1598005868-03648c969f647e9d2289db563a03b78d (811236), страница 2
Текст из файла (страница 2)
10-зз Дж/К вЂ” постоянная Вольцмаиа. ' Дяффуэиоиный критерий Прандтля часто называют крвтернем Шмидта н обозначают Зс. ВВЕДЕНИЕ Горение является первым сложным техннческям процессом, освоенным человечеством. В истории прогресса техники этот процесс занимал н продолжает занимать очень важное место, являясь основой современной энергетики, многих технологических производств, транспорта н быта. Энергетической программой СССР предусмотрено проведение активной энергосберегающей политики на основе научнотехнического прогресса, всемерной экономии энергнн н топлива, снижения энергоемкостн производств.
В значительной степени этим же целям подчинена и территориально-отраслевая программа «Интенсификация-90», одобренная ЦК КПСС. Созданне новой высокоэффективной техники н технологии в энергетнке и других отраслях, использующих горение топлива, требует глубокого понимания теории протекающих процессов. В последние десятилетия получила значительное развитие теория процессов горения. В настоящее время это развитие в большой мере ускорилось, в особенности в связи со все расширяющимся использованием электронной вычислительной техннкн прн расчетах. Тем не менее из-за очень большой слож.
ности процессов, разнообразия условнй горения в разных видах топочных устройств теория еще далека от завершения. В результате в большинстве случаев возникает необходимость опытной доводки устройств н агрегатов, в которых протекает процесс горения. Можно более конкретно указать причины этого. Во-первых, главный участник процесса горения †топливо†является комплексом природных органических веществ очень сложного химического строения, Правда, прн нагреве н взаимодействии с окнслителем происходят распад этих комплексов на простые соединения и элементы, но прн анализе процесса горения невозможно обойтись без учета поведения горючего в его исходной форме н в промежуточных состояниях. А это крайне затрудняет изучение процесса.
Во-вторых, в процессе горения, так же как и в других химических процессах, обязательны два этапа: создание молекулярного контакта между горючим и окислнтелем (фнзическнй этап) н взаимодействие молекул с образованием продуктов реакции (хнмнческнй этап). При этом второй этап протекает только у молекул, находящихся в особом, энергетически или кинетически возбужденном, состоянии. Возбуждаются же молекулы в результате начавшегося процесса из-за повышения общего энергетического уровня (температуры) и взаимодействия молекул при столкновениях, приводящих к перераспределению энергии. Поэтому при изучении процесса горения нельзя рассматривать участвующие в нем вещества как однородную массу одинаковых средних молекул. Даже при рассмотрении простейших реакций горения необходимо учитывать различия между отдельными молекуламн, составляющими сложную полиснстему.
В-третьих, горение принципиально не является равновесным процессом. При горении обязательно возникают неоднородности состояния молекул, их концентраций, неравномерности полей температур н скоростей потоков. Существенно изменяются условия взаимной диффузии молекул, находящихся на разных ступенях возбуждения. Из этого вытекает необходимость одновременного решения нестационарных задач массо- и теплопереиоса и химической кинетики в движущихся потоках, причем наиболее часто при турбулентности, вызванной самим процессом горения. Задачи теории горения, следовательно, можно охарактеризовать как нестационарные задачи турбулентной массо- и теплопроводности при наличии динамических источников веществ и тепла.
Но хотя такое представление и определяет пути анализа процессов горения, конкретное решение задач теории горения при этом затруднено. Исследование процессов горения должно развиваться по пути составления систем интегро-дифференциальных уравнений, соответствяе которых истинному ходу процесса следует проверять сопоставлением результатов решения этих систем, выполняемого во многих случаях с применением ЭВМ, с данными эксперимента. Именно так н развивается ныне теория горения, причем наиболее подробно исследуются крайние случаи, когда в сложном комплексе явлений можно абстрагироваться от некоторых из них. В частности такой подход используется прн определении области протекания горения.
Так, при анализе явлений термического распада природных топлив для мелких частиц прн низких температурах можно пренебречь временем прогрева и рассматривать процесс как чисто кинетический распад сложного вещества на более простые соединения. Наоборот, при прогреве крупных кусков топлива в среде высокой температуры основным является ход нагрева.
Можно принять, что сам термический распад на данном температурном уровне происходит мгновенно. Появляется деление процесса на крайние области — кинетическую и тепловую, в каждой из которых процесс может быть описан более простыми уравнениями, чем в промежуточной области. Аналогичное положение имеет место и при реакц~ях горения с участием окислителя. При низких температурах скорость химического взаимодействия горючего н окислителя мала. Она намного меньше скорости нх взаимной диффузии, которая поэтому почти не влияет на ход процесса.
Считается, что процесс горения протекает в кинетической области н его следует рассматривать как чисто химический процесс. Прн высоких температурах или при ухудшенных условиях массообмена скорость реакции намного превышает скорость диффузии, которая в данном случае и определяет ход процесса. Можно считать, что процесс горения развивается в диффузионной области и его следует рассматривать с чисто физической стороны.
Такая же картина имеет место и при анализе воспламенения, в ходе которого наблюдается резкое увеличение скорости химического взаимодействия. При низких температурах столкновения целых молекул редко приводят к реакции. Она может протекать только с участием осколков молекул — радикалов нли атомов. Воспламенение целиком определяется ростом числа радикалов или атомов, играющих роль активных центров, н имеет кинетический, цепной характер. Однако по мере нагрева горючей смеси в результате тепловыделения в ходе экзотермнческой реакции илн при подводе тепла извне главное значение приобретает рост химической активности вещества в связи с повышением температуры.
Воспламенение становится тепловым. Особое значение при этом имеют условия теплового взаимодействия внутри воспламеняющейся системы н взаимодействия с окружающей средой. Химический механизм упрощается, и основную роль играют процессы теплообмена. При анализе воспламенения становится возможным исходить из простейшей химической схемы процесса. Можно привести ряд аналогичных случаев, когда отчетливо выделяются крайние области протекания процесса, в которых преобладает влияние только химических или только физических факторов. В этих случаях анализ процесса существенно облегчается, так как можно более глубоко изучать лишь одну — физяческую или химическую — сторону процесса. Поэтому изученпе теории горения следует начинать с разбора этих отдельных его сторон. Но далее обязательно комплексное рассмотрение процесса в промежуточной области, в которой необходимо учитывать взаимодействие физических н химических факторов.
В данной книге последовательность изложения материала подчинена именно этому принципу. Приводимые в книге решения являются основой математических моделей, которые могут использоваться в расчетах на ЭВМ. В ряде случаев получены наглядные аналитические решения, основанные на упрощенных представлениях, однако охватывающие главные черты изучаемых явлений.
Расчеты по этим решениям обычно приводят к достаточному соответствию с экспериментальными данными, ГЛАВА ПЕРВАЯ ТОПЛИВО. МАТЕРИ»ьЛЬНЫИ И ТЕПЛОВОЙ В»ьЛ»»НСЫ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ 1Л. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ ТОПЛИВА Понятие «топливо» объединяет вещества, выделяющие (в результате тех илн иных преобразований) энергию, которая может быть технически использована. В настоящее время известны две основные группы топлива, различающиеся по принципу высвобождения энергии: ядерное топливо, выделяющее энергию в результате ядерных преобразований, и органическое топливо, которое выделяет энергию при окислении горючих элементов, входящих в состав этого топлива.
Несмотря на возрастающее в настоящее время использование ядерного топлива, основным источником энергии в различного рода энергетических установках и двигателях долго еще будет органическое топливо *. Основным способом высвобождения химической энергии топлива является его сжигание, т. е. осуществление в камере сгорания процесса горения, представляющего собой одну или комплекс быстро протекающих химических реакций, сопровождающихся выделением теплоты. Известно большое число реакций, протекающих с выделением теплоты; для энергетических целей наиболее часто используются реакции окисления органической массы природных топлив (или их производных) кислородом воздуха (реже в воздухе, обогащенном кислородом). В настоящее время добывается большое количество разнообразных природных топлив; много топлив получается искусственным путем, в результате технологической переработки природных топлив.
Все они резко различаются по физическим свойствам и химнческой структуре, что непосредственно влияет на характер процесса горения. Поэтому классификациятоплив, знание нх структуры и физико-химических характеристик является необходимой основой расчетов процесса горения. Основные разновидности природного топлива †древеси, торф, угли (бурый, каменный, антрацит), сланец, нефть, природный горючий газ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
