Atklājumi.lv

Modris Purmalis. Kurināmā sadedzināšanas paņēmiens

Šis apraksts pamatojas uz manu patentu LV 15255 [1] un publikāciju atklājumi.lv [2].

Pašlaik arvien plašāk siltumģeneratoros, piemēram tvaika un ūdens apkures katlos, tiek ieviesta liesmas ietekmēšana ar ārējo elektrisko lauku (ĀEL), kas palielina siltumražību un samazina kaitīgos izmešus atmosfērā [3; 4; 5]. ĀEL ietekme uz liesmu un degšanu pazīstama jau sen, bet plašāki pētījumi sākti 20. gs., sevišķi no 30. gadiem, kad var minēt Maļinovska [6], Asakavas [7], Lautona [8] un Veinberga [9] darbus. Rūpnieciskie eksperimenti ĀEL pielietošanā siltumenerģētikā sākti 20. gs. pēdējā ceturksnī [10; 11; 12] un turpinās [13, 14]. Ir patentēti ĀEL pielietošanas paņēmieni iekšdedzes dzinējos un siltumģeneratoros to jaudas un ražības palielināšanai, siltumpārejas uzlabošanai un kaitīgo izmešu samazināšanai [15-19]. Tomēr visi šie paņēmieni neņem vērā brīvo
elektronu koncentrāciju gaisa un degmaisījuma zonās rūpnieciskajos degļos, kas bieži noved pie pretēja efekta, kad siltumražība samazinās un kaitīgo izmešu daudzums palielinās.

Brīvo elektronu koncentrāciju nosaka izlādes strāva, degmaisījuma daudzums un degšanas gaisa pārpilnības koeficients. Šī koncentrācija un lauka intensitāte savukārt nosaka brīvo elektronu jaudas un enerģijas daudzumu [20; 21], kas tiek atdots liesmas
molekulām un tālāk, piemēram, katla sildvirsmai, tādējādi palielinot katla siltumražību.

Šajā kurināmā sadedzināšanas paņēmienā uz liesmas degmaisījuma zonu iedarbojoties ar ārējo elektrisko lauku un izraisot tajā elektrisko izlādi, kas iedarbojas arī uz degļa gaisa zonu, radot abās zonās brīvos elektronus, kuri savu enerģiju pie sadursmēm atdod gaisa un degvielas molekulām, palielinot siltumģeneratora ražību un strāvas spriegumu uztur tādu, lai lauka radīšanai patērētā elektriskā enerģija būtu mazāka par siltumražību starpību, kas iegūta siltumģeneratoram strādājot ar un bez lauka pielietošanas.

Paņēmiena shēma parādīta fig.1 :

Katlā esošajā deglī (fig.1) ievieto izolētu elektrodu (1) ar aktīvo darba galu no radiāliem nihroma stieples stariem ar diametru de un stara garumu ls (skats A). Ar fiksatoru (2) noregulē elektroda garumu le tā, lai tā gals atrastos degmaisījuma zonā, ko var vizuāli
redzēt caur skatlūkas cauruli (3). Tāpēc stariem ir jābūt tumšiem. Staru sarkanīga nokrāsa norāda uz to, ka elektroda (1) gals ir tuvu degšanas frontei un tas jāpavelk atpakaļ, līdz sarkanīgā nokrāsa izzūd. Gaisu padod caur degļa gaisa reģistru (4), kur tas iegūst
virpuļveida kustību un virzās pa gaisa zonu cauri gredzenveida gāzes kolektoram (5), kur to sajauc ar perpendikulāri izplūstošajām gāzes strūklām, izveidojot degmaisījumu. Kā otro elektrodu izmanto degļa priekšējo vairogu (6) ap caurules (3) galu, to sazemējot caur
degļa un katla masu. Ieslēdzot strāvas ģeneratoru (7), rodas ĀEL lauks starp elektroda (1) staru galiem un vairogu (6), kā tas parādīts (fig.1) ar ārējo raustīto līniju. Lauka intensitāti E nosaka izlādes attālums H_i pēc sakarības E=U/H_i. Lauks ietekmē kā degmaisījuma tā gaisa zonu, kas (fig.1) parādīta ar iekšējo raustīto līniju.

Brīvo elektronu atdotā enerģija elastīgajās un neelastīgajās sadursmēs abās zonās gaisa un gāzes molekulām, atkarīga no lauka intensitātes E un lādēto daļiņu koncentrācijas n_e, kas, savukārt, atkarīga no strāvas stipruma I, gaisa L un gāzes B kopējā patēriņa Vm=L+B pēc sakarības n_e = I/(1,6x10^-19 x V_m/3600). E un I pie noteiktiem H_i , L, B regulē ar strāvas ģeneratora spriegumu U, pie kam patērētai elektriskajai jaudai P un enerģijai W jābūt mazākai par katla jaudas un siltumražības starpību ar un bez ĀEL. Praktiski to nosaka pie katla ieregulēšanas, darbinot katlu ar un bez lauka ietekmes un pēc šiem rezultātiem sastādot katla darba režīma karti vai datorprogrammu, kurā atzīmē pie katras katla slodzes, piemēram, 25, 50, 75,100 %, lielumu U, I, P, W un H_i vērtības.

Paņēmiens tika pārbaudīts uz katliem DKVR-10-13, DE-25-14, KVGM-10, PTVM-10 un RK-1,6 ar kurināmo dabas gāzi, mazutu un krāšņu degvielu, visos iegūstot pozitīvus rezultātus.

Tālāk aprakstā kā piemērs ir sniegti tvaika katla DKVR-10-13 ar tvaika ražību 10t/h un spiedienu 13atm izmēģinājumu rezultāti, kas apkopoti no 1. līdz 7. tabulai, kurās Nr. ir izmēģinājuma numurs; Nr. ir 0 izmēģinājumiem bez lauka. Kurināmais ir dabas gāze.

Tabulās 2, 3 un 4 parādītie lielumi Q_eff, dQ_eff un dQ_meff ir aprēķināti, ņemot vērā siltuma zudumus q₂ aiz katla ar aizplūstošajām dūmgāzēm. Katram konkrētam katlam q₂ lielā mērā būs atkarīgs no katla konstrukcijas (papildsildvirsmām u.c.).

Izmēģinājumu rezultātu 3.tabula un fig.5 apstiprina brīvo elektronu lomu katla jaudas un siltumražības pieaugumā. Brīvie elektroni pie elastīgajām sadursmēm atdod savu enerģiju gaisa un kurināmā molekulām. Lai gan elektronu atdotā enerģija ε’_em ir ļoti maza, tomēr,
pieaugot ε’_em, pieaug arī dQ_meff kā tas redzams no fig.5.

Daudz vairāk enerģijas brīvie elektroni atdod neelastīgajās sadursmēs ar gaisa un kurināmā molekulām, aktivizējot un ionizējot šīs molekulas pirms degšanas reakcijām, tādējādi intensificējot degšanas procesu un zināmas daļas molekulu iekšējās enerģijas izdalīšanos siltuma veidā. Enerģijas atdeve parādīta 6.tabulā un no fig. 8 līdz fig.12.

No 7. tabulas redzams, ka elektronu atdotā enerģija neelastīgajās sadursmēs ar molekulām daudzkārt pārsniedz elektronu atdoto enerģiju elastīgajās sadursmēs, kas atbilst klasiskajam priekšstatam, piemēram [23].

Tomēr elektronu atdotās enerģijas summa skaitliski ir daudz mazāka par iegūto siltuma enerģijas starpību ar un bez lauka dQ_meff. Acīmredzot atdotā brīvo elektronu enerģija tieši neietekmē katla siltumražību, bet krasi samazina degšanas reakciju aktivācijas enerģiju, tādējādi samazinot, piemēram, pašas liesmas siltuma enerģijas daudzumu, kas tiek patērēts gaisa un gāzes molekulu sadalīšanai pirms degšanas un šis samazinājums ārēji izdalās kā katla siltumražības pieaugums.

No tabulām 2, 3 un 5 ir redzams, ka dotajos izmēģinājuma apstākļos, pielietojot lauku, katla lietderīgi izmantojamais siltums (katla lietderības koeficients KLK) q1 pieaug vidēji par 3,24 %, maksimāli par 6,45 %, katla jauda Q₁ pieaug vidēji par 3,77 % un samazinās
vidēji gāzes patēriņš uz 1 MWh saražotās siltumenerģijas B/Q₁ par 4 %, maksimāli par 8%, pie kam vienlaicīgi samazinājās NO_x izmešu daudzums vidēji par 7,3%, maksimāli par 22,7 %.

Elektroenerģijas patēriņš attiecībā pret iegūto siltuma enerģijas pieaugumu ir niecīgs un sastāda tikai vidēji 0,08 % , kas konstatēts arī pie mazuta sadedzināšanas katlā DE-25-14 [24].

Aprakstītā paņēmiena pielietošana praksē ar manuālo vadību neprasa katla un degļa pārbūvi, kā arī lielas izmaksas. Elektrodu ievieto esošajā deglī, piemēram, caur esošo skatlūku un pieslēdz ar kabeli augstsprieguma blokam, kura vietā var izmantot esošo aizdedzes transformatoru. Tālāk seko iekārtas ieregulēšana, lai noteiktu optimālos U, I un H_i katram katla darba režīmam. Elektrods, kabelis un
jauns bloks izmaksās dažus simtus euro. Arī datorizētu vadību var piemērot sprieguma un strāvas regulēšanai pēc, piemēram, O₂ koncentrācijas aizplūstošajās dūmgāzēs vai kāda cita galvenā katla darbības rādītāja.

Tādējādi šī paņēmiena pielietošana ļauj izmantot brīvo elektronu enerģiju siltumģeneratoru jaudas un ražības palielināšanai, vienlaicīgi samazinot kurināmā patēriņu un kaitīgo izmešu daudzumu.

Literatūra

1. Patents LV 15255 no 20.10.2017.
2. Modris Purmalis. SILTUMAPGĀDES KATLU JAUDAS PALIELINĀŠANA UN KAITĪGO IZMEŠU SAMAZINĀŠANA PIELIETOJOT ELEKTRISKO LAUKU. 09.01.2017 www.atklajumi.lv
3. Синкевич О.А. Перспективы использования плазменных и газоразрядных технологий в теплоэнергетике. Теплоенергетика, № 3, 2004, сс.57-60.
4. ClearSign Combustion Corporation. Electrodynamic Combustion Control Technology. 2012.06.18, p.1-11.
www.clearsign.com/technology/electrodynamic-combustion-control/
5. М.А.Амосова, В.Т.Антуфьев. Исследования по созданию эффективной горелки для тепловых установок пищевой промышленности. w ww.processes.open-mehanics.
6. Ф.А.Лавров и А.Э.Малиновский. Влияние продольного электрического поля на процесс горения газовых смесей. ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, т. IV, вып.1,1933,сс.104-108.
7. Y.Asakawa. JSME 1967 Semi-Intrenational Symposium 1967.9.4-8, Tokyo, Promotion of Vaporization by Means of Application of Electric Field, p.95-102.
8. Lawton J. and Weinberg F.J. Electrical Aspects of Combustion. Claredon Press,Oxford (1969).
9. Weinberg F.J. Smokes, droplets, flames and electric fields, Faraday Symposia of The Chemical Society, No 7, 120 (1973).
10. Пурмал М.Я. О возможностях использования электрических полей при сжигании топлив в котельных установках. Известия ВУЗ-ов, серия ЭНЕРГЕТИКА,1988, № 5, сс.70-76.
11. Maija Zake, Modris Purmals and Mara Lubane. Enhanced Electric Field Effect on a Flame.Enhanced Heat Transfer, 1998, Vol. 5, pp.139-163.
12. M.Zake, D.Turlajs, M.Purmals. Electric Field Control of NO x formation in the Flame Channel Flows. Global Nest : the Int.J.Vol. 2, No 1, pp.99-108,2000.
13. Сlear Sign Electrodynamic Combustion Conntrol Technology www.clearsign.com/technology
14. I.Barmina,M.Purmalis,R.Valdmanis,M.Zake.Electrodynamic Control of the Combustion Characteristics and Heat Energy Production. Combustion Science and Technology,Volume 188,Issue 2,pp.190-206,2016. www.scilit.net/article/10.1080/00102202.2015.1088010
15. Patents US 8881535 B2, izdošanas datums 11.11.2014.
16. Patents US 9151549 B2, izdošanas datums 06.10.2015.
17. Patents RU 2071219 C1, izdošanas datums 27.12.1996.
18. Patents RU 2125682 C1, izdošanas datums 27.01.1999.
19. Patents RU 2160414, C1, izdošanas datums 10.12.2000.
20. Шкаровский И., Джонстон П., Бачинский М. Кинетика частиц плазмы. М.: Атомиздат, 1969, сс.28-30.
21. М.В.Заке, М.Я.Пурмал, В.А.Сермулиньш, И.Н.Ятченко. Оптические и электрофизические свойства пламени пропана во внешнем электрическом поле.Известия АН Латвийской ССР, серия физических и технических наук,1987, № 4, сс.109-115,рис.4.
22. Физика плазменно-стимулированного горения, cc.18-19, рис. 3, ε=f(E/N). www . neg . mipt . ru / wp - content / uploads /2013/10/ PAC lectures .pdf
23. Электрические разряды в газах. Физическая энциклопедия. www.femto.com .ua/articles_part2/4641.html
24. 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.

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