1598005868-03648c969f647e9d2289db563a03b78d (811236), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Прогрев частиц твердого топлива в камере сгорания происходит за счет конвективного н радиационного теплообмена между частицей и потоком горячих газов, которые с помощью тех или иных конструктивных мероприятий подводятся к пыле- воздушной струе для стабилизации воспламенения факела. Напишем уравнение теплового баланса для частицы, двигающейся в потоке горячих газов, в предположении, что отсутствует градиент температуры по сечению частицы (В(<1); рассматриваем период до интенсивного выхода и горения летучих, т. е.
предполагаем, что отсутствуют эндо- и экзотермические реакции разложения органической массы топлива: т,с„" =а„(҄— Т„) Р„„,+о«а,(҄— Т",)Р„„, (7-1) «« где индекс «ч» означает «частнца»; Р»«Б, а,— площадь поверхности и степень черноты частицы; ҄— температура потока газов; ૠ— коэффициент излучения абсолютно черного тела. Удобнее всего анализ проводить для сферической частицы. Отличие формы реальной частицы от сферической можно учесть соответствующими коэффициентами, например коэффициентом Формы. Следует учесть, что при попадании частиц неправильной формы в камеру сгорания нх острые углы и кромки обгорают быстрее всего и частицы приобретают форму, близкую 6' 163 к сферической. Тогда, подставив в уравнение теплового баввбв ланов (7-1) тч = — р„; г",в=пб', а„=Мну„(б, получим дифференциальное уравнение прогрева частицы ~~ч ~~~бч (Т 7 ) 1 бас~в (Т4 7 в) (7 2) сч счр,бв счрчб где Ми — тепловой критерий Нуссельта, рассчитывается по зависимостям гл.
3 с учетом относительного движения частицы в потоке газа; р, и сч — плотность и удельная теплоемкость материала частицы. Решение этого дифференциального уравнения возможно только численными методами. Анализ процесса прогрева относительно мелких частиц (6( 10-в м), попавших в высоко- температурную зону камеры сгорания (Т„= 1200 К), показал, что доля лучистой составляющей теплообмена меньше 30 с(в, а ошибка в расчетах времени прогрева при учете только конвективной составляющей не превышает 10 7с.
С уменьшением размера частицы погрешность расчетов уменьшается. При высоких температурах, а также при крупных частицах роль лучистого нагрева сильно увеличивается. Интегрирование уравнения (7-2) при учете только конвективной составляющей дает следующее выражение текущей температуры частицы: Т, = ҄— (Т,— Тч,) ехр~ — т) =҄— (Т,— Т„) ехр( — ЗВ(ро), 'г б 1Чв Х„ч ~ ..р.б* ) Р-3) ачб 4$,„ч где В1= — критерий Бно; Ро = — — критерий Фурье; Жч счрчб» Т„в — начальная температура частицы, К. Если необходимо рассчитать полное время прогрева инертной сухой частицы, то из формулы (7-3) можно получить ] тою ~ 0,334 " ' 1ф — 3, (7-4) где 9/Я ...— отношение количества тепла, воспринятого частицей, к максимальному, возможному при данной температуре потока; это отношение с достаточной точностью можно принять равным 0,95 для определения полного времени нагрева частицы: вчбв ввбв Я= — рчсч(Т» — Тчв); Ямакс= рчсч(Т,— Тчв) Знак «меньше» в неравенстве (7-4) отвечает частичному нагреву, Для частицы натурального топлива при прогреве необ.
ходнмо учитывать тепловые эффекты реакций разложения и горения летучих веществ. Входящие в формулу плотность и теплоемкость частиц зависят от характеристик топлива, от условий процесса и поведения частиц при нагревании. Обобщение противоречивых опытных данных и методик расчета характеристик широкой гаммы натуральных топлив позволяет рекомендовать для расчета удельной теплоемкости сухой массы топлива следующую зависимость: се = с,о+ А ь (Те — 273), (7-5) где сео — начальная теплоемкость сухой массы частицы при Т„,=273 К; А~ — коэффициент; значения с,е и А~ приведены в табл.
7-1; там же даны и значения рео. Таллина 7-1 Удельвов теилосивость, влотвость и вееффиииевт А1 длв веиболее ворввтервив еевлве С некоторого момента времени из частицы натурального топлива начинают интенсивно выходить летучие вещества, которые насыщают пограничный слой, окружающий частицу (см. гл. 8). После воспламенения летучих происходит быстрый прогрев частицы до температуры, равной температуре потока газов или превышающей ее.
Для оценки времени прогрева частицы (в секундах) до момента воспламенения летучихвсреде с концентрацией Оь равной 1Π— 21 %, можно воспользоваться эмпирическими зависимостями, предложенными: В. И. Бабием для мелких частиц (6(10-о м) гв.я=йь,а 5,3 10"7с 6ь (7-6) и В. К. Любовым и С. М. Шестаковым для крупных частиц (6- 6 10-' м) при температуре газового потока Т,=1173- вЂ: 1373 К и скорости обтекания (скорости относительного движения) гв„,=0,1 —:3 м/с ,10мТ ое лбов.
л (1 + гв ил), (7-7) где йв. ли йв. ле, пь л, лс~ и, с~ — опытные коэффициенты, при веденные в табл. 7-2. Роль излучения в этих формулах учитывается. Таблица 7-2 Ковффнцненты, характеривуеи1ие влияние равлнчных параметров на продолжительность отдельных стадий процесса горения частицы Уголь КуннскквА Велкевне йней- сккА в Черем- консквй д Ннтвн- скнй д ВоркутвнсквА ж тсс П р и и е ч а и н е. для угля всех марок лв.
н = — 4; глв. л кк 0,5 дробно этот вопрос рассмотрен в гл. 8. Здесь лишь укажем, что время выхода и горения летучих (в секундах) и среде с концентрацией кислорода Со,= 1Оы 21ей может быть также описано эмпирическими выражениями, предложенными, например: В. И. Бабием для мелких частиц (б<10е и) Дт„. „ = й, нх 0,5 10'б' (7-8) н В. К. Любовым и С.
М, Шестаковым для крупных частиц (б)5 10-' м) Дт, „=йг ° 10АT" б г (1+гп''л) (7-9) 1Ай В диапазоне размера частиц 10-'<5<5.10-' можно приме-. нять любую из зависимостей, но зависимость (7-7) имеет то преимущество, что она учитывает скорость относительного движения частицы в потоке. Горение летучих веществ представляет собой горение гомо- генных смесей, содержащих множество компонентов, диффундирующих от поверхности частицы навстречу кислороду. По- Гдс й,.ао Лл,а, а.а, Гцла, д,,а — ОимтиЫЕ КОЭффнЦИЕитЫ, таяйб приведенные в табл.
7-2. Горение летучих, как и прогрев частиц, — относительно бы~~рый процесс по сравнению с горением коксового остатка. именно поэтому большинство исследователей рассматривает горение натурального топлива как горение коксового остатка. тогда изменение массы частицы во времени можно записать з виде Йла — = — ~сМс рвов, ла где бс — скорость выгорания углерода, кмоль/(м'с); Мс= =12 кг/кмоль — молекулярная масса углерода.
Если принять, что частица имеет форму шара и выгорает только по наружной поверхности, то с учетом того, что та= лба а = — Р„, а гааа=яб, получим уравнение выгораиия частицы 6 аб ЕМс г Сс, лт Ра (7-10) а после интегрирования †вре выгораиия до размера б б г Г збгс Ос а (7-11) Г-2.мехлнизм ГОРения углеРОАА Горение углерода †гетерогенн процесс, определяемый как кинетикой горения (иа поверхности и в глубине) углеродного массива частицы, так и диффузионным переносом кислоРода и продуктов сгорания у горящей поверхности частицы. На кинетику процесса большое влияние оказывает структура углеродного материала частицы твердого топлива. Наиболее Распространенные в природе виды чистого углерода — алмаз и "Рафит. Алмаз — типичное кристаллическое образование с чет- 167 Полное время выгорания частицы можно определить, привяв Ь=О.
Как видно из формулы (7-11), задача выгорания коксовой частицы сводится теперь к нахождению поверхностной скорости горения углерода. Рассмотрим подробнее этот вопрос, так как горение углерода коксовой частицы не только дает наибольшее тепловыделеиие, но и определяет в значительной степени продолжительность горения частицы натурального топлива и ее темпратуру. Эти факторы в свою очередь влияют иа поведение минеральной части топлива. В целом проблема представляет собой большой методический интерес с точки зрения анализа такого сложного физико-химического процесса, как горение твердого топлива. ким размещением атомов в кристаллической решетке. Графит— аморфное углеродное образование, имеющее структуру, состоя.
щую нз хаотически расположенных крнсталлитов. Графит является поликристаллическим материалом: его поверхность образована различными кристаллографическими поверхностями. Размеры крнсталлитов в графите колеблются в широких пределах, от десяти до десятков тысяч ангстрем. Углерод кокса топлива — практически чистый углеродный материал, по своей структуре он близок к графиту. Кроме того, в процессе сжигания топлива (даже жидкого и газообразного) образуется сажа или нефтяной кокс — также чистый углерод. Кристаллографическими исследованиями углерода коксового остатка частиц твердого топлива установлено, что они имеют кристаллитные включения и даже отдельные моно- кристаллы.
Содержание кристаллнтов в коксе зависит от температуры коксования и обычно увеличивается с возрастанием температуры процесса. Аналогичная закономерность замечена в углероде топлив различного геологического возраста. Чем старше топливо, тем больше в нем кристаллитных включений. Таким образом, углерод топлива имеет неоднородную структуру поверхности. Неоднородность углеродной поверхности будет изменяться в зависимости от доли различных кристаллографических плоскостей, составляющих поверхность, и от их площади. Наряду с такой микрокристаллической неоднородностью поверхность углерода топлива имеет и другой вид неравномерности — порозность.
Углеродная поверхность изрезана огромным количеством микротрещин и пор самой разнообразной формы и размеров. Неравномерность, шероховатость и пористость структуры углеродной поверхности являются следствием отсутствия четкой кристаллической структуры углерода топлива. Углерод кокса имеет еще более пористую поверхность, так как выделение влаги и летучих приводит к образованию новых пор, к увеличению их размеров. Необходимо учитывать влияние пористой структуры углеродной поверхности на выгорание углерода. Когда мы говорим о гетерогенном горении углерода, это не значит, что зона контакта и протекания реакций всегда ограничивается только наружной поверхностью углеродного массива частицы. Поры, проникая глубоко внутрь углеродной частицы и соединяясь между собой, образуют обширную внутреннюю поверхность углеродной частицы, иногда значительно превосходящую внешнюю.
При определенных условиях окислитель может проникнуть глубоко в поры и тогда реакция происходит и внутри частицы, на ее внутренней поверхности, Это внутреннее реагирование. Пренебрежение внутренним реагированием может привести в некоторых условиях к серьезным ошибкам при обработке опытного материала и расчетах выгорания. Подробнее этот вопрос будет рассмотрен в ~ 7-7. 16з Нри гетерогенном горении углерода реакция протекает на его поверхности, к которой поступают молекулы кислорода из окРУ кружаюшего объема. Изучением механизма окисления углерод да занимался широкий круг исследователей на протяжении примерно ста лет. Имеется громадный экспериментальный маернал. отражающий взаимодействие углерода с кислородом и дру Ругими газами в различных температурных и концентрационнйх условиях.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
