Горение гетерогенных топлив

3.4.1. Горение жидкого горючего в среде газообразного окислителя

Очень часто в тепловых двигателях и других преобразователях энергии в качестве окислителя используется кислород воздуха, а в качестве горючего углеводородные соединения в жидкой фазе.

Механизм сгорания жидкого горючего связан с рядом теплофизических процессов, это:

- подача в камеру сгорания горючего при помощи форсунок, с целью распыления компонента на отдельные капельки;

- подогрев и испарение капелек горючего;

- перемещение паров горючего и окислителя до такого состава, когда смесь в месте смешения становится горючей;

- воспламенение горючей смеси одним из рассмотренных выше способов;

- непосредственное химическое взаимодействие горючего и окислителя с последующим установлением энергетического и химического равновесия вновь образовавшихся молекул.

Процесс распыла можно разделить на такие этапы: ускорение и придание определенной направленности потоку жидкости на рабочих элементах форсунки; образование струи жидкости, вытекающей из форсунки, и придание ей той или иной формы под действием центробежных сил инерции и трения; дробление струи жидкости на отдельные капли, возможно, меньшего размера. Распыление или дробление жидкости на отдельные капли происходит в основном за счет турбулентных пульсаций частиц жидкости в потоке, действия сил трения между струей жидкости и средой в камере, отрывающих с поверхности струи частицы жидкости, наличия возмущений в струе, вызванных шероховатостью входного канала форсунки. Силам, разрушающим струю, противостоят силы сцепления между молекулами и силы поверхностного натяжения. Задачей впрыска и распыла является раздробление топлива на мельчайшие капельки с целью получения возможно большей поверхности испарения. Качество распыла определяется, прежде всего, тонкостью и однородностью распыла, равномерностью распределения капелек жидкости в конусе распыла. Тонкость характеризуется величиной среднего диаметра отдельных капель.

Подогрев и испарение раздробленного горючего необходимы для получения паровой фазы. На месте испарившихся капель горючего образуется множество облачков пара, в которых затем (после их перемешивания) происходит химическая реакция. Подогрев и испарение капель происходит практически одновременно: с поверхности капли уже испаряются, а внутри они еще продолжают подогреваться до температуры испарения. Процесс подогрева и испарения капли жидкости осуществляется примерно по такой схеме. Распыленная жидкость, поступая в камеру горения, непрерывно перемешивается с раскаленными газами, воспринимает от них тепло. Первоначально поток капелек имеет значительную скорость и очень низкую температуру относительно газовой среды в камере. Конвективный и лучистый тепловой обмен между газовой средой и каплями жидкости будет весьма интенсивным. За счет этого капли начнут быстро подогреваться и испаряться. Возникает поток молекул пара в направлении “поверхность капли – горючая газовая среда”, одновременно капля затормаживается газовой средой и теряет свою скорость. В результате этого конвективный теплообмен уменьшится, подвод тепла от газов к капле будет происходить в основном путем теплового излучения. По мере уменьшения диаметра капли испарение становится более интенсивным, и роль конвективного теплообмена вновь возрастает. Связано это с тем, что молекула жидкости, находящаяся на выпуклой поверхности, испытывает притяжение тем меньшего числа других молекул, чем меньше радиус кривизны поверхности. Диаметр капель вообще очень мал; когда он соизмерим с длиной свободного пробега молекул, на поверхности капель отсутствует пограничный слой, являющийся наибольшим препятствием для конвективного теплообмена.

Образование смеси компонентов топлива вполне определенного концентрационного состава, обеспечивающего наиболее полное и быстрое сгорание топлива, происходит в результате механического перемешивания и процессов диффузии.

Физические изменения, происходящие с горючим в предпламенный период, превращают его в огромное количество испаряющихся капелек. Вследствие этого горение гетерогенного топлива можно считать процессом одновременного сгорания большой массы капелек горючего в среде окислителя. Выявление закономерностей горения отдельной капли позволяет ус тановить некоторые зависимости, характеризующие скорость горения жидкого горючего в целом.

Рассмотрим горение отдельной капли жидкого горючего. Попав в среду с высокой температурой, капля горючего 1 (рис. 3.5) нагревается и начинает испаряться. В слое 2 находятся только пары горючего. Слой 3 представляет собой смесь паров горючего и окислителя, но в этом слое окислителя еще очень мало, и только на его внешней границе состав смеси соответствует верхнему концентрационному пределу воспламенения.

Слой 4 по составу смеси паров горючего

и окислителя таков, что в нем возможно

распространение пламени. На границе

слоев 4 и 5 состав смеси соответствует

нижнему концентрационному пределу воспламенения. В слое 5 находятся практически лишь пары окислителя, и горения здесь не может быть. При определенных условиях воспламенения смеси происходит на внешней границе слоя 4, и фронт пламени перемещается к слою 3. По мере испарения горючего с поверхности капли и перемешивания его с парами окислителя размеры капли уменьшаются.

Установившийся режим горения капли характеризуется двумя взаимосвязанными процессами: испарением горючего за счет тепла, подводимого из зоны горения, и горением смеси горючего и окислителя. Очевидно, что скорость горения будет определяться интенсивностью испарения жидкости, поскольку собственно химические реакции в рассматриваемых условиях будут протекать очень быстро. Тогда время сгорания капли можно считать в первом приближении равным времени ее испарения.

Скорость испарения жидкости определяется интенсивностью теплоподвода от продуктов горения к капле и теплофизическими свойствами самой жидкости.

Баланс энергии в форме тепла для капли с переменной массой запишется в вид

, (3.5)

где D –диаметр капли;

– температура в зоне горения;

– температура испарения жидкости;

m – масса капли;

– коэффициент теплоотдачи.

Величина коэффициента теплоотдачи определяется по эмпирическим уравнениям: для Re = 0 … 100 – по уравнению Nu = 2 + 0,16 Re ^2/3,

для Re = 100 …1000 – по уравнению Nu = 0,56 Re ^0,5.

Изменение энтальпии включает теплоту на нагрев жидкости от Т_ж

до Т_исп , испарение ее и нагрев пара до Т_г :

с_ж ( Т_исп Т_ж) + r + c_p

где r - теплота испарения.

Выразим массу капли через ее объем и плотность:

Продифференцировав это выражение, получим

.

Перепишем выражение (3.5) в виде

После сокращения будем иметь:

.

Принимая значение постоянным, после интегрирования от начального диаметра D₀ до текущего, получим:

Обозначим:

тогда будем иметь:

(3.6)

Выражение (3.6) получено Б. Срезневским, здесь к - константа испарения с единицей измерения мм²/с (в реальных процессах к = 0,5…1,5 мм²/с). Уравнение (3.6) устанавливает линейную зависимость текущего диаметра капли от времени.

Из выражения (3.6) можно определить время, потребное для полного испарения капли (до D = 0):

Например, при к = 1 мм²/с капля диаметром 0,5 мм испарится за 0,25 с.

Скорость испарения

В реальных случаях одновременно испаряется и сгорает множество капель различных размеров. Испарение совокупности капель отличается от испарения единичной капли, которая характеризуется некоторой экспоненциальной функцией, расчета по ней показывают, что в первый период испарения капель различных размеров количество испарившейся жидкости будет больше того количества, которое испарилось бы в случае капель одного размера. В конечном же итоге испарение капель разного размера затягивается.

Весь объем, где происходит сгорание жидкого горючего можно условно разделить на несколько зон. Непосредственно у области впрыска находится зона подогрева, в которой успевают испариться наиболее мелкие капли горючего. Образующаяся в результате этого смесь сгорает в следующей зоне по законам кинетического горения. Часть выделяющейся теплоты расходуется на нагрев и испарение капель большого размера. Осуществляется их воспламенение. Далее следует зона диффузионного горения, в которой сгорает оставшаяся часть горючего, завершается процесс тепловыделения и развивается наиболее высокая температура.

Из зоны диффузионного горения передается поток тепла в зону кинетического горения, приводящий к увеличению скорости распространения пламени и к расширению концентрационных пределов воспламенения по сравнению с однородными газовыми смесями. Связано это с тем, что средний состав смеси капель, окруженных парами и продуктами сгорания, отличается от состава чисто паровой фазы. В то же время состав топлива в первой фазе будет находиться в пределах устойчивого воспламенения (смесь паров сможет хорошо гореть). За счет выделяющегося при этом тепла будет подготавливаться к горению оставшаяся жидкая фаза.

Такая схема горения смесей со значительной неоднородностью подтверждается экспериментально на примерах горения топлив с большим избытком одного из компонентов.

3.4.2. Горение твердого горючего в среде газообразного окислителя

Из гетерогенных топлив очень часто используются твердое горючее (уголь, дрова, торф и др.) и газообразный окислитель (кислород воздуха).

Основы современной теории горения твердых горючих разработаны Л.Б. Зельдовичем. Модель горения построена в предположении термического разложения горючего (за счет подвода теплоты от высокотемпературной газовой зоны) и последующей диффузией горючих элементов с его поверхности. Предполагается протекание всех реакций в достаточно тонком слое диффузионного пламени в газовой фазе.

Выделим из твердого горючего элемент цилиндрической формы, горящий с торца, (рис. 3.6). Вдоль оси цилиндра направим координату «х», а по радиусу – «Т». Весь процесс превращения исходного компонентов в конечные продукты сгорания является многозонным. В каждой зоне протекают физико-химические процессы, определяющие состояние вещества в фиксированный момент времени.

Зона 1 – исходное состояние твердого горючего.

2 – зона прогрева, условно заканчивающаяся при Т_прог., соответствую-

щей температуре начала

термического разложения твердого горючего.

3 – пористый газопроницаемый обугливающийся слой. В этой зоне небольшая доля газообразных продуктов пиролиза, состоящих из горючих и окислительных элементов, сгорает в коксовом слое в режиме тления.

4 – подготовительная зона. Здесь перемешиваются компоненты горючего и окислителя, образуются активизированные комплексы молекул и начинаются химические реакции.

5 – зона пламени. В этой зоне концентрации горючих и окислительных элементов достигают оптимальной величины, а реакции – химического равновесия. Устанавливается максимальное значение температуры продуктов сгорания.

6 – зона продуктов сгорания.

Каждая зона характеризуется значением температурного поля, концентрацией веществ и их агрегатным состоянием.

На протяженность зон оказывают сильное влияние химический состав, теплофизические свойства, форма и размер элемента горючего; состав окислителя и его количество; величина теплового потока от продуктов сгорания. От этих же факторов зависит и скорость горения.

Под скоростью горения твердого горючего понимают скорость перемещения горящего слоя по нормали к поверхности.

Скорость горения обозначают через u_н и измеряют в мм/с.