Горение жидкого топлива

Температура воспламенения жидкого топлива (нефть, мазут) выше, чем температура его кипения. Поэтому при поступлении в зону высоких температур капля мазута вначале испаряется с поверхности за счет подводимой теплоты, а затем пары топлива смешиваются с воздухом, поступающим из окружающей среды, подогреваются до температуры воспламенения и горят в газообразном состоянии. В результате на некотором расстоянии от капли r_СТЕХ достигается стехиометрическое соотношение между массой горючих газов и кислорода, и здесь устанавливается фронт горения (рис. 4.7), который для случая горения капли жидкого топлива в неподвижной окружающей среде представляет сферу вокруг капли. Расстояние r_СТЕХ составляет обычно 4…10 радиусов капли. От капли к фронту горения идет интенсивное движение паров испаряющегося топлива, здесь практически нет кислорода. В зоне реакции имеет место химическое равновесие между количеством топлива и окислителя, а за ней идет догорание остатков топлива и отвод продуктов сгорания. Навстречу им к зоне реакции диффундирует окислитель.

Концентрации паров топлива С_Т и окислителя (кислорода) С_ок резко уменьшаются в пределах зоны горения в результате интенсивной реакции окисления, а температура среды Т здесь достигает максимума. Горение паров топлива протекает по законам цепных реакций (см. § 4.2).

Организация сжигания жидкого топлива предусматривает, прежде всего, его распыление в форсунке до мельчайших капель размером не более 1,0…1,5 мм (средний размер капель 0,3…0,5 мм) с одновременным по возможности равномерным распределением их в потоке горячего воздуха на выходе из горелки.

Рис. 4.7. Механизм горения капли жидкого топлива: rк - радиус капли; rз.р - радиус зоны реакции; Ст, Сок - объемная концентрация топлива (пары) и окислителя (кислород).

В процессе смешения с воздухом и при дальнейшем движении готовой смеси капли жидкого топлива быстро прогреваются за счет теплового излучения ядра факела и конвективного теплообмена с газовоздушной средой (начальная температура капли 120…140 °С, а окружающей ее среды 300…500°С). При достижении поверхностью капли температуры испарения наиболее низкокипящих фракций жидкого топлива (для мазута 200…320°С) начинается ее испарение.

Процесс смешения с воздухом и прогрев капель топлива до начала испарения определяет первый подготовительный этап сжигания жидкого топлива (рис. 4.8), занимает τ_ПОД = 0,2…0,6 с в зависимости от крупности размеров капель и уровня

Рис. 4.8. Схема сгорания капель мазута и изменение температуры газов Т по длине факела Lф: I - зона смешения с воздухом и прогрев капель; II - кинетическая зона горения мелких капель; III - диффузионное горение крупных капель; IV - зона догорания и охлаждения продуктов сгорания; Тг.в, Тв - температура горячего воздуха и воспламенения паров мазута; Тм, Т"ф - максимальная температура горящего факела и продуктов сгорания на выходе из камеры

температур окружающей среды. Наиболее длительным является процесс испарения капли. Исследованиями установлено, что время испарения капли прямо пропорционально квадрату ее начального диаметра τ_исп = f(d₀²). Эту зависимость называют законом Срезневского.

При сжигании распыленного в форсунках мазута τ_ИСП = 0,3…1,0 с в зависимости от начального размера капель. Процесс нагрева паров до температуры воспламенения (на 50…70°С выше температуры испарения) и процесс горения по законам цепной разветвленной реакции при наличии окислителя (кислорода) занимают ничтожно малое время по сравнению с испарением. Горение паров топлива происходит, как правило, по мере испарения капли. В итоге полное время сжигания капель жидкого топлива составляет τ_ГОР = τ_ПОД + τ_ИСП.

В условиях присутствия в готовой смеси капель разного размера первыми прогреваются, испаряются и сгорают мелкие капли, обеспечивая более ускоренный прогрев за счет роста температуры капель больших размеров. Вместе с тем сжигание паров крупных капель происходит в среде с пониженной концентрацией кислорода, содержащей много продуктов сгорания (диффузионная область горения), что приводит к затягиванию языков факела в верх топки и при ограниченности времени пребывания газов в топке ведет к возможному появлению химического недожога и сажи.