Ученые ТПУ представили физическую модель, которая объясняет, как скорость горячего воздушного потока влияет на процесс дробления капель водоугольного топлива в энергетических установках и его эффективное сжигание. Модель политехников в будущем может лечь в основу создания новых систем распыления. Это позволит сделать сжигание угля экономичнее и экологичнее.
Внедрение в энергобаланс возобновляемых нетрадиционных источников энергии привело к значительному росту стоимости единицы вырабатываемой электроэнергии в некоторых странах мира. В этих условиях целесообразно рассмотреть возврат к угольной генерации, используя новые чистые угольные технологии, которые снизят негативное влияние на атмосферу.
«Одной из перспективных технологий эффективного сжигания угля является его сжигание в виде так называемой водоугольной суспензии — смеси воды и угольной пыли. Однако пока она не получила широкого распространения из-за ряда нерешенных проблем. Среди последних можно выделить отсутствие физически обоснованной теории, описывающей процессы дробления капель водоугольной суспензии в потоке окислителя. Такая теория необходима для разработки систем распыления водоугольной суспензии, обеспечивающих минимальный размер капель топлива в пространстве камеры сгорания», — рассказывает руководитель проекта, профессор научно-образовательного центра И.Н. Бутакова Семен Сыродой.
Для эффективного сжигания водоугольной смеси необходимо получить капли диаметром около 0,1 миллиметра, но из-за высокой вязкости топлива добиться таких параметров на выходе из системы распыления сложно. Современные системы распыления пока не могут стабильно обеспечивать необходимый размер капель водоугольного топлива. Но при взаимодействии с потоком горячего воздуха они начинают дробиться на более мелкие фрагменты.
Перед научным коллективом стояла задача понять, как изменение скорости потока воздуха внутри камеры сгорания влияет на процесс дробления капель. Эксперименты проводились внутри специального лабораторного стенда, который позволяет воссоздать условия реальной камеры сгорания, где водоугольное топливо взаимодействует с окислителем — потоком воздуха, разогретым до 1000 градусов.
Для приготовления водоугольного топлива использовали измельченный в пыль уголь разных марок и воду. При этом общая доля угля в системе составляла от 50 до 55%.
«Мы установили, чем ниже градиент скорости потока, тем эффективнее капли дробятся. Уменьшение степени ускорения потока воздуха улучшает дробление, но при этом поток все равно должен быть высокоскоростным», — отмечает Семен Сыродой.
Исследование имеет важное практическое значение для оптимизации процессов сжигания водоугольной смеси и повышения эффективности работы энергетических установок.
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда. Результаты работы опубликованы в журнале Experimental Thermal and Fluid Science.