Эксπир
Регистрация / Вход

Использование газоразрядной плазмы в энергоустановках с целью повышения их эффективности и для решения задач энергосбережения

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.516.11.6107
Организация
ОИВТ РАН
Руководитель работ
Битюрин Валентин Анатольевич
Продолжительность работ
2007 - 2008, 14 мес.
Бюджетные средства
1,5 млн
Внебюджетные средства
1,55 млн

Информация отсутствует

Этапы проекта

1
01.08.2007 - 31.10.2007
Разработано ТЗ на экспериментальный стенд АДТ-1.
Создан экспериментальный стенд АДТ-1 по изучению стимулированного горения обеденных смесей. Отлажен комплекс диагностической аппаратуры для измерения параметров плазмы газового разряда и горения бедных смесей.
Сформирована рабочая база данных по химическим реакциям для описания горения бедных смесей в присутствии электрического разряда.
Подготовлена математическая модель для численного моделирования воспламенения и горения бедных горючих смесей на основе природного газа, инициированного электрическим разрядом.
Развернуть
2
01.11.2007 - 31.12.2007
Аннотация
результатов работ этапа 2 по Госконтракту 02.516.11.6107
«Использование газоразрядной плазмы в энергоустановках с целью повышения их эффективности и для решения задачи энергосбережения»

В работе исследуется стимулированное горение обеднённых воздушно-топливных смесей с целью повышения эффективности современных энергоустановок и для решения задачи энергосбережения. Согласно техническому заданию на контрактную работу на втором этапе были выполнены следующие задачи:
• отлажен диагностический комплекс для проведения измерений параметров газового потока, плазмы и электрического разряда;
• проведены экспериментальные исследования по стимулированному горению обедненных смесей. Получены предварительные экспериментальные результаты по полноте сгорания воздушно-топливной смеси и кинетике плазмохимических реакций в зоне СГ.
• проведено тестирование кинетической схемы химических реакций на известных из литературы экспериментах;
• проведены патентные исследования по теме «Способ реализации стимулированного горения бедных топливо-воздушных смесей»
• создан плазмогенератор комбинированного электрического разряда (ВЧ+ разряд постоянного тока).
В результате проведённых исследований выявлено, что с помощью газо-разрядной плазмы возможно расширение концентрационных пределов ста-бильного горения пропана более чем в 2 раза. Однако, реализованная на дан-ном этапе энергетическая стоимость метода неприемлемо высока. Планиру-ется дальнейшая оптимизация конструкции ПГ для СГ с целью повышения его энергетической эффективности. Проведённые патентные исследования показали патентную чистоту разрабатываемого метода.
Проведено моделирование процесса воспламенения для различных топливно-воздушных смесей. В качестве топлива рассматривались водород, метан и пропан. Расчеты проводились для систем, где изучалось только авто-воспламенение, а так же для систем, в которых были продукты реакций, инициированных искровым разрядом, такие как атом O, синглет кислорода O2(1аΔg) и окись азота NO. Расчеты проводились для предварительно перемешанных и не перемешанных топлива и окислителя. Тестирование кинетической схемы реакций показало хорошее согласие с экспериментом. Влияние указанных продуктов реакций хорошо выражено в низкотемпературной области.

Руководитель работ
д.ф.-м.н.
В.А.Битюрин
Развернуть
3
01.01.2008 - 30.06.2008
В работе исследуется стимулированное горение обеднённых воздушно-топливных смесей с целью повышения эффективности современных энергоустановок и для решения задачи энергосбережения. Согласно техническому заданию на контрактную работу на третьем этапе были выполнены следующие задачи:

• экспериментально исследована стабилизация горения обедненных смесей с помо-щью неравновесных плазменных образований;
• определен состав продуктов сгорания на выходе камеры сгорания;
• проведено численного моделирования воспламенения и горения бедных смесей для условий конкретных экспериментов.

Проведена серия экспериментов по устойчивости фронта пламени и горения про-пан-воздушной смеси с 0,1< ? <0,5 c помощью комбинированного разряда. Мощность разряда составляла ~2-3% от химической мощности пламени. Стабильное горение с пол-нотой сгорания топлива >95% наблюдалось вплоть до ?=0,25. При этом температура про-дуктов сгорания не превышала 900 К.
Проведены исследования состава продуктов сгорания при стимулированном горе-нии пропана в диапазоне 0,1< ? <0,5 для скорости потока 30 м/с. В экспериментах исполь-зовался поперечный разряд постоянного тока. Показано, что для больших мощностей раз-ряда, концентрация NOx существенно возрастает при обеднении смеси.
Построена кинетическая модель низкотемпературного окисления пропана, допол-няющая ранее сформированную систему реакций и компонент для высокотемпературного горения пропано-воздушной смеси. Процесс окисления происходит через промежуточный продукт – ацетальдегид, распад которого может приводить к возникновению трехстадий-ного воспламенения: холодное, голубое и горячее пламена в струях в реакционных труб-ках и замкнутых объемах.
Были исследованы различные режимы и составы смесей, содержащие ацетальде-гид. Результаты сравнивались с известными из литературы экспериментами и расчетами других авторов. В целом, получено удовлетворительное соответствие, отражающее осо-бенности низкотемпературного окисления. Проанализированы реакции, отвечающие за появление холодного и голубого пламен.
Расчеты показывают, что радикалы - результат воздействия разряда – могут со-кращать время возникновения холодного пламени в разы, не меняя время индукции между холодным и голубым пламенами, при начальных температурах ~550-700 К.
Развернуть
4
01.07.2008 - 31.10.2008
Проведен анализ полученных экспериментальных результатов по стимулированному горению бедных смесей. Дано теоретическое обоснование наблюдаемым спектрам излучения и результатов хроматографического исследования продуктов сгорания смесей. Расчеты параметров воспламенения и состава продуктов сгорания показывают, что особенность обедненных топливно-воздушных смесей заключается в невысокой температуре продуктов сгорания и малой концентрации NO. Этот факт очень выгоден для использования обедненных смесей на транспорте и в энергетике, в том числе для использования в газотурбинных двигателях. Однако для очень бедных смесей температура не достигает величины 1600К, когда можно говорить о воспламенении. Разряд помогает поднять температуру и сократить время воспламенения в несколько раз, благодаря наличию химически активных радикалов и молекул.
В результате воздействия разряда удалось расширить концентрационные пределы с ?=0.5 до ?=0.1, улучшить стабилизацию фронта пламени (срыв пламени в потоке газа происходит при больших скоростях потока), обеспечить полноту сгорания обедненных смесей для некоторых режимов не менее 95% , снизить температуру продуктов сгорания обедненных смесей до 1200 К и ниже на выходе из канала. Показатель потребление электроэнергии в некоторых экспериментах достигал 1-4% от полной энергии сгоревшего топлива, что является одним из важных параметров для практического потребления.
Разработаны и испытаны совместно с Европейским агентством по аэрокосмическим исследованиям (EOARD) семейство плазмогенераторов для использования их в различных технологиях, в том числе для обеспечения управления горением обедненных воздушно-углеводородных смесей. Эта работа была выполнена на внебюджетные средства.
Разработаны технические предложения для ММПП «САЛЮТ» с целью проведения демонстрационного эксперимента по стимулированному горению обедненных воздушно-топливных смесей и управлению газовым потоком с помощью газоразрядной плазмы на опытной газотурбинной установке.
Развернуть

Программа

Программа "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы"

Программное мероприятие

1.6 Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований и создание научно-технического задела в области энергоэффективности, энергоснабжения и ядерной энергетики
Тема
Решение концептуальных задач проектирования тепловых турбин методами вычислительной аэродинамики и теплофизики.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
0
Тема
Проведение проблемно-ориентированных исследований и разработка научно-технических решений по созданию энергоустановки на базе твёрдооксидных топливных элементов
Продолжительность работ
2013, 2 мес.
Бюджетные средства
12 млн
Количество заявок
12
Тема
Развитие физико-математических моделей описания течения закрученных ограниченных потоков и их использование для интенсификации термогазодинамики и тепломассообмена в энергетических машинах и комбинированных энергоустановках.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
1
Тема
Исследования нагрева и удержания плазмы в токамаках.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
1
Тема
Исследование взаимодействия плазмы и водорода с материалами для инновационных энерготехнологий.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
1