×
18.01.2019
219.016.b14f

Результат интеллектуальной деятельности: Способ стабилизации диффузионного горения водорода в газовой микрогорелке (варианты)

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: Изобретение относится к области энергетики. Способ стабилизации диффузионного горения водорода в газовой микрогорелке включает генерацию микроструи водорода в коническом сопле горелки с дозвуковой скоростью истечения, струю водорода генерируют в сопле с диаметром на срезе от 0,02 до 0,06 мм, затем поджиг осуществляют непосредственно на срезе сопла, обеспечивая тем самым устойчивую зону перемешивания струи водорода с воздухом и горение в виде присоединенного факела, при этом временный прогрев среза сопла обеспечивает стабильное дозвуковое ламинарное горение как на срезе сопла, так и по всей длине рабочей области факела. Технический результат - стабилизация диффузионного микроструйного горения водорода и обеспечение устойчивого горения водорода. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области сжигания топлива (газообразного водорода) при больших дозвуковых скоростях истечения микроструи (вплоть до трансзвуковых скоростей) при ее диффузионном горении.

Изобретение может быть использовано для термообработки металлов, ремонта и изготовления ювелирных изделий, 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.

В статье [2] описан способ реализации горения водорода в зависимости от граничных и начальных условий на срезе сопла и конструктивные особенности горелки. Установлено, что наличие присоединенного пламени, так называемая «область перетяжки пламени» способствует стабилизации диффузионного горения микроструи водорода до больших дозвуковых скоростей ее истечения. Показано существенное влияние на этот процесс граничных (ударный или параболический профиль скорости на срезе сопла) и начальных (наличие или отсутствие массива теплоемкого материала на срезе сопла) условий. Установлено, что горелка с параболическим профилем скорости на срезе сопла (длинное сопло ) и наличием массива теплоемкого материала на выходе из сопла (толстостенное сопло) способствует сохранению горения в «области перетяжки пламени» на скорости истечения микроструи близкой к трансзвуковой скорости. С другой стороны, учитывая результаты исследований с «приподнятым пламенем» (в отсутствии «области перетяжки пламени»), где установлена неустойчивость данного вида горения, можно еще раз констатировать, что «область перетяжки пламени» при диффузионном горении микроструи водорода является гарантом устойчивости данного процесса горения.

За прототип выбран способ, описанный в статье [3] в которой раскрываются особенности микроструйного диффузионного горения водорода, связанного с наличием «области перетяжки пламени». Обнаружена стабилизация процесса диффузионного горения водорода в «области перетяжки пламени» по причине воздействия на него тороидального вихря, способствующего как интенсификации процесса смешения водорода с окружающим воздухом и одновременно стабилизирующего ламинарное течение удлиненной микроструи и ламинарное диффузионное горение в данной области. Установлено, что пространственный размер «области перетяжки пламени» с ростом расхода водорода сначала резко уменьшается, а затем постепенно увеличивается одновременно с изменением формы «области перетяжки пламени», пока горение в данной области не прекращается. Показано, что дозвуковое диффузионное горение круглой микроструи водорода связано с наличием «области перетяжки пламени» в широком диапазоне расхода водорода, или скорости ее истечения близкой к трансзвуковой скорости.

Задачей изобретения является создание условий для стабилизации диффузионного микроструйного горения водорода до больших скоростей истечения микроструи и обеспечения устойчивого горения водорода при наличии узконаправленного ламинарного пламени и ламинарного горения в «области перетяжки пламени» как при наличии, так и отсутствии турбулентного пламени.

«Область перетяжки пламени» представляет область ламинарного пламени сферической формы, охватывающая выход микросопла и замкнутая узким участком градиента плотности газа (эта область обозначена символом Q на рис. 1, 3).

Поставленная задача реализуется двумя способами (Варианты).

По Варианту 1 способ стабилизации диффузионного горения в газовой горелке включает генерацию струи водорода в конусном микросопле горелки с дозвуковой скоростью истечения, которая может быть рассчитана по известному соотношению: U=Q/S, где Q - расход водорода (регулируется), S - площадь выходного сечения. Согласно изобретению струю водорода генерируют в сопле с диаметром на срезе сопла от 0,02 до 0,06 мм, осуществляют поджиг непосредственно на срезе сопла, где образуется устойчивая зона перемешивания струи с воздухом и горение ее в виде присоединенного факела, при этом факел прогревает часть сопла и обеспечивает стабильное ламинарное горение, как на срезе сопла, так и во всей рабочей области факела.

По Варианту 2 согласно изобретению струю водорода генерируют в сопле с диаметром на срезе сопла от 0,1 до 3 мм, затем осуществляют поджиг непосредственно на срезе сопла, где образуется устойчивая зона перемешивания струи с воздухом и горение в виде присоединенного факела, прогревающего часть сопла и обеспечивающее стабильное ламинарное горение на срезе сопла, которое затем переходит в стабильное дозвуковое турбулентное горение во всей рабочей области факела.

Положительный эффект достигается благодаря стабилизации процесса диффузионного горения микроструи водорода на больших скоростях ее истечения (вплоть до трансзвуковых) с наличием, так называемой, «области перетяжки пламени» и возможности сохранять неизменность направленности факела в независимости от пространственной ориентации микрогорелки.

На фиг. 1 - показана диффузионная газовая микрогорелка водорода, в которой реализуется описанный способ по Варианту 1. Горелка состоит из корпуса 1 с набором детурбулизирующих сеток 2 и хонейкомба 3 для создания ламинарного течения в удлинительной трубке 4 и микросопле 5. Микросопло 5 имеет коническую форму с размером выходного отверстия на срезе сопла диаметром от 0,02 до 0,06 мм. Водород подается в горелку из баллона 6 с регулятором расхода газа 7 через измерительный прибор 8 величины объемного расхода водорода. На выходе микроструи из сопла при ее диффузионном горении, реализуется ламинарное пламя (факел), состоящее из «области перетяжки пламени» 9 (Q) и области ламинарного пламени 10 (фиг. 1).

На фиг. 2 - показаны теневые картины диффузионного горения водорода, истекающего из круглого выходного отверстия микросопла диаметром 0,03 мм (Sсопла=πd2/4=3,14×0,003 см2/4=0,0000071 см2; U=Q(см3/сек)/Sсопла(см2)=U(м/сек) при различной скорости истечения микроструи U(м/сек): а - 1127, b - 986, с - 845, d - 704.

Данный пример демонстрирует процесс диффузионного горения ламинарной микроструи водорода с возникновением чисто ламинарного узконаправленного пламени на больших (вплоть до трансзвуковых) скоростей ее истечения.

На фиг. 3 - показана диффузионная газовая горелка водорода, в которой реализуется описанный способ по Варианту 2. Горелка состоит из корпуса 1 с набором детурбулизирующих сеток 2 и хонейкомба 3 для создания ламинарного течения в удлинительной трубке 4 и микросопле 5. Микросопло 5 имеет коническую форму с размером выходного отверстия на срезе сопла диаметром от 0,1 до 3 мм. Водород подается в горелку из баллона 6 с регулятором расхода газа 7 через измерительный прибор 8 величины объемного расхода водорода.

На выходе микроструи из сопла при ее диффузионном горении, реализуется ламинарно - турбулентное пламя (факел), состоящее из: «области перетяжки пламени» 9 (Q), области ламинарной микроструи 10, области градиента плотности газа 11, области турбулентной микроструи 12 и области турбулентного пламени 13.

Таким образом, в Способе 2 реализуются две области горения: область ламинарного присоединенного пламени, так называемая «область перетяжки пламени» 9(Q) с ламинарной микроструей 10 и область турбулентного пламени микроструи 12 с турбулентной микроструей 13, возникающей по причине взрывного характера преодоления ламинарной микроструей узкой области градиента плотности газа 11 и ее мгновенной турбулизацией (фиг. 3).

Для примера графики зависимостей размера «области перетяжки пламени» при диффузионном горении микроструи водорода (сопло: d=0,5 мм) от направления и скорости ее истечения при стабильном горении во всей рабочей области турбулентного факела показаны на фиг. 4. Данный пример демонстрирует особенности развития пламени и «области перетяжки пламени» в процессе диффузионного горения ламинарной микроструи водорода в зависимости от скорости ее истечения и пространственной ориентации.

Способы по Варианту 1 и 2 реализуется следующим образом.

Способ стабилизации диффузионного горения в газовой горелке по Варианту 1 заключается в генерации микроструи водорода в коническом микросопле горелки с расчетной скоростью истечения по известному соотношению: U=Q/S, где Q - расход водорода, S - площадь выходного сечениях [4]. Согласно изобретению струю водорода генерируют в сопле с диаметром на срезе сопла от 0,02 до 0,06 мм, осуществляют поджиг струи водорода непосредственно на срезе сопла, где образуется устойчивая зона перемешивания струи с воздухом и горение ее в виде присоединенного факела, при этом факел прогревает часть сопла и обеспечивает стабильное ламинарное горение, как на срезе сопла, так и во всей рабочей области факела.

Микрогорелка обеспечивает стабилизацию пламени при горении водорода до больших скоростей его истечения (близких к скорости звука), сохраняя ламинарный характер развития пламени и малом угле его распространения (около 5 градусов). При этом, температура составляющих компонент продуктов сгорания топлива может превышать 500°C и доходить до 1100°C в на выходе из микросопла.

Использование предлагаемого способа стабилизации горения водорода в газовой горелке позволяет повысить устойчивость факела к срыву вплоть до трансзуковой скорости струи водорода и его теплонапряженность путем обеспечения диффузионного горения. Горение факела ламинарное (обеспечивает расходимость всей рабочей области факела не более 5 градусов)

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности использования заявляемого изобретения для ювелирных работ путем формирования стабильного узконаправленного высокотемпературного пламени для тонких ювелирных изделий не пережигая их.

Способ стабилизации диффузионного горения в газовой горелке по Варианту 2 заключается в генерации струи водорода в коническом сопле горелки с расчетной скоростью истечения по известному соотношению: U=Q/S, где Q - расход водорода, S - площадь выходного сечениях [4]. Согласно изобретению струю водорода генерируют в сопле с диаметром на срезе сопла от 0,1 до 3 мм, осуществляют поджиг струи водорода непосредственно на срезе сопла, где образуется устойчивая зона перемешивания струи с воздухом и горение ее в виде присоединенного факела, при этом факел прогревает часть сопла и обеспечивает стабильное ламинарное горение на срезе сопла. С ростом скорости истечения микроструи размер «области перетяжки пламени» уменьшается при сохранении стабильного горения во всей рабочей области турбулентного факела.

Способ стабилизации горения водорода по Варианту 2 до больших скоростей его истечения (близких к скорости звука) обеспечивает турбулентный характер развития пламени в рабочей области факела, при расходимости факела не более 15 градусов, которая может быть использована для прогрева изделий перед дальнейшей обработкой, например сваркой. При этом, температура составляющих компонент продуктов сгорания топлива может превышать 500°C и доходить до 1100°C на выходе из микросопла.

Источники информации:

1. Патент RU 2152559, F23D 14/22, 1996 г;

2. A.G. Shmakov, G.R. Grek, V.V. Kozlov, Yu.A. Litvinenko, Influence of initial and boundary conditions at the nozzle exit upon diffusion combustion of a hydrogen microjet. // International Journal of Hydrogen Energy (ELSEVIER 2017), Volume 42, Issue 24, pp. 15913-15924;

3. Шмаков А.Г., Грек Г.Р., Козлов В.В., Козлов Г.В., Литвиненко Ю.А. Экспериментальное исследование диффузионного горения высокоскоростной круглой микроструи водорода. Часть 1. Присоединенное пламя, дозвуковое течение // Сибирский физический журнал. 2017. Т. 12, №2. С. 28-45. - прототип

4. Д.С. Горшенин, А.К. Мартынов Руководство к практическим занятиям в аэродинамической лаборатории // Издательство Машиностроение, Москва 1967, 224 С.


Способ стабилизации диффузионного горения водорода в газовой микрогорелке (варианты)
Способ стабилизации диффузионного горения водорода в газовой микрогорелке (варианты)
Способ стабилизации диффузионного горения водорода в газовой микрогорелке (варианты)
Способ стабилизации диффузионного горения водорода в газовой микрогорелке (варианты)
Способ стабилизации диффузионного горения водорода в газовой микрогорелке (варианты)
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 39.
10.02.2013
№216.012.2509

Узел кольцевого ввода порошкового материала электродугового плазмотрона

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно обработки порошковых материалов (напыление и наплавка покрытий; сфероидизация, испарение и плазмохимическая обработка частиц порошковых материалов) и может найти применение в металлургии, плазмохимии и машиностроительной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002474983
Дата охранного документа: 10.02.2013
10.08.2013
№216.012.5d5a

Способ напыления покрытия на изделие из натурального камня или из металлического материала и устройство для его осуществления

Изобретение относится к способам и устройствам напыления покрытий на поверхности изделий холодным газодинамическим напылением, в том числе на поверхности художественных изделий и объемных форм из натурального камня или из металлического материала. Осуществляют формирование сверхзвукового...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002489519
Дата охранного документа: 10.08.2013
10.09.2013
№216.012.692b

Многофункциональная магнитогидродинамическая (мгд) машина

Изобретение относится к области электротехники и энергомашиностроения, а именно к энергопреобразующим устройствам роторного типа. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, задачей которого является создание многофункциональной магнитогидродинамической (МГД)...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002492570
Дата охранного документа: 10.09.2013
10.11.2013
№216.012.7e01

Способ пиролиза углеводородного сырья

Изобретение относится к термическому пиролизу углеводородного сырья и может быть использовано в нефтехимической промышленности. Изобретение касается способа пиролиза углеводородного сырья, включающего генерацию высокотемпературного потока теплоносителя путем сжигания в камере сгорания...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002497930
Дата охранного документа: 10.11.2013
10.11.2013
№216.012.7fb5

Устройство для визуализации фазовых неоднородностей

Изобретение относится к оптике для визуализации фазовых (прозрачных) объектов и может быть использовано при исследовании газовых потоков, контроля качества оптических элементов. Устройство содержит одномодовый лазер, объектив, самонаводящийся фильтр Цернике, установленный в задней фокальной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002498366
Дата охранного документа: 10.11.2013
27.01.2014
№216.012.9bec

Устройство газодинамического нанесения покрытий на внешние цилиндрические поверхности изделий

Изобретение относится к устройству газодинамического нанесения покрытий на внешние цилиндрические поверхности изделий и может быть использовано в машиностроении и других областях хозяйства. Устройство содержит питатель-дозатор, систему подачи рабочего газа и порошка в форкамеру (1), узел...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002505622
Дата охранного документа: 27.01.2014
10.02.2014
№216.012.a038

Электродуговой плазмотрон с водяной стабилизацией дуги

Изобретение относится к электродуговым плазмотронам с водяной стабилизацией дуги и может быть эффективно использовано при резке всевозможных металлов. Технический результат - упрощение конструкции, увеличение мощности плазмотрона, энтальпии получаемой плазмы, скорости резки. Электродуговой...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002506724
Дата охранного документа: 10.02.2014
27.06.2014
№216.012.d61d

Способ снижения уровня звукового удара летательного аппарата (ла)

Изобретение относится к области авиационной техники, в частности к способам снижения уровня звукового удара от сверхзвукового летательного аппарата (ЛА). Способ снижения звукового удара включает воздействие на набегающий газовый поток перед ЛА источником энергоподвода, например лазерным...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002520591
Дата охранного документа: 27.06.2014
27.12.2014
№216.013.13d4

Устройство адиабатического сжатия (варианты)

Изобретение относится к устройствам для реализации метода адиабатического сжатия газов и предназначено для проведения исследований условий и кинетики химических реакций в газовой фазе в широком диапазоне параметров. Устройство по одному из вариантов содержит цилиндрический реакторный модуль 1 с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002536500
Дата охранного документа: 27.12.2014
10.04.2015
№216.013.3e82

Способ синтеза наноразмерных частиц порошка диоксида титана

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Способ синтеза наноразмерных частиц порошка диоксида титана включает газофазную реакцию галогенида титана и кислорода в канале плазменного реактора и последующее охлаждение продуктов реакции в закалочном узле. Пары тетрахлорида...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002547490
Дата охранного документа: 10.04.2015
Показаны записи 1-7 из 7.
19.01.2018
№218.016.0bba

Устройство для получения конденсата водяного пара из горючего природного газа и попутного нефтяного газа в полевых условиях для анализа содержания трития

Изобретение относится к области радиоэкологического мониторинга районов мирных подземных ядерных взрывов в пределах нефтегазоносных бассейнов, в частности к малогабаритным устройствам пробоподготовки горючих природных газовых проб в полевых условиях и перевода опасных для транспортировки...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002632453
Дата охранного документа: 04.10.2017
23.02.2019
№219.016.c6d4

Способ стабилизации диффузионного горения водорода в газовой микрогорелке

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...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002680534
Дата охранного документа: 22.02.2019
18.05.2019
№219.017.592a

Способ управления аэродинамическими характеристиками несущей поверхности и несущая поверхность

Группа изобретений относится к области аэродинамики. Несущая поверхность содержит изменяемый герметичный отсек с клапанами для подачи или отсоса воздуха. Поверхность выполнена из эластичной оболочки, закрепленной на жестком каркасе с возможностью изменения конфигурации. На участках, не...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002412864
Дата охранного документа: 27.02.2011
10.07.2019
№219.017.aee6

Способ управления отрывом потока

Изобретение относится к области аэродинамики и гидродинамики. Способ управления отрывом потока на обтекаемой поверхности включает механическое воздействие на вихревое течение, возникающее в зоне отрыва, с помощью перегородок и выдува воздуха из щелевидных отверстий, расположенных на обтекаемой...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002328411
Дата охранного документа: 10.07.2008
12.08.2019
№219.017.be7d

Способ определения объемной активности трития в горючем природном газе или попутном нефтяном газе скважин нефтяных и газовых месторождений

Изобретение относится к области радиационного мониторинга районов мирных подземных ядерных взрывов в пределах нефтегазоносных бассейнов, в частности к получению количественных данных об объемной активности трития. Способ определения объемной активности трития в горючем природном газе или...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002696811
Дата охранного документа: 06.08.2019
24.04.2020
№220.018.1871

Огнетушащий порошок многоцелевого назначения и способ его получения

Изобретение относится к получению огнетушащих порошков, а именно к составам, которые могут быть использованы для тушения пожаров В, С, Д классов, а также находящихся под напряжением электроустановок (пожар класса Е). Огнетушащий порошок многоцелевого назначения включает порошкообразные...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002719680
Дата охранного документа: 21.04.2020
24.07.2020
№220.018.376a

Способ диффузионного горения микроструи водорода в инертной среде и устройство для его реализации

Изобретение относится к области сжигания топлива (газообразного водорода) при дозвуковых скоростях истечения микроструи (вплоть до трансзвуковых скоростей) при ее диффузионном горении. Способ диффузионного горения микроструи водорода в инертной среде включает генерацию микроструи водорода с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002727259
Дата охранного документа: 21.07.2020
+ добавить свой РИД