Сотрудники Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Томского политехнического университета завершили этап фундаментального изучения условий и механизмов распада водо-топливных эмульсий при высокотемпературном воздействии. В фокусе внимания ученых находились критические параметры (температура, давление, скорость нагрева), при которых двухфазная жидкость теряет устойчивость и переходит в режим взрывного вскипания. Опираясь на экспериментальные данные, команда исследователей разработала теоретические базы, которые лягут в основу инновационных методов распыления биотоплива (в том числе на основе микровзрывного дробления), а также методик применения неоднородных (многофазных) теплоносителей в компактных микроустройствах, где требуется отвод больших объемов тепла с ограниченной площади. Стоит отметить, что часть результатов уже легла в основу математической модели, позволяющей прогнозировать поведение топливных капель. Доклад, посвященный этим достижениям, прозвучал на первом Томском международном энергетическом форуме, который в настоящее время проходит на базе ТПУ, и был отмечен на секции, посвященной энергоэффективности и новым видам топлива.
Анна Абрамова
Источник фото пресс-служба Томского политехнического университета
Финансирование исследований осуществлялось за счет гранта Российского научного фонда (№23-69-10006). Публикации по итогам работы вышли в таких журналах, как Experimental Thermal and Fluid Science (Q1, IF: 3,3) и International Journal of Heat and Mass Transfer (Q1, IF: 5,8).
Эффект микровзрывного распада капель
Фундаментальной особенностью горения жидких топлив, содержащих нерастворимые биокомпоненты или воду, является возникновение эффекта микровзрывного дробления капель. Этот эффект обусловлен гетерогенным фазовым переходом: вода или легкокипящие биодобавки, заключенные в оболочке из менее летучего компонента, при нагреве достигают температуры перегрева и мгновенно вскипают, разрывая каплю на множество более мелких фрагментов. Как показывают исследования, такой механизм разрушения капель ведет к существенному повышению интегральных показателей сгорания — увеличивается поверхность контакта топлива с окислителем, ускоряется выгорание, а образование вредных выбросов (оксидов азота, углерода) и сажи заметно снижается. В стандартных условиях момент воспламенения биотоплива наступает после завершения фазы индукции микровзрыва, причем длительность этой фазы определяется сложным мультипараметрическим полем: компонентным составом смеси, формой и начальным диаметром капли, температурой и скоростью газового потока. Вместе с тем известны случаи, когда горение инициируется раньше взрывного распада — это характерно для композиций, обогащенных высоколетучими компонентами (например, спиртами или легкими эфирами). Несмотря на значительный объем накопленных эмпирических данных, до сих пор отсутствовали надежные теоретические модели и эмпирические критерии, позволяющие однозначно прогнозировать, при каких именно условиях будет наблюдаться последовательная смена стадий (сначала дробление, затем воспламенение) или же их синхронное протекание. Разработанный в ходе исследования подход впервые позволяет дать количественную оценку этим режимам.
Экспериментальное изучение критических параметров
Авторитетное исследование, выполненное специалистами Томского политехнического университета, впервые в мировой практике позволило провести комплексный анализ критических параметров и кинетики распада водо-топливных эмульсий в условиях интенсивного теплового воздействия. Методологически работа отличалась рекордно широким охватом экспериментальных режимов: температура измерительного зонда и газовой среды варьировалась от 350 до 950 К, скорость нагрева жидких образцов находилась в диапазоне от 10² до 10⁶ К/с, содержание эмульгированной воды составляло от 0 до 10% (по массе), а давление в камере изменялось от 0,1 до 0,7 МПа. Для достижения максимальной достоверности результатов ученые применили две взаимодополняющие методики — импульсный нагрев тонкого проволочного зонда, погруженного в эмульсию, и нагрев одиночной капли, помещенной в контролируемый газовый поток. Комбинация этих подходов позволила впервые зафиксировать и детально охарактеризовать кратковременные перегретые состояния водной фазы, которые предшествуют моменту взрывного вскипания и разрушения топливной капли.
Дмитрий Антонов, доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ и соавтор публикации, отметил: «Сырые данные, полученные в серии импульсных экспериментов, послужили основой для вычисления динамического коэффициента теплоотдачи как функции времени, при этом учитывались такие переменные, как содержание воды в эмульсии, рабочее давление и степень приближения системы к критическим термодинамическим параметрам топливной композиции. Такой подход позволил нам с высокой степенью обоснованности установить, каким именно образом спонтанное вскипание влияет на скорость изменения и диапазон вариации коэффициента теплоотдачи. Мы убеждены, что наше исследование формирует прочный фундамент для дальнейшего изучения топливных систем с водной компонентой в условиях, характеризующихся предельно малыми временными интервалами и субмиллиметровыми размерами границ раздела жидкостей».
Карты режимов воспламенения и дробления
Еще одним важным результатом работы стало создание и визуализация карт режимов воспламенения и дробления композиционных капель, представленных в безразмерных координатах. Для построения этих карт ученые использовали комбинацию критериев подобия, включающих число Якоба (характеризующее перегрев жидкости относительно температуры насыщения), число Вебера (описывающее соотношение инерционных и капиллярных сил) и число Онезорге (учитывающее вязкость). Нанесение экспериментальных точек на такие карты позволяет четко разделить области, где доминирует последовательный сценарий (сперва дробление, затем воспламенение), синхронный сценарий и сценарий опережающего воспламенения. Анализ полученных карт выявил две ключевые закономерности. Во-первых, временные задержки микровзрывного распада и следующего за ним возгорания для композиционных капель оказались в 4–10 раз короче, чем задержки испарения и воспламенения однородных (гомогенных) капель того же химического состава. Во-вторых, зафиксировано, что площадь межфазной поверхности, доступной для испарения смеси жидкостей после микровзрывного дробления, может возрастать до 200 раз по отношению к исходной поверхности капли. Столь радикальная интенсификация массообмена объясняет, почему даже небольшая добавка воды (до 10%) способна кардинально изменить характеристики горения топлива.
Значение для компактных двигателей
По мнению представителей научного коллектива ТПУ, выявленные закономерности в динамике микровзрывного дробления и воспламенения позволяют существенно ускорить процесс сгорания альтернативных жидких топлив, модифицированных добавками-«триггерами». Эти добавки играют роль катализатора вскипания: они создают центры парообразования внутри топливной матрицы, инициируя лавинообразный рост давления и последующее разрушение капли. Особое значение данный подход имеет для компактных двигателей и мобильных энергетических установок, где каждое увеличение энергетической мощности на единицу объема является критически важным. Использование триггерных механизмов позволяет реализовать это увеличение без усложнения конструкции или роста массогабаритных характеристик.
Дмитрий Антонов, доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ, добавил: «Микровзрывное дробление топливных капель и их последующее воспламенение представляют собой наиболее перспективное направление в области горения композиционных топлив. Ключевое преимущество заключается в возможности многократного — в десятки раз — увеличения поверхности испарения жидкости. Это, в свою очередь, обеспечивает резкое ускорение поступления горючих паров в зону химической реакции, интенсификацию горения и повышение его полноты. Разработанная нами математическая модель закладывает теоретическую основу для предсказания оптимальных режимов: она позволяет выбирать такие сочетания температуры, давления и состава топлива, при которых эффективность микровзрывного измельчения максимальна».
Резюмируя результаты работы, ученые отметили, что им удалось экспериментально зафиксировать кратковременные (длительностью в единицы миллисекунд) перегретые состояния водо-топливных эмульсий, которые сопровождаются мощным выбросом тепловой энергии. Принципиально важным стало обнаружение нелинейной зависимости: процесс прогрева капли может как ускоряться, так и замедляться в зависимости от доли компонентов-«триггеров». В диапазоне малых концентраций (до 5%) вода выступает активатором вскипания; при концентрациях, близких к 10%, достигается баланс между энергозатратами на нагрев и парообразование и выигрышем от дробления. Превышение отметки в 10% приводит к тому, что скрытая теплота парообразования воды начинает доминировать, и процесс прогрева замедляется. Таким образом, оптимальное содержание добавки-«триггера» ограничено 10% по массе.
Кстати, журнал «Химагрегаты» уже ранее освещал разработки Томского политехнического университета. В частности, томские политехники в кооперации с китайскими специалистами создали высокоэффективный и экологичный метод извлечения золота из электронного лома.