Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. - Основные характеристики горения, страница 9

Потери тепла вследствие излучения учитывали следующим об­разом. Производили серию измерений температуры типичных пламен при помощи термопар со все уменьшающимися диаметрами и экстраполировали измеренную температуру к температуре, соответ­ствующей термопаре нулевого диаметра. Поправку на излучение принимали в зависимости от диаметра спая термопары, с помощью которой производили измерение. Измерения производили термопа­рами с диаметром спая 200 мкм, в отдельных случаях измерения производили термопарой с диаметром спая 40 мкм. Ввод термопа­ры в пламя осуществляли через осевой канал исследуемого образ­ца или со стороны боковой поверхности пламени. Длину оголен­ных электродов (расстояние от спая до керамической трубки) вы­бирали, исходя из необходимости получения максимальных тем­ператур и сохранения жесткости оголенных электродов.

Покрытие спая кремнием не производили и возможное катали­тическое воздействие не учитывалось. В работе [18] (при исследо­вании диффузионного пламени метана) использовалась платино-платинородиевая термопара толщиной 0,025 мм, покрытая очень тонким слоем кварца (0,025—0,050 мм). В некоторых случаях ис­пользовали непокрытую платино-платинородиевую термопару, и внутри светящейся зоны существенной разницы не было обнару­жено.

Не учитывали также влияние конденсированных частиц, при­сутствующих в ряде исследованных пламен (и оседающих на по­верхности спая), а также влияние аэродинамических возмущений, вносимых термопарой в пламя. Расчет температур по значениям термо-э. д. с. производили по таблицам, приведенным в литературе [47-49]. При использовании вновь изготовленных термопар, а так­же при переходе от одного пламени к другому, показания термо­пары контролировали в стандартной среде (в определенной зоне удобного для многократного практического использования пламени уротропина). Кроме платино-платинородиевой термопары для ис­следования некоторых высокотемпературных пламен использовали также вольфрам-рениевые термопары (ВР5/20).

Пламена твердых и жидких горючих

Исследованы образцы в виде стаканчиков диаметром 10 мм из теплоизоляционного материала, наполненные порошкообразным или жидким горючим. При измерении температур прозрачных пла- мен (уротропина С₆Н₁₂N₄, гексазадекалина С₄Н₁₂N₆) оптическим методом в массу исходного горючего добавляли 3% антрацена для получения слабосветящегося пламени. Порошки металлических го­рючих спрессовывали в таблетки диаметром 10 мм и воспламеняли пламенем уротропина; горение происходило в воздухе.

При горении твердых и жидких горючих образуются диффузи­онные ламинарные пламена двух типов. Первый тип (колоколообразное пламя) характерен для прозрачных или слабосветящихся пламен. Максимальная температура в таких пламенах наблюдает­ся в устье пламени. Второй тип пламени не имеет четкой вершины и характерен для светящихся пламен, выделяющих из устья пламе­ни конденсированные частицы. Максимальная температура в пла­менах этого типа наблюдается в зоне боковой поверхности пламени.

Результаты исследования температурных характеристик пламен приведены в табл. 1.8.

Таблица 1.8. Температуры ламинарных диффузионных пламен

* Момент воспламенения.

** Стационарное горение.

На основании полученных нами данных можно отметить сле­дующее: по увеличению расчетной температуры пламен исследован­ные горючие материалы располагаются в следующий ряд: ферро­цен < парафины < ароматические соединения, уротропин <металлы. Расчетные значения температур пламен гептана и бензола на­ходятся в хорошем соответствии с известными из литературы [25].

2. Максимальные температуры пламен, измеренные методом лу­чеиспускания и поглощения, выше максимальных температур, из­меренных термопарой. Различие между измеренными температу­рами для пламен гептана, октана, нонана, уротропина, гексазаде-калина незначительно и составляет 5—3%, что подтверждает до­стоверность результатов, полученных оптическим методом. Различие можно объяснить следующим образом. Как отмечалось некоторыми исследователями, температурные градиенты в очень узкой зоне у края диффузионного пламени могут быть настолько большими, что их не удается измерить даже термопарой 25 мкм [18]. Поэтому использованные нами термопары (200—40 мкм) да­вали усредненное значение температур в некотором объеме, вклю­чая более холодные области, граничащие с основной светящейся реакционной зоной на поверхности пламени. По мере увеличения свечения углеводорбдных пламен (содержания в них конденсиро­ванных частиц) различие между температурами, измеренными оп­тическим и термопарным методом, увеличивается. Для высших па­рафинов С₁₅—С₂₆ оно составляет 5—-8%, а для ароматических сое­динений достигает 15—16%. Такое значительное занижение темпе­ратур, полученных с помощью термопар, объясняется влиянием конденсированных частиц пламени, которые оседают на чувстви­тельный элемент термопары, увеличивают его размеры (что на­блюдается визуально) и искажают получаемый результат. Поэтому наиболее достоверными следует считать результаты измерения температур, полученные методом лучеиспускания и поглощения.

3. По увеличению измеренных температур диффузионных пламен исследованные горючие материалы располагаются в следующий ряд: ароматические соединения < парафины < уротропин < гексазадекалин < металлы. Например, измеренные температуры пла­мени бензола, гептана, уротропина, гексазадекалина и магния со­ставляет соответственно 1410, 1660, 1750, 1800 и 2230°С. Темпера­тура стационарного горения бензина Б-70 равна 1420°С. Это зна­чение согласуется с литературными данными. В работе [19, с. 75] температура бензиновой горелки измерена тремя методами. Тем­пература пламени бензина, определенная яркостным методом с учетом коэффициента черноты , принятого равным 0,1, составила 1300—1400°С. Методом выравнивания яркостей было получено значение 1475°С. Значения температур, полученные с использова­нием спектрографа, совпали со значением 1475°С с точностью =50°С. В отличие от расчетных, измеренные температуры пламен ароматических соединений меньше температур пламен парафинов, что объясняется неполнотой сгорания углерода (и частично во­дорода) в пламенах ароматических соединений. В отличие от рас­четной, измеренная температура пламени алюминиево-магниевого сплава меньше температуры пламени магния, что объясняется не­полнотой сгорания алюминия. Измеренная температура пламени парафинов и ароматических соединений уменьшается с увеличени­ем их молекулярного веса вследствие уменьшения полноты сгора­ния.

4. Максимальные измеренные температуры исследованных от­крытых диффузионных пламен меньше максимальных измеренных температур пламен гомогенных смесей (вследствие различных от­носительных теплопотерь) и меньше температур, рассчитанных при =1. На основании полученных результатов можно принять следующие коэффициенты для'перевода расчетных значений в ре­альные температуры открытых пламен в среде воздуха: прозрачные пламена типа пламени уротропина k = 0,86; парафины С₇—С₂₆— 0,85—0,82; магний —0,82; бензин —0,7; ароматические соедине­ния — 0,64—0,7.

Исследовано распределение температур по высоте ламинарных диффузионных пламен твердых и жидких горючих с помощью тер­мопар и оптическим методом. В пламенах первого типа (колоколо-образных) наблюдается возрастание температуры как по оси, так и по боковой поверхности пламени. (Метод лучеиспускания и по­глощения фиксировал усредненную по сечению температуру, основ­ной вклад в величину которой вносит высокотемпературный реак­ционный слой на поверхности пламени.) Максимальные темпера­туры наблюдаются в устье пламени. При равенстве h/H темпера­туры пламен при горении образцов диаметром 10, 15 и 23 мм прак­тически одинаковы. В пламенах второго типа наблюдается умень­шение температуры, измеренной оптическим методом, что связано с образованием и выделением из устья пламени значительного ко­личества конденсированных частиц.

Пламена неметаллизированных смесей

Исследованы неметаллизированные (не содержащие металлов) смеси на основе перхлората калия и уротропина 72:28 масс. ч. с добавками полиметилметакрилата (ПММА) (до 16 масс. ч. сверх 100). Горение смесей протекает с образованием стационарного пла­мени. В процессе горения наблюдается изменение температуры. Максимальное отклонение температуры от среднего значения за весь период стационарного горения, как правило, не превышает 50 К. В зависимости от соотношения компонентов среднеквадратич­ное отклонение результата отдельного измерения составляет 9…30 К. При увеличении содержания полиметилметакрилата до 5—10 масс. ч. температура продуктов горения, усредненная во вре­мени, незначительно увеличивается (рис. 1.8). Это можно объяс­нить частичным сгоранием продуктов разложения ПММА за счет кислорода воздуха. Выделяющееся при этом тепло компенсирует затраты энергии на разложение ПММА и повышение теплосодер­жания образующихся продуктов. При дальнейшем увеличении со­держания ПММА температура продуктов сгорания начинает не­значительно уменьшаться. Полученные результаты свидетельствуют о том, что максимальное значение усредненных во времени температур соответствует обогащенной горючим смеси с кислород­ным балансом к. б.≈—35 и стехиометрическим коэффициентом

Рис. 1.8. Зависимость температуры продуктов сгорания смеси перхлората калия с уротропином от содержания полиметилметакрилата (ПММА) ,(% сверх 100) и кислородного баланса (К. б.).

_возд~1,66. Максимальная (неусредненная во времени) измерен­ная температура для смеси с содержанием 2 масс. ч. ПММА рав­на 2230"С.

Пламена металлизированных смесей и термита

Горение металлизированных смесей при участии собственного окислителя характеризуется изменением температуры по высоте пламени и во времени. Характер изменения средних (усредненных во времени) значений температур по высоте пламени обусловлен совокупным влиянием процесса тепловыделения за счет протекания экзотермических реакций окисления и процесса охлаждения пото­ка. Вначале происходит предпочтительное сгорание металлическо­го горючего за счет собственного окислителя, что сопровождается интенсивным свечением нижней части пламени. Средняя темпера­тура, измеренная вблизи поверхности горения исследованной смеси на основе натриевой селитры, алюминиевого порошка и органиче­ского горючего, составляет 2200 °С. По мере удаления от поверх­ности горения (на исследованном участке пламени) наблюдается уменьшение интенсивности свечения и некоторое уменьшение тем­пературы. При дальнейшем удалении от поверхности горения тем­пература незначительно возрастает вследствие догорания продук­тов разложения органических составляющих смеси за счет кисло­рода воздуха. На участке ¹/₃—²/₃ общей высоты пламени температу­ра практически не меняется, а затем начинает уменьшаться вслед­ствие, охлаждения пламени. Среднее значение температуры пламе­ни при горении смеси практически не зависит от диаметра образца (исследовались образцы диаметром 15, 20, 25 мм).

Характер изменения температур во времени аналогичен харак­теру изменения интенсивности излучения. Наблюдаются крупно­масштабные пульсации, вызванные естественной турбулизацией потока, с периодом 0,4—1,5 с, и местные более высокочастотные колебания (с периодом 0,1—0,04 с) температуры, обусловленные, очевидно, неоднородностью среды (протеканием элементарных процессов горения и наличием конденсированной фазы).

§ 4. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛАМЕН

1. Ионизация в пламенах

Ионизация пламени приобрела в настоящее время важное при­кладное значение [50], прежде всего при получении электрической энергии с помощью магнито-гидродинамического метода. При этом необходима максимальная ионизация пламени, для чего в исход­ную смесь реагентов вводят добавки, содержащие легкоионизируе­мые щелочные металлы.

Воздействие электрического поля на пламя изучают с целью осуществления направленного химического синтеза. В работе [51] измеряли выход ацетилена, этилена и окиси азота при наложении на пропан-воздушное пламя с добавкой, щелочных металлов высо­ковольтного низкочастотного разряда. Было обнаружено [52], что даже электрическое поле малой напряженности, когда не возника­ет разряд, может влиять на кинетику горения, изменяя концентра­ционные градиенты, либо, как полагают авторы, способствуя об­разованию новых активных частиц при электрон-молекулярных столкновениях.

Проведены эксперименты [53], показывающие, что воздействие электрического поля на плазму пламени позволяет регулировать вибрационное горение в ракетном двигателе. В то же время иони­зация пламен ракетных двигателей играет отрицательную роль, так как приводит к преобразованию и поглощению радиосигналов, ис­пользуемых для связи с космическими объектами и т. п.