Способ получения возбужденной двуокиси углерода

 

Изобретение относится к технической физике, в частности к быстроточным газодинамическим лазерам /ГДЛ/. Сущность изобретения: в способе получения возбужденной двуокиси углерода у критического сечения сопловых лопаток ГДЛ часть воздуха, составляющую 50 - 80%, с углеродосодержащим топливом подают в камеру сгорания и сжигают при коэффициенте избытка воздуха, равном единице, другую часть воздуха - 30 - 10% перемешивают с углеродосодержащим топливом, сжигают при коэффициенте избытка воздуха, равном 0,3 - 0,6, и вводят продукты неполного сгорания в область фронта горения основного потока газов, перемешивают и подают в зону дожигания раздельно с оставшейся частью воздуха, который распределяют перед критическим сечением сопловых лопаток, формируют зону перемешивания его с основным потоком газов параллельно плоскости, проходящей через критические сечения сопловых лопаток. 1 ил.

Изобретение относится к технической физике, в частности к быстроточным газодинамическим лазерам (ГДЛ) на двуокиси углерода (СО₂) и может найти применение при создании технологических ГДЛ для обработки металлов или других материалов, обработка которых требует затрат дорогостоящего высокопрочного режущего инструмента.

Известен способ получения возбужденной СО₂, заключающийся в сжигании углеводородного топлива в воздухе [1] где возбуждение молекул СО₂ происходит за счет передачи энергии горения от молекул азота к молекулам СО₂ за счет релаксации УПД такого способа низкое (1%).

Известен также способ получения возбужденной СО₂ [2] заключающийся в сжигании углеводородного топлива в воздухе с последующим сжиганием окиси углерода (СО) перед критическим сечением, образующейся в результате прохождения продуктов сгорания через углеродную матрицу. Состав продуктов сгорания, а главное содержание воды в данном способе более оптимально, но за счет передачи энергии от азота СО₂ КПД остается низким, порядка 2% Целью настоящего изобретения является повышение мощности за счет создания оптимального состава продуктов сгорания.

Для достижения поставленной цели часть воздуха (50-80%) с углеводородсодержащим топливом подают в камеру сгорания и сжигают при 1, другую часть воздуха (30-10% ) перемешивают с топливом, сжигают при коэффициенте избытка воздуха 0,3-0,6 и вводят продукты неполного сгорания в зону фронта горения смеси, где образуется область максимальных температур основного потока газов, перемешивают и подают в зону дожигания раздельно с оставшейся частью воздуха, который распределяют перед критическим сечением сопловых лопаток в количестве, достаточном для полного дожигания основного потока газов, и формируют зону перемешивания параллельной плоскости, проходящей через критические сечения сопловых лопаток.

В данном решении производят разделение стадий нагрева исходных продуктов (компонентов) при температуре, достаточной для разложения воды в присутствии частиц углерода с последующим прогревом разных по размеру частиц углерода, формированием зоны дожигания в соответствии с температурой воздуха и параллельно плоскости, проходящей через критические сечения лопаток сопловой решетки с оптимальной температурой, соответствующей степени расширения сопловых лопаток, и получение возбужденных молекул СО₂ непосредственно перед критическим сечением сопловых лопаток за счет химической реакции, что позволяет получить в совокупности с известными признаками новое свойство объекта, выражаемое в техническом эффекте (создание оптимального состава продуктов сгорания и активизации процесса горения), не присущих прототипу и другим аналогичным техническим решениям и что и позволяет получить новый положительный эффект повышение мощности.

На чертеже представлена схема ГДЛ для получения возбужденной двуокиси углерода по предложенному способу.

ГДЛ содержит основную 1 и дополнительную 2 камеры сгорания, проточную часть 3, распределительное устройство 4 подачи воздуха и сопловые лопатки 5 с критическим сечением 6.

Способ осуществляется следующим образом: первую и большую часть воздуха (50-80%) смешивают с углеводородным топливом в стехиометрическом соотношении при коэффициенте избытка воздуха 1, что позволяет получить в фронте горения максимальную температуру в камере 1, и подают в проточную часть 3, а другую часть (30-10%) воздуха, необходимого для генерации углеродных частиц, образующихся в дополнительной камере сгорания 2 в результате неполного сгорания углеродосодержащего топлива при 0,3-0,6, которые подают в зону фронта горения смеси основного потока, что способствует активизации процесса разложения воды, нагреву частиц углерода и образованию СО, которую дожигают после подачи в распределительное устройство 4 оставшейся части воздуха перед критическим сечением 5; расположение зоны перемешивания в плоскости, параллельной плоскости, проходящей через критические сечения сопловых лопаток 5, раздельная подача воздуха при смешении с частицами углерода создает фронт углерода, соответствующий минимальной релаксации возбужденных молекул СО₂.

Разделение потоков воздуха необходимо для создания оптимального состава продуктов сгорания уменьшая содержания воды и активизации процесса горения. Первая часть воздуха в зависимости от состава топлива колеблется от 50 до 80% нижняя его граница определяется температурой, возможной для получения эффекта лазерной генерации, а верхняя максимальным содержанием воды в продуктах сгорания. Соотношение воздуха и топлива выбирают стехиометрическим коэффициентом избытка воздуха ( 1) для получения максимальной температуры, необходимой для активного нагрева частиц углерода (сажи), получаемых как продукт неполного сгорания углеводородного топлива со второй частью воздуха, количество которого выбирают в соответствии с наиболее возможным выходом сажи (для мазута 0,55, для керосина 0,35), необходимой для разложения воды и получения СО₂. Максимальная температура основного потока газов способствует быстрому перемешиванию и прогреву разных по размеру частиц углерода, что сокращает длину проточной части и зону дожигания, когда оставшаяся часть воздуха соединяется с продуктами неполного сгорания топлива, причем температуру газов выбирают в соответствии со степенью расширения сопловых лопаток ГДЛ. Параллельная плоскости критических сечений лопаток подача воздуха дает близкий к плоскости критических сечений фронт распределения возбужденных молекул СО₂, что повышает мощность ГДЛ, так как уменьшается влияние релаксации энергии возбужденных молекул.

Эффективность изобретения по сравнению с прототипом заключается в использовании молекул СО₂, возбужденных в результате химической реакции вместе с молекулами СО₂, получившими энергию от нагретого азота, а также за счет разделения стадий нагрева и дожигания углерода, что сокращает разницу горения частиц разного размера.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЗБУЖДЕННОЙ ДВУОКИСИ УГЛЕРОДА в газодинамическом лазере, включающий горение углеводородного топлива с образованием окиси углерода и последующее его дожигание перед сопловыми лопатками лазера, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности путем создания оптимального состава продуктов сгорания, часть топлива сжигают в стехиометрическом соотношении с 50 - 80% воздуха при коэффициенте избытка воздуха = 1, одновременно оставшуюся часть топлива отдельно сжигают при коэффициенте избытка воздуха = 0,3-0,6, полученную при этом окись углерода и продукты неполного сгорания подают в зону фронта горения смеси, компоненты которой взяты в стехиометрическом соотношении, и процесс дожигания осуществляют посредством равномерной подачи оставшейся части воздуха в прочную часть непосредственно перед сопловыми лопатками по плоскости, параллельной их критическим сечениям.

РИСУНКИ

Рисунок 1