Диффузия и теплопередача в химической кинетике Франк-Каменецкий Д.А. (1014155), страница 54
Текст из файла (страница 54)
Особый случай представляет взрывной распад ацетилена на углерод и водород. Этот процесс имеет техническое значение как метод получения специальных сортов сажи (фильбурген) и очень важен с точки зрения техники беаопасности при обращении с ацетиленом, Здесь также наблюдаются явления воспламенения, зажигания и распространения пламени, но последнее осложняется тем, что один из продуктов реакции (углерод) получается в виде твердых частиц. В технике широко распространены процессы диффузионного горения.
В этих процессах все реагирующие вещества находятся в газовой фазе, но предварительно не перемешаны, и процесс смешения происходит одновременно с процессом горения. Простейшим в теоретическом отношении примером является ламинарное диффузионное пламя. Здесь горение происходит в зоне диффузионного смешения двух параллельных ламинарных газовых потоков, разделенных сплошной поверхностью раздела. В технике обычно приходится иметь дело с турбулентным газовым факелом, где скорость горения определяется скоростью турбулентного смешения.
При этом необходимо различать макросмешение и микросмешение. Процесс турбулентного смешения заключается в последовательном дроблении газа на все более малые объемы и перемешивании их между собою. Окончательное молекулярное смешение производится всегда молекулярной диффузией, скорость которой возрастает по мере уменьшения масштаба дробления. После окончания макросмешения скорость горения определяется процессом микросмешения, т. е. перемешивания внутри малых объемов горючего и воздуха. Такую разновидность турбулентного горения мы совместно с Минским (111 назвали микродиффузионным турбулентным горением.
Очень большое техническое значение имеют процессы сжигания распыленного жидкого топлива, используемые в стационарных нефтяных топках, двигателях Дизеля и различных типах реактивных двигателей. Сжигание распыленного топлива — сложный процесс, состоящий из ряда последовательных стадий. Первую из них составляет чисто гидродинамический процесс распыла, от которого зависит крупность капель.
Далее следуют движение капли по баллистической траектории, ее испарение и смешение паров с воздухом, сопровождающееся их сгоранием. Характер протекания процесса определяется скоростью движения капли по отношению к газовому потоку. В зависимости от нее следует различать спокойное и интенсивное горение капли. Если капля своем движении полностью увлекается газовым потоком (а в 266 турбулентном потоке — турбулентными пульсациями), то она горит так же, как в неподвижном газе. При таком спокойном горении вокруг капли образуется сферический фронт диффузионного пламени. Температура поверхности капли определяется равновесием между подводом тепла от пламени и расходованием его на испарение.
Скорость испарения может быть найдена аналогично формулам главы П1, с учетом сферичности. Роль толщины приведенной пленки играет при этом расстояние фронта пламени от поверхности капли, определяемое, в свою очередь, стехиометрией потоков. Процесс спокойного горения капли относится, таким образом, к квазигетерогенному диффузионному горению. Скорость этого процесса рассчитывал Варшавский [12[ и измерял экспериментально Клячко с сотрудниками ИЗ1. Наблюдение спокойного горения требует специальных условий эксперимента.
В технических условиях обычно приходится иметь дело с интенсивным горением капель. Капли, выброшенные из форсунди, движутся вначале по баллистическим траекториям. Силы трения тормозят относительное движение капель; в газовом потоке постоянной скорости в пределе должен осуществляться случай спокойного горения. Однако в канале переменного сечения или при обтекании препятствий (стабилизаторы пламени) сам газовый поток движется с ускорением. В силу большого различия в плотности между каплей и газом, ускорение приводит к большим относительным скоростям и, следовательно, к интенсивному горению. При интенсивном горении индивидуальная зона пламени, окружающая каждую каплю, сдувается с нее.
Процессы испарения капель и горения паров происходят после этого независимо. Процесс горения паров имеет в этом случае микродиффузионный характер [111. Скорость испарения капель описывается непосредственно формулами главы Н1. Время, требуемое для полного сгорания, складывается из времени испарения капель, времени смешения паров с воздухом и времени сгорания образовавшейся смеси. Общая скорость горения определяется наиболее медленной стадией.
Фактически смешение пара с воздухом и горение смеси,как правило, совмещаются. Испарение капель часто также заканчивается уже в зоне горения. Горение в движущемся газе Термин «нормальная скорость пламенна имеет двойной смысл. С одной стороны, он обозначает скорость распространения горения в отсутствие внешних возмущений, т. е. в «нормальных условиях».
С другой стороны, в спокойном газе распространение всегда происходит в направлении нормали к поверхности фронта. В идеальных условиях фронт пламени должен оставаться в покое, если продувать сквозь него свежий газ в направлении, нормальном к поверхности фронта, со скоростью, равной нормальной скорости 267 пламени. При меньшей скорости пламя будет двигаться навстречу потоку, при большей — должен происходить срыв пламени. Если направление движения газа не совпадает с нормалью к поверхности пламени, то поведение стационарного пламени в газовом потоке, движущемся произвольным образом, подчиняется двум законам, которые связаны с именем одного из основателей физики горения, русского ученого В. А.
Михельсона. Зто — закон косинуса и закон площадей. Первый из них гласит, что составляющая скорости потока и по нормали к фронту должна быть для стационарного (покоящегося) пламени равна нормальной скорости распространения мч осозд=и, где д — угол между нормалью к поверхности пламени и направлением газового потока. В косом потоке объем газа, сгорающего за единицу времени, есть: где о — площадь поперечного сечения потока. Величина в = = и/соз д определяет количество газа, сгорающего за единицу времени в косом пламени. Ее называют действительной скоростью горения в потоке.
Действительная скорость всегда больше или равна нормальной. Закон косинуса непосредственно применим только к плоскому пламени. Естественное обобщение его на случай произвольным образом искривленного фронта пламени дает закон площадей. Пусть в потоке скорости г и поперечного сечения о стационарно покоится искривленный фронт пламени с общей поверхностью Я.
В каждой точке фронта пламя распространяется нормально к его поверхности со скоростью ю. Следовательно, объем горючей смеси, сгорающей за единицу времени, может быть выражен как ю = юЮ, Но по балансу исходного газа тот же объем равен: откуда В системе отсчета, в которой газ неподвижен, этот результат означает, что пламя распространяется относительно газа со скоростью ю Согласно закону площадей, при искривлении фронта пламени скорость горения возрастает пропорционально увеличению его поверхности. Таким образом, неоднородное движение газа всегда интенсифицирует горение.
В этом заключается один из основных 268 механизмов ускорения горения под действием турбулентности. Однако не только турбулентность, но и просто выработка профиля скоростей при течении по трубам или каналам приводит к ускорению горения. Турбулентное горение Очень большое техническое значение имеет осуществление процесса горения в турбулентном газовом потоке.
Турбулентность увеличивает скорость горения и дает возможность весьма сильной интенсификации процесса. Необходимо различать два вида турбулентного горения: горение однородной смеси и микродиффузионное турбулентное горение [И[. В случае горения однородной смеси следует различать два случая: мелкомасштабную н крупномасштабную турбулентность в зависимости от того, мал нли велик масштаб турбулентности в сравнении с толщиной фронта пламени. Механизм действия мелкомасштабной турбулентности сводится к интенсификации процессов переноса тепла и вещества в зоне пламени.
Это влияние учитывается просто тем, что в выражениях для скорости распространения пламени коэффициенты диффузии и температуропроводности заменяются на коэффициент турбулентного обмена. Наибольшее значение имеет случай крупномасштабной турбулентности. Здесь, в свою очередь, возможны два механизма ускорения горения: поверхностный и объемный. Поверхностный механизм заключается в искривлении фронта пламени турбулентными пульсациями. При этом скорость горения возрастает пропорционально увеличению поверхности фронта. Однако, как заметили Щелкин и Трошин [14[, такое описание процесса имеет смысл лишь в условиях, когда химическая реакция в пламени заканчивается быстрее, чем успеет произойти турбулентное смешение. Если же турбулентное смешение обгоняет химическую реакцию, то сама зона реакции размывается турбулентными пульсациями. В этом случае имеет место механизм объемного турбулентного горения, рассматривавшийся Щетинковым Цб], Саммерфилдом [161 и др.
Время турбулентного смешения равно отношению масштаба турбулентности [' к пульсационной скорости и. Следовательно, ускорение пламени турбулентными пульсациями должно происходить по поверхностному механизму, если выполнено условие: — )т, где т — время химической реакции при температуре горения Т . Если это условие не выполнено, то должен действовать механизм объемного турбулентного горения. Удобно выразить время реакции через макроскопические величины: нормальную скорость пламени 269 ю и химическую толщину фронта пламени $: т и Тогда критерий поверхностного ускорения примет вид: Š— )— и и или и — ) —.
и Этот критерий прекрасно объясняет кажущиеся противоречия между результатами различных экспериментаторов, искавших универсальный механизм ускорения горения под действием крупномасштабной турбулентности. Так, Кокушкин [17 [ изучал пульсации температуры в бензнно-воздушном факеле. Им были обнаружены только две температуры: начальная и максимальная температура горения; промежуточные температуры отсутствовали.
Таким образом, наблюдался чисто поверхностный механизм турбулентного ускорения пламени. Напротив, в работах Саммерфилда Нб! при горении метана в воздухе была обнаружена широкая зона химической реакции. Авторы измеряли пространственное распределение промежуточного продукта — радикала СН и конечного продукта — паров воды. Измерения показали, что место, где заканчивается образование паров воды, в турбулентном пламени удалено на расстояние от 2 до 10 мм от места максимальной концентрации радикала СН, в то время как толщина фронта нормального пламени не превышает 0,5 зьм. Таким образом, в этом случае эксперимент непосредственно свидетельствовал об объемном механизме турбулентного горения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
