Файл: Эксплуатационные свойства и применение горючего, смазочных материалов и специальных жидкостей учебное пособие..pdf

свежей смеси идет путем распространения пламени либо в резуль­ тате самовоспламенения.

П о л а г а я , ч т о и д л я т у р б у л е н т н о г о г о р е н и я о с н о в н ы м и п а р а ­

м е т р а м и я в л я ю т с я н о р м а л ь н а я с к о р о с т ь р а с п р о с т р а н е н и я п л а м е н и ит6, т о л щ и н а зо н ы г о р е н и я 8т6 и в р е м я с г о р а н и я тт6, м о ж н о о п р е ­

При большой интенсивности турбулентности и'^§>инотдельные объемы горючей смеси при горении могут дробиться на части тур­ булентными пульсациями и время их горения в основном определя­

Стационарное горение в потоке газообразной заранее подготов­ ленной горючей смеси, скорость которой больше скорости распро­ странения пламени, возможно при условии непрерывного поджи­ гания смеси каким-либо источником. При отсутствии искусствен­ ного источника поджигания для образования стационарного фрон­ та пламени в потоке необходимо иметь точки, где скорость распро­ странения пламени равна скорости потока и направлена в проти­ воположную сторону. Для стабилизации горения в турбулентном потоке устанавливаются плохо обтекаемые тела — стабилизаторы.

Горение распыленного топлива. Горение жидкого распыленного топлива обычно осуществляется в турбулентном потоке и диффузи­ онной области. Для характеристик гетерогенной горючей смеси не­ обходимо знать степень и однородность распыливания, распределе­ ние капель и количество испаренного топлива в пространстве ка­ меры сгорания. Приближенной характеристикой гетерогенной сме­ си могут быть коэффициенты избытка воздуха суммарный as и по

паровой фазе а„, а также средний диаметр капель. Факел пламе­ ни гетерогенной горючей смеси сильно отличается от фронта горе­ ния однородных смесей. Внешний контур зоны горения гетероген­ ной смеси имеет большую протяженность в направлении движения смеси и сильно размыта.

В зоне горения распыленного топлива с большим (до 50%) со­ держанием неиспарившегося горючего отчетливо наблюдаются сле­ ды горящих капель в виде ярко-желтых полос на сплошном голу­ бом фоне факела пламени. При понижении температуры и умень­ шении доли испаренного топлива в смеси приблизительно до 20% вид факела изменяется: отсутствуют сплошной голубой фон и не­ прерывный фронт пламени, наблюдается горение отдельных капело

149

и их совокупностей. При высоких температурах образуется сплош­ ной фронт пламени, за которым просматриваются очаги горения отдельных капель топлива.

ю Горение гетерогенной смеси возможно при достаточно большом суммарном для всего факела коэффициенте избытка воздуха.

Воспламенение капель в факеле осуществляется путем распро­ странения тепла от горящей капли или их скоплений к негорящим соседним каплям, при этом необязательно, чтобы в пространстве между каплями прошли все необходимые предпламенные химиче­ ские превращения. Расчеты распределения температур вокруг от­ дельных капель топлива в неподвижном воздухе, выполненные на основе диффузионной теории горения без учета диссоциации про­ дуктов сгорания, показывают, что на расстоянии 30 диаметров кап­ ли от ее поверхности температура составляет примерно 2200° С. Такая высокая температура обеспечивает надежное воспламенение соседних капель.

В гетерогенной смеси продолжительность процесса горения свя­ зана со скоростью выгорания отдельных капель и их скоплений. Поэтому время горения слабо зависит от коэффициента избытка воздуха, а определяется главным образом размерами капель.

Схема горения отдельной капли в потоке воздуха при чисто кондуктивно-диффузионном механизме тепло- и массообмена при установившейся температуре капли представлена на рис. 36.

Рис. 36. Схема горения капли топлива:

/ —изменение температуры; 2—парциальное давление паров топлива; «?—содер­ жание кислорода.

Вокруг капли устанавливается сферическая зона горения, к ко­ торой от капли диффундируют пары топлива, а из окружающего пространства — кислород. В зоне горения происходит химическая реакция и выделяется тепло, которое частично идет к капле и ча-

150

стично в окружающее пространство. Наружу от зоны горения диф­ фундируют продукты сгорания. ;

Микродиффузионное турбулентное горение. Микродиффузионным горением называется такой вид горения, когда горючее в па­ ровой фазе раздроблено на отдельные малые объемы — паровые оболочки, распределенные в потоке воздуха. При известных усло­ виях к такому виду горения приближается и горение гетерогенной смеси, образующейся при высокой степени распыливания жидкого топлива.

Для микродиффузионного турбулентного горения, учитывая, что время горения определяется временем смешения тои, имеем

и'1

«тб х

Если перемешивание осуществляется посредством турбулент­ ной диффузии, время смешения можно принять

_Д*_

и Т

где Д— масштаб дробления. Тогда

и'1

Принятые выше допущения о том, что при микродиффузионном горении время сгорания всецело определяется процессом смешения и не зависит от кинетики химических реакций, очевидно, справед­ ливы, пока время смешения велико по сравнению с временем хи­ мических реакций. Это условие, как уже отмечалось выше, опреде­ ляет диффузионную область горения. Если время смешения будет соответствовать времени химической реакции или меньше его, го шрение перейдет в кинетическую область.

Микродиффузионное турбулентное горение протекает в диффу­ зионной области, когда пульсационная скорость не слишком вели­ ка. При увеличении скорости потока скорость распространения пла­ мени увеличивается до тех пор, пока процесс не переходит в кине­ тическую область и возрастание скорости распространения пламе­ ни ит6~ и ' прекратится. Переход в кинетическую область при условии, когда нарушается непрерывное поджигание свежей сме­ си у кромки стабилизатора пламени, приведет к срыву пламени.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СКОРОСТЬ ГОРЕНИЯ

Скорость горения. Скоростью горения называется количество горючей смеси, сгорающей в единицу времени в единице объема камеры сгорания. При нормальном распространении фронта пла­ мени скорость горения определяется выражением

151

где мт6(х)— скорость распространения пламени по нормали к по­ верхности для отдельных зон горения;

S„„ (х)— поверхность отдельных зон горения; V'k.c— объем камеры сгорания.

Из выражения следует, что скорость горения определяется двумя основными параметрами итб и Sn]l.

Форма, размеры и материал камеры сгорания. Эти факторы в значительной степени определяют характер энергетического обмена сгорающей смеси с внешней средой. В зависимости от количества тепла, отводимого через стенки камеры сгорания, от расширения или сжатия газов меняется температура, а следовательно, и ско­ рость горения смеси. Зарождение и гибель радикалов на стенках зависят от их состояния и температуры, что имеет существенное значение для развития воспламенения и горения при низких темпе­ ратуре и давлении. Как было показано выше, турбулентность зна­ чительно увеличивает скорость горения, особенно в диффузионной области развития процесса.

ность турбулентности улучшают качество распиливания, повышают скорость испарения топлива и смешения его паров с воздухом.

Температура и давление горючей смеси изменяют скорость хи­ мических реакций, физические характеристики горючего, темпера­ туропроводность и турбулентность среды и таким образом влияют на скорость горения. С увеличением температуры скорость горения увеличивается. Однако это увеличение не согласуется с ожидаемым значением в соответствии с изменением скорости химических реак­ ций, так как скорость горения определяется не только скоростью протекания реакций в пламени.

В турбулентной среде для однородных горючих смесей скорость распространения пламени с повышением температуры увеличивает­ ся меньше, чем в ламинарном потоке. Сравнительно слабое влия­

однако и' падает. Но ыт6 слабо зависит от и„ и сильно от и'. По­ этому указанные изменения компенсируют друг друга.

Значительное влияние температуры на ширину зоны горения обусловлено тем, что 8тв существенно зависит от и„.

Зависимость скорости распространения турбулентного пламени от начальной температуры в гетерогенных смесях выражена более резко, чем для однородных газовых смесей. Повышение температу­ ры в зоне горения вокруг капель и увеличение степени испарения приближает горение двухфазной смеси к однородной.

Ш

В отсутствие турбулентности в углеводородо-воздушных сме­ сях уменьшение давления приводит к увеличению нормальной ско­ рости распространения пламени. Однако с понижением давления характеристики процесса турбулентного горения ухудшаются: уменьшается скорость распространения пламени и увеличивается ширина зоны горения. Это приводит к значительному увеличению общей протяженности факела пламени. Давление влияет на процесс горения через и' и и„. С повышением давления инуменьшается, а и' увеличивается.

Увеличение интенсивности турбулентности с повышением дав­ ления можно объяснить уменьшением кинематической вязкости

Увеличение ширины зоны горения с понижением давления обус­ ловлено ростом масштаба турбулентности /, несмотря на уменьше­ ние и' и увеличение ин, что приводит к увеличению ттв.

Состав смеси, отвечающей максимальной скорости распростра­ нения пламени, лежит в обогащенной области а =0,8—0,9. При атом составе смеси создаются наиболее благоприятные условия для воспламенения и горения. С обогащением и обеднением смеси ско­ рость распространения пламени снижается особенно резко вблизи пределов воспламенения (рис. 37).

Коэффициент избытка воздуха

Рис. 37. Влияние суммарного коэффициента избыт­ ка воздуха на безразмерную скорость распростра­ нения пламени:

/—однородная смесь; 2 —гетерогенная смесь.

Вгетерогенных горючих смесях скорость распространения пла­ мени слабо зависит от общего коэффициента избытка воздуха as..

Величина этого коэффициента влияет, при заданных размерах

153

капель на расстояние между ними /к. Величина 4 — а® , а темпе­

ратура горения в зонах вокруг отдельных капель мало изменяется в зависимости от состава смеси, так так процесс развивается по диффузионной схеме.

На рис. 37 показано влияние суммарного as на безразмерную

скорость распространения пламени гетерогенной ^ и однород-

и j.

ной ^ горючей смеси, где Чъ — пульсационная скорость с учетом

турбулизации потока каплями топлива, впрыскиваемого в воздух. Качество распыливания. Скорость горения гетерогенной смеси связана прежде всего с изменением скоростей испарения и смеше­ ния. В зависимости от характеристик распыливания — его степени и однородности, распределения жидкой фазы в объеме камеры сго­ рания — изменяются степень испарения, характер флуктаций по составу и температуре, общий вид факела пламени. С увеличением степени и однородности распыливания скорость процесса горения увеличивается до тех пор, пока в диффузионной области обеспечи­ ваются необходимая устойчивость и достаточно широкая зона фронта горения. Дальнейшее увеличение степени и однородности распыливания приводит к уменьшению объема факела горения и общей поверхности фронта пламени, снижению устойчивости горе­ ния. С увеличением неоднородности распыливания устойчивость горения повышается. Это объясняется тем, что при любом в

двухфазной смеси имеются самые различные местные концентра­ ции, в тем ^числе и наиболее благопориятные для воспламенения и горения. Однако большое количество крупных капель может зна­ чительно увеличить продолжительность и уменьшить общую харак­ теристику горения гетерогенной смеси.

Характеристики горючести. К характеристикам горючести отно­ сятся физико-химические свойства топлива и параметры, от кото­ рых зависит механизм и скорость распространения зоны горения для данного вида окислителя. Одним из наиболее характерных па­ раметров горючести является нормальная скорость распростране­ ния пламени. Некоторые физические свойства горючего и его паров влияют на нормальную скорость распространения пламени ин вследствие их воздействия на температуропроводность среды, по­

скольку и„ — \ / а Ср, а итб зависит от « н. Чем выше реакционная спо­

собность и больше энергетический запас реагирующей смеси, тем выше скорость горения. Однако эти зависимости в достаточной сте­ пени не выявлены. Для различных углеводородных смесей нор­ мальные скорости распространения пламени в воздухе отличаются мало. Для индивидуальных углеводородов нормальная скорость распространения пламени «„ в воздухе.увеличивается в таком по­ рядке: алканы, алкены, алкадиены. С увеличением молекулярной

154