Eksperimentālie degšanas procesa un liesmas virpuļplūsmas pētījumi

Eksperimentālie degšanas procesa un liesmas virpuļplūsmas pētījumi

Galvenie pētījumu mērķi ir izveidot un optimizēt degšanas procesus liesmas virpuļplūsmās, veicot detalizētus virpuļplūsmu veidošanās mehānisma pētījumus un ar šo plūsmu veidošanos saistīto degšanas produktu recirkulāciju, kas iepriekš nesajauktās plūsmās ar aksiālu degvielas un gaisa virpuļplūsmas padevi būtiski ietekmē degvielas un gaisa sajaukšanās ātrumu liesmas veidošanās procesā, paverot iespējas kontrolēt degvielas degšanas procesa dinamiku un ar to saistīto radiālo un aksiālo temperatūras un liesmas sastāva sadalījuma veidošanos degšanas zonā, līdz ar to mērķtiecīgi izmainot kaitīgo izmešu (NOx, CO) un kvēpu nanodaļiņu veidošanos liesmā un to izplūdi apkārtējā vidē. Liesmas virpuļplūsmu dinamikas kontrolei eksperimentālajos pētījumos tiek izmantoti arī ārējā elektriskā lauka un liesmas mijiedarbības efekti, ar elektriskā spēka (F=qE) palīdzību izmainot ātruma sadalījumu virpuļplūsmā un būtiski ierobežojot vai intensificējot recirkulācijas plūsmu veidošanos liesmas degšanas zonā. Pētījumu rezultāti brīvā liesmā apliecina (1.attēls), ka, izmantojot ārējo elektrisko lauku, var mērķtiecīgi izmainīt liesmas formu, izmainot degšanas zonas garumu un platumu, kā arī aksiālo un radiālo temperatūras un sastāva sadalījumu degšanas zonā, kas būtiski izmainās, mainot liesmā aksiāli ievietotā elektroda potenciālu un polaritāti. 1.attēls. Ārējā elektriskā lauka izraisītās liesmas virpuļplūsmas degšanas zonas garuma un platuma izmaiņas, mainot aksiāli ievietotā elektroda potenciālu un polaritāti: 1. U=0; 2. U=+0.3 kV; 3. U=+1.8 kV; 4. U=-1.8 kV. Eksperimentālā iekārta: Eksperimentālā iekārtas shematiskais zīmējums ir parādīts 2. attēlā. Eksperimentālās iekārtas galvenie mezgli- liesmas virpuļplūsmu veidojošais deglis, sekcionēts dzesējamais kanāls un aksiāli ievietotais elektrods. Iepriekš nesajauktā liesmas virpuļplūsmā degvielas padeve deglī ir aksiāla, bet gaisa padeve- tangenciāla. Degvielas padevei deglī izmanto sprauslu, kuras iekšējais diametrs ir 20mm, bet gaisa padevei izmanto degļa pamatnē ievietotu gredzenu ar 8 tangenciāli izveidotām atverēm, kuru iekšējais diametrs - 3mm. Gaisa padeves ātrums deglī ir maināms robežās no 10 l/min līdz 20 l/min, bet degvielas (propāna) padeves ātrums- robežās no 0,4 l/min līdz 1 l/min, izmainot liesmas virpuļplūsmas aksiālo ātrumu robežās no 0,6m/s līdz 1,26 m/s, bet tangenciālo ātrumu robežās no 3,5 līdz 7 m/s. Gaisa plūsmas virpuļskaitlis S degļa izejā šādos apstākļos ir relatīvi augsts un sasniedz S≈5,6. Gaisa pārpilnības koeficients degļa izejā ir maināms robežās no α=0.7 līdz α=1.44. Ārējais elektriskais lauks liesmas degšanas zonai ir pielikts telpā starp aksiāli ievietoto elektrodu, degļa virsmu un kanāla sienām Elektroda potenciāls ir maināms robežās no –3kV līdz +3 kV, ierobežojot jonu strāvu liesmā līdz 200mkA. 2. attēls. Eksperimentālās iekārtas digitālais attēls (a) un shematiskais zīmējums (b): 1- aksiāli ievietotais elektrods; 2- ar ūdeni dzesējamās kanāla sekcijas; 3- atveres liesmas diagnostikas ierīču ievadīšanai liesmas degšanas zonā; 4- gaisa padeves sprausla; 5- propāna padeve; 6- degļa korpuss; 7- recirkulācijas zonas veidošanās degļa izejā un recirkulācijas zonas shematiskais attēls (c).
Liesmas virpuļplūsmas galveno parametru mērīšanas metodes:

• Liesmas temperatūras radiālā un aksiālā sadalījuma mērījumiem izmanto Pt/Pt-Rh(10%) termopārus, datu reģistrācijai un apstrādei izmantojot plati PC-20TR;

• Liesmas sastāva radiālā un aksiālā sadalījuma mērījumiem izmanto no degšanas zonas lokāli noņemto gāzes paraugu spektrālās analīzes metodes. Infrasarkanā spektra daļā liesmas sastāva mērījumiem izmanto spektrofotometru SPECORD, nosakot liesmas sastāva (CO, CO₂, CH₄, C₂H₂ un C₂H₄) izmaiņas dažādās degšanas procesa attīstības stadijās. Redzamā un ultravioletā spektra rajonā liesmas sastāva mērījumiem izmanto spektrofotometru DFS-8.

• Plūsmas dinamikas (liesmas ātruma aksiālā un tangenciālā sadalījuma) pētījumiem izmanto Pito caurulītes un lāzera Doplera anemometru (ILA);

• Siltuma pārneses procesus kanālā dažādās liesmas attīstības stadijās kontrolē, izmantojot kalorimetriskos ūdens plūsmas mērījumus, ar plati PC-20TR reģistrējot dzesējamā ūdens temperatūras izmaiņas sekcijās.

• Izmantojot gravimetriskos mērījumus, tiek kontrolēta kvēpu daļiņu veidošanos liesmā. Kvēpu daļiņu izmēra un struktūras izmaiņas pa liesmas garumu nosaka, izmantojot elektronu mikroskopijas un rentgena difraktometrijas metodes.

• Degšanas produktu sastāva (NOx, CO₂, CO, O₂) radiālā un aksiālā sadalījuma izmaiņas kontrolē, izmantojot gāzu analizatoru Testo 350-XL.

Elektriskā lauka un liesmas mijiedarbības pētījumi ietver:

• Eksperimentālos pētījumus par lauka ietekmi uz siltuma un masas pārneses procesiem liesmā dažādās degšanas procesa attīstības stadijās;

• Eksperimentālos pētījumus par lauka ietekmi uz lokālām liesmas sastāva izmaiņām, izvērtējot elektriskā lauka ietekmi uz liesmas sastāva radiālā un aksiālā sadalījuma izmaiņām;

• Eksperimentālos pētījumus par lauka ietekmi uz lokālām degšanas procesa ātruma un liesmas temperatūras izmaiņām, izvērtējot elektriskā lauka ietekmi uz liesmas temperatūras radiālā un aksiālā sadalījuma izmaiņām; 

• Eksperimentālos pētījumus par lauka ietekmi uz siltumnīcas efektu izraisošo CO2 un NOx veidošanos liesmas degšanas zonā ;

• Eksperimentālos pētījumus par lauka ietekmi uz kvēpu daļiņu veidošanos,

• izvērtējot lauka ietekmi uz oglekļa saķeršanu un atdalīšanu;

Galvenās publikācijas:

• M. Zake, I. Barmina, A. Desnickis, Electric control of combustion dynamic and pollutant emission from the swirl stabilized premixed combustion, CHISA-2006-17th International Congress of Chemical and Process Engineering, Praha, August 2006, CD-ROM with full texts, P5.96, p. 1-13.

• I. Barmina, A. Desņickis, A. Meijere, M. Zake, Active Electric Control of Emissions from the Swirling Combustion, Kijev- NATO, May, 2006, pp.1-8.

• M. Zaķe, I. Barmina, D. Turlajs, M. Lubāne, A. Krūmiņa, Swirling Flame. Part 2. Electric Field Effect on the Soot Formation and Greenhouse Emissions. Magnetohydrodynamics, 2004, Vol. 40, No 2, p.183-202.

• M. Zaķe, I. Barmina, M. Lubāne, Swirling flame. Part 1. Experimental Study of the Effect of Stage Combustion on Soot Formation and Carbon Sequestration from the Nonpremixed Swirling Flame. Magnetohydrodynamics, 2004, Vol. 40, No 2, p.161-181.