×
24.07.2020
220.018.376a

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

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: 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 дозвуковой скоростью истечения из сопла горелки и ее поджиг на срезе сопла. Одновременно с поджигом микроструи водорода, вокруг зоны горения создают коаксиальную ламинарную воздушную струю с дозвуковой скоростью, обеспечивающую устойчивую зону перемешивания микроструи водорода с воздухом и защиту зоны горения факела от воздействия окружающей инертной среды, при этом интенсивность горения струи водорода регулируют изменением расхода коаксиальной воздушной струи. Технический результат - создание устойчивого диффузионного микроструйного горения водорода в инертной среде. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

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

Изобретение может быть использовано для устойчивого и безопасного сжигания газообразного водорода в окружающей инертной среде, например на входе в паровую турбину, для повышения давления и поднятие температуры рабочего пара.

Из области техники сжигания газообразного топлива известен патент, в котором заявлен способ и горелка для повышения экономичности сжигания топлива путем улучшения качества смешения газа с воздухом [1]. При этом, воздух подается в некий малый объем, в котором расположен газовый коллектор. Через отверстия, изготовленные определенным образом, газ поступает в тот же объем. В результате, образуется оптимальная по составу и качеству смесь газа с воздухом, которая воспламеняется и продолжает догорать за пределами указанного объема.

К недостаткам такой горелки можно отнести: значительные технологические затраты из-за увеличения количества зон горения, недолговечность горелки, вследствие присутствия процесса горения во внутренней полости горелки.

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, так и стабилизаци ламинарного течения с увеличением протяженности зоны ламинарного диффузионного горения. 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» до тех пор, пока горение в данной области не прекращается. Показано, что дозвуковое диффузионное горение микроструи водорода, истекающей из круглого сопла, связано с наличием «области перетяжки пламени» в широком диапазоне расходов водорода, соответствующих трансзвуковым скоростям истечения.

Однако горелочное устройство, работающее по данному принципу, не позволяет поддерживать горение в инертной среде. При внесении диффузионно горящей микроструи водорода в инертную среду, например, в среду водяного пара, горение прекращается. Водяной пар (инертная среда) проникает в область реакции, препятствует поддержанию стехиометрического соотношения горючего (водорода) и окислителя (кислорода), необходимого для осуществления реакции горения. Таким образом, недостатком конструкции является отсутствие какой-либо защитной среды, препятствующей проникновению инертной среды в область реакции.

Задачей изобретения является создание устойчивого диффузионного микроструйного горения водорода в инертной среде.

Положительный эффект достигается за счет создания вокруг зоны горения коаксиальной ламинарной воздушной струи, обеспечивающей устойчивую зону смешения микроструи водорода с воздухом и защиту факела от воздействия окружающей инертной среды.

Поставленная задача решается благодаря предложенному способу диффузионного горения микроструи водорода в инертной среде, который включает генерацию микроструи водорода с дозвуковой скоростью истечения из сопла горелки и ее поджиг на срезе сопла. Согласно изобретению одновременно с поджигом микроструи водорода, вокруг зоны горения создают коаксиальную ламинарную воздушную струю, обеспечивающую устойчивую зону смешения микроструи водорода с воздухом и защиту факела от воздействия окружающей инертной среды. При этом интенсивность горения струи водорода регулируют изменением расхода коаксиальной воздушной струи.

Согласно изобретению устройство для реализации способа дополнительно снабжено дозвуковым соплом для генерации струи воздуха, коаксиально расположенным относительно центрального сопла для истечения водорода, при этом каждое из сопел имеет в поперечном сечении идентичную конфигурацию любой известной выбранной геометрии, круглой, прямоугольной, треугольной.

На фиг. 1 представлена схема экспериментальной установки для организации процесса диффузионного горения круглой микроструи водорода с коаксиальной (спутной) воздушной струей при дозвуковой скорости, где 1 - емкость со сжатым водородом, 2 - емкость со сжатым воздухом, 3,4 - клапаны расходомера, 5 - контроллер расходомера, 6 - сопло горелки, 7 - теневой прибор ИАБ -451 для фиксации процесса горения;

На фиг. 2 - представлено сопло для подачи водорода и воздуха (в разрезе);

На фиг. 3 - показаны теневые картины процесса диффузионного горения круглой микроструи водорода в коаксиальной воздушной струе в зависимости от скорости истечения (U1, м/с) - водорода и скорости истечения (U2, м/с) - спутной струи воздуха:

a) U1=130, U2=0 м/с; b) U1=130, U2=17,5 м/с, с) U1=130, U2=35 м/с, d) U1=204, U2=18 м/с; e) U1=204, U2=26 м/с (U1 - скорость истечения микроструи водорода, U2 - скорость истечения спутной струи воздуха);

На фиг. 4 - показаны теневые картины - а) процесса горения круглой микроструи водорода в инертной среде с подачей коаксиальной воздушной струи и - б) результат воздействия инертной среды на процесс диффузионного горения микроструи водорода без подачи коаксиальной струи воздуха.

Процесс горения осуществляется следующим образом: в момент подачи микроструи водорода через центральное сопло с дозвуковой скоростью, осуществляется поджиг у среза сопла. В возникшем факеле образуется область ламинарного пламени сферической формы, охватывающая срез микросопла и замыкающаяся «областью перетяжки пламени» с участком высокого градиента плотности газа (см. фиг. 3а).

При наличии коаксиальной (спутной) струи воздуха (фиг.3b, с, d, е) и различном объемном расходе (Q2) или скорости (U2) ее истечения, но сохранении объемного расхода (Q1=102 см3/с) или скорости (U1=130 м/с) истечения микроструи водорода, «область перетяжки пламени» сохраняется, но претерпевает определенные изменения. Сферическая область факела с ламинарным режимом горения трансформируется в цилиндрическую, при этом динамика уменьшения пространственного размера с ростом скорости истечения микроструи водорода сохраняется [1-4], но уже в условиях роста скорости истечения спутной струи воздуха, а не самой микроструи водорода. С ростом скорости истечения спутной струи, можно также наблюдать процесс интенсификации турбулентного горения, т.е. области пламени ниже по потоку от «области перетяжки пламени». В то же время, скорость истечения самой микроструи водорода оставалась неизменной. Данный подход позволяет управлять процессом смешения в оперативном режиме и увеличивать полноту сгорания водорода (топлива), регулируя расход коаксиальной воздушной струи.

Воздействие внешних сред зачастую (агрессивных) приводит к тушению диффузионных факелов или неустойчивому процессу горения. В определенных случаях, возникает необходимость реализации диффузионного факела в так называемой инертной среде. Предложенный способ стабилизации процесса диффузионного горения в условиях воздействия инертной среды был изучен в процессе экспериментальных работ, проведенных в ИТПМ СО РАН. В качестве инертной среды использовался водяной пар. В процессе эксперимента инертная среда подавалась непосредственно в область диффузионного факела. В процессе экспериментов показано, что описанный выше режим диффузионного горения микроструи водорода совместно с истекающей из коаксиального сопла струей воздуха поддерживается и в искусственно созданной инертной среде (см. фиг. 4а) в широком диапазоне расходов. Следует отметить, что в отсутствии коаксиальной струи воздуха (см. фиг.4b) процесс диффузионного горения в созданной инертной среде не поддерживается. Таким образом, ламинарная струя воздуха, истекающая из соосно расположенного коаксиального сопла, создает устойчивую зону перемешивания микроструи водорода с воздухом и обеспечивает защиту зоны горения от воздействия окружающей инертной среды.

Положительный эффект предложенного способа и устройства достигается за счет создания устойчивой зоны смешения микроструи водорода с воздухом и защиту факела от воздействия окружающей инертной среды, а возможность изменения расхода коаксиальной воздушной струи позволяет управлять процессом смешения в оперативном режиме и увеличивать полноту сгорания топлива.

Источники информации

1. Патент №2677322, F23D 14/22,1996 г;

2. 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.

3. 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;

4. B.B. Козлов, Г.Р. Грек, M.B. Литвиненко, Ю.А. Литвиненко, А.С.Тамбовцев, А.Г. Шмаков Особенности горения круглой микроструи водорода в спутной струе воздуха // Сибирский физический журнал. 2019. Т. 14, №2.

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 1-9 из 9.
10.05.2015
№216.013.482c

Способ прогнозирования антиаритмической эффективности высококонцентрированного препарата омега-3 полиненасыщенных жирных кислот при лечении больных с желудочковыми нарушениями ритма сердца и постинфарктным кардиосклерозом

Изобретение относится к медицине, а именно к кардиологии, и описывает способ прогнозирования антиаритмической эффективности высококонцентрированного препарата омега-3 полиненасыщенных жирных кислот при лечении больных с желудочковыми нарушениями ритма сердца и постинфарктным кардиосклерозом...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002549983
Дата охранного документа: 10.05.2015
27.06.2015
№216.013.5ae3

Способ прогноза прогрессирования желудочковой экстрасистолии у больных постинфарктным кардиосклерозом

Изобретение относится к медицине и описывает способ прогноза прогрессирования желудочковой экстрасистолии у больных постинфарктным кардиосклерозом (ПИКС) путем обследования пациентов, при этом у пациентов в период до года после перенесенного ОИМ, с умеренной частотой желудочковой...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002554808
Дата охранного документа: 27.06.2015
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
18.01.2019
№219.016.b14f

Способ стабилизации диффузионного горения водорода в газовой микрогорелке (варианты)

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,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002677322
Дата охранного документа: 16.01.2019
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
+ добавить свой РИД