ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК
ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Print ISSN: 1727-2769    Online ISSN: 2658-3747
English | Русский

Последний выпуск
№2(43) апрель-июнь 2019

Изучение характеристик пламени горелочного устройства при распылении жидких углеводородов паровой струей

Выпуск № 2 (43) апрель-июнь 2019
Авторы:

Копьев Евгений Павлович,
Ануфриев Игорь Сергеевич,
Шадрин Евгений Юрьевич,
Лобода Егор Леонидович,
Агафонцев Михаил Владимирович,
Мухина Мария Андреевна
DOI: http://dx.doi.org/10.17212/1727-2769-2019-2-38-55
Аннотация

В данной работе на примере дизельного топлива проведены тепловизионные и термопарные измерения во внешнем факеле перспективного горелочного устройства с распылением струей перегретого водяного пара. Эксперименты проведены в широком диапазоне изменения режимных параметров (расход и температура пара и расход топлива). В измерениях использовалась тепловизионная камера фирмы FLIR специальной серии JADE J530SB и платинородий-платинородиевая термопара типа B. Получены мгновенные и средние поля температуры. Установлена зависимость эффективного коэффициента излучения пламени от расхода перегретого водяного пара и топлива. Выявлено влияние параметров работы устройства на температуру во внешнем факеле горелки. С увеличением расхода пара температура факела понижается, что препятствует образованию термических оксидов азота.

И наоборот, с повышением расхода топлива увеличиваются размеры факела, что приводит к образованию высокотемпературных областей в факеле, способствующих образованию NOx. Получено хорошее согласование результатов тепловизионных измерений с термопарными данными. Полученные данные могут быть использованы для численного моделирования исследуемого процесса горения.


Ключевые слова: горелочное устройство, горение жидких углеводородов, распыление топлива, сжигание в присутствии перегретого водяного пара, температура пламени, ИК-термография, термопарные измерения

Список литературы
  1. Ballester J.M., Fueyo N., Dopazo C. Combustion characteristics of heavy oil-water // Fuel. – 1996. – Vol. 75. – P. 695–705. – DOI: 10.1016/0016-2361(95)00309-6.
  2. Diesel engine performance and emission evaluation using emulsified fuels stabilized by conventional and gemini surfactants / M. Nadeem, C. Rangkuti, K. Anuar, M.R.U. Haq, I.B. Tan, S.S. Shah // Fuel. – 2016. – Vol. 85. – P. 2111–2119. – DOI: 10.1016/j.fuel.2006.03.013.
  3. Samec N., Kegl B., Dibble R.W. Numerical and experimental study of water/oil emulsified fuel combustion in a diesel engine // Fuel. – 2002. – Vol. 81. – P. 2035–2044. – DOI: 10.1016/S0016-2361(02)00135-7.
  4. Characterization of light duty Diesel engine pollutant emissions using water-emulsified fuel / O. Armas, R. Ballesteros, F.J. Martos, J.R. Agudelo // Fuel. – 2005. – Vol. 84. – P. 1011–1018. – DOI: 10.1016/j.fuel.2004.11.015.
  5. Dryer F.L. Water addition to practical combustion systems – Concepts and applications // Symposium (International) on Combustion. – 1977. – Vol. 16, iss. 1. – P. 279–295. – DOI: 10.1016/S0082-0784(77)80332-9.
  6. Watanabe H., Okazaki K. Visualization of secondary atomization in emulsified-fuel spray flow by shadow imaging // Proceedings of the Combustion Institute. – 2013. – Vol. 34. – P. 1651–1658. – DOI: 10.1016/j.proci.2012.07.005.
  7. Dissociative influence of H2O vapour/spray on lean blowoff and NOx reduction for heavily carbonaceous syngas swirling flames / D.G. Pugh, P.J. Bowen, R. March, A.P. Crayford, J. Runyon, S. Morris, A. Valera-Medina, A. Giles // Combustion and Flame. – 2017. – Vol. 177. – P. 37–38. – DOI: 10.1016/j.combustflame.2016.11.010.
  8. Fells I., Rutherford G. Burning velocity of methane-air flames // Combustion and Flame. – 1969. – Vol. 13. – P. 130–138. – DOI: 10.1016/0010-2180(69)90043-1.
  9. Babkin B.S., Vyun A.V. Effect of water vapor on the normal burning velocity of a methane–air mixture at high pressures // Combustion, Explosion, and Shock Waves. – 1971. – Vol. 7, N. 3 – P. 339–341. – DOI: 10.1007/BF00742820.
  10. Effects of hydrogen and steam addition on laminar burning velocity of methane air premixed flame: experimental and numerical analysis / T. Boushaki, Y. Dhue, L. Selle, B. Ferret, T. Poinsot // International Journal of Hydrogen Energy. – 2012. – Vol. 37. – P. 9412–9422. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2012.03.037.
  11. Cong L., Dagaut P. Experimental and detailed modeling study of the effect of water vapor on the kinetics of combustion of hydrogen and natural gas, impact on NOx // Energy and Fuels. – 2009. – Vol. 23. – P. 725–734. – DOI: 10.1021/ef800832q.
  12. Analysis of water-fuel ratio variation in a gas turbine with a wet-compressor system by change in fuel composition / Y. Cadavid, A. Amell, J. Alzate, G. Bermejo, G.A. Ebratt // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. – 2018. – Vol. 140, iss. 5. – Art. 052602. – DOI: 10.1115/1.4038137.
  13. Comparative study of the influence of CO2 and H2O on the chemical structure of lean and rich methane–air flames at atmospheric pressure / A. Matynia, J.-L. Delfau, L. Pillier, C. Vovelle // Combustion, Explosion, and Shock Waves. – 2009. – Vol. 45, N. 6 – P. 635–645. – DOI: 10.1007/s10573-009-0078-5.
  14. Numerical study on flame structure and NO formation in CH4-O2-N2 counter flow diffusion flame diluted with H2O / D.-J. Hwang, J.-W. Choi, J. Park, S.-I. Keel, C.-B. Ch, D.-S. Noh // International Journal of Energy Research. – 2004. – Vol. 28. – P. 1255–1267. – DOI: 10.1002/er.1028.
  15. Effect of CO2 or H2O addition on hydrocarbon intermediates in rich C2H4/O2/Ar flames / C. Renard, M. Musick, P.J. Van Tiggelen, J. Vandooren // Proceedings of European Combustion Meeting. – Orle?ans, France, 2003. – P. 221.
  16. Dryer F.L., Glassman I. Combustion chemistry of chain hydrocarbons // Alternative Hydrocarbon Fuels: Combustion and Chemical Kinetics. – 1978. – Vol. 65, iss. 5. – P. 255–306. – DOI: 10.2514/5.9781600865367.0255.0306.
  17. Gottuk G.T., Roby R.J., Beyler C.L. The role of temperature on carbon monoxide production in compartment fires // Fire Safety Journal. – 1995. – Vol. 24, iss. 4. – P. 315–331. – DOI: 10.1016/0379-7112(95)00027-5.
  18. Характеристики сжигания дизельного топлива в горелочном устройстве с подачей струи перегретого водяного пара / С.В. Алексеенко, И.С. Ануфриев, М.С. Вигриянов, Е.П. Копьев, О.В. Шарыпов // Физика горения и взрыва. – 2016. – Т. 52, № 3. – С. 37–44.
  19. Исследование наночастиц сажи при горении жидких углеводородов с подачей в зону горения струи перегретого водяного пара / И.С. Ануфриев, А.М. Бакланов, О.В. Боровкова, М.С. Вигриянов, В.В. Лещевич, О.В. Шарыпов // Физика горения и взрыва. – 2017. – Т. 53, № 2. – С. 22–30.
  20. Burning of substandard liquid hydrocarbons with steam gasification / I. Anufriev, S. Arsentyev, M. Vigriyanov, E. Kopyev, O. Sharypov // MATEC Web of Conferences. – 2017. – Vol. 115. – Art. 03013. – DOI: 10.1051/matecconf/201711503013.
  21. Combustion of sub-standard liquid hydrocarbons dispersed by a superheated steam jet / I.S. Anufriev, E.P. Kopyev, O.V. Sharypov, S.S. Arsentyev, Ya.A. Osintsev // Journal of Physics: Conference Series. – 2018. – Vol.  1128. – Art. 012059. – DOI: 10.1088/1742-6596/1128/1/012059.
  22. Kopyev E.P., Shadrin E.Yu. Investigation of a promising method for liquid hydrocarbons spraying // Journal of Physics: Conference Series. – 2018. – Vol. 1105. – Art. 012092. – DOI: 10.1088/1742-6596/1105/1/012092.
  23. Rinieri F., Balbi J.-H., Santoni P-A. On the use of an infrared camera for the measurement of temperature in fires of vegetative fuels [Electronic resource] // QIRT 2006. 8th Conference on Quantitative InfraRed Thermography. – Padova, Italy, 2006. – URL: http://qirt.gel.ulaval.ca/archives/qirt2006/papers/011.pdf (accessed: 06.08.2019).
  24. Infrared thermography for condition monitoring – a review / S. Bagavathiappan, B.B. Lahiri, T. Saravanan, J. Philip, T. Jayakumar // Infrared Physics and Technology. – 2013. – Vol. 60. – P. 35–55. – DOI: 10.1016/j.infrared.2013.03.006.
  25. Švantner M., Vacíková P., Honner M. IR thermography heat flux measurement in fire safety applications // Infrared Physics and Technology. – 2012. – Vol. 55. – P. 292–298. – DOI: 10.1016/j.infrared.2012.03.008.
  26. Application of infrared thermography for laser metal-wire additive manufacturing in vacuum / X.P. Ding, H.M. Li, J.Q. Zhu, G.Y. Wang, H.Z. Cao, Q. Zhang, H.L. Ma // Infrared Physics and Technology. – 2017. – Vol. 81. – P. 166–169. – DOI: 10.1016/j.infrared.2016.12.017.
  27. Prediction of depth model for cracks in steel using infrared thermography / M. Rodríguez-Martín, S. Lagüela, D. González-Aguilera, J. Martinez // Infrared Physics and Technology. – 2015. – Vol. 1. – P. 492–500. – DOI: 10.1016/j.infrared.2015.06.013.
  28. Comparison of ultrasonic velocity and IR thermography for the characterisation of stones / E. Grinzato, S. Marinetti, P.G. Bison, M. Concas, S. Fais // Infrared Physics and Technology. – 2004. – Vol. 46, iss. 1–2. – P. 63–68. – DOI: 10.1016/j.infrared.2004.03.009.
  29. Thermal radiation from vertical jet fires / A. Palacios, M. Munoz, R.M. Darbra, J. Casal // Fire Safety Journal. – 2012. – Vol. 51. – P. 93–101. – DOI: 10.1016/j.firesaf.2012.03.006.
  30. Experimental study on propane jet fire hazards: thermal radiation / B. Zhang, Y. Liu, D. Laboureur, M.S. Mannan // Industrial and Engineering Chemistry Research. – 2015. – Vol. 54. – P. 9251–9256. – DOI: 10.1021/acs.iecr.5b02064.
  31. Determination of flame emissivity in hydrocarbon pool fires using infrared thermography / E. Planas-Cuchi, J.M. Chatris, C. Lopez, J. Arnaldos // Fire Technology. – 2003. – Vol. 39. – P. 261–273. – DOI: 10.1023/A:1024193515227.
  32. Sudheer S., Prabhu S.V. Measurement of flame emissivity of gasoline pool fires // Nuclear Engineering and Design. – 2010. – Vol. 240, iss. 10. – P. 3474–3480. – DOI: 10.1016/j.nucengdes.2010.04.043.
  33. An experimental study on thermal radiation of fire whirl / P. Wang, N. Liu, Y. Bai, L. Zhang, K. Satoh, X. Liu // International Journal of Wildland Fire. – 2017. – Vol. 26. – P. 693–705. – DOI: 10.1071/WF17010.
  34. Thermal radiation assessment of fireballs using infrared camera / P. Blankenhagela, K.-D. Wehrstedta, K.B. Mishrab, J. Steinbachc // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. – 2018. – Vol. 54. – P. 246–253. – DOI: 10.1016/j.jlp.2018.04.008.
  35. Saha A., Kumar R., Basu S. Infrared thermography and numerical study of vaporization characteristics of pure and blended bio-fuel droplets // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2010. – Vol. 53. – P. 3862–3873. – DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2010.05.003.
  36. Singh P., Chander S. Heat transfer and fluid flow characteristics of a pair of interacting dual swirling flame jets impinging on a flat surface // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2018. – Vol. 124. – P. 90–108. – DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.03.034.
  37. Лобода Е.Л., Рейно В.В., Агафонцев М.В. Выбор спектрального интервала для измерения полей температуры в пламени и регистрации экранированных пламенем высокотемпературных объектов с применением методов ИК-диагностики // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2015. – Т. 58, № 2. – С. 124–128.
  38. Невский А.С. Лучистый теплообмен в печах и топках. – М.: Металлургия, 1971. – 440 с.
  39. Experimental methodology for characterizing flame emissivity of small scale forest fires using infrared thermography techniques / E. Pastor, A. Rigueiro, L. Zárate, A. Giménez, J. Arnaldos, E. Planas // Forest Fire Research & Wildland Fire Safety. – Rotterdam, 2002. – P. 1–11.
  40. Loboda E.L., Reyno V.V., Vavilov V.P. The use of infrared thermography to study the optical characteristics of flames from burning vegetation // Infrared Physics and Technology. – 2014. – Vol. 67. – P. 566–573. – DOI: 10.1016/j.infrared.2014.09.041
Благодарности. Финансирование

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ (проект № 19-38-50001-мол_нр).

Для цитирования:

Изучение характеристик пламени горелочного устройства при распылении жидких углеводородов паровой струей / Е.П. Копьев, И.С. Ануфриев, Е.Ю. Шадрин, Е.Л. Лобода, М.В. Агафонцев, М.А. Мухина // Доклады АН ВШ РФ. – 2019. – № 2 (43). – C. 38–55 – doi: 10.17212/1727-2769-2019-2-38-55

For citation:

Kopyev E.P., Anufriev I.S., Shadrin E.Yu., Loboda E.L.,Agafontsev M.V., Mukhina M.A. Izuchenie kharakteristik plameni gorelochnogo ustroistva pri raspylenii zhidkikh uglevodorodov parovoi struei [Study of flame characteristics of burner when spraying liquid hydrocarbons with a steam jet]. Doklady Akademii nauk vysshei shkoly Rossiiskoi Federatsii – Proceedings of the Russian higher school Academy of sciences, 2019, no. 2 (43), pp. 38–55. DOI: 10.17212/1727-2769-2019-2-38-55.

Просмотров: 31