автореферат диссертации по энергетике, 05.14.08, диссертация на тему:Расчетно-экспериментальное обоснование применения углероднометаллизированного горючего для МГД-генераторов электроэнергии

МОСКОВСКИМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫМ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

РГо ОД

, . На правах рукописи

^ /у ' ■ <. ' ' « I ^ я " ' • *

ХАУСТОВ ЕВГЕНИИ ВИКТОРОВИЧ

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРММЕНТАЛЪНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ УГЛЕРОДНОМЕТАЛЛИЗИРОВАННОГО ГОРЮЧЕГО ДЛЯ МГД-ГЕНЕРАТОРОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Специальность 05.14.08 Преобразование возобновляемых видов энергии, установки и комплексы на их основе

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

МОСКьА- 1У96

Диссертация выполнена в Троицком институте инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ). Научный руководитель докт.техн. наук, проф. Рыбаков В.В. Официальные оппоненты: докт. техн. наук Петров Г.Д.

канд. техн. наук Бордаков В.Н. Ведущая организация:НО ИВТАН

Защита диссертации состоится на заседании Диссертационного совета K-053.I8.I3 __1996г.

Просим Вас принять участие в обсуждении диссертации или прислать свой отзыв в 1-м экземпляре, заверенный печатью. О дне защиты будет сообщено дополнительно. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАМ. Для участия в заседании Диссертационного совета необходимо заблаговременно заказать пропуск по телефону 158-41-02 Адрес института : Москва, А-80, Волоколамское шоссе, д.4.

•Ученый секретарь

диссертационного совета * " Григорьян В.Г.

Данная работа посвящена разработке нового топлива для специализированных энергоустановок преобразующих .тепловую энергию в электрическую с целью повышения удельного энергосъема, снижения экологического вреда наносимого действием дашшх установок, расширения спектра применения и улучшения эксплуатационных характеристик их.

Актуальность.В настоящее время преобразование тепловой энор-гии в~электрическую с помощью магштогидродинамического (МГД) метода находит все более широкое применение в промышленности,авиации, ракетостроении для получения мощных пиковых токовых импульсов. Особое широкое применение этого метода получения электроэнер--гии нашло в мобильных специализированных установках применяемых в геологии и геофизике. Это связано с тем, что для этих отраслей необходимы мощные автономные источники электроэнергии, имеющие высокие характеристики съема электрической мощности с килограмма веса установки,могущие легко транспортироваться всеми транспортными средствами

Широкий спектр типов энергоустановок и применяемых на них МГД генераторов электроэнергии требует топлив удовлетворяющих следующим требованиям.

Кратко перечислим требования: низкая стоимость топлива; стабильность его¡безопасность;не токсичность;не агрессивность.Продукты сгорания топлива должны иметь высокую скорость истечения из сопла =2200-2300м/с при числе Маха М=2,4-3, электропроводность и подвижность электронов для фарадеевских МГД-каналов 50-100См/м и менее -0,3 I/Тл, а для диагональных 20-40См/м и более 0,6 I/Тл соответственно Ш .

Продукты сгорания многих химических топлив обладают неудовлетворительными энергетически™ параметрами и для их улучшения в такие топлива приходится вводить добавки различных металлов. Эти мероприятия часто повышают стоимость топлива из-за усложнения технологии. Многие топлива неудовлетворительны по требованиям взрывобезопасности, длительности хранения, токсичности и т.д..

Все эти часто противоречивые требования побуждают искать новые топлива, отвечающие выдвигаемым требованиям.

Цель работы состоит в исследовании характеристик топлива на основе углерода с добавками металла и легкоионизирующейся присадкой, в качествве окислителя выбран кислород.

Методы исследования основаны на сочетании лабораторных иге."" дований горения одиночных частиц с моделированием уплпрнИ

бой среды в камере сгорания генератора низкотемпературной плазмы (ГП), натурных экспериментов и термодинамических расчетов параметров продуктов сгорания исследуемого топлива.

Научная новизна заключается в том, что впервые:экспериментально исследовано новое топливо, рекомендуемое для применения в МГД-генераторах (МГДГ) электроэнергии различного типа; получены эле-ктрофизические(ЭФХ) характеристики продуктов сгорания, подтверждена высокая работоспособность данного'топлива в составе МГДГ.

Практическая ценность состоит в обобщении и анализе расчетных и получении экспериментальных данных ЭФХ рекомендуемого топлива, составлена программа сгорания углерода с металлом, теоретически и

экспериментально исследованы процессы горения топлива в условиях

ГП,показаны основные факторы снижения характеристик топлива и рекомендованы пути их повышения.

Геализация-результаты исследований нашли при разработке в НО ИВТАН экспериментальной установки для целей прогнозирования землетрясений; данные типы газогенераторов были использованы на Боткинском машзаводе с целью получения двухфазных потоков высокотемпературного газа.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, получено два авторских свидетельства на изобретения.

Структура диссертации содержит введение, шесть глав, заключение, список литературы. Она изложена на 132 с. машинописного текста, иллюстрирована рисунками на 64 е.,содержит 5 таблиц.

Глава I.Обзор применяемых и перспективных топлив, . выбор исследуемого топлива.

Важным параметром МГДГ является удельная электрическая мощность снимаемая с единицы объема МГД-канала представленная выражением 1.1.

Ыуд=ал4ч2 ил)

где ¿-электропроводность продуктов сгорания,Н-напряженность магнитного поля, V-скорость рабочего тела соответственно, А-величина зависящая от параметра нагрузки и типа МГД-канала. Из приведенного соотношения видно, что для повышения удельного энергосъема необходимо повышать с или , но увеличение магнитного потока требует увеличения магнитной системы. Отсюда вытекает требование по электропроводности рабочего тела при ограниченных параметрах магнитного поля и скорости. Применяемые топлива для МГД электростанций на основе газа, мазута или угля с окислителем воздух не при-

с!, СМ/М

б *См/м(км/с)

400

200

4000

емлемы для импульсных МГДГ из-за низких значений электропроводности и, как следствие, низкого объемного' энергосъема электроэнергии. Поэтому применяемые в настоящее время топлива имеют в своем составе порошкообразные металлы для поднятия температуры и получения удовлетворительных значений с/. Это ведет к усложнению технологии получения стабильного топлива, к ухудшению эксплуатационных свойств,к увеличению токсичности топлива и к его удорожанию.В настоящее время практически нет топлива которое удовлетворяло бы всем вышеприведенным требованиям.

Для оценки применимости известных и перспективных

топлив были проведены термодинамические расчеты [2] параметров представляющих интерес композиций, значе-2000 ния которых представлены на рис.1.1.Из этих зависимостей видно, что наиболь-0 шие значения электропроводности имеют чистый алю-(/у2 миний(3),керосин-алюминие-1000 вое(2) и углерод-алюминиевое горючее(I). В качестве окислителей в этих вариантах выбран кислород.В первом случае топливо может рассматриваться как частный случай металлизированного углеродного топлива -при доле углерода в горю-чем=нулю. Второе топливо достаточно перспективно и по нему велись исследовательские работы, но здесь большие трудности с загущением алюминия в жидкости и связанных с этим технологических и экологических проблем. Третье рассматриваемое топливо на основе углерода лишено этих недостатков и обладает широким диапазоном электро-проводностей и подвижностей электронов, что позволяет рассматривать его в качестве перспективного топлива. На рассмотренном рисунк< по оси абсцисс отложен коэффициент избытка окислителя <•.

100

500

250

Рис.1.1 - 6 ----

Рк- 4 МПа

- 4

М -

Глава 2. Расчетные характеристики исследуемого топлива. Подробные расчетные характеристики данного топлива представлены в работе [2 ,а на рис.2.I. приведены наиболее характерные зависимости.

Из анализа зависимостей электропроводности и комплекса о- 2 вида что максимальные значения комплекса расположены в районе 50-10( алюминия в горючем.

Следует заметить,что повышенное содержание алюминия также I

водит к очень высокой те

в'.См/м

¿\/См/м(км/с)2

40 О

300

200

100

3500

2500

1500

500

Рис.2.1

¿Г

пературе и большому соде канию К-фазы,а это в свс очередь усложняет работу эксплуатацию МГДГ.Поэтс» максимальным значением г миния в горючем следуе признать 60%,на что и бь сделан ориентир в даннс работе Электропроводное] низкотемпературной плаз!> очень сильно зависит с типа используемой пpиca^ Наибольший вклад в о, ? и следовало ожидать, дг цезий и его соли,далее £ бидай, калий и его соли. Наиболее приемлемым в эь логическом отношении я ляется калий и его coJ поэтому сейчас в качест присадки для топлив М1

Р=4Ша, М=3

испозуются соли калия, что, в свою очередь, требует для получек приемлемых проводимостей повышение температуры и, как еледетву сильных окислителей и металлов.

Термодинамические расчеты £31 показывают (рис 2.2),что оптиме льное содержание ионизирующей присадки К2СОэ в горючем оставляе около 10%. Из анализа рис.2.2 следует.малая зависимость и о от давления в камере сгорания. Зависимость же элекропроводности энергокомплекса от доли алюминия<^А1_в горючем значительна.При че энергокомплекс имеет явно выраженный максимум в районе 60%.Подв1' жность же электронов^ (1/Тл) уменьшается с ростом давления и дс ли алюминия. Газовая постоянная Я (кДж/кг.град.) с ростом уме

гьшается.

Наибольшее содержание весовой доли К-фэзы ( ) в продуктах сго->аниия в области а=0,7-1 составляет 0,45-0,8.

Максимальная температура в камере ГП достигается при с/=0,7 и гри дальнейшем увеличении с/ незначительно падает (~0,5% при Ы,2).С ростом давления температура возрастает и при изменении .авления с I до 10 МПа в камере ГП возрастает с 4300 до 5000, а ри М 3 от 3500 до 3800 К.

При использовании в качестве окислителя воздуха для рассматри-аемого горючего приемлемые ЭФХ получаются при высоких содержани-х металла (алюминия, магния) в горючем или при обогащении воздуха кислородом. Подогрев воздуха в дан-6 ¿\/2См/м(км/с)2 ном случае не эффективен.

Рассмотренные технико-экономические показатели топлива позволяют сделать 3500 вывод о возможности его применения при создании специализированных уста-2500 новок по получению электроэнергии.

1500

500

Рис.2.2

---------¿V2 м.

1,2,4,10-давления в камере сгорания, МПа

Глава 3.Экспериментальные установки.

В данной работе были проведены исследования по процессам горе-я как отдельной частицы углерода так и совокупности частиц в ловиях топочных процессов и более напряженных условиях генера-ра низкотемпературной плазмы при повышенных давлениях.

Для проведения исследований процессов сгорания части]! ■/пчетзод.-

в топочных условиях в Одесском госуниверситете (ОГУ) была применена трековая установка, на которой определялось время разогрева частиц до воспламенения и время сгорания частиц в зависимости от температуры и состава окислящего газа. Процессы сгорания частиц в условиях ГП проводились на установке включающей в себя плазмотрон и камеру высокого давления.На этой установке проводились опыты по определению времени индукции воспламенения, времени сгорания частиц, определялась интенсивность диффузии углерода из внутренних областей к поверхности частицы, а также интенсивность сублимационных процессов.

Горение совокупности частиц изучалась на установке включающей в себя неохлавдаемый ГП с расходом топлива 0,1Кг/с с системами его обслуживания, прибора но отбору частиц для последующего фракционного и химического анализа, приборов для замера температуры и электропроводности продуктов сгорания как в камере так и на выходе из сопла.

Базовой установкой по определению электрофизических характеристик топлива была установка включающая в себя ГП с расходом топлива 1Кг/с (как неохлавдаемый так и с водяным охлаждением).систему питания ГП горючим и окислителем, систему охлаадения, систему замера ЭФХ, состоящую из первичных приборов и вторичных (осциллографы, магнитофоны, ЭВМ). Для замера ЭФХ и определения работоспособности топлива в составе МГДГ использовались диагностические каналы с приложенным электрическим и магнитным полями,а также диагональный МГД канал. В экспериментах определялись следующие характеристики: электропроводность,подвижность электронов, скорость и температура газового потока, давление в камере ГП и каналах,распре деление электрических потенциалов, фракционный состав продуктов сгорания, тепловые потоки в стенки.

Для определения совместимости результатов экспериментов полученных на модельных малорасходных ГП со штатными, (с расходом рабочего тела 10-25Кг/с), были изготовлены макетные ГП с расходом топлива 3 и 10 Кг/с. За прототип был выбран неохлавдаемый генератор плазмы упомянутый выше.

Глава 4.Горение углерода.

Одним из важных факторов, определяющих конструктивные особенности газогенераторов является время горения частиц топлива. Оно складывается из времени воспламенения частицы и собственно времени горения. Воспламенение частицы происходит в кинетическом режиме, а горение как в кинетическом, так и в диффузионном режимах. Удельная скорость реагирования углерода экспоненциально зависит

от энергии активации Е, удельной газовой постоянной и температуры.

К =К0*е~ЕЖГ (4.1)

Энергия активации углеродных частиц зависит как от химсостава этих частиц так и от способа их измельчения. Эксперименты показали, что скорость окисления частиц графита увеличавается в 3, а электродного угля в 2 раза при применении стуруйного помола, по сравнению с измельчением в ступке (4). Это связано с тем, что при более интенсивном измельчении резко улеличивается концентрация активных центров, образующихся в местах дефектов поверхности.

Результаты опытов, проведенных в ОГУ трековым методом, показывают, что уголь, диспергированный струйным способом, быстрее воспламеняется и горит с большей скоростью по сравнению с тем же углем, но измельчонном в ступке. Особенность диффузионнокинети-ческой теории горения углерода состоит в том, что она описывает поведение только газообразной фазы реагирующей системы и не учитывает кинетику процессов, протекающих в твердом веществе.

С целью определения роли химической кинетики при горении дисперсных угольных частиц в условиях камеры сгорания МГДГ проведены исследования механизма горения в области температур 4000-4500 Кельвина. Получено, что экспериментальные значения времени горе-аия частиц (рис.4.1) соответствует теоретически рассчитанным временам горения этих частиц в диффузионном режиме при коэффициенте диффузии

Р(Т)=00(Т0)(Т/Т0)1'5^ (4.2)

"Де 00(Т)=2*Ю~4м /с при температуре Т =1500 К.

т*Ю с

дМ.мг

лМ,мг

2.6 / 20

х у

1.3 / 10 у

У

0 10 20 30 0 20 40

3 ,мкм

60

30

20

20 30

т,с

40

ТТм/с

Рис.4.1 Рис.4.2 Рис.4.3

Т=4500К. АМ=6Э*Ю"5кг; Т=4500К; т=ЗОс;Т=4500К;

\/=15м/с М =69*10"<!кг.

о

В оштэх по сублимации частиц в плазменном потоке были полу-ены завпгшости убыли массы частиц от времени пребывания в плаз-енной с-;/.'- (рис.4.2), от скорости обтекания частит? сттл^ 'т»ч

4.3), от начальной массы частицы.Например, для частиц массой 69*-Ю~ь кг скорость сублимации К выразится следующим соотношением:

К=дгудт=0,92±0,02/Дт *По(2/3_0 •06 >Кг/с. (4.3)

Эта зависимость говорит о том, что скорость сублимации прямо-пропорциональна величине внешней поверхности сублимирующей частицы. В диффузионном режиме сублимации поток пара, равный скорости сублимации пара, проходящего через единицу поверхности в единицу

времени:

(4.4)

где, р -коэффициент диффузии пара, С4- концентрация насыщенного пара, мидаф-число Нуссельта диффузионное, ^-эффективный коэффициент сублимации.

Подставляя выражение для Числа Нуссельта N11=2(1+0.275 Ле0'5* Рр°'э) получим:

Я5 = В + 0-2?5^Г, (4.5)

что хорошо удовлетворяет экспериментальным данным (рис.4.3).

На основании полученных эмпирических зависимостей для сублимации крупных частиц рассчитаны данные о скорости и времени сублимации дисперсных частиц нефтяного кокса. Эти данные представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1

п п а мкм ГПо00'° кг К*1010 кг/с *суб*102 с

I 20 4 1.61 0.25

2 30 13.5 3.34 0.40

3 50 62650 8.33 0.75

Из таблицы видно,что время сублимации частицы размером 6-ЗОмкм составляет 4*10-эс.,что соответствует времени выгорания этой частицы равным З.9*10~3с (рис.4.1).

Эти данные свидетельствуют о том,что механизм горения при температурах генератора плазмы сильно отличается от топочных процессов, что необходимо учитывать при составлении математических моделей горения угля в ГЛ.

Следует отметить, что при этих температурах происходит интенсивная диффузия углерода из внутренних областей частицы к ее поверхности, а это приводит к разрыхлению ее. Разрыхление происхо-

з.ит в слое толщиной порядка 10-эм, т.е. весь объем частицы в провесе горения имеет переменную плотность, что также необходимо учитывать при расчетных работах.

Экспериментальное исследование зависимости скорости высокотем-тературного горения углеродных частиц от давления, показало,что с эостом давления скрость горения возрастает.Это связано с тем, что ; увеличением давления рост концентрации кислорода опережает уме-шиение коэффициента диффузионного обмена.

Было исследовано также влияние металла (магния) на процесс гонения угольной пыли. Результаты опытов показали, что при образовании сплошного пламени горения смеси счетная концентрация частиц леталла составляет м— ТСГшт/м3, при этом расстояние между частиками равнялось 10-эм.,а на таких расстояниях может происходить терекрытие зон воспламенения частиц и они воспламеняются друг от 1РУга-

Глава Б.Расчетно-эксперименталыюе исследование полноты сгорания топлива. Термодинамические расчеты характеристик продуктов сгорания, троведенные выше не показывают динамику процесса протекающую в самере сгорания. Для теоретического исследования кинетики процессов была создана программа расчета горения угольно-металлизирова-шого топлива в среде кислорода с азотом. Базой для создания этой фограммн явилась работа (5), в которой разработана методика рас-1ета горения полидасперсных частиц в воздухе. Данная методика быта дополнена процессами диффузии углерода в частице, сублимацией >го с поверности, уравнением равновесия системы окись углерода-дауокись угледода и горением алюминия. Горение алюминия разработано на основе эмпирической зависимости изменения диаметра части-1Ы от окислительного потенциала среды (6-8).

Работа программы была проверена по данным термодинамического засчета и по времени сгорания частиц, полученным экспериментальна путем.

Было просчитано влияние на динамику сгорания углеродных частиц »сновных исходных параметров топлива таких как коэффициент избыт-:а окислителя, процентное содержание кислорода в газовой среде, (оли алюминия в горючем и др..

Для оценки процессов происходящих в камере сгорания полученных ! экспериментах была просчитана зависимость приведенной длины ка-

;ела горючего применяемого в опытах.Как и в экспериментах дярж ме в КС было выбрано 4МПа, а стелено реиирчуляпиг пгт;1'^

юры сгорания

диаметра горящих частиц полидисперсного фа-

мальной полученной расчетами по разработанной программе. Результаты расчетов представлены на рис.5 Л.

Из рисунка видно, что для полного выгорания применяемого горючего с максимальным диаметром частиц равным 90мкм достаточно камеры сЬПр=4.8м, используемой для определения поноты сгорания топлива. Приведенная_ длина 3,4м оказалась мала,а 6,7м велика. Эта данные расчета хорошо совпадают с выводами сделанными ниже на основе анализа данных эксперимента (см. гл 7).

Необходимо заметить, чт время сгорания алюминиевы частиц в данном случае ма ло и основным лимитирую щим фактором является вре мя горения частиц углерод максимального диаметра.

Зависимость диаметров (<?) угольных частиц при полидасперсном выгорании суммарной массы сгоревшего горючего (М) и относительной температуры (Т) от приведенной длины камеры сгорания (Ь) Цифры-диаметры частиц мкм ; Т=Т/Тмах;А -алюминий.

Рис.5.1

Так как исследуемое топливо предназначается в первую очередь для установок работающих в отдаленных районах, то в качестве базового был выбран газогенератор типа ЖРД без сепарации шлака, а поэтому критерии оценки качества процессов применяемые в ракетостроении применимы и в данном случае. К таким параметрам относятся: удельный импульс давления, время пребывания частицы в камере сгорания, полнота сгорания частиц топлива-которые являются зависимыми величинами от конструктивных особенностей камеры и параметров топлива.

Эффективность преобразования энергии часто оценивают коэффици-

ентом ^.равном отношению экспериментальной величины удельного импульса давления к его расчетному значению^.

Аналогично можно ввести параметр р^ равном отношению электроп- -роводностей, причем р^^20 ""из-за разницы зависимости от температуры /?-4т" и <#-ет. Отсюда следует важность высокой степени совершенства процессов сгорания в генераторах низкотемпературной плазмы.

Степень совершенства процессов сгорания в камере в основном определяется двумя составляющими:смешением (г3^) и временем пребывания компонентов топлива (рГОр)-

Рассмотрим второй процесс. В случае неполного сгорания горючего в продуктах сгорания устанавливается другое,действительное соотношение компонентов. Записав уравнение сохранения энергии для случая неполного сгорания горючего и проведя соответствующие преобразования получим взаимосвязь между коэффициентом недожога горючего у=гг1 /^.коэффициентом избытка окислителя и температурой реагирующей смеси.В выражении для учл. -массовый расход недогоревшего компонента,гпг-массовый расход рассматриваемого комлонен-. та.

Из получившегося выражения следует, что максимум температуры при фиксированном недожоге зависит от свойств топлива и коэффициента избытка окислителя, а для конкретного топлива только от а. При этом следует заметить, что максимум температуры при недожоге будет реализовываться только при о меньших единицы(см. рис.5.1).

Для количественных оценок влияния недожога на электропроводность и импульс давления были проведены термодинамические расчеты равновесных составов при сгорании топлива. Расчеты проводились таким образом, что часть химических элементов в исходных данных остается неизменной, т.е. не образует химических соединений. Таким способом было просчитано влияние недожога углерода и алюминия в топливе с условной формулой

ПС+{0.9-гиА1_1-о.М< со+о ,

2 Э 2

где п-доля углерода в горючем.

На рис.5.2 представлена зависимость электропроводности продуктов сгорания при степени расширения сопла)'=8.23 от коэффициента избытка окислителя, процента недожога углерода и процента содержания алюминия в горючем. Из рисунка следует, что если данная камера сгорания имеет недожог углерода, то необходимо для каждой величины недожога подбирать свой избыток окислителя, для получения максимальной электропроводности; с ростом недожога необходимо уменьшать Следует заметить, что с ростом процентного содержания

алюминия недожог углерода приводит к повышению температуры в КС (рост электропроводности), что может приводить к порче материальной части (прогары) и к повышенному содержанию конденсированной фазы. При недожоге алюминия с ростом недожога электропроводность падает, а максимальные ее значения находятся вблизи максимальных значений без недожога.

о',См/м

¿,См/м

0,7 0,8

Известно, что в цилиндрических и конических камерах сгорания положение локально-объема топлива возле форсуночной головки однозначно определяет положение соответствующего локального объема на входе в сопло, благодаря чему течение может быть представлено в виде трубки тока.Расход,соотношение ком-

9,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Ы Цифры на линиях значения-у Рис.5.2

понентов и профиль энерговыделения в кажлой трубке тока определяются характеристиками форсуночной головки. Так длина пути смешения по Прандтлю составляет всего 10-15мм, отсюда масштаб смесительных элементов выбирают равным 10-20мм.

Для оценки влияния качества смешения необходимо определить локальные коэффициенты избытка окислителя, по ним определить локальные электропроводности е.. Осреднив по сечению канала электропроводности газа и поделив ее на интегральную по среднему « получим коэффициент качества смешения характеризующий степень уменьшения с из-за несовершенства процессов смешения.

N

СМ 1

Р4А

где/

с г </

-площадь 1-го участка;р-площадь сечения канала;

Глава 6. Экспериментальное определение электрофизических характеристик исследуемого топлива. Определение ЭФХ топлива и его работоспособность проводилось как в приложенном электрополе так и в магнитном поле. Работоспособность определялась как на фарадеевских так и на диагональных МГД каналах со степенью расширения на входе в электродную зону равную 8,23 для получения числа Маха равному З.Эти же каналы применялись для испытания порохового баллиститного плазмообразуг го топлива. Базовые модельные МГД каналы были расчитаны на расход 1Кг/с продуктов сгорания,поэтому базовой моделью стал ГП с рас:.

дом 1Кг/с.

Проводились измерения электропроводности, температуры, скорости, подвижности электронов {Ма) продуктов сгорания исследуемого, топлива. Определялись тепловые потоки в стенки КС, расходы компонентов, вода и газа. Сопоставлялись данные ЭФХ полученные различными способами- Данные электропроводности, пересчитанные по замерам температуры, удовлетворительно, в пределах ошибки измерений, совпадают с замерами 4 в тех же экспериментах.

На рис.6Л представлена зависимость электропроводности топлива от коэффициента избытка окислителя для 3-х композиций: без алюминия, с 13 процентами алюминия и с 42% алюминия в горючем. Сплошной линией выделена ошибка измерения, штриховой доверительный интервал с надежностью Р=0,95.

Как и следовало ожидать видна сильная зависимость <* от содержания алюминия. Максимальная электропроводность полученная при числе Маха М=3 составила ПО См/м,что значительно выше чем у применяемых топдив в настоящее время.

Другая важная характеристика топлива-подвижность электронов в плазме при М=3 приведена на рис.6.2. Значения сплошных и штриховых линий те же, что и на рис.6 Л. Следует отметать низкую подвижность электронов при 42% АЬ в горючем при оптимальных с( по 4 и повышении >1 с уменьшением доли алюминия.Такая зависимость ><=/(А Ь) в совокупности с зависимостью ^/(АЫ позволяет применять данное топливо как для фарадеевских так и для диагональных МГД каналов, которые требуют различных значений

¿'(См/м) И (1/Тл).___

100

75

50

25

О

0.6 0.7 0.8 0.9 I оС рис.6.2

- ошибка измерений;

----- доверительный интервал

0.6 0.7 0.8 0.9 I

Рис.6.1 _ ошибка измерений

-----доверителльшй интервал

Р^З.бМПа /„=8.23

и

Замеренная скорость плазменного потока в месте замера о составляет 2050-2150м/с,и слабо зависит от доли с/,что хорошо согласуется с более слабой зависимостью параметра р от этих аргументов чем <?",т.к.

Для сравнения в таблице 6.1 приведены некоторые основные характеристики для 3-х твердых топлив:БП (пороховое с присадкой цезия), СПК (пороховое с присадкой калия), ТГА (гибридное с присадкой калия). Из сравнений таблицы с рис.6Л и рис.6.2 видно, что характеристики угольнометаллизированного топлива выше. Исключение составляет приэлектродное удельное сопротивление,что по-видимому, связано с наличием кислородосодержащих соединений и следовательно электроотрицательных ионов, которые имеют большое сродство к электрону (рис.6.3). Однако, как показали эксперименты проведенные НИЦ ТИВ НО ИВТАН .проведенные на макетных ГП и МГД-канале ИМ 112 -5Т в приложенном электрополе, с увеличением работы МГД-канала приэлектродные падения потенциала уменьшаются примерно в 10 раз и приближаются друг к другу. Удельное сопротивление составляло примерно 5ом.смг при плотности тока на электрод равном 0,5А.

Таблица 6.1

Топ- При- Дав- Расход Стати- Число Элект- Под-,

ливо сад- лени топли- ческое маха ропро- виж-

ка в ГП ва давле- водао- ность

ние сть эл-в

МПа кг/с МПа См/м 1/Тл

БП-Ю С 4,5 1,26 0,177 2,7 35 0,62

СПК К 3,5 • 1,0 0,16 2,7 27 0?7

ТГА к 3,6 0,9 0,16 2,7 10 0,7

а ,В

д ,В

(А/см' А-катодная область

)

160 120 80 40

О О

_ ________ Б-

< \

' / 4

/ /г

V

6 8

(А/с^ )

В-анодная область 1-углеродное; 2-гибридное; 3-пороховое топливо

Рис.6.3

В испытаниях на топливе без алюминия было получено максимальное напряжение У=2.4*10 В и напряженность продольного электрического поля ЕХ=6*Ю В/м при сопротивлении нагрузки К Н=Ю0 Ом и магнитном поле В=3 Тл. Эта данные являются рекордными для данного типа установок. Наибольший .удельный энергосъем с единицы расхода

с;

составил му=2.1*10"Вт/кг при нагрузке Я н=5,9 Ом. Этот результат был получен на продуктах сгорания горючего с 13,5 % А1, при ¿=35-5 См/м и /¿в=0,75 1/Тл. Данные по нагрузочной и вольтамперной характеристикам приведены на рис.6.4.

На этом же рисунке приведены расчетные вольтамперные и нагрузочные характеристики. Следует отметить, что экспериментальные значения мощности составляет 80% от расчетного, что характеризует удовлетворительное их согласие с учетом теплопотерь и несогласованности МГД-канала с исследуемым топливом. Изменнение наклона вольтамперной характеристики можно объяснить большим приэлектро-дным падением потенциала по сравнению с расчетным.Включение в расчет ВАХ приэлектродных падений потенциала сообщает ей параллельный перенос и поворот, что и наблюдается на рис.6.4.

Для сравнения этих результатов с данными, полученными на этой же установке при работе с другими топливами сравнивалась обезраз-меренная выходная мощность по кинетической энергии струи газа на входе в генерирующую зону МГДГ. а в качестве аргумента брался интегральный параметр взаимодействия одинаковой величины.

Эти сравнения подтвердили,

дУ.кВ

Ы.кВт 400

1-^=1,02;АЪ<

200

00 1 , А

что энергетические характеристики угольнометаллизированного топлива не уступают порохам.а электрический КПД выше После II пусков МГДГ по 1,5с осмотр МГД-канала показал его удовлетворительное состояние. Это показывает, что хотя у углеродного топлива окислительный потенциал Рис.6.4 выше чем у порохового,выбранный

материал обеспечивает возможность создания МГДГ на короткие времена работы.

После 15с работы, камера сгорания с теплозащитой на основе пи-• рографита и боросила видимых разрушений не имела.'

Испытания на охлаждаемых КС с циклом работы 20-40с паказали хорошие возможности использования порошкового топлива при длительных циклах работы.

Для проверки работы топлива в ГП различного масштаба в TTC были проведены испытания камер сгорания с расходом топлива 20-25кг-/с. Полнота сгорания в отладочных испытаниях составила 0,96-0,97, а электропроводность 50-60См/м,что удовлетворительно совпадает со значениями, полученными на модельных генераторах плазмы.

Состояние материальной части после проведения четырех пусков по 8с. в целом было удовлетворительное, хотя стойкость МГД канала ниже чем на пороховом топливе. Это подверждает вывод о возможн сти создания матчасти работающей на исследуемом топливе.

Глава 7.Оценка эффективности процессов в камере сгорания

экспериментального ГП.

Как следует из главы 2 и 6 существует большое расхождение между расчетными и экспериментальными данными по электропроводности продуктов сгорания исследуемого топлива.

В главе 4 показано, что уменьшение с может происходить в основном из-за теплопотерь, недожога топлива и некачественного смешения компонентов.

Теплопотери в стенку КС составляли величину порядка 10 МВт/м , были сопоставимы с теплопотерями в ЖРД, и росли с увеличением доли алюминия в горючем. Термодинамический расчет электропроводности с учетом реальных теплопотерь показал ES J, что теплопотери уменьшают d на 30-50%, а импульс давления на 6-10%. При этом более резкое падение d наблюдается в области а начиная с 0,85-0,9. Следует отметить, что такой важный параметр как подвижность электронов меняется незначительно и составляет менее 6% для топлив с большим содержание алюминия.

Так как с ростом масштабов ГП относительная площадь уменьшается, то расчеты показывают, что в камерах с массовым расходом 25 кг/с, при том же давлении, теплопотери дадут снижение с на 10%, а применение теплозащиты позволит еще уменьшить эту величину.

Для выявления полноты сгорания топлива (времени пребывания частиц в КС) применялись камера сгорания с разной приведенной длиной (3,4;4,8;6,7м). На рис.7.I приведена расчетная зависимость от приведенной длины, с учетом теплопотерь, какая доля недожога горючего приводит к экспериментальным значениям электропроводности. Пологий наклон кривых в функции приведенной длины показывает отсутствие практического недожога. Слабое снижение у при увеличении можно отнести к случаю улучшения смесеобразования при увеличении пути смешения.

40 30

20 10 0

"ЛИ ¿~0Л

— п. я !

—0 -_ 3

1 ! 1

I

ПР

РИС.7.Г

ктическом отсутствии недожога горючего.

Для подтверждения этого вывода были проведены эксперименты с постановкой турбулизатора в камере сгорания при и7м в виде диафрагмы. При с| хаи-4 т= 2,^-выше при ^=0,9-0,95 на 30%, чем без турбулизатора (рис.7.2). Также анажз хода кривых р^ДЛ) подтверждает вывод о пра-

0.6

0.4

0.2

% ...... IV

\ чмт п \\

V А ■ ЧД01

6± (0) у \У , !___

0.6 0.8

Рис.7.2 эксперимент;—

1Л

расчет

Значит такое резкое снижение характеристик топлива связано с процессом смешения компонентов топлива. Как видно из рис.2.2 снижение коэффициента избытка окислителя ведет к резкому уменьшению электропроводности. При плохом смешении в КС будут обширные зоны с низкой проводимостью, что внесет свой вклад в снижение суммарнной

Для количественной оценки этого факта были проведены холодные проливки головки КС на входе в сопло. Считая,что распределение концентраций на выходе из сопла будет такой же, была просчитана электропроводность плазменного потока, представленная на рис.7.2 в виде ^..На этом же рисунке тагоз представлена экспериментальная зависимость в функции коэффкзента избытка окислителя. Видно хорошее совпадение хода кривых расчета и эксперимента. Все это подтверждает ранее сделанный выь;д о решающем вкладе в снижении ЭФХ топлива процесса смешения в камере сгорания экспериментальной установки.

Виь;дн

Сравнительный анализ ЭФХ энергетических параметров перспективных, в том числе и углероднометгаяизированных топлив показал возможность эффективного использования последних в качестве рабочего тела для МГД установок различного типа.

2.Проведены исследования по высокотемпературному горению углерода используемого в качестве горючего. Подтверждены п нолуче-

ны новые данные по диффузии и сублимации углерода в условиях камер сгорания МГДГ. Показано, что на воспламенение и горение углеродных частиц влияет не только химсостав, но и способ диспергирования (т.е. увеличение активной поверхности частицы). Проверен механизм воспламенения топливных частиц от высокотемпературной зоны горящих частиц.

3.Спроектированы и прошли испытания модельные и макетные неохлаждаемые и модельные охлаждаемые генераторы низкотемпературной плазмы, позволившие провести исследования как по отработке конструкций модельных и макетных ГП, так и по изучению процессов горения и электрофизических свойств рабочего тела.

4.Полученные экспериментальные результаты по электрофизическим и комплексные испытания по энергетическим характеристикам показали, что угольнометаллизированные топлива (C+AL+02+K2C03> по своим характеристикам могут быть использованы как в фарадеевских так и в диагональных импульсных МГД-каналах.

5.Принятые критерии экспериментальной оценки эффективности работы ГП позволили достаточно полно рассмотреть механизм снижения характеристик топлива, выявить доминирующий процесс влияющий на снижение ЭФХ (процесс смешения компонентов) в проведенных экспериментах.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих статьях:

1.Волков Ю.М., Дегтев Ю.Г., Крикун В.В., Хаустов Е.В. Исследование электрофизических характеристик продуктов сгорания металлизированных порошкообразных угольных топлив. 8-я Международная конференция по МГД-преоОразованию энергии. Москва.12-18 сентября 1983г.т.5,.с.104-107.

2.Волков Ю.М.,Дегтев Ю.Г. .Крикун В.В.,Чернов Ю.Г.Даустов Е.В. Расчетный анализ возможностей углеродных топлив применительно к МГД-генераторам. Препринт.(МЭ-4038/6). Москва. 1984г.с.20

3.Вайнфельд А.И.,Курятников В.В., Протас С.К., Смагленко Т.Ф., Чесноков М.Н. Даустов Б.В..Горение дисперсного углеродного топлива в камере сгорания генератора плазмы. Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем.14-я всесоюзная конференция. Одесса. 1986г.

4.Дегтев Ю.Г.,Крикун В.В., Матвеенко 0.Г.Даустов Е.В. Исследование модельных неохлаждаемых генераторов плазмы на порошкообразном угольном топливе для импульсных МГД генераторов. Препринт. (ИАЭ-4782/7).Москва. 1989г.с.24

5.Дегтев Ю.Г..Матвеенко О.Г., Хаустов Е.В. Экспериментальное

исследование охлаждаемых генераторов плазмы не порошкообразных глеродашх топливах. Препринт.(ИАЭ-4783/7).Москва.1989г.с.13.

6.Алешин М.А.,Захаров Г., Крикун В.В., Хаустов Е.В. Генератор плазмы на порошкообразном горючем для геофизической МГД-устонои-ки. 8-я Международная конференция по МГД-преобразойашяо энергии. Москва. 12-18 сентября 1983г. т.Ь, с.108-114.

7.Дегтев Ю.Г., Хаустов Е. {^расследование внтесшггелыюго способа подачи порошкообразных кошоисатов ь камеру сгорания, организации смесеобразования и горения ?й§$Щ с порошкообразными компонентами. Новйе способы преобразования энергии и теплозащита. Киев. Наукова душа. 1987г. 238с.