1598005881-4f87b42cfc9e80ed51b9133d1cb84af4 (А.В.Талантов - Основы теории горенияu), страница 15

Нормальная скорость в зависимости от замещения кислорода азотом сгорания. Подобное явление возникает в так называемом двухстацнйном процессе, типичным примером которого является горение в гаэотурбинном двигателе с Форсажной камерой. часть кислорода расходуется в первой стадик, однако температура повышается. Очевидно,повышение температуры должно привести к увеличению нормальной скорости, разбавление же смесы продуктами сгорания и расходование окислителя в первой стадии должно вызвать падение Йч . Представляет интерес одновременное влияние этих Факторов при сохранении смесью тепла первой стадии.

Зависимости нереальной скорости распространеыия пламени во второй стадии в Функции весовой долк продуктов сгорания в смеси изображены на Фиг.!П.23 1ниже на грв4шке нанесены и соответствухщие значения е~ первой стадии). Кривые / — й обозначают балластнрование смеси продуктами сгорания без повышения ее 'температуры. Зависимость Ие от поли продуктов сгорания приближенно может быть записана так: Ин "~1-Я,лс) (Ш. ЗЗ) 11тоговсе, суммарное влияние температуры и балластирования, для случая беэ отвода тепла, показано кривыми 1 -М'.

С уве- 105 личением доли пролуктов сгорания в смеси И и растет. Нак и следовало олидать, рост температуры оказывает реиалщее влияние. З,й 2,6 2,0 66 О,Ю 04 0 01 02 06 Ц4 ОХ 06 07 ~ас. Осгк 6 У Ф 3 я 'Эиг.И.23. Нормальная скорость во второй стадии двухстадййного процесса горения стехиометрнче- ских смесей (температура в Н ): ! — 873; 2 — 823; 3 — 773: М вЂ” 723; 5 — 673; 6 - 623; Р - 573; 6 — 523; У вЂ” 473; ~С - 423; у1 - 373 106 Сопоставление двухстадийного горения с ходом химических реакций в обьеме позволяет сделать заключение, что цревалырухщее влияние тепла будет проявляться до величин, близких к конечыоИ температуре горения. Лишь по достижении вх начнет сказываться падение концентрациИ.

Твк как температуры максимальной скорости химических реакций существенно выше температуры самовоспламенения, то мозно полагать, что установленная зависимость скорости распространения пламени во второй сталыи адиабатного двухстапийного процесса будет достаточно общей для всего диапазона нормального распространения пламени вплоть до самовоспламенения.

Глава 1У ВЫНУИДИПЮЕ ВОСПИАМИПНИЕ (ЗАЖИГАНИЕ) $ 1. Особенности процесса зажигания В технике весьма распространен случай, когда горючая смесь газов, в которой возможно стационарное, устойчивое распространение волны реакции и которая способна к горению, находится вне пределов самовоспламенения. Лля того чтобм иницикровать процесс, необходимо создать начальный очаг горения, воспламенить смесь от постороннего источника тепла. Это и называется вынужденным воспламенением,или зажиганием. Зажигание может быть осуществлено различными способами: накаленным телом, горячим газом, злектрической искрой или дугой, ударной волной и т.д. Разновидностью зажигания является инициирование реакции за счет каталитического действия тех или иных веществ. Экспериментальное изучение зажигания позволило устаыовить, что воспламенение зависит от ряда особенностей источника воспламенения и смеси.

Лля зажигания нагретым телом важна температура тела, его размеры, относительное движение, каталитические зйфекты, зависящие от материала тела, и пр. При искровом зажигании определяхщими являются мощность искры, размеры искрового промежутка, размеры, фо1зв и материал электродов, характер разряда, движение газов и пр.Что же касается характериотики смеси, то определяхщими . являются ее состав, давление и температура. Каждой горючей смеси свойственна оппеделенная область составов, в которой заданный ис- 108 точник подкигечия инициирует процесс (4ыг.17.1).Грю;.ипы этой области называются границами воспламенения — бедная горочим, или пниняя гранзца,и богатая,или верхняя граница.

При неогра- оз ьг чг Фиг. 17.1. Области воспламенения углеводородов ( й = 20оС): ~ — метан; г - этен; о - продан; ' - бутан; 5 - гексан; е - гептвн; т - цнкюопропан! з - ди- этиловый спирт1 У - бензол ниченном увеличении мощности подиигапцего источника в сосудах достаточно большнх размеров границы воспламенения стремятся к определенным значениям составов смеси, за пределами которых смесь уие невоэмозно воспламенить никаким источником - это пределы воспламенения, по существу концентрационные пределы распространения пламени.

Они не зависят от аппаратурных условий, к их мозно рассматривать как ф~зиио-химическую харектеристииу смеси. Для заданного горпчего и окислителя они зависят лишь от Физических условий - давления и температуры. Зля кендой пары компонентов при заданных условиях существует такая минимальная энергия, которая неспособна заиечь смесь деке оптимальных по воспламенении концентраций, По 109 славнее обстоятельство важно о точки зрения техники безопасности. Явление зажигания имеет много общего с самовоспламенением, поскольку з обоих случаях решаксцоо роль, как правило,играют зкзотермические реакции; однако зажигание более сложно, так как требует дополнительного подвода знергии от зажигающего агента. С другой стороны, существо зажигания сводится к созданию з смеси устойчивого фронта горения, способного в дальнейшем без попдержки извне, самостоятельно распростраяяться з смеси и, следовательно, может рассматриваться с позиций теории распространения пламени.

Именно позтому з качестве критерия зажигания и принимается Факт распространения пламени от местного очага на весь объем. Качественно мехаыизм зажигания от нагретого тела можно представить в следующем виде (Фиг.17.2). Пусть тело имеет температуру Т, . В среде, соприкасающейся с ним и не спо- собной к реакции, распределе- 1 ние температуры изобразится Ф' ! кривой Т, 4, . Если ие смесь способна к зкзотерзкческой реакции и температура Т~ до~а с аточна для начала ее,то температурная кривая за счет доле полнительного тепла реакции пройдет несколько выме - Т, д,'.

~ Л~ь т Повысим теперь температуру тела до Тл . В инертной среде распределение температуры поЯв добно изобрвженкому ранее, лишь с несколько большим граФнг.1у.й. распределение тем дыентом Тзде. В реагирущлей пературы около нагретого те- не среде, в силу того что выла в реагирующей среде деление тепла с ростом температуры увеличивается, кривая температур пройдет существенно выме.Очевидно,повышением температуры можно добиться того,чтобы падения температуры вблизи источника не происходило (кри- 110 зак Тз д ' ). Голл затем температуру Ть залигаюлего тела повысить еи,е, зс ~емьература окрулаалей среды, очевидно, будет сзрастать пс мере уды:евю от тела.

Это и есть воспламенецпе. Температура нагретого тела во втором случае является крптической, предельной, температурой зелнгания, аналогичной по 4пзическому смыслу температуре самовоспламенения. Па основании гогобных рассуждений Я.Б.Зельдович прелла.'ает Предельное критическое услони зажигания В виде цТ ~ .~1 )т (1У. 1) 5 2.

Теория зажигания нагретым телом Строгое математическое решение задачи о воспламеыении полино строиться с одновременным учетом явлений теплопроводности и ди$йуэви в реагирухцей среде на основе уравнений: и Зп . р ~ ат -'— —.— ~~1~/( — утаапТ) — и и ю СРЯ вЂ” =-Й1Г~Л рапТ)ч у язв в ит 111 где у - абсцисса по нормали к телу; т - индекс, призязываюзий градиент к поверхности тела.

равенство нулю гралкента температур у поверхности нагретого тела призсппт к прекращению теплового потока от стенки в газ, и, следовательно, з дальнейшем опрепеляюзими станут условия з слое газа, прилегаюшем к источнику зажигания. Прп залыгэчив нагретым телом температура его поверхности полет превышать температуру самовоспламенения, одыако зажигание пе произойдет.

Дело в том, что у поверхности температура быстро падает, а концентрация горючего снижается.Баланс тепла при этом менее благоприятен, чем при самовоспламенении. Предельная критическая температура зажигания оказывается выше температуры самовоспламенения. Эта разница тем больше,чем меньше размер источника тепла 1нагретого тела). Система уравнений приводится к одному уравнению для стационарного случая, когда Т и и явно ые зависят от времени.Из стих уравнений можно получить тогда зависимость между Т и и и свести задачу к интегршровению одного уравнения.

Рассмотрим задачу в одкомерной постановке, следуя Я.Б.Эельдовичу. Пусть газ заключен в сосуд с бесконечными плоскими параллельными стенками, одна из которых нагрета до некоторой температуры Тз, а в другой поддерживается начальная температура Т, . Если температура якие критической, то в сосуде установится стационарное распределение температур. Предельный стационарный случай является границей закипания и определяется в соответствии с предыдущим условием: ~ ~т~ П По мере удаления от горячей стева температура падает.В силу известной зависимости Е Ц~Т,ш)=язл й М ат пацанке температуры приведет к быстрому падению тепловыделения по мере удаления от степки.

Вследствие етого реакция ощутима только в тонком слов с у горячей стенки, а при х' ж 3 градиент температуры не будет сильно отличаться от градиента в инертной среде, т.е. от величины ( <~Т) Тз -Т, где ц - расстояние между стенками. В соответствии с зтим поток тепла к холодной стенке окажется равным П, Л вЂ” "„" Это тепло из зоны толщиной 8 в установившемся состоянии равно общему теплу, выделившемуся в зоне за счет реакции.

Если 112 Л вЂ” т ~ Ъ/'(т) - О [Рт [[л' — Тогда ыт Ых „Ю „~~Т) Обозначим: Отседа Ц— С учетом того, что разность Ть - Т в слое 3 мала по сравнении с Тз, можно ваш~сеть,кек и ренее: е е С[ге т) лги ш ятэ е '=е Интегрируя, получим приближенно: — — l(Т ) Л [[Т г$ - ятэ [[у Л Тогда поток тепла иэ зоны реакции [[э будет равен." О =Л ~ --гК(т,) б.т ~ [ г~ [1Т,' бх При установившемся состоянии $~ = [~з и ~т,~ т,-т, А ' г с~ или п1а выражении величины С( в явном виде: 113 не учитывать падение концентрации и джЩузионные процессы,то изменение температуры у стенки в соответствии с превнпушим может быть записано: Рассуждая аналогичным путем, можно а,лучить соотношение я Шля наиболее частого в практике случ,и залигвния газа населенной с",ерой радиусом ,с з ~ Л ~гс '~1 Ы ~ га ъ ~т~ йт,' Это выражение подобно полученному ранее дья плоской стенки. В наиболее общем случае зажигания движущейся среды нагретым телом вся реакция локализуется, очевидно, в пограничном слое, поскольку именно здесь температура падает ст Т~ до То .

Более того,реви~ил протекает энергично лишь в части пограничного слоя, прилегапшей к телу. Раскаленное тело создает в прплегаалем к нему слое газа такую температуру, при которой количество тепла ~л , выделяхщегося при реакции в атом слое, становнтся равным или большим тепла о ,которое должно отво- О,1, литься из этого слоя наружу зь счет теплоотдачи. С этого момента процесс в зоне реакции перестает зависоть от источника н может самостоятельно существовать и перемещаться в пространстве.