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 τ_д и времени кинетического горения τ_к: τ = τ_д + τ_к .

Может происходить наложение одной стадии на другую. При τ_д τ_к

реализуется диффузионное горение; при τ_к τ_д – 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 u_н.

Величина u_н 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 u_н. (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 T_b (зона прогрева δ₁ ) и далее, в зоне пламени (δ₂) - до температуры горения T_г. В зоне δ₂ сгорает до 90 % смеси, концентрация реагирующих компонентов падает от С_г до С_х. Протяженность зоны пламени выразим через нормальную скорость горения и время протекания реакции:

δ₂ = u_н τ_к .

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

.

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

= ,

где _см и с_{р см}  плотность и теплоемкость топливной смеси;

F_к  площадь поперечного сечения канала.

Это тепло подводится теплопроводностью из зоны δ₂ . Для принятых условий

=

На основании баланса теплоты = получим

= .

Откуда

= .

Поскольку

δ₂ = u_н τ_к ,

то u_н

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 u_н 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