Горение гомогенных топлив

К гомогенным относят топлива, в которых горючее и окислитель до горения находятся в одинаковом фазовом состоянии: газ – газ; жидкость – жидкость; твердое горючее – твердый окислитель. Характер горения существенно зависит от того, когда происходит смешение горючего и окислителя - до или в процессе горения.

Раcсмотрим процесс сгорания однородной газообразной топливной смеси в закрытом объеме.

При поджигании у источника воспламенения образуется п л а м я.

Пламенем принято называть ту зону газового объема, в котором

протекают реакции горения.

Пламя может быть прозрачным или светящимся. Его форма зависит от распределения концентраций горючего и окислителю в топливной смеси.

Поверхность, отделяющая горящую зону от свежей топливной

смеси, называется ф р о н т о м пламени.

Позади фронта пламени будут находиться продукты сгорания, а впереди – свежая топливная смесь.

Пламя при благоприятных условиях распространяется с некоторой скоростью во все стороны. Распространение пламени происходит вследствие того, что из зоны реакции теплота передается в сторону холодной смеси, температура ее повышается, и она воспламеняется, затем происходит подогрев и воспламенение следующих слоев свежей смеси и т.д.

Скорость, с которой распространяется пламя, зависит не только от характера химических реакций (т.е. от скорости химических реакций), но и от физических процессов – процессов теплопередачи и диффузии.

Д и ф ф у з и я при горении представляет собой процесс выравнивания концентраций компонентов в смеси.

Если время образования топливной смеси меньше времени протекания собственно химических реакций, то процесс горения в целом будет лимитироваться скоростью (кинетикой) реакций. Горение в этом случае называется к и н е т и ч е с к и м.

Если же скорость горения определяется скоростью процессов тепло – и массопереноса (временем образования смеси способной гореть), то такое горение называют д и ф ф у з и о н н ы м.

В реальном процессе время сгорания топлива τ складывается из времени, необходимого на диффузионное горение τд и времени кинетического горения τк: τ = τд + τк .

Может происходить наложение одной стадии на другую. При τд τк

реализуется диффузионное горение; при τк τд – кинетическое.

Рассмотренный механизм распространения пламени называют нормальным. В нем осуществляется последовательное поджигание слоев смеси в результате процессов теплообмена и диффузии.

При нормальном распространении пламени горение будет носить зонный характер, так как оно будет протекать в узкой области, распространяющейся по топливу. Если же топливо самовоспламеняющееся, то его горение будет наблюдаться во всем рассматриваемом объеме. Такое горение называют о б ъ е м н ы м.

Скорость распространения фронта пламени относительно неподвижной топливной смеси или относительно потока смеси по нормали к поверхности фронта пламени называется н о р м а л ь н о й скоростью распространения пламени, которая обозначается uн.

Величина uн зависит от химической природы, состава и состояния топливной смеси.

Существует несколько методов экспериментального определения нормальной скорости горения. Достаточно простым и точным является метод стационарного пламени, разработанный русским ученым В.А. Михельсоном,

 

(метод бунзеновской горелки). Сущность метода состоит в следующем.

В цилиндрическую трубу 1 (рис. 3.3) с определенной скоростью подается смесь, при горении которой факел пламени удерживается у среза трубки. У пламени отчетливо видно две светящиеся зоны: внутренний конус ярко-голубого цвета 2, на поверхности которого происходит воспламенение и сгорание поступающей по трубке топливной смеси, и наружное слабо светящееся пламя 3, в котором происходит догорание топливной смеси за счет кислорода воздуха. При определении нормальной скорости рассматривается внутренний конус пламени. Путем непосредственного измерения пламени или его изображения на фотографии определяют высоту конуса и его диаметр у основания. По этим данным подсчитывают боковую поверхность конуса F и, зная секундный массовый расход , определяют нормальную скорость горения: Рис. 3.3. Горелка Снижение нормальной скорости (уменьшение температуры, изменение состава смеси и т.д.) будет сопровождаться увеличение высоты конуса, что может привести к отрыву пламени. При увеличении высота конуса снижается, и это может привести к проскоку пламени внутрь.   В цилиндрическую трубу (рис. 33) с определенной скоростью подается смесь, при горении которой факел пламени удерживается у среза трубки. У пламени отчетливо видно две светящиеся зоны: внутренний конус ярко-голубого цвета, на поверхности которого происходит воспламенение и сгорание поступающей по трубке топливной смеси, и наружный   Рис. 3.3      

Нормальная скорость может быть определена с помощью прозрачной трубы. Если по трубе течет газовая смесь, а навстречу ее течению распространяется пламя, то можно подобрать такую скорость течения газа, что пламя будет неподвижным относительно стенок трубы. В этом случае скорость течения газа будет равна скорости распространения пламени. Для углеводородных горючих величина скорости изменяется в широком диапазоне – от 0,2 до 50 м/с.

Теорию нормального распространения пламени в газовой среде, разработали отечественные ученые Л.Б.Зельдович и Рис. 3.4. Изменение параметров в зоне пламени

Д.А.Франк–Каменецкий.

Представим (рис. 3.4), что топливная смесь движется со скоростью W0, равной нормальной скорости горения uн. (фронт пламени неподвижный). Распространение пламени относительно топливной смеси будет наблюдаться вследствие передачи тепла из зоны пламени к свежей смеси. При этом температура смеси повышается перед фронтом пламе-

ни от ее начального значения T0 до температуры Tb (зона прогрева δ1 ) и далее, в зоне пламени (δ2) - до температуры горения Tг. В зоне δ2 сгорает до 90 % смеси, концентрация реагирующих компонентов падает от Сг до Сх. Протяженность зоны пламени выразим через нормальную скорость горения и время протекания реакции:

δ2 = uн τк .

Предположим, что температура в зоне δ2 изменяется линейно по х, тогда

.

Для изменения температуры в зоне δ1, от T0 по Tв необходимо в единицу времени подвести количество теплоты равное

= ,

где см и ср см  плотность и теплоемкость топливной смеси;

Fк  площадь поперечного сечения канала.

Это тепло подводится теплопроводностью из зоны δ2 . Для принятых условий

=

На основании баланса теплоты = получим

= .

Откуда

= .

Поскольку

δ2 = uн τк ,

 

то uн

Из выражения (3.4) следует, что величина нормальной скорости распространения пламени зависит от начальной температуры топливной смеси, от температуры ее воспламенения и физических свойств смеси. На величину uн влияет соотношение компонентов топлива, а также содержание в нем веществ, не участвующих в тепловыделении, но играющих роль ускорителей или замедлителей горения.

К гомогенным топливам относят твердые топлива ракетных двигателей, пороха и др. Особенности их горения рассмотрены, например, в








Дата добавления: 2015-02-16; просмотров: 638; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию, введите в поисковое поле ключевые слова и изучайте нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам понравился данный ресурс вы можете рассказать о нем друзьям. Сделать это можно через соц. кнопки выше.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2019 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.009 сек.