Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А., страница 12

Если энергия активации невелика, то реакция происходит легко. Большинство реакций с участием углеводородов имеет энергии активации от 40 до 50 ккал/моль, но некоторые цепные реакции протекают с очень низкой энергией активации. Влияние температуры на, скорость химических реакций проиллюстрировано табл.

2.3. Концепция суммарной реакции Хотя горение углеводородного топлива представляет собой чрезвычайно сложный процесс, ои может быть проанализирован в предположении, что горение полностью описывается единственной суммарной реакцией, в которой топливо н воздух реагируют с определенной скоростью, и в результате получаются продукты сгорания. Кроме того, предполагается, что топливо и воздух, поступающие в зону горения, мгновенно смешиваются со всеми находящимися там веществами и что продукты сгорания покидают эту зону с температурой и составом, идентичными температуре и составу в ней. Жесткие требования, предусматривающие низкие гидравлические потери, а также невысокий уровень скорости газа, не ратура системы возрастает, то обычно наблюдается заметное.

увеличение константы скорости и, следовательно, скорости реакции, что легко может быть обнаружено экспериментально. Согласно Аррениусу, температурная зависимость выражается следующим соотношением: lгу — — Л ехр ( — Е((ЙТ), (2.9) или !пlгу — — — Е/1тТ+ сопз(, (2А О) где Š— энергия активации; ее можно рассматривать как некий энергетический барьер, который необходимо преодолеть, чтобы столкновение двух молекул А и В оказалось продуктивным, т. е Таблица 2.3 Влияние температуры и энергии активации на скорость реакции 56 Глава с (2. 11) При этом делаются следующие предположения: 1.

Израсходованные в реакции вещества образуют равновесную смесь СОт, СО, Нм НтО при температуре 7'. В бедных смесях топливо сгорает только до СОт и НтО. 2. Остающиеся топливо и кислород, доли которых равны 1 — т), и 1 — т),ф соответственно, являются единственными продолжающими реагировать веществами. В работах Лонгвелла установлены уравнения для суммарной реакции горения октана в воздухе. Соответствующие уравнения для керосина рассматриваются в следующем разделе. Бедные смеси.

Для бедной смеси (ф ( 1) уравнение суммарной реакции может быть записано в следующем виде: срСмНм + 180т + 67,68)х)в = = 12т),ф(СОг+ НтО) + (1 — т1.)1рСмН с+ + 18 (1 — т)сф) От + 67,68Мт. Таким образом, (1 — чс) ф 85,68 + ф + 5псф 18 (1 Чсф) О 8568+ ф+ 5тур (2.12) (2. 13) В работе [8) для т н ст использовались значения 1 и 2, что соответствовало реакции второго порядка.

Введение этих значений в (2.11) и подстановка уравнений (2.12) и (2.13) в (2.1!) дают ""Х 1 ( Чс) ( Чсф) (сРт Т'а схр (Е(КТ) Чс (2.14) В последующем было установлено, что экспериментальные данные лучше всего обобщаются при значении л, несколько меньшем 2. В соответствии с этим величина и в работе [7) была изменена на 1,8. Дальнейшие исследования подтвердили, позволяют в обычной камере сгорания обеспечить достаточно быстрое смешение, которое гарантировало бы гомогенность зоны горения. Довольно близкие к этому условия создаются в реакторе Лонгвелла [7~), в котором хорошее смешение свежей смеси с продуктами сгорания достигается сообщением втекающим в реактор струям значительной энергии ценой больших потерь полного давления.

Согласно работе [8[, скорость реакции между топливом и воздухом может быть определена из уравнения материального баланса Е т! фщ — С 1/7'Ол ехр ( рлхссхс-сс с А с( ~ Т(Т) Р 0 Элементы теорыы горення 61 что влияние давления соответствует именно этому порядку реакции [9, 10].

Если для п и пу взять значения 1,75 и 0,75, то уравнения будут согласовываться с параметром скорости горения (см. гл. 5). В этом случае уравнение (2.14) преобразуется к виду А ( '1е) ' (' Ча'Р) И'" Т'". р(Е!НТ) р'70 ч, (2.15) Богатые смеси. Для богатых смесей керосина с воздухом (ер ) 1) уравнение суммарной реакции имеет следуюп!ий вид! ерС!0Нг4+ 1800+ 67,68Х7 = 18(1 — 7!пер) Ох+ + (1 — 71а) грС!7Н04 + 127!сер (С00 или СО) + + 1241гер(Н, или Н,О)+ 67,68Х0. 3 Использование тех же преобразований, что и для бедных смесей, дает при и = 2 и пу =-1 А за ( Ча) !7Р0 Т!' ехр (Е!КТ) (2.16) (2.17) Зависимость скорости тепловыделения, выражаемая величинами в правых частях соотношений (2.16) и (2.17), от 41, показана на рис.

2.3. При низких значениях 71, скорость тепловыделения мала, поскольку низкатем- з пература. По мере развития горения температура растет н скорость тепловыделения увеличивается до тех пор, пока не ! достигается ее максимум при l значении 71„находящемся в диапазоне 0,7 — 0,9 в зависимости от величины коэффициента избытка топлива рр и начальной температуры смеси То Рнс. 2.3 М н ям горения н срыва ПРи дальнейшем Росте 71г Уве- пламени. личение скорости реакции, об- 7 — линия нагрузки; 7 — предельная линия УСЛОВЛЕННОЕ ПОВЫШЕНИЕМ ТЕМ- нагруакн;  — линиЯ тепловылеления; 4 — рабпчая точка. пературы, не может компенсировать уменьшения скорости реакции из-за снижения концентрации кислорода и несгоревшего топлива. Поэтому скорость а при и = 1,75 и пу = 0,75 070 ( ! ) !.70 р (е)лт) ч, ог в в Ы о щ Цоля сгоревшего пгогзлово Глава 2 тепловыделения уменьшается и становится равной нулю при достижении максимальной температуры, что соответствует 100%- ной полноте сгорания топлива.

т Л7л Линия нагрузки — или на рис. 2.3 характеризует 1 Р2 УРь75 количество тепла, необходимое для нагрева свежей смеси до температуры в реакторе Т. Точка, в которой линия нагрузки пересекает кривую тепловыделения, соответствует режиму работы реактора (камеры сгорания). При увеличении расхода смеси через реактор наклон линии нагрузки увеличивается до тех пор, пока она не перестанет пересекаться с кривой тепловыделения, что соответствует срыву пламени.

ЛАМИНАРНЫЕ ПЛАМЕНА В ОДНОРОДНОЙ СМЕСИ Скорость распространения пламени, т. е. скорость, с которой плоская волна горения распространяется по горючей смеси, определяется как скоростью химической реакции в тонкой зоне пламени, так и переносом тепла и массы от пламени к свежей смеси.

Происходящие при этом процессы рассмотрены в работе 111]. Нагрев свежей смеси теплопроводностью и излучением инициирует в ней реакции по тепловому механизму, а диффузия активных веществ из зоны пламени способна инициировать реакции химическим путем. Таким образом, скорость распространения пламени зависит от его излучательйой способности и„ следовательно, от температуры пламени, от локальных свойств газа, таких, как вязкость и коэффициент диффузии, и от внешних параметров — давления, температуры и отношения топливо/воздух.

Скорость распространения пламени может быть определена как скорость, с которой плоский фронт пламени перемещается по нормали к его поверхности относительно несгоревшего газа. Эта скорость является фундаментальной характеристикой горючей смеси и имеет важное практическое значение как для стабилизации пламени, так и для определения скорости тепловыделения. Как показывает опыт, для любого топлива скорость распространения пламени при фиксированных внешних параметрах представляет собой постоянную и хорошо воспроизводимую величину. Интересно также отметить, что скорости распространения пламени в стехиометрических смесях различных углеводородных топлив с воздухом близки к одной и той же величине— примерно 0,43 м/с при атмосферном давлении и комнатной температуре.

Возможной причиной этого является то, что большинство топлив сложного состава в результате процессов пиролиза почти полностью разлагается на метан и другие углеводороды с одним или двумя углеродными атомами, а также на водород 63 Элементы геернн горения еще до вступления в зону реакции в пламени. Следовательно, состав газа, входящего в зону пламени, практически не зависит от типа первоначального топлива.

Измерения скорости распространения ппвменк Одной из основных трудностей измерения скорости нормального распространения пламени является то, что плоский фронт пламени можно наблюдать только при весьма специфических условиях. Почти во всех случаях, имеющих практическое значение, фронт пламени либо искривлен, либо не распола- У гается перпендикулярно направлению скорости газового потока.

Вообще говоря, суще- ! ствуют два основных способа измерения скорости распространения пламени: в одном из них используются пламена, пе- ! ремещающиеся по иеподвиж- рлс. 2,4. Схема элемента фро а планой смеси, в другом — пламена, КОтпрЫЕ удержу!ВаЮТСЯ В у„— скорость газа иа радиусе г; Зг — ско- ПрОСтраНСтВЕ В СтацИОНарНОМ Рость нарнального распространенна пла. пенит то †уг при вершине конуса плаположении встречным потоком свежей смеси. Метод горелки Бунзена. При использовании для измерения скорости распространения пламени горелки Бунзена трубка должна быть достаточно длинной для того, чтобы в ней могло установиться полностью развитое ламинарное течение с параболическим распределением скорости по поперечному сечению трубки.

Для получения плоского профиля скорости в зоне горения желательно, чтобы сопло горелки имело отношение площадей не менее 5:1. Основная проблема в эксперименте †точ зафиксировать фотографированием положение зоны пламени. Обычно коническая поверхность пламени в этом случае с достаточной точностью соответствует поверхности наибольшей светимости, т. е.

линии максимальной плотности на негативе. Элемент фронта пламени схематически показан на рис. 2.4. Скорость распространения пламени 5! определяется как Яь = )У„/А1, !2.18) где )У, — объемный расход газа, А! — общая площадь фронта пламени. Таким образом, для определения скорости нормального распространения пламени необходимо только измерить расход газа и площадь поверхности фронта пламени (по фотоснимку). Другой способ состоит в измерении угла наклона 64 Глава 2 фронта пламени (желательно на радиусе, равном 0,7 радиуса горелки, где для параболического профиля скоросги локальная скорость газа равна средней скорости) 111).