Интегральные характеристики вторичных капель при микро-взрывной фрагментации жидкого биотоплива

Научная проблема, на решение которой направлен проект, состоит в необходимости развития современных представлений об интегральных характеристиках вторичных фрагментов, образующихся при микро-взрывном разрушении капель перспективных жидких биотоплив (эмульсий и суспензий на основе растительных компонентов и воды), как ресурсоэффективной технологии вторичного измельчения, направленной на получение мелкодисперсного топливного аэрозоля. Эта проблема является особенно актуальной для композиционных биотоплив, так как последние обладают высокой инерционностью зажигания вследствие достаточно большой влажности. Научная новизна проекта состоит в том, что на основе результатов запланированных экспериментов и математического моделирования планируется разработать карты режимов микро-взрывной фрагментации группы перспективных жидких биотоплив для получения требуемых значений размеров, скоростей движения, количества, энергии, температуры, концентрации, компонентного состава, формы и других характеристик вторичных капель. Актуальность сформулированной проблемы заключается в том, что в настоящее время имеется лишь фрагментная информация о размерах и количестве вторичных капель, образующихся в результате микро-взрывного распада исходных. Такая схема разрушения позволяет снизить размеры капель, повысить площадь поверхности теплообмена и химического реагирования, увеличить тепловыделение в единицу времени, повысить температуру в камере сгорания. Авторский коллектив заявки изучил основные закономерности таких процессов на примере одиночных неперемешанных капель (т.е. с явными межфазными и межкомпонентными границами раздела) [International Journal of Thermal Sciences. 2019. v. 142. P. 30-41]. В настоящем проекте предстоит решение более сложных по реализации задач, направленных на изучение влияния условий микро-взрывной фрагментации перспективных жидких биотоплив в виде стабилизированных эмульсий и суспензий на характеристики вторичных капель. До настоящего времени неизученными остаются размеры, скорости движения, количество, энергии, температуры, компонентный состав и другие характеристики вторичных фрагментов, образующихся при микро-взрывном измельчении многокомпонентных капель. Определение условий, необходимых для образования вторичных капель с заданными характеристиками, позволит достичь оптимальных режимов работы технологического оборудования в условиях интенсивного микро-взрывного измельчения жидких композиционных биотоплив. В связи с недостаточной экспериментальной базой к настоящему моменту не разработаны модели, позволяющие адекватно прогнозировать условия и характеристики эффективного микро-взрывного измельчения неоднородных капель [Applied Thermal Engineering. 2020. V. 164. 114501]. На создание таких моделей направлен настоящий проект. Установление условий микро-взрывного измельчения капель перспективных жидких композиционных биотоплив, обеспечивающих образование вторичных капель с заданными характеристиками, позволит решить ряд экологических и энергетических задач: (1) Повышение экологической и энергетической эффективности работы установок. За счет эффектов микро-взрывного дробления капель биотоплив возможно обеспечить их измельчение до уровня нескольких десятков и сотен микрон, что позволяет значительно повысить площадь поверхности теплообмена и химического реагирования, снизить инерционность прогрева и зажигания топливных композиций, увеличить тепловыделение в единицу времени (т.е. тепловую мощность установок) и др. (2) Утилизация отходов. Внушительные объемы формирования и накопления отходов стимулируют разработку методов их использования. Их сжигание в составе биотоплив представляется наиболее рациональным. (3) Расширение топливной базы для генерации энергии. Проблема зависимости многих государств от основных энергоресурсов существенная. Задача преодоления этой зависимости становится все более актуальной. Вовлечение отходов растительного происхождения (как основных компонентов биотоплив) в сектор производства тепла и электроэнергии будет способствовать расширению сырьевой базы топливно-энергетического комплекса многих регионов мира, сбережению твердых и жидких углеводородов, а также снижению экологической нагрузки на окружающую среду. Неизученными остаются характеристики вторичных капель (размеры, количество, скорости движения, энергии, температуры, концентрации, компонентный состав, форма и др.), образующихся в результате микро-взрывного измельчения капель биотоплив, при влиянии группы факторов и параметров: компонентный состав топлив, размеры капель, температура и тепловой поток, площадь и механизм подвода тепла, размеры и концентрации твердых частиц, коллективные эффекты микро-взрыва и др.