Вибрационное горение твердого топлива в устройстве типа «Емкость–труба» Текст научной статьи по специальности «Физика»

К ЗАЩИТЕ ДИССЕРТАЦИЙ

I

УДК 534.142

ВИБРАЦИОННОЕ ГОРЕНИЕ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В УСТРОЙСТВЕ ТИПА «ЕМКОСТЬ-ТРУБА»

С.Е. ФИЛИПОВ *, В.М. ЛАРИОНОВ**

* Институт механики и машиностроения КазНЦ РАН, г. Казань ** Казанский государственный университет, г. Казань

Проведено экспериментальное исследование вибрационного (пульсационного) горения твердого топлива в камере сгорания типа акустической емкости. Дан анализ влияния параметров резонансной трубы на условия возбуждения, частоту и амплитуду колебаний газа.

Одно из перспективных приложений вибрационного (пульсационного) горения связано с утилизацией промышленных и бытовых отходов. Интенсификация процесса горения колебаниями позволяет сжигать вещества, которые в обычных печах с равномерным режимом не горят или имеют низкую полноту сгорания. Появляется возможность решать одновременно две задачи: частично или полностью уничтожать отходы и получать энергию за счет их сжигания.

Установки, описанные в патентной литературе, - типа трубы Рийке [1]. В

данной работе исследуется возможность возбуждения вибрационного горения в устройстве, камера сгорания которого имеет свойства акустической емкости. Определяется влияние расположения горящего слоя в емкости, размеров трубы для выхода продуктов сгорания, количества топлива на условия самовозбуждения, частоту и амплитуду колебаний газа.

Установка (рис. 1) состоит из камеры сгорания в форме цилиндра с внутренним диаметром 0,1 м, длиной 0,14 м и трубы-резонатора, размеры которой менялись в ходе эксперимента. Воздух поступал через входной патрубок длиной 0,1 м, внутренним диаметром

0,04 м. В качестве топлива были использованы образцы древесины кубической формы, длина ребра 0,01 м. Колебания регистрировались микрофоном МКЭ-100, частотомером ЧЗ-32, измерителем уровня звукового давления, прошедшим градуировку по эталонному прибору. Для доверительной вероятности 0,95 погрешности измерений составили: ± 2 гц по

5

ООО

7

6

Рис. 1 Схема экспериментальной установки:

1 - труба, 2 - емкость, 3-входной патрубок, 4 - шток, 5 - топливо, 6 - микрофон, 7- измерительный блок

© С.Е. Филипов, В.М. Ларионов Проблемы энергетики, 2004, № 1-2

частоте колебаний, ± 1 дБ по УЗД (уровню звукового давления).

Исследование показало, что в устройстве рассматриваемого типа вибрационное горение наблюдается, если удерживающая сетка располагается на

*

расстоянии 0 < х < 12 мм от дна емкости, где находится выходное отверстие патрубка. Известно, что самовозбуждение колебаний происходит благодаря влиянию возмущений скорости воздушного потока на процесс горения [2]. При истечении воздуха в камере сгорания образуется струя, ядро которой сужается, после чего скорость потока быстро падает до нуля. Это значит, что на некотором удалении от дна емкости амплитуда колебаний скорости потока станет равной нулю, периодическая составляющая скорости тепловыделения исчезнет и вибрационное горение станет невозможным. В табл. 1 приведены результаты

*

измерений, полученные при х = 5 мм, объеме камеры сгорания —3 3

Ус = 1,1 • 10 м , числе образцов п = 6. Для трубы длиной 0,15 м отношение ее длины к длине волны возбуждаемых колебаний составляло I/X = 0,06, где X = с// ; / - частота колебаний. Для оценок использовалось значение скорости звука с = 500 м/с, соответствующее средней по длине трубы температуре газа 630 К. В этом случае устройство можно считать резонатором Гельмгольца. Для трубы длиной 0,6 м отношение I/X равно 0,23 - и получается устройство более

общего типа, состоящее из емкости и трубы, обладающей собственными волновыми свойствами. Сравнение показывает, что при одном и том же объеме емкости, примерно одинаковой частоте одновременное удлинение и расширение трубы значительно повышает амплитуду колебаний.

Таблица 1

Частота и УЗД колебаний в камере сгорания в зависимости от длины и диаметра резонансной трубы

1, м й, мм /, Гц М ч и У/1, м-1

0,15 15 200 132 0,16

0,25 20 198 137 0,28

0,45 25 195 139 0,45

0,60 30 190 141 0,64

В устройствах рассматриваемого типа колебания совершает газ в трубе, который при малых I/ X можно считать несжимаемым. Необходимая

восстанавливающая сила возникает за счет сжатия и разрежения газа в емкости. Колебания газа в резонансной трубе и патрубке приводят к изменениям давления в емкости. Параллельно, за счет колебаний скорости воздуха, в патрубке происходит периодическое выделение теплоты в зоне горения. Усиление колебаний давления в камере сгорания наблюдается, когда абсолютное значение фазового сдвига между колебаниями скорости тепловыделения и давления |т|

меньше п/ 2 [3]. Смещение газа в резонансной трубе на х изменит плотность газа в емкости на величину Ару =р0£х / Ус, где р0 - средняя плотность газа; £ -площадь поперечного сечения трубы. При адиабатическом сжатии изменения

2

давления и плотности связаны соотношением Ару = су Ару [3], где су -© Проблемы энергетики, 2004, № 1-2

скорость звука. Тогда смещение газа в трубе изменяет давление в емкости на величину

Ьру =Р 0cVV / 1, (1)

где V = Sl/Vc - отношение объема газа в трубе к объему емкости.

При одновременном увеличении диаметра и длины резонансной трубы, но постоянной частоте, параметр v/l возрастает (табл. 1). В соответствии с

формулой (1) одно и тоже смещение газа вызывает большее изменение давления в емкости, следовательно, амплитуда колебаний скорости воздуха в патрубке увеличится. Так как частота колебаний и параметры, определяющие процесс горения, не изменяются, фазовый сдвиг между колебаниями скорости тепловыделения и давления в емкости остается прежним, а амплитуда пульсаций скорости тепловыделения возрастает. Энергии, усиливающей колебания, выделяется больше, и амплитуда установившихся колебаний давления в емкости увеличится.

Для трубы диаметром 0,03 м, длиной 0,17 м верхнее предельное значение частоты колебаний равно 232 Гц. Наличие верхнего предела по частоте объясняется тем, что при постоянных параметрах, определяющих процесс горения, повышение частоты приводит к увеличению фазового сдвига |т| до п/2 ,

Самовозбуждение колебаний при d = 0,03 м,

1 = 0,6 м, Vc = 1,1 • 10-3 м3 становится возможным при горении двух и более образцов, причем при

2 < n < 6 УЗД быстро возрастает от 124 дБ до 141 дБ, но после того как появляется второй слой топлива (7 < n < 16 ), он практически остается постоянным - 142 дБ (рис. 2). Частота колебаний газа постепенно повышается от 188 Гц до 192 Гц.

Визуально установлено, что в режиме вибрационного горения выход дыма из резонансной трубы отсутствует.

Итак, вибрационное горение возникает при сжигании двух и более образцов топлива, расположенных вблизи устья входного патрубка, где имеются пульсации скорости воздуха. При постоянной частоте одновременное увеличение диаметра и длины резонансной трубы повышает амплитуду колебаний газа. Колебания с частотой выше 232 Гц не возбуждаются.

Summary

© Проблемы энергетики, 2004, № 1-2

после чего вибрационное горение прекращается.

Рис. 2. Зависимость УЗД от числа образцов:

d = 0,03 м; l = 0,6 м; V = 1,1 ■ 10

-3 3

Experimental investigation of the solid fuel vibrating (pulsating) combustion in acoustic capacity type chamber is provided. Influence of resonance tube parameters on excitation conditions, frequencies and amplitudes of a gas oscillations is analised.

Литература

1. Свидетельство РФ №1123 на полезную модель. Устройство для сжигания кускового твердого топлива/ Назаренко Т.И., Ваньков Ю.В., Кочергин А.В., Павлов Г.И. // Б.И. - 1995. - №11.

2. Carvalho J.A. Behavior of solid particles in pulsating flows // Sound and Vibration. - 1995. - Vol. 185. - P. 581-593.

3. Рэлей. Теория звука. - М.: Гостехиздат, 1955. - Т.2. - 300 с.

Поступила 05.11.2003

© Проблемы энергетики, 2004, № 1-2