Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. - Основные характеристики горения (1043377), страница 15

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 15)

камере сгорания [25]

Результаты исследований позволили автору работы [25, с. 158] расположить углеводороды в ряд по мере возрастания полноты сго­рания:

В работе [97] приведены данные о влиянии химического соста­ва топлива и режима работы реактивного двигателя (отношения расхода воздуха к расходу топлива) на полноту сгорания топлива при давлении в камере сгорания 0,13 МПа. Парафиновое топливо по сравнению с циклопарафиновым и ароматическим имеет луч­шую полноту сгорания при более низких значениях отношения рас­хода воздуха и топлива.

Горение углеводородов в двигателе внутреннего сгорания также может быть неполным. По данным, приведенным в работе (16, с. 409], в дизельных двигателях в качестве продуктов неполного сгорания обнаружены угольный осадок в отверстии форсунки, са­жа на стенках, смолистые и угольные отложения, сажа в газовой смеси (черные выхлопные газы), не полностью сгоревшее топливо (сине-серые выхлопные газы) и альдегиды (едкие выхлопные га­зы).

Неизбежный продукт сгорания в открытых углеводородных пламенах — сажа. Она обычно получается в довольно значительном количестве и свидетельствует о неполноте сгорания. По нашим дан­ным, даже в небольших лабораторных пламенах дым составляет в среднем 10% от массы сгоревших ароматических соединений (бензола, нафталина, антрацена).

В работе [98] исследовано влияние коэффициента избытка воз­духа на полноту сгорания полидисперсной пыли подмосковного бу­рого и донецкого газового углей при различных расходах топлива. Установлено, что наибольшая полнота сгорания наблюдается при = 1,3÷1 ,4. Полнота сгорания бурого и каменного угля в камере пульсирующего горения на опытной промышленной установке [99] составила от 74 до 82%, а в конце шлаковой камеры — от 87 до 95%.

Для определения количества тепла, выделившегося при сгора­нии и конденсации образующихся паров (при охлаждении продук­тов сгорания до температуры, близкой к нормальной), в калори­метрах переменной температуры с диатермическим методом изме­рения навеску исследуемого вещества сжигают под давлением при неизменном объеме. Этот метод использован нами для исследова­ния факторов, влияющих на полноту сгорания индивидуальных го­рючих и смесей. Экспериментально теплоту сгорания определяли в самоуплотняющейся калориметрической бомбе емкостью 300 мл. При определении теплоты сгорания образцов, обладающих заметной летучестью, проводили герметизацию тигля калориметрической бомбы кружком из нитропленки, смоченным по краям ацетоном. Теплоту сгорания нитропленки каждой новой партии определяли в условиях опыта и учитывали при вычислении теплоты сгорания ис­следуемого горючего. Следы ацетона практически не оказывали влияния на результат эксперимента. Полноту сгорания определя­ли по отношению экспериментально полученного значения тепловы­деления к высшей теплотворной способности H_в. Исследованные смеси содержали собственный окислитель, металлическое и орга­ническое горючее и добавки. Расчет теплотворной способности H_в и стехиометрического коэффициента смесей произведен, исходя из условия полного окисления горючих элементов. Коэффициент избытка окислителя среды  рассчитывали по формуле

где m_o2 и m_г-—масса кислорода в бомбе в нормальных условиях и масса горю­чего; Р и Р_норм — рабочее и нормальное давление в бомбе; _ст —стехиометрический коэффициент.

Таким образом, коэффициент избытка окислителя а определен как отношение количества кислорода в бомбе к количеству кисло­рода, рассчитанному при условии полного сгорания вещества.

Полнота сгорания горючих и смесей зависит от условий осуще­ствления процесса горения. Экспериментальные данные показыва­ют, что на характеристики и полноту сгорания в калориметричес­кой бомбе в общем случае оказывают влияние условия дисперги­рования и диффузии (глубина тигля); относительные потери теп­ла (зависящие от массы испытуемого образца); давление и коэф­фициент а; концентрация окислителя в окружающей среде.

С ухудшением диффузии в процессе горения (в частности, с увеличением глубины тигля в калориметрической бомбе) полнота сгорания уменьшается. Это объясняется тем, что индивидуальные горючие и смеси с большим содержанием органических соединений сгорают в калориметрической бомбе за счет окислителя среды в диффузионном режиме. Их характеристики горения определяются процессами диффузии горючего в реакционную зону горения и фак­торами, влияющими на эти процессы. При удалении горючего от реакционной зоны (при увеличении глубины тигля) уменьшается диффузионный поток в реакционную зону, скорость тепловыделе­ния и горения. Вследствие этого уменьшается полнота химических превращений и процесс горения становится неустойчивым.

Следует отметить, что зависимость характеристик горения от условий диффузии (в частности, от глубины тигля в калориметри­ческой бомбе) наблюдается только для индивидуальных горючих и труднодиспергируемых смесей с небольшим содержанием окисли­теля. Полнота сгорания смесей, которые содержат значительное количество окислителя и диспергируются при горении, не зависит от глубины тигля. С целью исключения влияния глубины тигля все дальнейшие испытания проведены в тигле незначительной глуби­ны (4—5 мм).

При увеличении массы исследуемого образца (до некоторого определенного значения) уменьшается нестабильность результатов и увеличивается тепловыделение при сгорании как индивидуальных горючих, так и смесей, что объясняется уменьшением относитель­ных потерь тепла в окружающую среду и материал подложки. Мас­са образца не должна быть меньше некоторой величины, при ко­торой достигается оптимальный режим тепловыделения в калори­метре.

Изменение давления в калориметрической бомбе по-разному влияет на полноту сгорания. Изменение давления влияет на термо­динамическое равновесие, размеры зон горения, коэффициент диф­фузии, концентрацию веществ и энергии в единице объема газовой фазы. Увеличение плотности среды при диффузионном режиме го­рения практически не изменяет концентрацию реагирующих веществ и вследствие этого скорость химических реакций, так как изме­нение коэффициента диффузии обратно пропорционально измене­нию давления, т. е. при диффузионном горении давление слабо влияет на характеристики горения. Наоборот, увеличение плотно­сти среды при кинетическом режиме горения пропорционально уве­личению концентрации реагирующих веществ и влечет за собой увеличение скорости химических реакций и зависимости характе­ристик горения от давления.

Для исследования влияния концентрации окислителя среды на полноту сгорания проводились испытания в среде кислорода, сме­си кислорода с воздухом и в воздухе. С уменьшением концентра­ции кислорода в окружающей среде, где происходит горение, теп­ловыделение как индивидуальных горючих, так и исследованных смесей с отрицательным кислородным балансом уменьшается: Тепловыделение в воздухе по отношению к тепловыделению в кис­лороде составляет, например, 80% для гексазадекалина; 40% и ме­нее для ферроцена; 90% для металлизированной смеси на основе натриевой селитры. Уменьшение концентрации окислителя среды ведет к уменьшению скорости химических реакций и тепловыделе­ния при обоих режимах горения. Кроме того, при переходе от кис­лорода к воздуху возможно образование различных побочных про­дуктов окисления металлических горючих (нитридов).

С увеличением коэффициента избытка окислителя среды а пол­нота сгорания алифатических и ароматических соединений сначала увеличивается, а затем при достижении некоторого значения ' остается постоянной (в исследованном диапазоне а). Значение ' равно 2÷2,5 для исследованных алифатических соединений (геп­тана, пентадекана, парафина) и 3÷3,5 для исследованных арома­тических соединений (бензола, нафталина, антрацена). Ниже при­ведена полнота сгорания углеводородов в среде кислорода при Р = 1 МПа:

Как видно, жидкие углеводороды (гептан, пентадекан, бензол) в среде кислорода при >' сгорают полностью. Полнота сгора­ния твердых углеводородов (парафина, нафталина, антрацена) в этих же условиях не достигает единицы и составляет 95—96 %, что, очевидно, является следствием дополнительных затрат тепла на их плавление и испарение. Следует отметить более низкую полно­ту сгорания ароматических соединений по сравнению с алифатиче­скими соединениями. Увеличение полноты сгорания с увеличени­ем а (в области малых значений а) можно объяснить увеличением диффузионного потока окислителя на единицу массы горючего, что до некоторого предела (') способствует более полному протека­нию процесса и законченности реакций окисления.

Полнота сгорания некоторых металлов и их сплавов в среде кислорода и воздуха при Р = 3 МПа приведена ниже:

Металлы и сплавы исследовали в виде технических продуктов в порошкообразном виде. Как видно, наибольшей полнотой сго­рания обладают цирконий и магний. Наименьшей полнотой сго­рания обладают бор и кремний, образующие при горении вязкие окислы. Полнота сгорания в воздухе значительно ниже, чем в кис­лороде.

Элементоорганические соединения обладают, более высокой ре­акционной способностью и имеют большую полноту сгорания, чем металлы. Так, полнота сгорания исследованного борорганического соединения (75% В) в кислороде при давлении 3 МПа составля­ет 98%.

С увеличением размера частиц алюминия полнота сгорания смесей уменьшается. Так, при замене порошка (20 мкм) на алю­миниевые порошки с частицами более крупных размеров (30, 100, 160, 250 и 450 мкм) полнота сгорания последовательно умень­шается с 90,6 до 86% в среде кислорода и с 53 до 32% в среде воздуха (Р = 3 МПа) (рис. 1.12).

Значительное количество горючего при горении в воздухе не используется для создания теплового эффекта, а для ряда смесей величина теплоты сгорания, экспериментально определенная в среде кислорода, не достигает величины теплоты сгорания, рас­считанной для условия полного окисления. Недогорание смесей подтверждается данными химического анализа шлакового остат­ка. Так, значительная часть алюминия в исследованных смесях не сгорает и обнаружена в шлаковом остатке как при сжигании смесей на открытом воздухе, так и в калориметрической бомбе (рис. 1.13). С увеличением массы сжигаемого образца смеси от 0,5 до 3•10^-3 кг содержание алюминия в шлаковом остатке умень­шается в среднем с 17—18 до 9—10%. При дальнейшем увеличе­нии массы образца содержание, алюминия в шлаковом остатке остается примерно постоянным, однако составляет все же значи­тельную величину.

Рис. 1.12. Зависимость полноты сгораният  смеси NaNO₃ + А1 + органическая со­ставляющая от среднего размера частиц А1 в среде кислорода (1) и воздуха (2)

(Р=3 МПа).

Рис. 1.13. Содержание алюминия в шлаковом остатке в зависимости от массы

сжигаемого образца.

Полученные (результаты свидетельствуют о том, что характери­стики горения и полнота сгорания зависят как от условий горения, так и от природы горючего. В общем случае недогорание могут вызывать следующие причины: неблагоприятные условия диспер­гирования и диффузии при осуществлении процесса горения; не­благоприятный режим теплоотвода в окружающую среду; небла­гоприятные давление, коэффициент избытка и концентрация окис­лителя среды; низкая реакционная способность горючих элементов (недостаточная продолжительность пребывания исходных и об­разующихся при горении частиц в высокотемпературной зоне пла­мени), образование на реакционноспособных частицах горючего окисной пленки металла; образование побочных продуктов (нит­ридов, карбидов и т. п.); образование трудносгораемых полимер­ных продуктов (смол, кокса) в процессе разложения и горения ис­ходных соединений; образование дымообразующих углеродистых частиц.

Характеристики

Список файлов книги