Камеры сгорания газотурбинных двигателей Пчёлкин Ю.М. (1014167), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Определяющим является горение твердого коксового остатка — углерода, так как массовая доля углерода, например в каменных углях, более 90 "4~ и соответственно на долю сгоревшего углерода приходится до 90 — 95 "4 общей теплоты сгорания всех горючих элементов топлива. Кроме того, это и наиболее длительная стадия, на нее затрачивается до 90 % всего времени 1ОЗ Рис. ! П Зависимость м от Т лля определения и' скоролп горения твердого топлива процесса. Конечно, присутствие бнтуминозной части и образование летучих имеет большое значение, особенно в начальной фазе, в большей илп меньшей мере содействуя началу и протеканию горения углерода. Частичка угля, внесенная в высоконагретый воздух, вскоре охватывается пламенем, хотя ее температура не превышает!000 — ! )00 К.
Это воспламеняются выделившиеся летучие. гл гл'ге гс' г Эта стадия способствует дальнейпцему прогреву и воспламенению коксового остатка. Выход летучих завершает первую стадию (период подготовки горения углерода), которая протекает с затратой теплоты. Это и отличает подготовительную стадию от основной — горения кокса, — которая идет самостоятельно за счет выделения большого количества теплоты. Переход от первой стадии к основной и устойчивое горение углерода возможны не всегда. Для этого необходимо, чтобы температура зоны горения была не ниже некоторого значения, определяющего воспламенение и устойчивое горение кокса.
Таким образом, для твердых топлив существуют две характерные температуры и соответственно два процесса воспламенения: летучих и коксового остатка. Начало горения кокса сопровождается использованием кислорода из прилегающего газового слоя и замещением его продуктами сгорания, что затормозит дальнейшее окисление углерода, если не будет обеспечено поступление О, из более удаленных слоев воздуха за счет диффузии. Элементарная схема установившегося горения углерода предопределяет равенство скорости горения, выраженной через расход кислорода и скорости поступления его из среды, равной скорости диффузионного потока дл =- †'гдсг)с~г)п, где е)с †- коэффициент диффузии; и — нормаль к поверхности частицы.
Интенсивность диффузии определяется характером движения среды, концентрацией От у поверхности кокса и его реакционной способностью. Течение же окислительных реакций главным образом зависит от температуры. Последовательность отдельных стадий общего процесса горения твердого топлива определяет зависимость его скорости от длительности каждого этапа. Общая скорость горения твердого топлива будет меньше скорости течения самой медленной стадии.
Поэтому для ускорения общего процесса целесообразно ускорять самый медленный этап. Так, при пониженных температурах кинетпка реакций может лимитировать весь процесс горения, диапазон этих температур до точек С и В будет определять так называемую кип тическую область ( (рис. 44). !03 При высоких температурах химическая реакция течет практически мгновенно, а скорость горения ограничена подводом О.„ определяя диффузионную область !!.
Кинетическая область определяется зависимостью химической реакции ш, от температуры 7'(кривая 1). Скорость диффузии ш кислорода к реакционной поверхности частицы угчерода от температуры практически не зависит (прямая 2). Она возрастет до ш„', например, при увеличении скорости ш (особенно относительной) потока и при уменьшении размеров й частицы (прямая 2'). В кинетической области ! под кривой 1 от оси ординат до точки А скорость горения ш„ограничена скоростью химической реакции ш, (шл. В диффузионной области !! под прямой 2 правее точки В возможйые очень большие скорости горения ю„= ш„не реализуются, так как общий процесс ограничен небольшой скоростью диффузии. Здесь ш '' ш и горение по существу характеризуется лишь физической стороной явления. Между кинетической областью и диффузионной можно выделить промежуточную область !!1, ограниченную справа линией 4 и включающую кривую 3 между точками А и В, где скорости химических и диффузионных процессов соизмеримы и горение примерно в равной мере определяется обоими этими процессами.
Анализировать процесс горения твердого топлива удобно, рассматривая схему выгорання угольной частицы простейшей сферической формы, находящейся в достаточно большом (бесконечном) объеме высоконагретой окислительной среды (воздуха). Прв этом важное значение имеет характер движения газовой среды и частицы. В зависимости от скорости обтекания ее потоком воздуха характер выгорания частицы меняется. При слабом движении или в неподвижном пространстве выгорание ее поверхности будет равномерным, симметричным, частица, уменьшаясь, практически сохраняет неизменной свою первоначальную форму сферы.
Здесь при горении частица окутывается сплошным кольцом пламени. При больших скоростях обтекания частицы горение по поверхности сферы происходит неравномерно: фронтовая (нижняя) часть выгорает быстрее, а кормовая (верхняя) значительно медленнее. Практически нечто подобное всегда имеет место и при горении жидкого топлива. Стационарный режим горения угольной частички предполагает равенство количества кислорода, поступающего к поверхности диффузией и расходуемого на химическую реакцию, при постоянной концентрации его на поверхности частицы а,. Эта концентрация будет тем больше, чем выше скорость диффузии, в предельном случае она равна концентрации ао, кислорода в потоке. ; Наиболее прост случай, когда химическая реакция идет только по внешней поверхности частицы, исключая реакцию по внутренней поверхности пор.
Скорость горения углерода тогда можно определить по скорости химической реакции, считая, что на внешней по- верхности 104 ш, = ш, = Фаг. Скорость диффузии О, к поверхности реагирующей частицы с учетом конвекции в х = ах (по, — аг), где и — константа скорости диффузии. Это отношение диффузионного потока, поступающего на единицу поверхности, к разности концентраций О., в объеме и на поверхности. Так как на установившемся режиме горения ю„=- ш, ш, = ао, '(/г ' + а,,') =- /;,ао,, (4!) где й, — — кажущаяся константа скорости горения углерода. Обратная ее величина й,.' -= й ' + я„' определяет общее сопротивление системы в процессе горения в результате диффузии О, (физическое сопротивление) и химической реакции (химическое сопротивление).
В диффузионной области а ' >) й ', н, пренебрегая меньшей величиной, можно считать скорость горения (ю„)„=- и„ао,. В кинетической области й ' тр а,', и тогда (ю„), =- йао . Обычно горение твердого топлива характеризуют удельной скоростью горения К'„определяющей количество углерода, сгорающего на единице поверхности частицы в единицу времени: К,= <у ~ю„, (42) где ч~ — секундный расход О, на единицу массы прореагировавшего углерода.
Величину аз предлагают считать несколькими способами. В частности, по аналогии с процессом переноса теплоты, можно использовать диффузиннный критерий Нуссельта Кп„= а,йР: с во, , ~р-1 (lг-~ + л;(Р Жид) ! ' где Р— коэффициент диффузии.
Однако в большинстве случаев применить это уравнение для реальных расчетов не представляется возможным ввиду отсутствия зависимостей входящих в него величин от условий проведения процесса. Кроме того, предположение о наличии только поверхностной реакции и отсутствии химической реакции во внутренних поверхностях пористой частицы в общем случае неверно, особенно если при невысоких температурах значение ак близко к значению ао,.
Поэтому величину К". следует корректировать. Механизм химического соединения С и О, изучен еще недостаточно. Выявлено, что реакция осуществляется через ряд стадий, в ходе которых появляются и реагируют промежуточные соединения С,О„, дающие одновременно оксиды СО и СО,. В самой общей форме гетерогенный процесс горения твердого топлива (углерода) кратко можно описать следующим образом. Горение углерода характеризуется многообразием химических реакций, механизм которых изучается, однако основным первичным химическим процессом, очевидно, является соединение углерода с кислородом.
Общая схема реагирования может выглядеть так: хС ьь чО, —. гСО + гСО, Коэффициенты этого уравнения пока 105 еще четко не установлены. Они могут изменяться в зависимости от условий и параметров системы. За первичным процессом возникают вторичные реакции: 1) 2СΠ— , 'О, =- 2СО.,; 2) С -!- СО,, -- 2СО. Эти реакции (особенно первая) аналогично первичной реакции могу г протекать как около поверхности частицы углерода, так и внутри ее (в порах и трещинах) прн наличии там соответствуюпц1х реагентов. Первая реакция дает конечный продукт окисления: сссга рабочего топлива. Вторая реакция, если она косвенно нс обусловливает суммарного явления, считается нежелательной.
Эта реакпня акп:ш* ~ протекает при высоких темпертурах, в условиях недостатка кислорода. Результат течения как минимум трех реакций с учезом их ьнтенсивности определяет характер выгорании и состав продуктов горения углерода. Две из этих трех реакций (першшная и последняя из вторичных) чисто гетерогенные, для них существенным является лишь содержание газообразного компонента, так как по сравнению с ним твердая фаза всегда имеется в избытке. Течение данных гетерогенных реакций, как показывает опыт, определяется как чисто химическими факторами (через ряд кинетических величин), так и явлениями адсорбции, газообмена (диффузии), возможного возникновения промежуточных соединений и др.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
