Численное моделирование процессов нагрева, испарения и горения эмульгированного топлива

Рассмотрен вопрос применения смешения мазута с водой, т. е. эмульгоравание. Эмульгированное топливо типа «вода мазут» является перспективным альтернативным топливом, вызывая вскипание воды при высокой температуре, что может улучшить распыление топливного спрея. Процесс нагрева и испарения капли эмульгированного топлива зависит от диффузии и коалесценции мельчайших частиц воды в мазуте, которые происходят во время нагревания. Представлена модель, которая позволяет учесть процесс диффузии воды в каплях эмульгированных топлив, а также физические свойства всей среды. Модель учитывает эти важные физические явления и предлагает эффективный способ расчёта соотношения компонентов эмульсии. Она предназначена для описания нагрева и испарения капель эмульгированного топлива, такого как «вода-мазут». Процесс коалесценции воды упрощается тем, что диспергированные капли воды мгновенно объединяются в одну единственную водную субкаплю в центре капли мазута. В процессе расчёта учитываются доли содержания каждого компонента, помимо горения углеродной части мазута необходимо принять во внимание тепловыделение водяных паров, выделение водорода, диссоциацию воды и тепловой эффект от горения водорода. Эти процессы происходят в тех же соотношениях, что и в водомазутной эмульсии. Для решения поставленных задач выбран модуль ANSYS CFX, который позволяет моделировать химические реакции и процессы горения, связанные с течением жидкости. Это даст возможность детально изучить происходящие явления и определить оптимальные параметры водомазутной эмульсии, что позволит повысить эффективность работы. На основе предложенной модели проанализирован процесс горения в топочном объеме от содержания воды в эмульгированном топливе.

1. Shen S. et al. Mechanism of micro-explosion of water-in-oil emulsified fuel droplet and its effect on soot generation // Energy 2020, 191: 116488.

2. Zmpitas J., Gross J. Modified Stokes–Einstein equation for molecular self-diffusion based on entropy scaling // Industrial & Engineering Chemistry Research 2021, 60, 11: 4453 – 4459.

3. Zhao H., Zhao H. Testing the Stokes-Einstein relation with the hard-sphere fluid model // Physical Review E 2021, 103, 3: L030103.

4. Liu Z. et al. Simulation of the evaporation/boiling transition for the vaporization of a bi-component droplet under wide-temperature environments // International Journal of Heat and Mass Transfer 2022, 193: 122968.

5. Wang Z. et al. Progress in experimental investigations on evaporation characteristics of a fuel droplet // Fuel Processing Technology 2022, 231: 107243.

6. Atkins P., De Paula J., Keeler J. Atkins' physical chemistry. Oxford University Press 2018.

7. Narasu P., Boschmann S., Pöschko P., Zhao F., & Gutheil E. Modeling and simulation of single ethanol/water droplet evaporation in dry and humid air // Combustion Science and Technology 2020, 192(7): 1233 – 1252.

8. Čmelíková T. et al. Mass transfer under distillation of positive, neutral, and negative system in the ID 0.3 m column packed with structured packing // Chemical Engineering Research and Design 2023, 196: 52 – 60.

9. Fostiropoulos S. et al. A simple model for breakup time prediction of water-heavy fuel oil emulsion droplets // International Journal of Heat and Mass Transfer 2021, 164: 120581.

10. Wang Z. et al. Progress in experimental investigations on evaporation characteristics of a fuel droplet // Fuel Processing Technology 2022, 231: 107243.

11. Shen S. et al. The impact of internal circulation on water coalescence within water-in-oil emulsion fuel before micro-explosion // Fuel 2024, 368: 131646.

12. Mutto A. et al. Understanding butanol recovery and coupling effects in pervaporation of Acetone-Butanol-Ethanol (ABE) solutions: A modelling and experimental study // Journal of Membrane Science 2022, 658: 120711.

13. Wang Z. et al. Wetting and evaporation of multicomponent droplets // Physics Reports 2022, 960: 1 – 37.

14. Зимарев А. А., Нечаев А. К. Моделирование процесса горения топлива в котельных установках // Инновации. Наука. Образование 2021, 34: 1446 – 1449.

15. Сайрамхан М., Абжанова Л. Особенность построения математических моделей теплоэнергетического комплекса // Вестник КазАТК 2022, 121, 2: 530 – 537.

16. Ведрученко В. Р., Крайнов В. В., Гаак В. К. Топливо и основы теории горения: монография // М., Вологда: Инфра-Инженерия 2024: 220.