Ученые ТПУ установили условия «взрывного» вскипания водотопливных эмульсий

26.06.26 07:22

Это позволило сформулировать научные основы для разработки технологий распыления биотоплив на основе микровзрывной фрагментации капель и применения неоднородных теплоносителей в микроустройствах, действие которых сопровождается мощным тепловыделением. Результаты исследований были представлены на первом Томском международном энергетическом форуме, который проходит в эти дни на площадке ТПУ.

 

Присутствие нерастворимых биокомпонентов или воды в составе жидких топлив приводит при сжигании к эффекту микровзрывного распада капель. Из-за этого увеличиваются значения интегральных характеристик горения топлива и снижаются концентрации антропогенных выбросов и сажеобразования. Зажигание такого топлива происходит, как правило, после периода индукции микровзрывного распада капель и зависит от совокупности параметров (компонентного состава капель, их размера и формы, температуры газовоздушной среды и другого). Но известны случаи инициирования горения до микровзрывного распада — с легколетучими топливными компонентами. Однако до сих пор достоверно предсказывать необходимые и достаточные условия для последовательной или одновременной микровзрывной фрагментации и зажигания капель биотоплив было невозможно.

 

Ученые Томского политеха впервые детально исследовали критические условия и динамику распада водотопливных эмульсий при их интенсивном нагреве. Для этого они провели серию экспериментов в широких диапазонах изменения температуры зонда/газа (350-950 К), скорости нагрева жидкостей (102–106 К/с), содержания воды (0-10%) и давления (от 0.1 МПа до 0.7 МПа). Исследования проводились с помощью двух методик — импульсного нагрева проволочного зонда и нагрева капли в потоке газа. Это позволило провести исследования в области кратковременно перегретых состояний воды, предшествующих взрывному вскипанию топлива.

 

«Первичные данные импульсного опыта позволили нам определить коэффициент теплоотдачи во времени — в зависимости от содержания воды, давления и приближения к критическим параметрам топлива. Благодаря этому мы обосновано определили влияние спонтанного вскипания на скорость и диапазон изменения коэффициента теплоотдачи. Наше исследование заложило основу для изучения топлив с водой в условиях малых характерных времен и размеров границ раздела жидкостей», — отмечает один из авторов исследования, доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Дмитрий Антонов.

 

Ученые также составили карты режимов зажигания и фрагментации композиционных капель в безразмерных координатах. Исследования показали, что времена задержки микровзрывного распада и последующего зажигания капель в 4-10 раз меньше аналогичных временных характеристик испарения и зажигания однородных капель этих топлив. При этом площадь поверхности испарения смеси жидкостей после микровзрывного распада увеличивается до 200 раз относительно начальных значений.

 

По словам ученых, такие эффекты значительно ускоряют выгорание альтернативных жидких топлив с добавками-«триггерами» для реализации микровзрывной фрагментации. Это важно для малогабаритных двигателей и энергетических установок для повышения их энергетической мощности.

 

«Микровзрывная фрагментация капель топлив и их зажигание — наиболее перспективное направление, поскольку оно позволяет в десятки раз увеличить площадь поверхности испарения жидкости и приток горючих паров в зону реагирования, ускорить их выгорание и повысить полноту этого процесса. Созданная нами математическая модель позволяет предсказывать оптимальные условия для управления режимами горения капель альтернативных жидких топлив с повышением эффективности их микровзрывного измельчения», — добавляет Дмитрий Антонов.

 

По словам ученых, проведенные исследования позволили обнаружить кратковременные перегретые состояния водотопливных эмульсий, сопровождающиеся интенсивным выделением тепла. При этом в зависимости от доли компонентов-«триггеров» в составе капель может как ускоряться, так и замедляться их прогрев. Так, оптимальная добавка к топливу не должна превышать 10%.

 

Источник: пресс-служба Томского политехнического университета

Читайте также: