Камеры сгорания газотурбинных двигателей Пчёлкин Ю.М., страница 11

Таким образом, касание кривых аг, и гт, характеризует критический случай, определяющий условия самовоспламенения горючей смеси. Температура Тв — это теоретическая температура самовоспламенения, которая однако не является физико-химической константой данной смеси, она характеризует систему в целом. Температура Тв зависит от )г, 5, а, р, а и т. д. Температура Тв определяет течение реакций при периоде индукции т; =- оо. Поэтому на практике температурой самовоспламенения смеси при заданных условиях принято считать минимальную температуру стенки Т„ при которой в течение определенного отрезка времени наступает взрыв. Сопоставление температур самовоспламенения различных смесей возможно только при условии идентичности их определения.

Для горючих смесей существует область характерных параметров, при которых возможен взрыв. Границы этой области (граиицы самовоспламенения) могут быть найдены из анализа уравнений ди и у„ от Т, В точке В д„= до и ду,!дТ = дг)„~дТ или От„п.-"('") =~В(Т, — Т„); 1Е!(гтТв)1 9Рняаге '( " = ЯВ. (23) 4р рис. 6. Изменение температуры Т смеси во вре- мени т при различных значениях Т, Разделив выражение (22) на (23), получим КТв/Е = Тв — Т. = КТ',~Е, (24) так как разность Тв — Т, очень мала по сравнению с Т„ а Е очень велико. Если в левой части уравнения (22) счи- гп тать Ти == Та, то с учетом соотноше- ниЯ (24) Яйеаее-н((ага) =- ссБКТ;-/Е.

Послелогарифмирования )п (пт/Та) = (Е/Я) Т,' /Е !и (аЯЯ/Яг/а,Е)). Отсюда получаем зависимость Т, = Т„=- / (а) и др. Таким образом, используя зависимости молярной доли горючего вещества от давления, можно легко найти функции Тп = ср (/з) Период задержки самовоспламенения. Для практических целей важно знать время, в течение которого в данных условиях пройдут некоторые предпламенные процессы и реакция горения станет заметной.

Скорость разогрева смеси и ее температура зависят от реакционной способности смеси, ее состояния, температуры стенки и ее особенностей. Изменение температуры во времени определяется разностью д, — д, и теплоемкостью системы Усу'.

ЙТЯт = (д,— — д,)/((/сн). Если условия тепловыделения и теплоотвода характеризуются зависимостями д, и дат (см. рис. 5, б), то при изменении температуры от Т„до Т„положительная величина г/ТЫт все время уменьшается вплоть до нуля при Т = Тио Температура системы не может быть выше температуры Ти (рис. 6). Вследствие уменьшения количества исходных веществ температура начнет даже снижаться (штриховая линия). При некотором росте Т до значения Т„(см. рис. 5, б), определяющем условия теплоотвода с/а„ система разогревается до температуры Тп. Дальнейшее даже небольшое повышение Тм до Т, приводит к условиям теплоотвода, аналогичным даа, когда температура смеси непрерывно возрастает до очень высоких значений, характерных для реакций горения. Некоторое замедление роста температуры около точки Тп (см.

рис. 6) будет менее заметно при более высокой температуре Тмм Точка перегиба определяет конец индукционного периода теплового воспламенения т; и переход к развитой химической реакции. Геометрическое место точек перегиба ряда кривых дает зависимость т; ==- / (Т) (штрихпунктирная кривая). Таким образом, температура самовоспламенения Тв (Т,) зависит от давления, количества горючего вещества в смеси и т. д.

Метод и условия определения Тв также влияют на полученное значение. На рис. 7 показаны зависимости Ти от объемной доли различных горючих веществ в смеси с воздухом. Как показали результаты опыта, для некоторых смесей возможно ступенчатое изменение зависимости Тв —— /' (а„), кривая б. Следует отметить, что изменение Тв от /з также не всегда соответствует зависимости 1, показанной на рис. 8, так, например, кривая 2 43 777 угу мгз т„л агу д гй 40 О а;,уз Рис. 7. Зависимость Тв от объемной доли горючих веществ в смеси с воздухом: г — сн,; г — со; а — с,н,; е — с,нцр а — н,; а — с,нмн и„= ога мпе Рис.

8. Зависимость температуры Тв самовоспламенения смесей с воздухом от давле- ния рс à — нентан; г — метан где )7 — объем канала. Пренебрегая потерями в окружающую среду, считаем, что вся выделившаяся теплота идет на нагревание смеси. Рис. 9. Тепловыделение и теплоотвод в системе при самовоспламенении потока смеси в канале т т т для смесей метана с воздухом имеет перегиб. При 923 К на кривой 2 не одна критическая точка самовоспламенения, а три (г', П, П1). Эти явления могут быть объяснены теорией цепных реакций. Самовоспламенение смеси в потоке. Особый интерес представляет процесс горения смеси, движущейся по каналу.

Рассмотрим самовоспламенение смеси в потоке на упрощенном примере. Пусть по прямому каналу с определенной температурой стенок, параллельными струями, имеющими одинаковые скорости, течет горючая смесь. В этом случае любой элементарный объем смеси можно рассматривать изолированно. Состояние смеси определяется соотношением тепловыделения и теплоотвода. Если тепловыделение от развивающейся химической реакции превышает теплоотвод, то по мере движения смеси она будет нагреваться до температуры самовоспламенения. Процесс может быть ускорен подводом теплоты как от стенки, так и при перемешивании горючей смеси с горячими продуктами реакции, хотя несколько уменьшается концентрация горючих веществ. В любом случае химическую реакцию определяет скорость тепловыделения (рис.

9) д„= шИ~, Продукты реакции непрерывно уносят из зоны реагирования количество теплоты ЧО бса ( Т ТО) где 6 — секундный расход газа; ср — теплоемкость газа при постоянном давлении; Т вЂ” температура, до которой нагревается смесь; Т, — начальная температура. При температуре стенки Т, и разных скоростях движения смеси теплоотвод д, будет различным (прямые 1 — 6). В случае отвода теплоты, характеризуемого прямой б, смесь нагревается от температуры Т, до Т„, пока д, > д,. Если отвод теплоты изменяется по линии 2, то подогрев продолжается до температуры Тв.

Уменьшение скорости потока приводит к изменению скорости отвода теплоты по линии 1. В этом случае д„> д, почти до конечной температуры и смесь воспламеняется. Граничный случай самовоспламенения смеси определяется линией 2. Если горение началось с отводом теплоты, например, по линии 1, то процесс можно форсировать увеличением скорости потока, например, до значения, характеризующего отвод теплоты по линии 5 (предельный случай).

Устойчивая работа может быть обеспечена лишь при расходе, определяющем теплоотвод по линии 4. Реальные условия развития процесса горения всегда сложнее вследствие неравномерности скоростей, температур и количеств веществ по сечению канала сложной формы. Вынужденное воспламенение В топливосжигающих устройствах всегда осуществляется вынужденное воспламенение (зажигание) горючей смеси; смесь с температурой намного ниже Тв воспламеняется после интенсивного подвода теплоты к небольшой части общего объема от постороннего источника, например небольшого постороннего пламени, электрической искры, раскаленного тела и т.

д. Результаты исследований показывают, что существуют границы возможного вынужденного воспламенения по начальной температуре, составу смеси, ее давлению. Кроме того, имеются общие пределы воспламенения смеси от какого бы то ни было источника. Воспламеняющаяся смесь — такая, в которой пламя может неограниченно распространяться от источника воспламенения даже при кратковременном его действии. В невоспламеняющейся смеси даже при наличии вспышки после удаления источника воспламенения горение прекращается. Воспламеняющаяся смесь топлива с воздухом при добавлении, например, инертного газа илн избыточного количества воздуха или прн чрезмерном обогащении топливом может стать невоспламеняющейся.

Для воздушных смесей с парами бензина или керосина пределы воспламенения определяются коэффициентами избытка воздуха: а м = 0,2 —:0,3 — богатый предел; а,„= 1,8 —: —:2 — бедный предел. С понижением температуры смеси границы воспламенения сужаются. Границы воспламенения определяют надежность и устойчивость работы камеры сгорания, условия пуска и пожарную безопасность. 45 ге г. Рис. !О. Поля температур Т и концентрации и„га- зов вблизи поверхности высоконагретого тела В Тр Важным фактором вынужденного воспламене- иня является общий объем системы нли диаметр 7"' канала, по которому движется поток смеси.

Мини. гз / мжтьный объем капала (диаметр трубки) ограничен его размерами, при уменьшении которых нельзя добиться горения в потоке данной смеси. Следует отметить, что пределы воспламенения заранее не- перемешанных смесей, например при введении мел. кораздробленного жидкого топлива в поток воздуха, значительно расширяются.

В этом случае воспламег пенне топлива осуществляется за счет горения час. / тей смеси опгимального состава, образующихся в общем объеме. Пределы воспламенения смеси значительно зависят от условий зажигания, подачи топлива, размеров отдельных капель в струе топлива и т. д. Процесс вынужденного воспламенения принципиально не отличается от самовоспламенения, однако ускорение реакций первоначально идет в малом объеме и постепенно распространяется на всю смесь.

Расчет вынужденного воспламенения более сложен. Схему этого процесса можно упростить, считая, что в начале процесса концентрация горючей смеси в объеме одинаковая. Этим исключаются из рассмотрения процессы диффузии реагирующих веществ. Зажигание высоконагретым телом. Если в объем, заполненный смесью при температуре То, внести небольшое высоконагретое тело (например, пластинку), то в зависимости от температуры стенки тела Т, его размеров н других факторов эффект будет различным. Так, например, в смеси с инертным газом за счет теплообмена, ближайшие прилегающие к пластине слои нагреваются (рис. !О, кривыс 1), но уже на некотором расстоянии 1,(1;) смесь, не способная к химическому реагированию, будет иметь температуру, близкую к То.