаваля со сверхзвуковой скоростью истечения на выходе среза цилиндрического сопла или в критическом сечении сопла Лаваля. Струю водорода генерируют в сопле со сверхзвуковой скоростью в цилиндрическом сопле с диаметром на выходе, равным от 0,1 до 3 мм, или в сопле Лаваля с диаметром в критическом сечении, равным от 0,1 до 3 мм, а поджиг струи водорода осуществляют на удалении от выхода сопла, где образуется устойчивая турбулентная зона перемешивания струи водорода с воздухом и горение в виде оторвавшегося от сопла пламени, переходящее в стабильное турбулентное горение во всей рабочей области факела. Технический результат - стабилизация диффузионного микроструйного горения водорода на сверхзвуковых скоростях истечения микроструи и обеспечение устойчивого горения водорода. 2 ил.
Изобретение относится к области сжигания топлива (газообразного водорода) при сверхзвуковых скоростях истечения микроструи при ее диффузионном горении.
Изобретение может быть использовано для термообработки металлов, декоративного обжига столярных изделий, отжига старой краски, ремонта и изготовления стоматологических протезов, пайки проводов, декоративного обжига столярных изделий, отжига старой краски.
Из уровня техники известен патент, в котором заявлены способ и горелка для сжигания водорода [1]. При диффузионном горении водород и окислитель подаются в горелку, причем, кроме того, основное направление протекания определяется направлением протекания окислителя, а водород в направленном в основном перпендикулярно к основному направлению протекания поперечном потоке распределяется по отдельным зонам горения. Изобретение заключается в том, что в качестве окислителя используется воздух и поперечный поток связан с мелкодисперсным распределением по большому количеству отдельных микрозон горения.
Недостатком является: значительные технологические затраты из-за увеличения количества зон горения.
За прототип выбран способ, описанный в статье [2] в которой раскрывается сценарий сверхзвукового диффузионного горения круглой микроструи водорода. Показаны основные признаки сверхзвукового диффузионного горения круглой микроструи водорода: исчезновение «области перетяжки пламени» это область устойчивого процесса горения в ситуации дозвукового горения микроструи водорода (в данной ситуации эта область исчезает по причине отрыва (или приподнятости пламени, как принято называть данное явление в научной литературе) пламени от среза сопла - см фиг. 1, 2), отрыв пламени от среза сопла и наличие сверхзвуковых ячеек в оторвавшемся пламени. Установлена основная причина данного сценария диффузионного горения, связанная с температурным фактором, т.е. с наличием тонкостенных микросопел с малой теплоемкостью и возможностью их быстрого охлаждения, что не дает возможности существовать «области перетяжки пламени» на больших скоростях истечения микроструи.
Задачей изобретения является создание условий для стабилизации диффузионного микроструйного горения водорода на сверхзвуковых скоростях истечения микроструи и обеспечения устойчивого горения водорода, связанного с наличием тонкостенных микросопел с малой теплоемкостью и возможностью их быстрого охлаждения, что не дает возможности существовать «области перетяжки пламени» на больших скоростях истечения микроструи, а стабилизирующим фактором при этом является приподнятость (или отрыв от среза сопла) пламени и наличие сверхзвуковых ячеек.
Поставленная задача реализуется благодаря способу стабилизации диффузионного горения водорода в газовой горелке, который включает генерацию струи водорода в цилиндрическом сопле или сопле Лаваля с трансзвуковой скоростью истечения на срезе сопла, для цилиндра или критического сечения, для сопла Лаваля. Согласно изобретению струю водорода генерируют со сверхзвуковой скоростью на выходе цилиндрического сопла с диаметром от 0,1 до 3 мм или в сопле Лаваля с диаметром в критическом сечении от 0,1 до 3 мм, при достижении струи водорода сверхзвуковой скорости осуществляют поджиг на удалении от среза сопла равное порядка 50, (где l - расстояние от среза сопла, d - диаметр на срезе сопла), где образуется устойчивая турбулентная зона перемешивания и горения в виде оторвавшегося от сопла пламени.
Использование изобретения позволяет повысить устойчивость (стабильность) факела к срыву на сверхзвуковой скорости истечения микроструи водорода и возможности сохранять неизменность направленности факела в независимости от пространственной ориентации микрогорелки.
Способ стабилизации диффузионного горения водорода реализуется в газовой микрогорелке, которая показана на фиг. 1.
Диффузионная газовая горелка состоит из корпуса 1 с набором детурбулизирующих сеток 2 и хонейкомба 3 для создания сверхзвукового течения на выходе микроструи из цилиндрического микросопла 4 или сопла Лаваля 5. Микросопло 4 имеет цилиндрическую форму, либо форму сопла Лаваля 5, с диаметром выходного отверстия (либо диаметром в критическом сечении) от 0,1 до 3 мм. Водород подается в газовую горелку из баллона 6 с регулятором расхода газа 7 через измерительный прибор 8 величины объемного расхода водорода. На выходе микроструи из сопла реализуется турбулентное пламя 9 с наличием сверхзвуковых «ячеек» 10.
На Фиг. 2 - для примера, представлены теневые картины диффузионного горения водорода, истекающего из круглого выходного отверстия микросопла 4 диаметром 450 мкм (Sсопла=πd2/4=3,14×0,045 см2/4=0,0016 см2; U=Q(см3/ceк)/Sсопла (см2)=U(м/сек) при различной скорости истечения микроструи U(м/сек) показаны на фиг. 2: а - 500, b - 562, с - 625, d - 656,e - 687.
При достижении струи водорода сверхзвуковой скорости в области «ячеек», осуществляют по джиг на удалении от среза сопла (равное порядка 50), где образуется устойчивая турбулентная зона перемешивания и горения в виде оторвавшегося от сопла пламени..
Использование предлагаемого способа стабилизации диффузионного горения водорода в газовой горелке с микросоплом при поджиге водорода на удалении от среза сопла образует устойчивую зону перемешивания и горения в виде удаленного от срезом сопла пламени, обеспечивающего турбулентное сверхзвуковое горение с наличием сверхзвуковых «ячеек» во всей рабочей области факела.
Источники информации
1. Патент RU 2152559, F23D 14/22,1996 г;
2. Козлов В.В., Грек Г.Р., Литвиненко М.В., Литвиненко Ю.А., Шмаков А.Г. Экспериментальное исследование диффузионного горения высокоскоростной круглой микроструи водорода. Часть 2. Приподнятое пламя, сверхзвуковое течение // Сибирский физический журнал. 2017. Т. 12, №2. С. 46-59. - прототип
Способ стабилизации диффузионного горения водорода в газовой микрогорелке, включающий генерацию микроструи водорода в цилиндрическом сопле или сопле Лаваля со сверхзвуковой скоростью истечения на выходе среза цилиндрического сопла или в критическом сечении сопла Лаваля, отличающийся тем, что струю водорода генерируют в сопле со сверхзвуковой скоростью в цилиндрическом сопле с диаметром на выходе, равным от 0,1 до 3 мм, или в сопле Лаваля с диаметром в критическом сечении, равным от 0,1 до 3 мм, а поджиг струи водорода осуществляют на удалении от выхода сопла, где образуется устойчивая турбулентная зона перемешивания струи водорода с воздухом и горение в виде оторвавшегося от сопла пламени, переходящее в стабильное турбулентное горение во всей рабочей области факела.
