Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. - Основные характеристики горения, страница 7

Во многих случаях значения  и  неизвестны, но верхний предел в типичном случае, когда d=20-10"⁶ м, Т₃=2000 К, Т_ст = 300 К, = 0,1 Вт/(м-К) или 0,08 ккал/(м*ч*К), = 5,67 Вт/(м²-К⁴) или 4,9-10-⁸ ккал/(м^2*ч*К⁴), можно установить: Т_г—Т₃~100 К для максимального значения = 1. Значение этой поправки для цилин­дрического зонда диаметра d может быть более точно вычислено по формуле.

где , , V — соответственно вязкость, плотность и скорость газа.

Если параметры газа неизвестны, то можно произвести калиб­ровку термопары, поместив ее в газовый поток с заведомо извест­ной температурой.

Потери тепла вследствие излучения и теплопроводности обус­ловливают наиболее значительные ошибки при измерениях темпе­ратуры пламени с помощью термопар. Их можно свести к мини­муму, если произвести серию измерений температуры при помощи термопар со все уменьшающимися диаметрами и произвести эк­страполяцию измеренной температуры к температуре, соответст­вующей термопаре нулевого диаметра. Однако при этом необхо­димо использовать несколько термопар. Построение плавной кривой показаний нескольких использованных термопар не дает уверенности в правильном проведении этой кривой на экстраполиро­ванном участке вблизи нулевого диаметра.

Кроме того, эти потери можно свести к минимуму, применяя «компенсационный метод», при котором потери тепла компенсиру­ются электрическим нагревом термопары. Термопара поглощает тепло от пламени, если ее температура ниже температуры пла­мени, и отдает тепло пламени, если она нагрета до более высокой температуры. Это приводит к отклонению измеренной темпера­туры, определяемой по кривой тепло—сила тока, и полученной при градуировке термопары (обычно в вакууме). Точка пересечения двух кривых (полученных при нагреве термопары в вакууме и пламени) соответствует отсутствию конвективного теплообмена между термопарой и газом, что возможно только при равенстве их температур. Этот принцип может быть применен как к термо­метрам сопротивления, так и к термопарам. Основное затруднение заключается в создании идентичности условий лучистого теплообмена проволочки с окружающими телами при градуировке и в пламени. Различие этих условий, естественно возникающее в про­цессе экспериментов, приводит к погрешностям определения тем­пературы газа, часто весьма существенным.

Химическое возмущение, вносимое зондом, заключается в способствовании каталитическим реакциям на поверхности термопа­ры. В некоторых случаях это приводит к получению неправдопо­добно высоких температур и гистерезисов в профилях температуры. На металлических поверхностях этот эффект может быть значи­тельным, но его можно сделать пренебрежимо малым, если нанести на поверхность термопары тонкий слой неметаллов, напри­мер кремния. Это наиболее легко осуществить путем «огневого на­пыления». Методика заключается в медленном продвижении тер­мопары через пламя, содержащее частицы кремния. Частицы оса­ждаются на поверхности термопары в виде однородного слоя, если температура пламени соответствует критической точке (2133 К). В качестве силиконового покрытия рекомендуется диметилсилоксан, но можно применять и силиконовые масла. Горелка, пригод­ная для напыления, описана в работе [1, с. 160].

2. Расчетные температуры

Максимальная температура пламен углеводородов нормально­го строения в воздухе в зависимости от числа атомов углерода (n) в молекуле приведена в работе [20, с. 173]. Температура рас­считана для стехиометрических смесей углеводородов с воздухом при Р = 0,1 МПа без учета диссоциации продуктов сгорания (при условии окисления до полных окислов). По уменьшению такой температуры углеводороды располагаются в такой последо­вательности (при одном и том же п): ацетиленовые углеводоро­ды > ароматические углеводороды > олефины > циклопарафины > парафины. С увеличением числа атомов углерода в молекуле температура пламени ацетиленовых, ароматических углеводоро­дов и олефинов уменьшается, а парафинов возрастает. Заметное изменение температуры наблюдается при увеличении числа ато­мов углерода в молекуле до n=10 ÷12. При дальнейшем увели­чении числа атомов углерода температура изменяется незначи­тельно. При изменении п температура пламени циклопарафинов практически остается постоянной.

Равновесные температуры горения различных горючих в воз­духе, рассчитанные для адиабатических условий с учетом диссо­циации продуктов сгорания, приведены в табл. 1.2. Значения тем­ператур без ссылок на литературу взяты из работ [1, с. 30; 21,22] и рассчитаны для смесей с максимальной скоростью горения по методике, изложенной в работе [23]. Остальные значения темпе­ратур в табл. 1.2 приведены для стехиометрических смесей.

Таблица 1.2. Равновесная температура при горении в воздухе (Р=0,1 МПа)

По данным табл. II.1 (см, с. 96).

Ряд рассчитанных нами значений приведен в табл. II. 1. Эти значения температур более реальны и в некоторых случаях (при отсутствии различного рода теплопотерь и неполноты сгорания) могут ха­рактеризовать максимальную температуру пламени (достигаемую в основной реакционной зоне).

Температуры горения простых веществ (элементов) в кислороде при P= 0,1 МПа рассчитаны в работе [26]. По уменьшению такой

температуры практически используемые горючие элементы распо­лагаются в следующей последовательности:

Zr>Be>Al>Mg>Ti>H >Li>Si> Na>S

Высокая расчетная температура наблюдается при горении цир­кония в кислороде. Оценка ее при помощи термодинамических расчетов [27] дает значение 4660 °С. Расчетные температуры го­рения Н₂, СО, некоторых органических соединений и металлов в среде кислорода приведены в табл. 1.3.

Из приведенных данных видно, что расчетная температура при горении в кислороде значительно выше, чем при горении в возду­хе. Высокой расчетной температурой, превышающей 3000 °С, об­ладает, например, стехиометрическая ацетилен-кислородная смесь. Интересно отметить значительное различие температур, вычис­ленных с учетом и без учета диссоциации продуктов сгорания. Раз­ница между ними может составлять более 2000 °С. Равновесные температуры пламени некоторых взрывчатых веществ, вычисленные в работе [33] для адиабатических условий горения за счет соб. ственного кислорода,, при Р=0,1 МПа, составляют: нитрогликоль— 3130; тетрил —2530; нитроглицерин (желатинированный) —3030; метилнитрат — 2930; гексоген— 3030 °С.

Расчетная температура пламени перхлората аммония при 0,1 МПа составляет 1110°С [34]. Расчетная температура пламени

Таблица 1.3. Температура при горении в среде кислорода [Р=0,1 МПа, *= 1]

**— коэффициент избытка окислителя.

** «По данным табл. II.I.»

Таблица 1.4. Расчетные адиабатические температуры горения интерметаллических и термитных смесей [36]

^а Без учета теплот сублимации. ^б Оценочные данные. ^в Без учета теплот плавления. ^г Без учета теплот испарения.