1598005868-03648c969f647e9d2289db563a03b78d (811236), страница 28
Текст из файла (страница 28)
В промежутке 0(р/14,р(0,9 максимальную температуру процесса можно вычислить по фор- муле Во г 3$ чья Икр (6-22) 6-3, ЗАЖИГАНИИ СМЕСЕЯ 161 Зажигание смесей отличается от самовоспламенения тем, что смесь доводят до состояния воспламенения не во всем объеме одновременно, а только в малой части объема, откуда волна реакции (горение) может распространиться на весь объем.
При зажигании смеси необходимо в зоне воспламенения создать температуру, значительно превышающую температуру самовоспламенения, поскольку из этой зоны теплота интенсивно отводится исходной холодной смесью. Известны три основных метода зажигания горючих смесей: накаленными телами, электрической вскрой и факелом, в том числе раскаленными продуктами сгорания. В последнем случае зажигание обычно называют стабилизацией горения.
Тепловая мощность источников зажигания должна быть такой, чтобы обеспечить воспламенение прилегающих слоев смеси и дальнейшее распространение зоны реакции. Задачи устойчивого зажигания (стабилизации фронта пламени) имеют большое значение в связи с разработкой высоко- форсированных двигателей внутреннего сгорания и камер сгорания газовых турбин и топочных устройств паровых котлов. В первом приближении задачу о зажигании можно рассмотреть для смеси, находящейся в закрытом сосуде с температурой стенок, неравной начальной температуре смеси.
За счет интенсивной турбулизации потоков теплопроводность и коэффициент диффузии смеси принимаются бесконечно большими, т. е. отсутствуют градиенты температур и концентраций внутри смеси (данный случай может иметь место в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания при принятии равномерного Распределения топлива в объеме цилиндра). При таких условиях процесс можно описать уравнениями типа (6-9) и (6-!О), приняв 0„ФВм Численное интегрирование этой системы показало, что прн 0„>0о критический критерий теплоотвода возрастает по сравнению с вариантом Вот=Во, а при 0„<0о — уменьшается. Аппроксимирующая зависимость принимает вид 1п1п = 1п(0,85 — — 2,081 — 0,66 Зависимость периода индукции от относительного безразмерного критерия теплоотвода (з/(а,р при 0„<0о подобна кривым, приведенным на рис.
6-7. При 0„>0о увеличение (з/!акр приводит к парадоксальному на первый взгляд явлению: по сравнению с воспламенением при 0„=0о период индукции уменьшается. Объясняется это тем, что увеличение (а увеличивает подачу большого количества теплоты в течение периода индукции и смесь быстрее прогревается до температуры воспламенения.
По этой же причине безразмерная температура Вм,„, может превысить единицу, поскольку теплота, полученНая СМЕСЬЮ, Ясм=(ур+((поп, ГдЕ Япоп — КОЛИЧЕСТВО тЕПЛа, ПОдводимое к смеси от стенки, а Яр — тепловыделение в результате реакции. Период индукции для рассмотренных случаев можно аппроксимировать зависимостью Строгая постановка задачи о зажигании накаленным телом была сделана Я. Б. Зельдовичем. Рассмотрим зажигание от нагретой стенки (рис. 6-8).
Пусть горючая смесь с энергией активации Е и адиабатной температурой Т, заключена в плоскопараллельный сосуд. Нагретая стенка имеет температуру 0„ а холодная Во. Как известно, при отсутствии реакции температурная зависимость в смеси между стенками линейна, причем у стенок (20/((5<0. При наличии реакции в смеси около нагретой стенки на графике появляется выпуклость. Она увеличивается по мере повышения температуры горячей стенки 0„, но состояние смеси остается стационарным до тех пор, пока (20Щ у горячей стенки не станет больше нуля. Критическим условием зажигания, следовательно, В будет такая температура стенки 8„при ко- Рнс.
6-8. Распределение температуры в горгочей смеси в плоскопараллельном сосуде с различной температуройз горячей стенки с à — низкая температура (реакцна прватвческн отсутствует): 2 — высокая температура (зажвтаннен Л вЂ” кратвческав температура стенка 142 торой ИО/ЫЦ,=О. Прн атом условии химический процесс больше не нуждается в подводе теплоты, так как вся теплота дь отводимая смесью к холодной стенке, полностью восполняется теплотой дм выделяющейся в результате химической реакции в слое о$, прилегающем к нагретой стенке.
Следовательно, за условие зажигания, так же как н прн воспламенении, принято равенство выделяющейся н отводимой теплоты. Из рассмотренной схемы следует, что роль нагретого тела (нли газов) сводится к созданию в слое топливно-воздушной смеси такой температуры, при которой количество теплоты, выделяющейся в результате реакции, больше, чем ее отводится нз зоны зажигания.
Температура, прн которой выполняется зто условие, носит название температуры зажигания; численно она всегда выше температуры воспламенения. Прн зажигании импульсными источниками, например электрической искрой, появляется н второе критическое условие— время действия источника. Прн воздействии искры на горючую смесь в течение времени, меньшего периода индукции, самовоспламенения может не произойти. Для устойчивого зажнгания необходимо увеличить либо время воздействия, либо температуру (мощность) источника зажигания, что равносильно уменьшению периода индукции (см.
$6-2). Рассмотрим зажигание накаленным телом в потоке. Эта задача была решена Л. Н, Хнтриным и С. А. Гольденбергом. Для упрощения принято, что накаленное тело диаметром и' с температурой О, помещено в движущийся со скоростью и поток с температурой 60 Вокруг нагретого тела существует неподвижная пограничная пленка толщиной А, в которой протекает основная реакция; температура на внешней границе пленки Оа. Толщина пограничной пленки намного меньше размера тела, А<Ы. Прн таких допущениях уравнение переноса тепла (6-7) значительно упрощается и принимает внд Обозначим градиент йОЩ = у; тогда уду/ЫО = — Ре (!— Оа) и"'а-"гве Интегрируя зто уравнение по О, получим / 2 — л ~в ~Ь Поскольку теплота, выделяемая в результате реакции, г ад из а тепло, отводимое холодной смесью дхжХп(Оа — Ое)жМп(8,— 8,), то прн критических условиях зажигания (у|=да) е„ Мп(8„— Ое) = 2Ре(1 — Ое) )' о е л, ~вИО еь Используя метод разложения экспоненты (6-13), можно взять интеграл н после упрощения получить (и1г ( — В„х г ( — в„х где г '~ ")есть л-я производная по О от~~ ") прн 8 ~( — 6,) ~( — е,) =8,.
В частном случае реакций второго порядка (что наиболее удовлетворяет экспериментальным данным) можно получить 1)п'Л (8„— 8.)'(1 — 8.) =83(1 — 8,)'О„Ре (6-2З) нлн в размерном виде ( а )а( 7г 7з 7з 7е )а 208 йест (аи 7~6 р Гр хе" я тр ао р'с 'дни Рис, 6.10 Зависимость концентрационных пределов зажигания пентана от скорости потока и диаметра тела г — и ь ии: т — и 3 ии; 3 — й 1ии Рис. 6-9. Зависимость температуры зажигания от скорости потока (2) и диаметра тела (1) Отсюда видно, что зажигание зависит от свойств источника зажигания (его температуры, размеров) н свойств газовой смеси (кннетнческнх констант горения, теплофнзнческнх свойств, скорости обтекания н др.).
В качестве примера на рнс. 6-9 приведены завнснмостн Т, от скорости потока гн н диаметра тела с(. Как видно нз кривых, температура зажигания увеличивается с увеличением скорости н с уменьшением диаметра тела. Из уравнения (6-23) можно получить связь между концентрационными границами зажигания и характеристиками системы: кинетическими константами, скоростью потока, температурой и др. На рис. 6-10 показаны зависимости концентраци.
онных пределов зажигания от диаметров накаленного тела н скорости. Из кривых следует, что чем меньше скорость и больше диаметр тела, тем при меньших концентрациях горючего возможно зажигание. За пределами кривых зажигания не происходит. В топках паровых котлов, в камерах сгорания различных типов стабилизация пламени, т, е. зажигание смеси, осуществляется чаще всего при помощи зон рециркуляции раскаленных продуктов сгорания.
Такие зоны можно организовать установкой в потоке плохо обтекаемых тел, закруткой потоков и т. д. (см. э 2-5). Если принять за 66 ту температуру, которая в теории теплового распространения пламени принимается за нижнюю границу температуры О„где протекает реакция (см. $ 6-2), то из (6-23) можно получить )чп=ф Ре Я, где ~р— константа порядка единицы, учитывающая возможные отклонения от принятой схемы расчета. Принимая во внимание, что Ип=Г (Ке), окончательно можно записать Ке,р — — А (Ре5)" в качестве общего условия для определения критических характеристик стабилизации фронта пламени (гв,„, б,р и др.).
Для стабилизаторов в виде плохо обтекаемых тел (конус, стержень, сфера и т. д ) эта зависимость принимает вид йе,„= 1,45'(Ре'8)'. (6-24) Здесь З=йоб!и„— критерий стабилизации. 6.6. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПЛАМЕНИ В топливно-воздушной смеси источник воспламенения, например электрическая искра или рециркулирующие газы, создает узкую зону химической реакции, которая в результате переноса теплоты и активных центров распространяется от одного слоя смеси к другому.
Таким образом, процесс распространения зоны реакции (распространения пламени) представляет собой ряд последовательно идущих непрерывных процессов зажигания, Эта зона быстрой химической реакции и больших градиентов температуры и концентраций может быть названа фронтом пламени. Распространение этого фронта определяется процессамн теплопроводности от продуктов сгорания к горючей смеси, а также диффузии различных веществ, содержащихся в исходных веществах, в промежуточных и конечных продуктах сгорания. Молекулы промежуточных продуктов реакции могут служить активными центрами, и поэтому скорость !65 1В В'В Иа ч 'Иэааа а ' =Иэдга Г ээээ Ыав гайа Рис. б-1!.
Зонм ламннарного пламени их переноса может оказывать решающее влияние на скорость распространения пламени. Скорость движения зоны реакции относительно исходной смесн, направленная по нормали к поверхности фронта горения в данном месте, называется нормальной скоростью распространенна пламени. Поскольку для данной смеси на единице поверхности фронта пламени в секунду сгорает всегда одно н то же колнчество вещества и, то при перемещении плоского фронта пламени нормальная скорость распространения пламени определится как пае и /ро, где и — массовая скорость сгорания, ро†плотность исходного холодного газа. При распространении пламени в трубке радиусом гс' фронт пламени вследствие движения газа н конвектнвпых токов искривляется и скорость распространения фронта пламени ифр — — и,г1'(пгсэ), где г' — площадь поверхности фронта пламени.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
