Статьи нужны авторам - и то слава Богу, чтоб

пыль пустить в глаза
другим немного.........
......VIII Всероссийская конференция с международным участием «Горение твердого топлива»
Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, 13–16 ноября 2012 г.
76.1
БАЗОВАЯ РОЛЬ КОАГУЛЯЦИОННО-КОНДЕНСАЦИОННЫХ
ПРОЦЕССОВ ТЯЖЕЛЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ ПРИ
СВЧ ИНИЦИИРОВАНИИ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ УГЛЕЙ
(ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ПОДХОД И ЧИСЛЕННОЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ)
1
Пащенко С.Э., 2
Саломатов В.В., 2
Алексеенко С.В., 3
Пащенко С.С., 3
Каляда В.В., 3
Мадирбаев В.Ж., 3
Гартвич Г.Г., 3
Зарвин А.Е.
1
ООО СВЧ АСТ, НГУ, 2
ИТ СО РАН, 3
НГУ, Новосибирск
При воздействии на уголь проникающим в глубь угля СВЧ излучением
образуется выброс газов и тяжелых углеводородов через образующиеся в матри-
це угля щели. Выбрасываемая смесь может вспыхивать, если достигаются кри-
тические условия воспламенения. Однако в литературе не рассматривалась до
сих пор роль коагуляционных – конденсационных процессов тяжелых углеводо-
родов в щелях углей и в приповерхностном слое угля, которые могут сущест-
венно повлиять как на параметры воспламенения этого своеобразного синтез-
газа, так и на скорость его горения.
1. Образование высокодисперсных частиц на стадии движения тя-
желых углеводородов в угольной щели. Время движения в щели угля не более
10 – 100 мс. В объеме щели с большими концентрациями частиц чрезвычайно
важен процесс броуновской коагуляции. При характерных константах коагуля-
ции K = 10(-8-10) см3
/c и концентрации зародышей от n = 10(15)-10(18) 1/см3
 
характерное время коагуляционного процесса равно: ; = 1/ Kn – и составляет
меньше 1 мкс. Порядковые различия времени коагуляции и времени сгорания
агломерата приводит к образованию фракции частиц со средним размером от
0.05 и до 0.3 мк и параметром дисперсией логнормального распределения ;g =
1.3 – 1.8.
2. Трансформация спектра распределения высокодисперсных частиц
при движении в щели. При движении частиц конденсирующихся тяжелых уг-
леводород внутри щели разноскоростной коагуляцией можно пренебречь из-за
относительно небольших размеров частиц и основным процессом формирования
спектра будет опять же броуновская коагуляция. Время нахождения частиц в
щели (и при поверхностном слое) меняется от 0.001 с и до t = 10 с в конце горе-
ния угля (в конце СВЧ вспышки). При этом спектр распределения расширяется с
узкого "самохраняющегося" c ;g = 1.3 – 1.4 и размерам около 0.3 мк до спектра
со среднемассовым размером в 2- 4 мк и ;g > 1.8.
3. Трансформация спектра распределения высокодисперсных частиц
на выходе из щели. Мы не готовы дать надежные численные оценки процессов
трансформации спектра частиц, проходящих в факеле над щелью. В первом при-
ближении предлагаем не учитывать эти изменения из-за малого времени пребы-
вания частиц в факеле.
4. Трансформация спектра распределения нано-кластеров тяжелых
углеводородов в процессе отбора образцов для анализа на аналитических
химических приборах. Для каждого типа прибора и методов отбора важен свой
76.2
подход. Крайние случаи: для электронных микроскопов отбор на вакуумные от-
борники с характерным временем отбора от 0.001 секунды, и другой предельный
случай, отбор в микрошприцы для масс-хроматографа, с временем нахождения
углеводородов в ограниченном пространстве до 10 секунд (перенос и «вкалыва-
ние» шприца). В обоих случаях используются подходы и расчетные модели, ра-
нее развитые нами для отбора проб при сжигании ракетных топлив.
Основные особенности методики исследования и проведения экспе-
риментов: 1 – уголь помещается в резонатор в максимум пучности СВЧ напря-
жения, с учётом искажения формы полей самим куском угля, 2 – СВЧ мощность
подается в резонатор сразу с максимальной интенсивностью, 3 – ИК изображе-
ния поверхности угля на длинах волн около 10 мкм формируются с частотой 9-
10 Гц с разрешением по поверхности угля до 50 мкм в режиме погружения
кремниевых выносных объективов в резонатор (модифицированная нами модель
тепловизоров Ti25 и Ti32 ).
Для получения комплексной информации в процессе СВЧ активации в
непосредственной близости к образцу (сантиметры и менее), кроме ИК-камер
использовались: видеокамеры со спецоптическими насадками при скорости
съемки от 1 и до 3500 кадров в секунду, фотоэлектрические анализаторы аэрозо-
лей (ПК.ГТА 0,3-002) и нефелометры (ФАН–А) в режимах быстрой прокачки [1,
2] и нефелометрические головки с разрешением во времени до 1 мкс [3], ваку-
умные отборники аэрозолей и наночастиц от 3 нм и до 8 мкм, отборники газовых
проб на высотах от 100 мкм над поверхностью и выше, включая и режим отбора
непосредственно как из аэрозольного облака, так и из факела, при воспламене-
нии аэрозольно-газовой смеси над поверхностью угля.
Для анализа отобранных газово-аэрозольных проб использовались:
Хроматомасс-спектрометр GCMS-QP2010 Plus с двумя типами колонок, полевой
хроматограф ЭХО. Особое внимание уделялось определению начальной газово-
аэрозольной составляющей в атмосфере над поверхностью угля, в трещинах, в
шурфах до 30 см в больших цельных кусках угля весом 700 кг, при механиче-
ских воздействиях на уголь и трениях сверла в шурфах. Для анализа летучих
компонент углей при комнатных температурах был использован метод «боль-
шой камеры по специальной схеме с квадрупольным масс-спектрометром.
На разных стадиях процесса СВЧ активации углей проводился анализ
морфологического строения поверхностей активированных углей с помощью
оптических микроскопов высокого разрешения, в различных участках оптиче-
ского спектра. И эффективным (быстрый, без спецпрепарирования образца угля)
стал метод исследования с помощью сканирующего электронного микроскопа и
рентгеновского дифрактометра.
Основные типы наблюдаемых физико-химических процессов при
СВЧ активации углей. В обычных температурных условиях до 50 – 70 С и при
механических воздействиях небольшой интенсивности (разлом угля, медленное
сдавливание микропрессом, небольшие обороты сверла в шурфе угольной мат-
рицы) нами было показано, что выделение газовой и аэрозольной составляющей
практически не отличается от фоновых значений. Основные аэрозольно-газовые
процессы – выделение белой аэрозольной компоненты, появление черных аэро-
золей микрометрового размера от «быстрых» трещин, возникают при Т >150 о
C.
Или при жестком, ударном разломе угля, и больших скоростях вращения сверла
76.3
с локальным перегревов до 300-350 о
С. Эти данные позволили выбрать основные
СВЧ режимы нагрева угля, которые не приводят к возникновению процессов
возникновения «грубой – механической и тепловой» газовой и аэрозольной фазы
над углем.
При помещении угля в СВЧ активатор ИК анализ максимальной темпе-
ратуры на образце даёт следующие зависимости (рис. 1). При Т > 350-450 о
C (в
зависимости от скорости роста мощности СВЧ поля) возникает пламя с сажевой
ИК компонентой, при условиях окисления в режиме обдува образца внешним
воздухом. При этом время достижения температур воспламенения в кратерах
разлома (обсуждается ниже) составляет порядка 10 секунд даже в слабо-
градиентном СВЧ поле.
Рис. 1. Температурная кинетика СВЧ воздействия на уголь на основе определения ИК времен-
ных зависимостей температур вдоль канала трещины газово-аэрозольных выбросов в угле.
Морфологический анализ временной динамики изменения поверхности с
применением оптических и электронного сканирующего микроскопа, ИК микро-
скопа, созданного на базе Ti 25 в НГУ, высокоскоростной камеры (до 4000 кад-
ров в секунду) показали ряд особенностей в возникновении трещин, выбросов
аэрозольной органической компоненты, и её воспламенения на границе трещина
– воздух.
На рис. 2 показаны типичные структуры поверхностных трещин, при
этом зоны истечения газово-аэрозольной фазы сосредоточены на небольших от-
резках длины трещин с относительно равномерным интервалом. Особенно хо-
рошо это видно при анализе изображения факела воспламенения на первых се-
кундах процесса (рис. 3).
Рис. 2. Типичные структуры трещин в угле при СВЧ активации и выбросе
нано-аэрозольных фракций тяжелых углеводородов.
76.4
Рис. 3. Структурная периодичность возникновения факела
воспламенения вдоль СВЧ инициированной трещины в угле.
Локальные быстрые отборы проб газово-аэрозольной фазы в объемах 0.1-
0.5 см3 над поверхностью угля в разных режимах его нагрева (СВЧ, тепловой,
механический) с анализом проб хроматомасс-спектрометр GCMS-QP2010 Plus с
двумя типами колонок и полевой хроматограф ЭХО на трех типах хроматогра-
фических колонок. Наилучшие результаты для анализа спектра по массам тяже-
лых углеводородов средней летучести получены на колонке С25-18 M на непод-
вижной жидкой фазе OV. На рис. 4 показаны некоторые типы хроматограмм и
масс-спектров. Отметим, что извлечение из таких данных полезной информации
требует комплексного понимания стадий всего процесса и учета взаимодействия
между собой и стенками отборников и колонок газовой органическая фазы, на-
ночастицы и аэрозолей.
Рис. 4. Масс-хроматограмма, полученная на масс-спектрометре
при СВЧ активации угля до 350 о
С.
Моделирование основных характеристик аэрозольной фазы от этапа
возникновения в глубине щели и до воспламенения над поверхностью угля.
Исходя из полученных экспериментальных данных, мы предложили сле-
дующую цепочку процессов, возникающих при СВЧ градиентом нагреве цель-
ного куска угля: 1 – внутренний нагрев угля СВЧ локальным полем до возник-
новения водно-органической фазы высокого давления, 2 – неполный разлом уг-
ля на одиночные или небольшое количество трещин для «стравливания» внут-
76.5
реннего давления, 3 – полуэмпирический закон изменения распределения во
времени температур по длине трещины (ИК тепловизорные, микротермопарные
и расчетные данные) и в точках локального прорыва канальных выходов («жер-
ло вулкана»), 4 – численная оценка скорости образования нанокластеров вдоль
канала охлаждения при движении газовой органической компоненты по этому
каналу, с высоким временным градиентом его охлаждения в первые секунды
предвоспламенения, вдоль радиальной координаты всего куска угля, 5 – коагу-
ляционный рост нанокластеров с одновременной диффузией на стенки канала с
выделением теплоты конденсации, и истощением фазы газовой органической
компоненты по длине кратера, 6 – выход аэрозолей размером до 0.5-2 мкм из
кратера в окружении органической компоненты легких быстровоспламеняющих
фракций (расчет спектра коагуляционного процесса с истощением мономеров
проводился по модели Смолуховского – Пащенко [1]), 7 – воспламенение газо-
вой органической фазы в зонах перемешивания с воздухом при достижении тем-
ператур воспламенения и горения вынесенных органических аэрозолей, как вто-
ричного фактора устойчивости факела горения, 8 – процесс и численный анализ
выноса наночастиц минеральной фракции (окись алюминия и кремния) из глу-
бин перегретого угля с точки зрения их влияния на процессы скорости зароды-
шеобразования в канале выноса органических аэрозолей [5] и каталитическое
воспламенение через механизм дополнительного образования ОН радикала на их
поверхности [4].
Рис. 5 Типичный выброс аэрозолей углеводородной фракции
из микро-шурфа в цельном куске угля весом 700 кг.
Часть коагуляционно-аэрозольных процессов, из затронутых выше, нами
исследовалось ранее [6-9], так как они возникают в физике горения ТРТ, в ра-
кетных всплывающих облаках выхлопах, в горелках безсажевого горения нового
типа. Типичный выброс из микро-шурфа цельного куска угля весом 700 кг аэро-
золей углеводородной фракции показан на рис. 5. Количественные коагуляцион-
но-испарительные расчеты распределения частиц по размерам и массам во вре-
мени их движения в щелях и над поверхностью проводились на основе числен-
ной модели Смолуховского – Пащенко [1].
76.6
ВЫВОД. Даже на сегодняшнем начальном этапе научного исследования
процессов СВЧ активации углей ясно, что такая форма предобработки углей
может занять важную нишу в угольной энергетике.
Литература
1. Пащенко С.Э., Сабельфельд К.К. Атмосферный и техногенный аэрозоль, (кинетиче-
ские, электронно-зондовые и численные методы исследования.) часть. I и II, с. 310.
Новосибирск 1993 г. АН РАН.
2. Пащенко С.Э., Зарко В.Е., Олейников Б.Д., Уткин С.М., Тихомирова Т.В., Власова
С.П. Качественный анализ основных процессов, происходящих при образовании и
распространении высокодисперсных аэрозолей окислов алюминия при открытом и
стендовом сжигании крупногабаритных РДТТ и методы их исследования. В сб.
"ПРОБЛЕМНЫЕ ВОПРОСЫ МЕТОДОЛОГИИ УТИЛИЗАЦИИ СТРТ, ОТХОДОВ
И ОСТАТКОВ ЖРТ В ЭЛЕМЕНТАХ РКТ". (Ред. С. М. Уткин, В.И. Марьяш.)
Бийск, ФНПЦ «Алтай», 2000г, с. 133-143
3. Alekseenko S.V., Paschenko S.E., and Salomatov V.V. The burner for off-grade fuels on
a new principle of Nanocluster combustion // 33rd International Symposium on Combustion, China, Beiling, 2010. P. 48-50.
4. Алексеенко СВ., Пащенко С.Э., Саломатов В.В. Нанокластерное инициирование
горения некондиционных углеводородных топлив // Инж.-физ.ж., 2010, т. 10, №4. С.
682-693:
5. S.E.Pashenko, K.K.Sabelfeld, and K.P.Kutsenogii: Formation of the nucleii of the new
phase on a surface of high dispersed aerosols (experiment and numerical simulation).
Dokl. Akad. Nauk SSSR, 1981, v.261, N3, p.698-701.
6. Пащенко С.Э, Осоченко А.Е, Зарко В.Е. (ИХКиГ СО), Жарков А. С, Марьяш В.И,
Уткин С.М. , Потапов М.Г, Т.В. (ФНПЦ "Алтай"). Полуэмпирическая модель ос-
новных процессов, происходящих при образовании и распространении высокодис-
персных аэрозолей окислов алюминия при открытом сжигании крупногабаритных
РТД, Сборник трудов НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ "ПРОБЛЕМ-
НЫЕ ВОПРОСЫ МЕТОДОЛОГИИ УТИЛИЗАЦИИ СТРТ, ОТХОДОВ И ОСТАТ-
КОВ ЖРТ В ЭЛЕМЕНТАХ РКТ" (редактор А.С. Жарков) г. Бийск, ФНПЦ "Алтай",
2003 г., с. 83-97.
7. Алексеенко С.В., Пащенко С.Э., Саломатов В.В. О возможном механизме нанокла-
стерного инициирования горения углеводородных топлив в сажепаровом факеле //
Монография "Исследования и разработки Сибирского отделения Российской акаде-
мии наук в области энергоэффективных разработок". Отв. ред. чл.-корр. РАН
СВ.Алексеенко. Серия "Интеграционные проекты СО РАН". – Новосибирск: изд-во
СО РАН, 2009. – 540 с.
8. Pashenko S.E., Zarko V.E., Osochenko A.V., and Hori K. Phenomenological Description
of the Combustion Cloud Evolution upon Ground Testing of Large Solid Motors // 24th
International Symposium on Space Technology and Science Miyazaki, Japan May 30 –
June 6, 2004.
9. Саломатов В.В., Пащенко С.Э., Алексеенко СВ. Новый механизм нанокластерного
горения некондиционных углеводородных топлив // Сб. научных трудов Всерос.
научно-практич. конф. «Теплофизические основы энергетических технологий». –
Томск, 2010. С. 3-14.