Разработка основных элементов теории процессов диспергирования капель водоугольного топлива

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-79-10092

НазваниеРазработка основных элементов теории процессов диспергирования капель водоугольного топлива

Руководитель Сыродой Семен Владимирович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" , Томская обл

Конкурс №85 - Конкурс 2023 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-204 - Равновесие и кинетика процессов в химически реагирующих системах

Ключевые слова капля водоугольного топлива, диспергирование, термическая подготовка, зажигание, распыление

Код ГРНТИ44.00.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проблема энергетической безопасности стала основной проблемой мирового сообщества в последние годы вследствие неравномерного распределения энергоресурсов по территории Земли. Решить эту глобальную проблему можно при переходе на более масштабное использование угля как энергоносителя. Но уголь является достаточно «грязным» топливом - при его сжигании образуются антропогенные твердые (зола и шлак) и газообразные (оксиды серы и азота, диоксид углерода) продукты горения. Последнее создает предпосылки к созданию новых инновационных технологий сжигания угольного топлива. Одной из самых перспективных является технология сжигания угля в виде водоугольного топлива. Водоугольное топливо (ВУТ) – смесь мелко диспергированного угля и воды с добавлением присадок и пластификаторов. Но создание перспективной технологии использования ВУТ в теплоэнергетике возможно при решении шести технологических задач: приготовления водоугольной суспензии, её хранения, транспорта, распыления, зажигания и сжигания. Первые три задачи, а также задачи зажигания и сжигания ВУТ, по существу, решены. Нерешенной пока остается одна, но, скорее всего, самая сложная задача – обеспечение эффективного и надежного распыления водоугольного топлива в топочном пространстве. Данный проект направлен на решение базовой проблемы технологии сжигания водоугольных топлив – разработка по результатам совместных экспериментальных и теоретических исследований математических моделей, связывающих размеры капель и их число после распыления с основными параметрами процесса в виде критериальных выражений с использованием числа Вебера для группы типичных водоугольных топлив. В результате выполнения комплекса экспериментальных и теоретических исследований будут построены зависимости безразмерного характерного среднего размера вторичных капель водоугольного топлива, формирующихся в результате дробления родительских, от числа Вебера. В дальнейшем на основе полученный апостериорной информации будут разработаны математические модели описывающие связи между характеристиками диспергирования капель водоугольного топлива с числами Вебера в условиях широкой вариации значимых факторов: вид угля, скорость движения капли, соотношение в системе уголь/вода и т.д. Также по результатам выполнения работ в рамках проекта будут установлены характеристики и условия процессов диспергирования группы (состоящей из двух, трех) капель водоугольного топлива в среде высокотемпературного окислителя. Планируется определить степень влияния соседних капель на процессы разрушения каждой из них. Будут установлены среднее значения размеров вторичных капель, а также времена задержки диспергирования группы капель в условиях широкой вариации значащих параметров: начальные размеры капель, начальная температура ВУТ и окислителя, скорость движения капли, вид угля, соотношение в системе вода/уголь. В результате выполнения комплекса экспериментальных исследования на основе апостериорной информации будут разработаны математические модели, описывающие связи времен задержки диспергирования и значений характерных размеров капель ВУТ, образующихся в результате диспергирования базовой капли, с числами Вебера в случае распыления групп капель топлива. По результатам выполнения работ в рамках проекта будет дан ответ на вопрос: "Каков возможный минимальный размер капели водоугольного топлива в период его распыления". Полученные при выполнении работ по проекту результаты создадут предпосылки для создания высокоэффективных систем топливосжигания, работающих на ВУТ.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Г.В. Кузнецов, С.В. Сыродой, М.В. Пурин, В.А. Карелин, Н.А. Нигай, С.А. Янковский, С.А. Исаев Analysis of the possibility of solid-phase ignition of coal fuel Energy (год публикации - 2024)
10.1016/j.energy.2023.129579

2. Г.В. Кузнецов, С.В. Сыродой, Ж.А. Косторева, Н.А. Нигай, М.В. Пурин, В.А. Крелин, В.В. Саломатов Analysis of the influence of the type of heat transfer on the dynamics of the ignition processes of wood biomass particles under complex heating conditions Combustion and Flame, Volume 262, April 2024, 113353 (год публикации - 2024)
10.1016/j.combustflame.2024.113353

3. Сыродой С.В., Замалтдинов Р.Р., Познахарев А.С., Акимов В.С. Дробление капель водоугольного топлива в потоке воздуха Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, Т. 335, №7 (год публикации - 2024)

4. Р.Р. Замалтдинов, В.С. Акимов, С.В. Сыродой ХАРАКТЕРИСТИКИ И УСЛОВИЯ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ КАПЕЛЬ ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА ПРИ КОСОМ УДАРЕ О ПОДЛОЖКУ Сборник статей III Всероссийской с международным участием молодёжной конференции, Бутаковские чтения : сборник статей III Всероссийской с международным участием молодёжной конференции / под ред. А.С. Ивашутенко ; Томский политехнический университет. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2023. − 606 с. (год публикации - 2023)

5. Р.Р. Замалтдинов, В.С. Акимов АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ЧИСЛА ВЕБЕРА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ И УСЛОВИЯ ДРОБЛЕНИЯ ОДИНОЧНОЙ КАПЛИ ВУТ Сборник статей III Всероссийской с международным участием молодёжной конференции, Бутаковские чтения : сборник статей III Всероссийской с международным участием молодёжной конференции / под ред. А.С. Ивашутенко ; Томский политехнический университет. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2023. − 606 с. (год публикации - 2023)

6. С.В. Сыродой, Г.В. Кузнецов, Н.А. Нигай, Ж.А. Косторева , Замалтдинов Р.Р. , Гутарева Н.Ю. , Акимов В. Crushing droplets of coal-water fuel under conditions of high-speed impact on a solid barrier International Communications in Heat and Mass Transfe, 157 (2024) 107732 (год публикации - 2024)
10.1016/j.icheatmasstransfer.2024.107732

7. Ксения Войткова, Семен Сыродой, Жанна Косторова * , Андрей Познахарёв * , Максим Тамашевич, Гений Кузнецов, Надежда Гутарева Dynamics of water droplet impact on a textured heated and tilted surface International Communications in Heat and Mass Transfer, 159 (2024) 108189 (год публикации - 2024)
10.1016/j.icheatmasstransfer.2024.108189

8. С.В. Сыродой, Г.В. Кузнецов, К.А. Войткова, Ж.А. Косторова * , Н.Ю. Гутарева, КАК. Познахарев, М.С. Тамашевич The influence of microgrooves on the dynamics of drop spreading on textured surfaces Thermal Science and Engineering Progress, 56 (2024) 103058 (год публикации - 2024)
10.1016/j.tsep.2024.103058

9. Г.В. Кузнецов, С.В. Сыродой, Ж.А. Косторева, Р.Р. Замалтдинов, К.А. Войткова Conditions and characteristics of the coal-water fuel droplets fragmentation in high-speed airflow International Journal of Multiphase Flow, 185, 105125 (год публикации - 2025)
10.1016/j.ijmultiphaseflow.2025.105125

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
При выполнении работы в рамках проекта разработаны, изготовлены и смонтированы несколько новых экспериментальных стендов, обеспечивающих возможность физического моделирования процессов, протекающих при диспергировании отдельных капель водоугольного топлива: a) Первый экспериментальный стенд — полый сопловой канал с плоским профилированным соплом. Входное сечение — прямоугольник 350×40 мм, выходное — квадрат 40×40 мм. Для исследований созданы три сопла с длиной канала 90, 180 и 360 мм, рассчитанные по методике Ветошинского. Две стенки сопла — из стекла, с одной стороны — источник света, с другой — высокоскоростная видеокамера Evercam 1000-32М (2000 кад/с). Капли водоугольного топлива подаются через шприц на оси симметрии. Трубка Пито измеряет скорость потока на выходе. Капля, попадая в сопло, взаимодействует с потоком воздуха, деформируется и разрушается при достижении критических условий. Процесс дробления капель регистрируется видеокамерой Evercam Е4 (2000 кад/с). b) Второй экспериментальный стенд отличается от первого и включает рабочее колесо с прямоугольными лопатками (высота 100 мм, ширина 30 мм), установленными радиально на валу (диаметр 20 мм). Колесо вращается электродвигателем с окружными скоростями от 10 до 100 м/с. Над колесом расположен генератор капель топлива, создающий капли диаметром 2 мм. При повороте диска на угол 90 градусов, капля топлива встречается с поверхностью лопатки. c) Третий экспериментальный стенд — замкнутая камера с двумя вращающимися дисками (300 мм и 700 мм). Диски связаны с электродвигателями через частотный преобразователь, скорость вращения — от 100 до 3000 об/мин. В верхнем диске фрезерованы радиальные канавки, в центре — полый усеченный конус. Эксперимент включал раскручивание дисков и подачу жидкости через конус. Под действием центробежных сил жидкость дробилась и вдувалась в газовую среду. Видеосъемка (Evercam 1000-32М, Sigma AF 105mm) фиксировала процессы дробления капель. 1) Впервые теоретически обосновано применение быстро движущихся твердых поверхностей для дробления крупных капель водоугольного топлива (ВУТ). Метод эффективнее традиционного распыления под высоким давлением. Эксперименты выявили три режима диспергации. 2) В рамках исследования эффективности процесса дробления капель водоугольной суспензии (ВУТ) был проведен детальный анализ, который позволил выявить нелинейную зависимость, характеризующуюся логарифмической природой. Установлено, что увеличение скорости соударения способствует повышению эффективности дробления. Однако при достижении критического значения числа Вебера (We→∞), доля дробленных капель стремится к асимптотическому пределу Ω≈0,6, что свидетельствует о достижении насыщения данного процесса. 3) При концентрации угля в водоугольных суспензиях свыше 50% их реологические свойства изменяются кардинально. Поэтому при моделировании процессов с такими суспензиями нельзя использовать модель ньютоновской жидкости. Необходимо учитывать нелинейные эффекты и сложные реологические зависимости. 4) Эксперименты показали, что повышение начальной температуры водоугольного топлива (ВУТ) значительно снижает критическое число Вебера (We). При увеличении температуры ВУТ с 293 K до 363 K We уменьшается почти вдвое — с 70 до 40, что соответствует снижению предельной скорости обтекания капли воздухом с 25 м/с до 15 м/с. Для водных капель влияние температуры на дробление минимально — не более 5%. На основе данных разработана гипотеза для объяснения этого эффекта. 5) Эксперименты показали, что разрушение капель водоугольного топлива (ВУТ) сильно зависит от градиента скорости потока, в то время как для воды градиент скорости не важен. Это указывает на различия в механизмах разрушения однородных жидкостей и суспензий. Для оценки разрушения однородных жидкостей достаточно критерия Вебера, а для суспензий — учитывать число Вебера и градиент скорости. 6) Экспериментальные данные показали, что градиент скорости воздуха существенно влияет на разрушение капель высококонцентрированных ВУТ. Увеличение градиента скорости ведет к нелинейным изменениям критических чисел Вебера, особенно при концентрации угля 55%. Реологические свойства топлива и гидродинамические процессы внутри капли также влияют на этот процесс. 7) Гипотеза объясняет дробление капель ВУТ внутренними гидродинамическими процессами под воздействием воздушного потока, включая турбулентность, вихри и перераспределение напряжений, что определяет условия разрушения. Результаты исследований углубляют понимание этих механизмов и позволяют точнее оценивать и прогнозировать разрушение капель ВУТ.

Публикации