Камеры сгорания газотурбинных двигателей Пчёлкин Ю.М. (1014167), страница 25
Текст из файла (страница 25)
е, на поверхности раздела горючего вещества и окислителя. Последнее определяет огромное значение размера поверхности взаимного контакта на скорость гетерогенного горения. При одинаковом количестве реагентов в единице объема системы и прочих равных условиях увеличение размера поверхности, на которой происходит взаимодействие топлива и окислителя, соответственно приводит к росту скорости процесса горения. Если кубик твердого топлива с ребром ! см последовательно разрезать на кубики меньшего размера, то суммарный объем того же количества топлива будет увеличиваться от 6 до 1200 см' при ребре 0,05 мм и до б000 ем~ при ребре О,О! мм и т.
д. Этим определяется необходимость раздробления массы твердого или жидкого вещества на мельчайшие частицы перед введением его в зону горения. Реагирование по поверхности раздела объясняет и факт значительной зависимости скорости гетерогенного горения от специфических особенностей процессов междуфазового взаимодействия. Роль диффузионных и тепловых явлений, немаловажная и при гомогенном реагировании, становится еще более существенной при гетерогенном горении.
Здесь отдельные физические процессы — подвод газообразного окислителя к поверхности горючего вещества, перенос теплоты (конвекцией, излучением н теплопроводностью), испарение жидкого топлива, отвод продуктов реакции и др. — обычно определяют характеристики суммарного процесса. Теория гетерогенного горения основана на теории переноса теплозы и вещества в процессе химической реакции, протекающей в основном на поверхности раздела фаз реагентов и в какой-то степени в их массе. Горение жидкого топлива.
В камерах сгорания ГТД, так же как и в других топливосжигающих устройствах, жидкое топливо вводится в поток воздуха зоны горения в распыленном на мелкие частицы виде. При анализе процесса горения жидкого топлива принципиально важным является то, что температура самовоспламенения жидких топлив всегда значительно выше их температуры кипения Химическое реагирование топлива таким образом осуществляется только в его паровой фазе и по существу является процессом гомогениым. Тем ие менее общий процесс горения определяется, и часто в решающей степени, такими факторами, как скорость испарения, которая, в свою очередь, зависит от интенсивности подвода теплоты; скорость диффузии паров горючего, окислителя и продуктов реакции.
Поэтому общие законы горения жидкого топлива чо99 сят характер физических закономерностей при взаимодействии веществ с различным агрегатным состоянием, в нашем слу ~ае. -газовой среды и жидкости. Воспламенение жидко~о топлива возможно только после образования горючей паровоздушной смеси у его поверхности, 'Тогда от источника зажигания, например открытого пламени, произойдет воспламенение смеси (вспышка), Минимальная температура жидкого топлива, при которои образующиеся иад поверхностью капель пары могут воспламеняться от постороннего источника, называется температурой вспышки этого топлива.
Для керосина средняя температура вспышки составляет примерно 293 — 330 К, для моторного топлива 330 — 345 К и для бензина 260 — 295 К. В технике эти температуры определяются в основном по условию пожарной безопасности. Самовоспламенение жидкого топлива возможно, например, при вводе его в подогретый воздух. Минимальная температура смеси, при которой осуществляется ее самопроизвольное воспламенение с дальнейшим горением без подвода теплоты извне, называется температурой самовоспламенения жидкого топлива. По существу это температура самовоспламенения паров топлива в смеси с данным окислителем.
Дальнейшее горение топлива возможно также только в паровой фазе. Механизм процесса горения капли топлива следующий. В окислительиой среде, нагретой выше температуры самовоспламенения, капля начинает испаряться. Как только около поверхности капли образуется горючая паровоздушная смесь, она воспламеняется. Затем горение продолжается за счет последующего непрерывного воспламенения горючей смеси вследствие продолжающегося испарения топлива. При появлении пламени процессы испарения и горения интенсифицируются, так как температура повышается.
Установившийся процесс горения определяется равенством скоростей испарения топлива и горения паровочдушной смеси около поверхности капель. Однако в зависимости от того, какой из этих двух процессов интенсивнее, характер горения будет изменяться. Если скорость окисления топлива в данных условиях очень велика по сравнению со скоростью испарения, то скорость горения будет определяться только скоростью испарения. В этом случае для интенсификации горения бесполезно увеличинать скорость первого процесса (окисления), а нужно ускорить медленно идущий процесс испарения, лимитирующий горение.
Возможен и другой случай, когда скорость горения ограничивает процесс окисления. Следует отметить, что помимо этих двух процессов значение имеют и процессы диффузии, определянзщие перемешивание паров топлива с воздухом и отвод продуктов горения из зоны реакции, а также процессы теплообмена. Характеристики горения жидкого топлива в гомогенной паровоздушной среде отражают закономерности не только химического, но и физических процессов, в том числе определяемых взаимодействием сред, находящихся в различных агрегатных состояниях (гетерогеиные процессы). 100 Рис. 43 Схема горении капли и<идкого топлива и зависимость тепловых потоков от температурьг: Г -- понерлность<зопа)горения; 2 — капля; а — пар; 4 — зона догорания и Гиффутнн О, и продунтоа сгорания <СО,! Рассмотоим горение капли м<п,<кого, топлива в пеподвиж- а) ном горячем воздухе (рис. 43, а).
Глг сг е Ггт Ггз еет Колодная капля с температурой Ти<, попав в среду окис- и) мг,е.л лителя, имеющего высокую гемпературу Т,;!; Тги, быстро прогревается и испаряется, Теплота передается в основном теплопроводностью равномерно по поверхности через относительно тонкий слой пара, который дпффундирует радиально от поверхности капли. В случае, когда окисление не лимитирует процесса и не определяет тепловой режим системы, особое значение имеет процесс испарения. Если об<цее давление не превышает критического, то отвод паров от капли при температуре ниже точки кипения идет очень быстро и парциальное давление у поверхности ие ограничивает испарения. Приближенно можно считать, что скорость испарения ьри зависит только от температуры. По выражению типа экспоненцпальпой зависимости Аррениуса — с,г(ягж) щи= е где ), — скрытая теплота испарения; С вЂ” постоянная, определяемая видом топлива.
В первый период нагрева температура капли растет до некоторого значения, после чего ее повышение практически прекращается и вся теплота, поступающая на единицу поверхности капли, расходуется на испарение. Количество подведенной теплоты (40) <)г == сс (Т, — Т..). При этом должно соблюдаться равенство <тг =- <)е (аа -= )р').— теплота, расходуемая на процесс испарения).
Отсюда можно найти температуру равновесного состояния жидкости Тао На рис. 43, б показан характер зависимости величин <)т и г)е от температуры Т. При неизменном коэффициенте теплоотдачи а система прямых будет эквидистантно смещаться только в зависимости от изменения тел<пературы Т,. Точка пересечения прямой <)т и кривой те определяет температуру Тно до которой нагревается поверхность жидкой капли, С ростом Тс разность (Т, — Ти,) увеличивается, несмотря на рост Ти<, которыя ограничен температурой кипения Тн. Таким образом, увеличение Тс, как это и следует из уравнения (40), приводит к возрастанию скорости испарения.
Количество теплоты, подведенной к поверхности капли, имеющей в данный момент радиус г, за время с(т <гЯ =- 4а гесс (Т, — Ттн) <(т. 101 Количество жидкости, испарившейсч за счет этой теплоты, г(б = й~!Е. Величина г(6 = — 4пг"и 'г(г, где и„, — удельный объем жидкости. Тогда 4пг'а (Т, — Т.„,.) Ш(Е = — 4игзг(г~и,, Отсюда можно найти или величину и„,' г(гас!т, характеризующую массовую скорость испарения (в данном случае горения), илп время полного горения капли ( лг т'=""~1 и(т,— т.,„) ' о Приняв для простоты Т. = Т, = сопз(, получим Г о Величина сг определяется условиями теплообмена прн данном характере движения капли в потоке и находится по экспериментальной зависимости для случая теплообмена шара. При Ке < 100 по результатам опыта Хц =- 2 (! + 0,08Ке' з).
Для мелких капель (практически следующих за потоком) при очень малых скоростях относительного движения (О < Ке «( 100) можно считать Кп = 2. Так как гчп =- сггРЛ, а =. Л,'г. Следовательно, 2 б ~ 2Л (Тв — Ти) а,н В реальных условиях механизм процесса более сложен, однако влияние основных факторов будет таким же; время горения значительно сокращается при уменьшении радиуса капли и росте температуры среды. В камеру сгорания ГТД жидкое топливо подается форсунками. распыливающими его на мельчайшие капли диаметром от единиц и десятков микрометров до 200 — 300 мкм. Топливо испаряется, и пары его смешиваются с воздухом уже в самой камере сгорания, поэтому общий процесс горения часто определяется закономерностями диффузионных явлений.
Кроме того, одновременное горение массы капель оказывает взаимное влияние на эти процессы. Горение твердого топлива. Горение твердого топлива можно разделить на следующие стадии: подогрев; подсушивание; выделение летучих и образование кокса; горение летучих и частичная газификация кокса; горение кокса.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
