Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. - Основные характеристики горения (1043377), страница 17

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

Текст из файла (страница 17)

Скорость обдува горящих образцов влияет на поток реагентов в реакционную зону пламени. Поэтому возможно прекращение го­рения (срыв пламени) при слишком низких (u_{∞ мин}) и слишком высоких (u_{∞ макс}) коростях обдува пламен. Каждому горючему в заданных условиях обдува должен соответствовать предельный поток реагентов в пламя, занижение и превышение которого вызо­вет срыв пламени. При изменении скорости обдува изменяются характеристики горения и вследствие этого величины т, mпр. мин и m_пр. макс. При интенсивном обдуве предельный поток реагентов в пламя возрастает примерно пропорционально u^0,45. Физически реален случай, когда m_пр.мин<m<m_{пр.макс}. Обратный случай невозможен и соответствует срыву (затуханию пламени). Теоре­тически возможна область устойчивого горения и область срыва пламени при больших скоростях обдува. Размеры области устой­чивого горения определяются главным образом химико-кинетиче­скими свойствами горючего, окружающей газовой среды и началь­ной температурой. Важную роль играет константа скорости хими­ческой реакции в пламени и концентрация окислителя в потоке. С увеличением последних область устойчивого горения расши­ряется.

Следует иметь в виду, что многие твердые и жидкие горючие вещества- горят в среде неподвижного воздуха (при скорости u_∞ =0). Если специальным образом изменять поток реагентов в зо­ну реакции, то можно определить m_пр._мин и m_пр._макс, соответствующие u_∞ = 0. Если поток реагентов изменяется только за счет изме­нения скорости обдува образцов, горящих при u_∞ = 0, возможно определение только критических условий (u_{∞ макс}), соответствую­щих m _{пр.макс}. Достичь m_пр,.мин в этих условиях невозможно, т. е. u_{∞ мин} не существует. Этот случай изображен на рис. 1.15.

При экспериментальном исследовании устойчивости пламен твердых и жидких горючих веществ металлическая чашечка опре­деленного диаметра строго до краев заполнялась исследуемым твердым или жидким горючим. Устойчивость пламен оценивалась

нами по минимальной скорости воздушного потока (измерен­ной на высоте 30 мм от центра подложки), при которой проис­ходит полный срыв пламени с горящего образца. Скорость воздушного потока измеряли анемометром и пневмометриче-ской трубкой. Опыты проводи­ли при температуре воздуха 18°С.

Форма и структура пламен при обдуве воздушным пото­ком резко отличаются от фор­мы и структуры пламен при горении в среде неподвижного воздуха. Пламя располагается

по направлению обдува слоем вблизи поверхности образца и под­ложки. При увеличении скорости обдува происходит турбулизация пламени, перемешивание всех зон, которые наблюдаются при го­рении в неподвижном воздухе, изменение интенсивности свечения и срыв пламени с поверхности образца. Результаты сравнительных исследований устойчивости пламен некоторых углеводородов, азот-и кислородсодержащих соединений, а также ферроцена представ­лены на рис. 1.16 и 1.17.

Скорость воздушного потока, при которой происходит срыв пламени, зависит от диаметра образца. Эта зависимость вначале резко выражена, а затем (при дальнейшем увеличении диаметра образца) уменьшается. С ростом диаметра образца устойчивость пламени увеличивается, так как уменьшаются относительные поте­ри тепла, выделяющегося в окружающую среду и в материал под­ложки. Устойчивость пламен зависит от природы исследуемых со­единений. По увеличению устойчивости пламени горючие распо­лагаются (например, при диаметре образца 20 мм) в следующий ряд: уротропин <толуол < бензол < ацетон <зтанол <бензин < гептан < нитропропан<пентен-2<ферроцен<гексазадекалин. Срыв пламени при горении указанных соединений (во всем диапа­зоне исследованных диаметров образцов) происходит при незна­чительной скорости обдува, не превышающей 2—3 м/с.

Очень высокая устойчивость пламен наблюдается у магния.

Горящий магний (в виде кубика диаметром 10 мм, наколотого на иглу) вводили в струю воздушного потока. С .помощью специального конического насадка скорость воздушного потока ,на уста­новке увеличивалась до 40 м/с. При этом срыва пламени не на­блюдалось, а на игле оставался шлаковый остаток. Устойчивость пламени магния объясняется высокой температурой горения

Рис. 1.16. Зависимость скорости воздушного потока, при которой происходит срыв пламени от диаметра образца: / —пентен-2; 2 — гептан; 3 — бензин; 4 — бензол; 5 — толуол.

Рис. 1.17. Зависимость скорости воздушного потока, при которой происходит срыв пламени, от диаметра образца: 1 — гексазадекалнн; 2 — ферроцен; 3 — нитропропан; 4 — этанол; 5—ацетон; 6 — уротропин.

(и вследствие этого высоким значением константы скорости реак­ции), а также влиянием высокотемпературных конденсированных продуктов сгорания, остающихся на поверхности образца.

ГЛАВА II

ПРОДУКТЫ СГОРАНИЯ

§ 1. РАСЧЕТНЫЙ СОСТАВ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ

Для термодинамического расчета продуктов сгорания необхо­димо знать давление, начальный состав и полную энтальпию топли­ва (или исходного вещества). При расчете обычно делают сле­дующие допущения: 1) процессы горения являются адиабатными, т. е. теплообмен с окружающей средой отсутствует; 2) процессы являются стационарными; 3) горючее и окислитель смешиваются идеально и происходит полное сгорание; 4) газы, входящие в со­став рабочего тела, и их смесь идеальны.

В большинстве случаев эти допущения не приводят к заметным погрешностям. Плотность газов относительно невелика, и влияние межмолекулярных сил не сказывается. Однако при высоких дав­лениях или низких температурах плотность газа может стать зна­чительной, в результате чего погрешность может возрасти. Некото­рые авторы указывают [1, с. 260], что учет свойств различных газов необходим при давлениях более 20 МПа или температурах ниже 1100°С.

Кроме того, предполагают, что благодаря значительному вре мени пребывания продуктов сгорания в пламени успевают уста­новиться и энергетическое и химическое равновесия.

Для термодинамического расчета при заданном давлении нахо­дят состав продуктов сгорания и температуру, соответствующие равновесному состоянию. Состав диссоциированных продуктов сго­рания обычно является сложным и нередко включает более 15— 20 компонентов. Сначала предполагают наличие всех теоретиче­ски возможных компонентов (в результате расчета может ока­заться, что содержание некоторых компонентов пренебрежимо ма­ло). Уменьшить число веществ, включаемых в возможный состав продуктов сгорания, можно на основании анализа результатов вы­полненных расчетов или опытных данных.

Система уравнений для расчета температуры и состава про­дуктов горения складывается из следующих групп (предполагает­ся, что ионизация отсутствует).

Уравнения диссоциаций (обратимые реакции). Число урав­нений этого вида равно числу молекулярных компонентов l, вхо­дящих в состав продуктов сгорания.

Уравнения сохранения вещества, выражающие равенство
числа грамм-атомов каждого химического элемента в исходном
веществе (топливе) и в продуктах сгорания. Если в составе исход­ного вещества имеется т химических элементов, то число уравне­ний сохранения вещества, также равно т.

Уравнение, выражающее закон Дальтона: сумма парциаль­ных давлений компонентов смеси равна общему давлению смеси.

Уравнение сохранения полной энтальпии в исходном вещест­ве и в продуктах сгорания.

Таким образом, общее число уравнений равно l + m+1 + 1 = = l + m + 2. Неизвестными являются l парциальных давлений мо­лекулярных компонентов продуктов сгорания; т парциальных дав­лений атомных компонентов; число молей исходного вещества и температура продуктов сгорания.

Необходимым условием равновесия гетерогенной системы яв­ляется следующее: парциальное давление компонента смеси, при­сутствующего в различных фазах, должно быть одинаковым для всех фаз и равным давлению насыщенного пара компонента, т. е. равновесие гетерогенной реакции, например

где (Рi, конд)нас—давление насыщенного пара конденсированного компонента, зависящее от температуры. (Значения Pнас приведены в справочных таблицах.)

Химическое

характеризуется константой равновесия гетерогенной реакции

Так как величина (Pв, конд) нас однозначно определяется темпе­ратурой, ее включают в константу равновесия K₁, записывая урав­нение следующим образом:

где k₂=k₁(p_b, конд)нас —константа равновесия гетерогенной реакции.

Константа равновесия гетерогенной реакции не зависит от ко­личества конденсированной фазы и определяется лишь темпера­турой. Очевидно, что количество конденсированного компонента не может быть охарактеризовано парциальным давлением. Его следует оценивать числом молей конденсата n_конд или массовой долей z_конд. Таким образом, появление в продуктах сгорания од­ного конденсированного компонента вносит в систему уравнений два неизвестных: парциальное давление этого компонента и число молей конденсата. Одновременно появляются два новых уравне­ния и, следовательно, система остается разрешимой.

Однако в связи с тем, что гетерогенные реакции протекают медленнее гомогенных, вероятность того, что гетерогенные продук­ты сгорания будут находиться в состоянии химического равновесия уменьшается. Кроме того, неясны соотношения между скоростями газа и конденсированных частиц и, следовательно, между их температурами. Эти соотношения сильно зависят, в частности, от раз-мера конденсированных частиц.

Все это весьма затрудняет выполнение термодинамического расчета для гетерогенной системы. В качестве первого приближе­ния расчет выполняют при следующих допущениях: фазовое рав­новесие непрерывно поддерживается; конденсированные частицы всюду имеют одинаковые с газом температуру и скорость; общий объем конденсированной фазы пренебрежимо мал по сравнению с объемом газообразной фазы; конденсированные фазы не образу­ют между собой растворов.

Расчетный состав и температуры продуктов сгорания газооб­разных смесей h₂, СО, С₂Н₂, C₂N₂ в кислороде приведены в работе [2, с. 283]; металлов в кислороде — в работе [3, с. 175] (табл. II.1). Расчетные состав и температуры продуктов сгорания некоторых углеводородов, металлов, и элементоорганических со­единений в воздухе рассчитаны на ЭВМ и приведены в табл. II. 1. Состав газообразных продуктов выражен в таблице в объемных процентах. При наличии газообразных и конденсиро­ванных продуктов сгорания содержание конденсированных про­дуктов указано в массовых процентах. Газообразные продукты при этом составляют в сумме недостающую массовую долю.

Горение в среде кислорода характеризуется высокими темпе­ратурами продуктов сгорания, например температура продуктов сгорания смесей Н₂, СО и C₂N₂ с кислородом равна соответственно 2810, 2700 и 4577°С. При высокой температуре интенсивно про­текает процесс диссоциации, на что затрачивается огромная энер­гия, и это значительно снижает температуру продуктов сгорания. Пример необычно высокой температуры пламени представляет дицианкислородное пламя. В эквимолекулярной смеси C₂N₂ и О₂, превращающейся при горении в СО и N₂, диссоциация продуктов сгорания при температуре ниже 4000 °С не ощутима, и практически все тепло реакции передается продуктам сгорания. Поэтому, не­смотря на то что теплота реакции не превышает обычный средний уровень, дицианкислородное пламя является одним .из наибо­лее высокотемпературных. Теоретическая температура этого пла­мени подтверждается измерениями колебательной температуры радикалов CN [2, с. 283].

Продуктами сгорания смеси H₂+¹/₂O₂ (в порядке уменьшения содержания) являются Н₂О, Н₂, ОН, Н, О₂ и О. Содержание активных продуктов, таких, как радикалы ОН, атомный водород и кислород, довольно значительно: 10; 8 и 4% соответственно. Продуктами сгорания смеси СО + ¹/₂О₂ в порядке уменьшения со­держания являются СО₂, СО, О₂ и О. Содержание атомного кис­лорода составляет 4%. Горение смеси C₂N₂+O₂, как отмечалось, характеризуется исключительно высокой температурой продуктов сгорания. Основными продуктами сгорания являются СО (66%) и N₂(32%). Имеется также атомный азот (1,2%), атомный кис­лород, атомный углерод, CN и небольшие количества NO и С₂.

Характеристики

Список файлов книги