Atklājumi.lv

Modris Purmalis. Gaisa pirmapstrāde jonizatorā katlam PK-1,6

Iepriekšējā rakstā [1] tika apskatīti laboratorijas eksperimentu rezultāti degšanas komponentu pirmapstrādei jonizatorā. Pēc tam šāds paņēmiens tika izmantots degšanas gaisa pirmapstrādei arī rūpnieciskajos eksperimentos. Šajā rakstā apskatīti eksperimenti ar gaisa pirmapstrādi jonizatorā uz katla PK – 1,6 gaisa padeves trakta. Jonizatora konstrukcija parādītas un aprakstītas arī darbā [2].

Katla PK-1,6 nominālā jauda ir 1,6 Gcal/h (1,86 MW). Kurināmais: krāšņu degviela (ТПБ) ar aprēķinu siltumspēju Q_z = 42,79 MJ/kg. Kā jonizatora barošanas avots tika lietots gaisa elektrofiltru augstsprieguma taisngriezis B-13/6,5-30 ar nominālo izejas spriegumu U_nom= 13/6,5 k V un strāvu I_nom= 30 m A.

Eksperimentu varianti:

1. –E4 +Kr ... negatīvā koronas izlāde ar negatīvu potencialu uz elektrodiem E4,
2. +E4 –Kr ... pozitīvā koronas izlāde ar pozitīvu potencialu uz elektrodiem E4.

Eksperimenta sākumā pamazām palielina spriegumu U starp nihroma stiepļu elektrodiem (E4) un alumīnija plāksnēm (elektrodi Kr, masa) līdz ap stieplēm rodas pozitīvā vai negatīvā korona atkarībā no to polaritātes. Pieliekot spriegumu, elektriskais lauks rodas starp elektrodiem E4 un Kr. Ap elektrodiem E4 rodas koronas izlādes zilgans starojums un šī izlāde jonizē gaisa molekulas, kas pēc tam pāriet ierosinātā (aktivizētā) stāvoklī ar samazinātu to aktivācijas enerģiju un degšanas reakcijas notiek vieglāk un ātrāk.

Pēc tam ik pēc noteikta laika nolasa un reģistrē katla mēraparātu rādījumus un beigās aprēķina vidējos lielumus. No tiem sastāda katla siltuma bilanci. Tāpat rīkojas pie izslēgta jonizatora (bez gaisa pirmapstrādes) un vidējos lielumus salīdzina, nosakot starpību ar un bez pirmapstrādes gadījumos. Galvenie vidējie rezultāti parādīti 1.tabulā.

-E4 +Kr --- negatīvais potenciāls uz elektrodiem E4 un pozitīvais potenciāls uz elektrodiem Kr.

Evid – vidējie rezultāti pie ieslēgta jonizatora.

d = Evid-Kvid

d = (Evid-Kvid)/Kvid*100, %

P – jonizatora elektriskā jauda, W

q_eff = (q1+q2), % , kur q₂ – ar dūmgāzēm aizplūstošie siltuma zudumi.

Q_eff = Q₁+Q₂, % , kur : Q₁ - lietderīgi izmantotais siltums, Q₂ - siltuma zudumi ar aizplūstošajām dūmgāzēm.

q₁= (Q₁/1000/Q_z/B) x100, % - katla lietderīgi izmantotais siltums %%, kur : Q_z - kurinamā zemākā siltumspēja, kWh/kg, B - kurināmā daudzums, kg/h

B/Q₁ — šķidrā kurināma patēriņš B, kg uz 1 MWh lietderīgi izmantotā siltuma.

CO₂ un O₂ – oglekļa dioksīda un skābekļa saturs dūmgāzēs aiz katla.

α – gaisa pārpilnības koeficients dūmgāzēs aiz katla.

P_vgs – patērētā elektriskā jauda uz 1 m³ gaisa pirmapstrādē.

n_e – brīvo elektronu koncentrācija 1 m³ gaisa jonizatorā.

ΣE_em = E_emO_2(v) + E_emN2_(v) +E_emO_2(a+b) +E_emt_r+rot – brīvo elektronu atdotās un gaisa molekulu O₂ un N₂ saņemtās enerģijas kopējā summa brīvo elektronu un molekulu neelastīgajās sadursmēs [3].

W_em= E² x (n_e x 1,6 x 10 ^{– 19})² / ( ϑ x 9,11 x 10^-31), – brīvo elektronu atdotās un gaisa molekulu O₂ un N₂ saņemtās enerģijas kopējā summa brīvo elektronu un molekulu elastīgajās sadursmēs [4],

kur : E = U / H_i, -- elektriskā lauka intensitāte jonizatorā, V/m
U – spriegums starp elektrodiem E4 un Kr, V
H_i -- izlādes attālums starp elektrodiem E4 un Kr, m
ϑ – elektronu un molekulu elastīgo sadursmju skaits 1m3 gaisa sekundē, 1/(m³ x s).

dQ_gseff = Q^e_gseff - Q^kgseff, -- katla jaudas starpība ar (e) ieslēgtu un (k) izslēgtu jonizatoru uz 1m³ gaisa.

dq_eff = q^e_eff – q^k_eff, -- katla q_eff = (q₁+q₂) siltumu summas starpība ar (e) ieslēgtu un (k) izslēgtu jonizatoru, kas faktiski ir katla lietderības koeficientu starpība pie ieslēgta un neieslēgta jonizatora, ņemot vērā katla siltuma zudumus ar aizplūstošajām dūmgāzēm.

No tabulām 1 un 2, redzams, ka vidēji katla lietderības koeficients pieaug par 5,66%, bet maksimāli par 8,47%, pie kam jonizatora vidējā elektriskā jauda bija tikai 8,60W, bet maksimālā 12,84W.

Līdz ar to, no tabulas 2 redzams, ka vidējā attiecība dQ_gseff/P_vgs ir 6639 un šajos eksperimentos tā sasniedz lielumus 10²…10⁴, kas nozīmē milzīgu iegūtās siltuma enerģijas pārsvaru par izlietoto elektrisko enerģiju. Arī [2], konstatēts, ka maksimālā jonizatora patērētā elektriskā enerģija sastāda tikai 0,09% no katla siltuma ražības pieauguma.

No zīm.1 un 2 var konstatēt, ka katla siltuma ražības pieaugums ir saistīts ar jonizatora elektrisko jaudu un ir atkarīgs no gaisa molekulu aktivācijas enerģijas kopsummas ΣE_em izmaiņām brīvo elektronu neelastīgajās sadursmēs ar gaisa molekulām jonizatorā.

Maksimālais katla jaudas pieaugums dq_eff šajā eksperimentā bija ap 11% pie P_vgs= 2,4 x 10^-6 W/m³ (skat. zīm.1), kas atbilst apmēram jonizatora elektriskajai jaudai P ≈ 10 W un ΣE_em = 0,02 W/m³. Tālāk, palielinot spriegumu jonizatorā, seko dqeff kritums un beigās caursite starp elektrodiem, kura nosaka eksperimenta beigu robežu, kad koronas izlāde pāriet dzirksteļizlādē un tas jau ir pavisam cits process ar lielu elektriskās enerģijas patēriņu.

Pēc tabulas 2 un zīm.3 dQ_gseff un ΣE_em skaitliskās vērtības aptuveni sakrīt, kas liek domāt, ka tieši šajā gadījumā ΣE_em ir cēlonis katla jaudas pieaugumam. Arī ņemot atsevišķi N₂ molekulas, kas sastāda 79% no gaisa molekulām, aina ir apmēram tā pati:

No tabulām 3 un 4 , redzams, ka vidēji katla lietderības koeficients pieaug par 2,61%, bet maksimāli par 5,00%, pie kam jonizatora vidējā elektriskā jauda bija tikai 17,05W, bet maksimālā 19,00W. Tātad šajā variantā ar pozitīvu potencialu uz elektrodiem E4, rezultāti ir ievērojami zemāki par varianta ar negatīvu potencialu uz E4, lai gan jonizatora elektriskā jauda bija lielāka.

Arī variantā +E4 –Kr zīmējumos 5-8 redzama līkņu līdzība, kas norāda uz to, ka katla siltuma ražības pieaugums ir saistīts ar jonizatora elektrisko jaudu un ir atkarīgs no gaisa molekulu aktivācijas enerģijas kopsummas ΣE_em izmaiņām brīvo molekulu neelastīgajās sadursmēs ar gaisa molekulām jonizatorā tāpat kā variantā –E4 +Kr ar negatīvu koronu.

Arī ietekmējot tieši degmaisījumu ar ĀEL katlos DKVR-10-13 un DE-25-14 novērojams milzīgs iegūtās siltuma enerģijas ar un bez lauka starpības pārsvars par izmantoto elektrisko enerģiju, piemēram, sadedzinot mazutu katlā DE-25-14 [5] vai sadedzinot dabas gāzi katlā DKVR-10-13 [6].

REZULTĀTU KOPSAVILKUMS

1. Šie eksperimenti veikti pie jonizatora elektriskās jaudas robežās no 4 līdz 19 W un brīvo elektronu koncentrācijas jonizatorā robežās no 10¹² līdz 10¹³ m^-3.

2. Gaisa pirmapstrādē jonizatorā pie negatīvās koronas, katla lietderības koeficients vidēji pieaug par 5,66%, bet maksimāli par 8,47%, pie kam jonizatora vidējā elektriskā jauda bija 8,60W, bet maksimālā 12,84W.

3. Gaisa pirmapstrādē jonizatorā pie pozitīvās koronas, katla lietderības koeficients vidēji pieaug par 2,61%, bet maksimāli par 5,00%, pie kam jonizatora vidējā elektriskā jauda bija 17,05W, bet maksimālā 19,00W.

4. Katla siltuma ražības pieaugums ir saistīts ar jonizatora elektrisko jaudu un ir atkarīgs no gaisa molekulu aktivācijas enerģijas kopsummas ΣE_em izmaiņām brīvo elektronu neelastīgajās sadursmēs ar gaisa molekulām jonizatorā. Tomēr nav skaidrs, kādā veidā aktivizētās slāpekļa molekulas, kas sastāda 79% no gaisa molekulām, piedalās katla jaudas pieauguma procesā, jo, kā zināms, slāpeklis klasiskajā degšanas procesā nepiedalās.

5. Katla jaudas pieauguma attiecība pret izmantoto jonizatora elektrisko jaudu ir robežās no 10²…10⁴, kas nozīmē milzīgu iegūtās siltuma enerģijas pārsvaru par izlietoto elektrisko enerģiju, ko var izskaidrot tikai ar reaģējošo vielu iekšējās enerģijas izdalīšanos elektriskā lauka, brīvo elektronu sadursmēm ar molekulām un koronas UV starojuma ietekmē. Šis mehānisms (vai mehānismi) pagaidām nav skaidrs.

6. Oglekļa dioksīda CO² izplūde atmosfērā praktiski nepieaug, lai gan katla siltumražība ievērojami palielinās.

Literatūra

1. Modris Purmalis. Degšanas komponentu pirmapstrāde jonizatorā. Atklajumi.lv, 13.10.2017.
2. Пурмал М.Я. О возможностях использования электрических полей при сжигании топлив в котельных установках. Известия ВУЗ-ов, ЭНЕРГЕТИКА, 1988, №5, сс.70-76.
3. Физика плазменно-стимулированного горения, cc.18-19, pиc 3, ε=f(E/N). www.neg.mipt.ru/wp - content/uploads /2013/10/PAC lectures.pdf
4. Шкаровский И., Джонстон П., Бачинский М. Кинетика частиц плазмы.М.:Атомиздат,1969.396с., cc. 28-31.
5 .Д.П.Турлайс,В.П.Гривцов,Д.Е.Русов,М.Я.Пурмалис.(2006) Исследования влияния электрического поля при сжигании мазута в промышленных установках.4-ая Российская национальная конференция по теплобмену (РНКТ-4),23-27.10.2006,Москва. Труды 4-ой РНКТ (2006).Том 3,сс.327-328.
6. Modris Purmalis. Kurināmā sadedzināšanas paņēmiens. Patents LV 15255 no 20.10.2017.

© Atklajumi.lv. Pārpublicēt atļauts tikai ievērojot ŠOS NOTEIKUMUS.