Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А., страница 10

Реакция протекает в протяженной зоне в диапазоне температур от 600 до 800 К. Продукты сгорания содержат в высоких концентрациях частично окисленные органические соединения; следовательно, выделяется только часть теплоты сгорания. Дефлаграция Дефлаграция — это быстрый процесс, требующий менее ! мс для завершения на 80 то. Для него свойственно наличие пламени, распространяющегося по свежей смеси. Пламя можно определить как быстрые химические изменения, которые происходят в очень тонком слое, характеризующемся значительными градиентами температуры и концентраций, и сопровождаются свечением. Макроскопически фронт пламени можно рассматривать как поверхность, разграничивающую продукты сгорания и 50 Глава 2 свежую топливовоздушную смесь. По сравнению со свежей смесью продукты сгорания занимают больший объем и имеют значительно более высокую температуру и существенно меньшую плотность.

Дефлаграцнонные волны обычно распространяются со скоростями менее 1 м/с. Все пламенные процессы, происходящие в камере сгорания газотурбинного двигателя, относятся именно к данной категории. Детонация Характерная особенность детонации — ударная волна, связанная с зоной химической реакции и поддерживаемая ею. Детонационные волны распространяются со сверхзвуковыми скоростями, составляющими от 1 до 4 км/с. Скорости распространения могут быть вычислены из общих уравнений газовой динамики и термодинамики без привлечения кинетики реакций. В топливовоздушных смесях, характерных каме сго ани ГТД, детонационные волны не возникают мог т возникн ть спользовании до авок кислорода для облегчения зап ска и раскрутки двигателя.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПЛАМЕН Большинство исследований горения в пламенах проводят с использованием газовых или испаренных топлив. Кроме того, хотя пламя (т. е. волна горения) способно распространяться по неподвижной газовой смеси, принято стабилизировать пламя в некотором фиксированном месте и питать его непрерывным потоком горючей смеси: При этих условиях пламена могут быть разделены на два основных класса — диффузионные пламени и пламена в топливовоздушных смесях — в зависимости от того, смешиваются ли топливо и воздух до горения или же непосредственно в зоне пламени путем диффузии. Соответственно преобладающему уровню скоростей потока оба типа пламени можно дополнительно классифицировать как ламинарные или турбулентные.

Еще одна сложность появляется при сжигании в технических устройствах жидких топлив: если топливо не испаряется полностью еще до зоны пламени, то может возникнуть гетерогенное горение распыленного топлива. Этот процесс, включая диффузионное горение отдельных испаряющихся капель топлива, может накладываться на зону турбулентного распространяющегося по смеси пламени.

Если оба реагента находятся в одинаковом агрегатном состоянии, процесс рассматривается как гомо- генный. Горение свечи представляет собой простой пример диффузионного пламени. Испаряющееся с фитиля топливо сгорает по 51 Эяементм теория горения мере смешения его с кислородом воздуха. Для пламени этого типа скорость процесса горения часто лимитируется именно скоростью смешения топлива с окислителем. Только для ламинарйых пламен в газовых топливовоздушных смесях химические процессы в пламени наряду с локальными процессами тепло- и массообмена„а также такими макроскоппческимн параметрами системы, как давление, температура, отношение расходов топлива н воздуха, определяют скорость процесса горения в целом; при этом газодинамические процессы и процессы массо- и тепло- обмена в масштабе всей системы влияют слабо.

В случае заранее перемешанных газов горючая смесь существует с самого начала. Как только пламя инициировано в некоторой точке (с помощью нагретой поверхности, электрической искры или любого другого источника поджигания), оно распространяется по всему объему горючей смеси. Скорость распространения пламени и факгоры, влияющие на нее, представляют непосредственный интерес для конструкторов технических устройств горения. Первостепенную роль играет турбулентность, поскольку поток горючей смеси большей частью является турбулентным и известно, что именно турбулентность в значительной мере определяет скорость распространения пламени. ФИЗИКА ИЛИ ХИМИЯМИ Горение относится как к области физики, так и к области химии.

В данном контексте физика — это теплообмен, массообмен, термодинамика, газовая динамика и механика жидкости. В прошлом горение считалось ответвлением химии, но в последние годы ведущая роль в нем физических процессов получает все возрастающее признание. Причина такого смещения акцентов очевидна. Во многих технических устройствах горения физические процессы в большей степени лимитируют характеристики устройства, чем химические. Вообще говоря, химические процессы существенны в условиях низких температур и давлений, например при определении пределов воспламенения и стабилизации пламени при полете на больших высотах. Но для большинства случаев интерес представляют не столько пределы горения, сколько структура, скорость выделения тепла, продукты сгорания и излучательные свойства высокотемпературных пламен.

Процесс высвобождения | энергии в химической реакции — безусловно существенная стадия всего процесса горения, но в высокотемпературных пламе( нах он протекает настолько быстро по сравнению с остальными процессами, что не может быть лимитирующим. Лля диффузионных пламен взаимная диффузия топлива и воздуха н крупномасштабное перемешивание (для больших 52 Гаааа 2 пламен) являются теми стадиями процесса, которые определяют его скорость в целом.

Аэродинамика системы (т. е. уровни турбулентности, скорости массообмена для воздуха и продуктов сгорания) наиболее важна для определения размеров и устойчивости пламени. Для ламинарных пламен в топливовоздушных смесях скорости химических реакцчй имеют существенно более важное значение, хотя скорость пламени сильно зависит и от процессов тепло- и массообмена, протекающих во фронте пламени и вблизи него. ПРЕДЕЛЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ (РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ) Не все топливовоздушные смеси могут гореть или взрываться; пламя может распространяться только в смесях, состав которых находится в определенных концентрационных пределах.

Если постепенно добавлять в воздух чалыми порциями газообразное или испаренное топливо, то в некоторый момент будет достигнут состав смеси, по которой станет возможным распространение пламени. Процентное содержание газообразного топлива, соответствующее этому моменту, называют нижним концентрационнь~м пределом распространения пламени или «бедным» пределом.

Если продолжать добавлять топливо, то неизбежно будет получен состав, при котором смесь перестанет гореть, т. е. станет невозможным распространение пламени по смеси. Соответствующее процентное содержание газообразного топлива называют верхнил~ концентрационным пределом распространения пламени или «богатым» пределом. Определение концентрационных пределов распространения пламени (пределов воспламенения) для газовых или испаренных топлив при фиксированных давлении и температуре выполняют с помощью стандартного экспериментального оборудования. Исследуемая смесь заключается в вертикальную стеклянную трубу диаметром не менее 5,08 см и длиной не менее 1,37 м. Сверху труба закрыта; нижний конец трубы при испытаниях открывают и вводят в него озкрьпое пламя длиной от 1,9 до 2,5 см. Если после этого происходит распространение пламени на всю длину трубы, смесь считается горючей (воспламенимой).

Концентрационные пределы распространения пламени для ряда топлив при стандартных давлении и температуре приведены в табл. 2.1. Анализ экспериментальных данных показывает, что как «бедный», так и «богатый» пределы распространения пламени соответствуют минимальной температуре пламени для рассматриваемого топлива. В случае метана это примерно 1400 К (отметим, что температура пламени в стехиометрической смеси 53: Элементы теории горения для метана составляет около 2200 К). Установлено, кроме того, что для многих топлив «Бедный» предел (Та топлива) Х Теплотворная способность (икал(моль) = = 1100.

Отсюда следует, что концентрационные пределы для любого топлива связаны с температурой пламени. Эмпирические наблюдения свидетельствуют также о том, что для многих топлив таблица 2.! Концентрационные пределы распространения пламени для различных топлив 4,0 5,0 95,0 61,0 2,9 80,0 15,0 94,0 «бедный» предел соответствует величине козффициента избытка топлива примерно 0,5, а «богатый» вЂ” примерно 3. Увеличение давления сверх атмосферного обычно расширяет концентрационные пределы распространения пламени.

Это в особенности справедливо для углеводородовоздушных смесей. Расширение происходит в основном в сторону «богатого» Водород Метан Пропан Этплен Природный газ Каменноугольный газ Окись углерода Этан л-Бутан л.Пентан л-Гексан л-Гептан л.Октан 11ропплен Бутилеи л-Пентен Бензол Толуол Ацетилен Нафталин Газолин АУТ()й АЧТАО-ЗР4 АУСАТ Метиловый спирт Этиловый спирт л-Пропиловый спирт Аммиак 4,0 5,0 2,2 2,7 4,8 5,3 12,5 3,0 1,86 1,4 1,25 1,0 0,95 2,0 1,98 1,8 1,35 1,27 2,5 0,9 1,4 1,2 1,1 1,4 7,4 4,3 2,1 !5,0 75,0 15,0 11,2 36,0 13,5 32,0 75,0 12,5 8,4! 7,8 7,0 6,0 3,2 ! 1,! 9,65 9,0 6,65 6,75 81,0 5,9 7,6 7,1 6,8 7,5 36,0 19,0 13,5 28,0 Глава 2 54 предела.

В практически важном диапазоне давлений от 10 кПа до 5 мПа <сбедный» предел не обнаруживает сильной зависимости от давления. Область распространения пламени расширяется также с повышением температуры 13, 4). Такое расширение обычно приписывают повышению температуры пламени и, следовательно, мошности диффундируюших в свежую смесь источников поджигания, обеспечиваюших процесс распространения пламени. Одним из соотношений, описываюших влияние температуры на нижний концентрационный предел, является модифицированный закон Берджеса — Уилера [5] 1 0,7517 — 298) ~ где Ет — «бедный» предел 1объемное процентное содержание топлива), ЛНс — низшая теплота сгорания, ккал/моль. ы и с' в к Е Со т, темперпп1уп Рис.

2.1. Влиипие температуры в состава смеси иа пределы самовоспламеиеиия. 1 — точка вспышки; 7 — мвмвмалсилв тсмисра:1ра само ос л мс с ии. Для жидких топлив образование горючих смесей возможно в определенных температурных пределах. В качестве нижнего предела температуры принимается минимальная температура, при которой давление паров топлива достаточно для достижения в воздухе концентрации паров, соответствую1цей «бедному» пределу. При охлаждении ниже этой температуры такая смесь становится слишком бедной для воспламенения.