Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. - Основные характеристики горения (1043377), страница 2

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

Текст из файла (страница 2)

Упрощенная схема распределения N₂, О₂ и продуктов сгорания в ламинарном диффузионном пламени приведена на рис. 1.1. По­верхность пламени 3 отделяет область, где имеется кислород, от области, в которой нет кислорода. Зона взаимодействия горючего 1 с кислородом окружающей среды представляет собой тонкий реакционный слой на поверхности пламени. Кислород из окружаю­щей среды диффундирует в реакционный слой на поверхности пламени через все расширяющийся слой продуктов сгорания 2, вследствие чего фронт пламени (в момент формирования) искрив­ляется и приобретает конусообразную (колоколообразную) форму. Форма ламинарного диффузионного пламени описывается уравнением [2, с. 53]:

где H и R — максимальная высота и радиус пламени; h и r— расстояние от по­верхности пламени соответственно до его основания и оси.

Максимальная высота пламени равна

где  — стехиометрический коэффициент; , u -плотность и линейная скорость горения образца; R —радиус горелки или образца; G=uR² — расход горючего-D — коэффициент диффузии кислорода; Cо₂ — концентрация кислорода в окру­жающей среде.

Рис. 1.1. Схема распределения концен­траций в ламинарном диффузионном

пламени:

/ — горючий газ; 2 —продукты сгорания; 3 — фронт (поверхность) пламени.

При горении образцов разного диаметра из различных горю­чих в одной и той же среде (например, в среде воздуха) (D, С_0а=const).

При горении образцов постоянного диаметра из различных го­рючих в одной и той же среде (D, С_О2,,R = const)

-

При горении одного и того же горючего в постоянной среде (D, С₀₂,, = const):

Полученные результаты удовлетворительно согласуются с опы­том [2, с. 54]. Это хорошо видно, например, из рис. 1.2. Экспери­ментальные точки — результаты измерений фотографических снимков пламен различных смесей этилового спирта с водой, сго­равших в стеклянной горелке диаметром 22 мм. Сплошная кривая проведена в соответствии с уравнением, описывающим форму ла­минарного диффузионного пламени.

Как видно, опытные точки достаточно хорошо ложатся на тео­ретическую кривую. Следует, однако, отметить, что для пламен, из которых происходит выделение значительного количества несго­ревших частиц в виде дыма, понятие высота пламени теряет свою определенность (так как трудно определить границу сгорания га­зообразных продуктов в вершине пламени), а форма пламени не соответствует теоретической кривой.

Форма и особенности открытых воздушных диффузионных пла-мен твердого и жидкого горючего исследованы с помощью фотогра­фирования и киносъемки. Фотоснимки ламинарных диффузионных пламен представлены на рис. 1.3. Пламена алифатических соедине­ний (гептана, пентадекана, твердого парафина С₂₆Н₅₄) и бензина (бензина в первоначальный момент горения) имеют колоколообраз-ную форму, которая соответствует теоретической кривой (рис. 1.3а). Визуально отчетливо наблюдаются темная внутренняя зона (в

н ижней части пламени), светя­щаяся зона внутри пламени, све­тящийся реакционный слой на поверхности пламени и ореол во­круг пламени. При дальнейшем горении бензина форма пламени изменяется и приобретает кони­ческую форму или форму усечен­ного конуса, что, очевидно, связа­но с началом выгорания аромати­ческих соединений. Из устья ла­минарных пламен исследованных ароматических соединений (бен­зола, толуола, нафталина, антра­цена, флуорена, стильбена, тола-на, динитротолуола) (рис. 1.36) выделяется значительное количе­ство дыма. Как и при горении

алифатических соединений наблюдается темная зона в нижней ча­сти пламени, светящаяся зона внутри пламени и реакционный слои на поверхности. Пламя имеет форму усеченного конуса, не соот­ветствующую форме теоретической кривой.

Пламена исследованных азот- и кислородсодержащих соедине­ний (рис. 1.3 в) из-за отсутствия в пламени углеродистых кон­денсированных частиц являются слабосветящимися. Пламена бор­органических соединений (рис. 1.3 г) состоят из двух резко отли­чающихся по цвету зон — внутренней красной и наружной зеле­ной. С увеличением углеводородной части в борорганическом сое­динении размеры внутренней зоны увеличиваются, а наружной — уменьшаются. Пламя медьорганического соединения состоит из двух основных зон: внутренней красной и наружной голубой. В устье пламени ферроцена часто наблюдается интенсивное искре­ние и выделение конденсированных частиц. При горении магния (рис. 1.3д) образуется интенсивно светящееся диффузионное пламя формы усеченного конуса, из вершины которого происходит выде­ление конденсированных частиц.

С увеличением диаметра образца в пламени исследованных со­единений, которое остается коническим, происходят продольные пульсации, и высота пламени периодически меняется. При даль­нейшем увеличении диаметра образца пульсации не прекращаются, пламя приобретает причудливую форму и возникают беспоря­дочные турбулентные движения. Высота пламени растет с увели­чением диаметра образца, а отношение высоты пламени к диамет­ру образца сначала быстро убывает, а в области больших диаметров образца почти не меняется [2, с. 49].

Рис. 1.3. Пламена алифатических соединений (гептана, пентадекана, парафина) (а), ароматических соединений (бензола, толуола, нафталина, антрацена, флуорена, стильбена, толана, динитротолуола) (б), уротропина, гексазадекалина, полифор­мальдегида, этанола (в), борорганических соединений (г) и магния (д).

В свободно восходящей конвективной струе продуктов сгорания критерий Рейнольдса Re возрастает с увеличением расстояния от поверхности образца, и на некоторой высоте происходит срыв ламинарного потока и переход его в турбулентный. Критическое значение Re составляет 150 и

примерно в 10 раз меньше обычно принятого критического значе­ния. Переход от ламинарного к турбулентному режиму в свобод­но восходящей струе газа, поднимающейся от пламени, был тео­ретически рассмотрен Я. Б. Зельдовичем (1937 г.). Колебания диффузионного пламени экспериментально исследованы в работе [7].

Изменение формы и размеров пламени при увеличении его диа­метра (вследствие распространения по поверхности образца) пред­ставлено на рис. 1.4. Нарушение ламинарной структуры (появле­ние искривлений, пульсаций) пламени парафина С₂₆Н₅₄, уротропи­на, 2,3,5,7,8,10-гексазадекалина C₄H₁₂N₆ и ферроцена наблюдается при диаметре пламени 23—32 мм.

§ 2. ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ПЛАМЕН

Спектры пламен

Спектр излучения пламени в общем случае состоит из линий, полос и сплошного фона. Линейчатый спектр обусловлен излуче­нием или поглощением света свободными атомами вследствие пе­реходов электронов в них, причем каждая линия соответствует переходу из одного состояния в другое. Полосатые спектры в УФ-и видимой областях соответствуют электронным переходам в мо­лекулах. Эти переходы определяют место системы полос в целом.

Электронные переходы в молекулах сопровождаются одновре­менным изменением колебательной и вращательной энергии, вследствие чего каждый электронный переход в молекуле дает ряд полос, состоящих из большого числа близко расположенных ли­ний, обусловленных изменением колебательной и вращательной энергии молекулы. Изменения колебательной энергии молекулы определяют место отдельных полос в системе. Изменения враща­тельной энергии молекулы определяют тонкую структуру отдель­ных полос. Полосатые спектры в близкой ИК-области обусловле­ны только изменением колебательной и вращательной энергии мо­лекул, а спектры в далекой ИК-области вызваны, изменениями только вращат.ельной энергии.

Процессы, приводящие к появлению линий и полос в спектрах излучения пламен, описываются уравнением, вытекающим из за­кона сохранения энергии

где h, — квант света частоты ,, излучаемый при однофотонном переходе некото­рой системы (атома, молекулы, иона) из. возбужденного состояния А* в основ­ное состояние А; Е_А — энергия в основном состоянии.

Если взаимодействие между молекулами становится достаточ­но сильным,, как в случае сжатых газов, жидкости или твердого тела, то линии излучения и поглощения расширяются и в итоге сливаются в сплошной спектр. В некоторых случаях появлениев спектре участков непрерывного излучения может быть вызвано такими процессами, как процесс рекомбинации ионов, ассоциации атомов или радикалов [8, с. 197].

По видам спектров пламена могут быть разделены на три типа:

1. пламена с преобладающим сплошным спектром;

2. пламена с преобладающим линейчатым и полосатым спект­
   ром;

3. пламена со смешанным линейчатым, полосатым и сплошным
   спектром.

Пламена с преобладающим сплошным спектром, как правило, имеют белый цвет либо слабо выраженные цветовые оттенки. По­скольку энергия таких пламен излучается в широких участках спектра, то с их помощью удается получать источники, излучаю­щие (по сравнению с другими пламенами) наибольшее количест­во энергии на единицу массы сжигаемого топлива. Пламена этого типа используют, например, в осветительных и фотоосветитель­ных средствах, а также в качестве источников излучения в ИК-области спектра.

Пламена второго типа могут быть бесцветными (т. е. практи­чески неизлучающими в видимой области спектра) и с цветовыми оттенками. Цветные пламена используются в сигнальных и трасси­рующих средствах. Пламена второго типа, как правило, излучают значительно меньшее количество энергии на единицу массы сжи­гаемого топлива, чем пламена первого и третьего типов.

Пламена третьего типа имеют обычно ярко выраженные цве­товые оттенки и используются в осветительных и трассирующих средствах, а также в качестве источников излучения в ИК- обла­сти спектра. По энергии, излучаемой пламенем, пламена этого ти­па занимают промежуточное положение между пламенами перво­го и второго типа.

Следует отметить, что разделение пламен на три типа возмож­но для конкретного диапазона длин волн излучаемого спектра, так как одно и то же пламя может быть отнесено, например, к перво­му типу в одном спектральном диапазоне и к иному типу в другом спектральном диапазоне. Это связано с тем, что соотношение меж­ду линейчатым, полосатым и сплошным участками в спектре мо­жет быть разное в различных областях спектра.

Основной характеристикой электромагнитных колебаний явля­ется длина волны  или частотам, которые связаны между собой простым соотношением =c и, таким образом, однозначно опре­деляют одна другую. По мере изменения длины волны (частоты) электромагнитных колебаний меняется вид процессов, которыми они обусловлены.

Диапазон теплового излучения пламен простирается от 0,1 до 100 мкм. Человеческий глаз воспринимает только очень -малую часть спектра. Видимый свет охватывает колебания с длинами волн от 0,396 до, 0,760 мкм. Количество выделяемой при горении cветовой энергии весьма мало. Так, «световой» к.п.д. абсолютно черного тела при температуре 2000 °С составляет всего 0,7%.

В развитии современной теории излучения большую роль сыг­рало изучение спектра излучения так называемого абсолютно чер­ного тела (черного тела). Когда электромагнитное излучение па­дает на какую-нибудь поверхность, то в общем случае часть его отражается, часть поглощается, а часть проходит сквозь материал. В отличие от остальных тел, абсолютно черное тело, по определению, является таким телом, которое поглощает полно­стью все излучение, падающее на его поверхность. Таким свойст­вом обладает полая сфера с отверстием, вычерненная изнутри. Все излучение, попадающее через это отверстие внутрь сферы, после многократных отражений от внутренних стенок полностью погло­щается в ней.

Характеристики

Список файлов книги