В Томском политехническом университете разработана ресурсоэффективная технология получения топливных аэрозолей. Разработку можно будет применять для быстрого розжига котлов ТЭС и котельных, в камерах сгорания дизель-генераторов, а также в двигателях внутреннего сгорания автомобилей. Технология политехников поспособствует экономичному использованию топлива, а также снижению уровня загрязнения окружающей среды. В День энергетика, который отмечается в России 22 декабря, ученые лаборатории моделирования процессов тепломассопереноса Инжнерной школы энергетики ТПУ рассказали о своей разработке.

По словам ученых, одна из главных проблем в энергетике — поиск условий эффективного зажигания топлива, являющегося важным этапом подавляющего большинства теплоэнергетических процессов.

«Прежде чем подавать угольное топливо в топку котла, его необходимо прогревать до высоких температур. Обычно для этого предварительно сжигают растопочное топливо, например, мазут, дизельное топливо и так далее», — объясняет руководитель научного коллектива Павел Стрижак.

Предложенная политехниками технология помогает уменьшить усилия и сберечь ресурсы в процессе розжига топлив.

Ученые получают аэрозоли с применением технологических и сточных вод, содержащих в себе 3–10 % органических примесей (бензин, керосин, нефть, турбинное, трансформаторное, компрессорное масла и др.). Эти примеси не мешают, а даже способствуют измельчению и лучшему горению топлива.

«Мы предлагаем измельчать впрыскиваемое топливо непосредственно в камере сгорания. Достигается это за счет эффектов взрывного вскипания и диспергирования капель», — продолжает Павел Стрижак.

Процесс диспергирования заключается в тонком измельчении жидкостей или твердых тел для получения мелкодисперсных суспензий, эмульсий и порошков. Ученые ТПУ получают водные эмульсии (смесь веществ, в которой один компонент состоит из мельчайших частиц, нерастворимых в другом) и суспензии (смесь веществ, в которых твердое вещество распределено в виде мельчайших частиц в жидком веществе во взвешенном состоянии).

«Реализация таких эффектов возможна при добавлении в состав топлива малого количества воды (1–3 %). Причем распад капель происходит при относительно невысоких температурах 150–300 ⁰С», — объясняет Павел Стрижак.

На практике эмульсии и суспензии с помощью форсуночных устройств впрыскивают в камеру сгорания. При нагревании происходит взрывное парообразование за счет возникновения перепада давления на границе разнородных компонентов топлива: в эмульсии — двух жидкостей, а в суспензиях — жидкости и частицы. В обоих случаях исходная капля измельчается на множество еще более мелких.

Фото: Взрывное разрушение капли эмульсии при нагреве на подложке (верхний рисунок) и в потоке разогретого воздуха (нижний рисунок).

«В итоге мы получаем легко воспламеняемые аэрозоли, — резюмирует Павел Стрижак. — Как показывают наши эксперименты, площадь поверхности испарения можно увеличить более чем в 15 раз. Это означает, что аэрозоль будет нагреваться, испаряться и зажигаться в 3–4 раза быстрее, чем при использовании широко распространенных сегодня систем подачи топлива. То есть, можно существенно удешевить и ускорить процесс розжига».

Использовать такие аэрозоли можно будет не только на производствах, но и в двигателях внутреннего сгорания автомобилей.

«За счет быстрого розжига камера сгорания прогреется быстрее, следовательно, будет потрачено меньше топлива. Помимо ускорения процессов зажигания добавление воды в топливо способствует снижению уровня загрязнения окружающей среды, — отмечает Павел Стрижак. — Крупные концерны по производству автомобилей сегодня в этом очень заинтересованы. Например, наши коллеги из Франции, Германии и Италии проводят такие эксперименты с дизельным топливом по заказу компании BMW».

Видеозапись процесса разрушения капли

Всего, по его словам, над такой технологией в мире работают три научных группы — это ученые из Германии, коллаборация испанских, британских и французских ученых и ученые Томского политехнического университета.

Технология ТПУ уникальна тем, что ее можно применить к широкой группе самых разных топливных эмульсий и суспензий.

«За рубежом работают с одним видом топлив. К примеру, в Германии используют эмульсии на основе дизельного топлива и воды. Мы же можем работать со стоками и жидкими отходами, и это расширяет спектр возможностей и практических приложений нашей работы», — поясняет Павел Стрижак.

Сейчас ученые Томского политеха работают над созданием экспериментальной информационной базы данных, в которую будут внесены основные параметры процессов прогрева, испарения, диспергирования и зажигания капель топлив различного состава в широком диапазоне внешних и внутренних условий. В дальнейшем на основе этой базы ученые создадут прогностические математические модели, которые позволят ускорить внедрение разработки ТПУ в нашу жизнь. 

Отметим, научным коллективом лаборатории моделирования процессов тепломассопереноса получен патент на изобретение технологии (№ 2596797). Исследования политехников поддержаны грантами Российского научного фонда (15–19–10003) и Совета по грантам при Президенте РФ (МД-1221.2017.8). 

В 2017 году научный коллектив Павла Стрижака опубликовал на тему своих исследований научные статьи в журналах Chemical Engineering Research and Design (IF 2,538; Q2), Applied Thermal Engineering (IF 3,444; Q1) и Experimental Thermal and Fluid Science (IF 2,83; Q1), Journal of Cleaner Production (IF 5,715; Q1), Journal of Hazardous Materials (IF 6,065; Q1). Основные статьи ученых можно посмотреть здесь =>

Кроме этого, издательством Сибирского отделения Российской академии наук опубликована монография «Зажигание органоводоугольных топливных композиций». Авторы работы — заведующий кафедрой автоматизации теплоэнергетических процессов Павел Стрижак, доцент кафедры автоматизации теплоэнергетических процессов Дмитрий Глушков и заведующий кафедрой теоретической и промышленной теплотехники Гений Кузнецов. В монографии проведен анализ перспектив применения в теплоэнергетике композиционных органоводоугольных топлив, приготовленных из отходов углеобогащения и нефтепереработки.