1598005868-03648c969f647e9d2289db563a03b78d (811236), страница 58
Текст из файла (страница 58)
11-2. Распределение давлений паров и кислорода н температуры у поверхности горпшей капли жидкого топлива (в предположении плоской пленки) Сплошные лпннн — давление паров; штрмаовме — дазлемме ннелорода; штрнапувнтврНыр — температура' а1 — толщнна замы гореннл; Ь вЂ” толщнма приведенной племкв Рис. 11.1.Давление насыщенных па- пгм р ров жидких топлив Р, в зависимости 5 от температуры 2 à — бензин Б-Уа; У вЂ” зтмловнй спарт: Р 2 бевтол; б — топлвво т-И б — знмнее дизельное топлнво; б — летнее дизельное 1 топлмно 5'1й циент диффузии кислорода в газовой смеси (среднее зна- 2'1й чение).
1р ' При небольших значениях 51й-т 5 критерия Семенова роль горения паров в пограничном 2'1Р слое невелика, основное коли- 1й честно паров выносится в ок- 51йружающий газовый объем и сгорает там по законам газо. 210 1й 3 ВОГО горения. ЭТО происходит )й уй 2р 22 24 дб ей др 52 )1 > в случае мелких капель, когда велик коэффициент диффузионного обмена ап=йиуЮ/б, где Ь вЂ” диаметр капли. При Ье(0,4 можно полностью пренебречь горением паров в пограничном слое у поверхности капли, так же как н горением СО в пограничном слое у поверхности углеродной частицы. Напротив, при больших значениях критерия Семенова пары интенсивно выгорают в пределах пограничного слоя, При Яе-ьоо горение диффузионное, Пары, встречаясь с кислородом, мгновенно реагируют и сгорают в очень тонкой зоне (практически на поверхности горения). В этой зоне достигается относительно высокая температура горения Т,. Теплота отводится в окружающую среду и частично к поверхности капли. Теплота, подводимая к поверхности, затрачивается на прогрев жидкости, ее испарение и нагрев паров.
Схематически распределение давлений (концентраций) паров и кислорода, а также температуры у поверхности капли, представлено на рис. 11-2. Наряду с линиями для диффузионного горения, представлены и линии для более низких значений критерия Семенова. и-Х АНФФузиОннОВ ГОРение кАпли жиАНОГО ТОплиВА Теория диффузионного горения капли жидкого топлива впервые и в наиболее общей форме была разработана Г.
А. Варшавским. Позднее и независимо от Г. А. Варшавского диффузионное горение капли было рассмотрено Сполдингом, а также Гольдсмитом и Пеннером. Значительные уточнения в теорию были внесены И. И. Палеевым, М. А. Гуревичем и Ф. А. Агафоновой. В дальнейшем будем следовать работам указанных авторов, однако в значительно упрощенном виде *. При горении паров в приведенной пленке температура поверхности испаряющейся жидкости будет близка к температуре адиабатного испарения (к температуре влажного термометра), так как отвод теплоты внутрь жидкости относительно небольшой.
В зоне горения температура получается достаточно высокой и поэтому температура адиабатного испарения жидкости приближается к температуре кипения при заданном внешнем давлении (верхний предел температуры адиабатного испарения). Практически можно принять, что температура поверхности жидкого топлива равна температуре кипения. То же получается и при испарении в высокотемпературной среде жидкости без горения (испарение негорящей жидкости или испарение в инертной среде). Давление паров у поверхности жидкости равно давлению насыщения р, при температуре поверхности, однако оно может заметно отличаться от общего внешнего давления.
Причиной является резкая зависимость давления насыщения от температуры (см. рис. 11-1). Небольшое отличие температуры поверхности от температуры кипения может привести к существенному отклонению давления паров у поверхности от общего давления. Поэтому расчет испарения более правильно проводить по количеству подведенной к поверхности жидкости теплоты, затраченной на испарение (в предположении, что температура поверхности равна температуре кипения; небольшие отличия не играют роли). Расчет испарения по скорости диффузии паров ' Теории н опытные данные по горению жалкого топлива подробно рассмотрены И. И. Палеевым в книге еТеорив топочных процессов» (М, еЭнергнн», 19661.
ненадежен из-за трудности точного определения давления паров у поверхности жидкости е. При горении теплота к поверхности жидкости подводится нз зоны горения. Если капля обтекается потоком и толщина приведенной пленки не очень велика по отношению к диаметру, то зона горения располагается близко к внешней границе приведенной пленки. Основное количество теплоты из зоны горения отводится во внешнюю среду. Поэтому градиент температур со стороны внешней среды должен быть высоким, а расстояние между зоной горения и внешней границей приведенной пленки небольшим.
Каплю будем считать сферой, а окружающий газ (приведенную пленку) неподвижным. Для теплового потока от сферической зоны горения к поверхности жидкости можно записать следующее балансовое соотношение, пренебрегая небольшим расходом теплоты на прогрев жидкости (для учета этой теплоты можно несколько завысить теплоту испарения): Я~в = — 4пг'Х вЂ” = — (г~ся+ с и (Т вЂ” Тпов)) Ов* (11-1) г1Т лг где Янов — тепловой поток к поверхности; Ов — поток паров с поверхности капли; гв,н — удельная теплота испарения жидкости; срв †удельн теплоемкость паров; Т „ — температура поверхности жидкости, которую будем считать равной температуре кипения Т и. В соотношении (11-1) учтен расход теплоты как на испарение, так и на перегрев пара.
В пределах сферической пленки сг,=сопз1 и !1ноз=сопз1; интегрируя (11-1), получим йг!Т йя Ф (Тг Тнвв) гвсв + Слв (~ ~кап) ! ! гк гвсв (11-2) где г,л — внешний радиус приведенной пленки; Т,— температура в зоне горения. При интегрировании принимаем, что зона горения располагается на внешней границе приведенной пленки, т. е. пренебрегаем небольшим различием между расстоянием от поверхности до зоны горения и толщиной приведенной пленки. ' Тем ие менее диффузия паров играет супгественнувг роль в процессе. Точные значения температуры поверхности жидкости и давления паров у поверхности можно установить только на основе совместного рассмотренна уравнений теплообмена и диффузия.
В случае постоянных Х, т„. и срп 4п 1 1 О(тг, Т.п.) = 4нй 1 1 ' — — — )Ср рп тп ' тпп гп ' риси т„ бт 4н гисп 1 1 + <т — Т„,„) Срп тк тисп пип х Х Срп тисе)срп+ (Тг — Тпип) (1 1-3) тисп срп Для расчетов по (11-2) или (11-3) нужно знать температуру в зоне горения Т,. Чтобы определить ее, запишем выражение для теплового потока в окружающую среду (сквозь небольшую часть приведенной пленки между зоной горения н окружающей средой): 4)ср = 4лт Х ОпЯ~ бг (11-4) где Яг — теплота сгорания топлива (теплота, затраченная на перегрев паров, вновь возвращается к зоне горения с потоком паров). При записи соотношения (11-4) пренебрегли небольшим расходом теплоты на нагрев поступающего к зоне горения кислорода*. Поток кислорода можно определить следующим образом: Мор р бр! Ось = — 4лта— Кпю !сТ Р вЂ” рс — бт= ' бр, Хйт МОРГ М,!) М,Р ° Расход теплоты на нагрев паров более высок, так как пары нагреваштсн от температуры кипенна до высокой температуры прп подходе к вове горенка.
Температура газов в топочной камере тоже высокав, н подогрев кислорода прв подходе к ионе горенна относительно небольшой. где рс — парциальное давление кислорода; р — стехиометрический коэффициент; Мо,=32 кг/кмоль — молекулярная масса кислорода. Для горения топлива в атмосфере воздуха (р,/Р(0,21) можно пренебречь влиянием стефановского потока и записать МоР ар! бо, вм — 4лт' — — = — (И„.
(11-5) ЯТ й Выражая из (11-5) величину бп и подставляя в (11-4), по- лучим илн Мо,б. 1 ес?Т= — ' с?р» М,РР;, (П-6) где мт А а 1.е РМ гсргГР Ргсрг?Р И вЂ” критерий Льюиса; ср, — удельная теплоемкость газовой среды; М,— молекулярная масса газовой среды; р =РМг/(1?Т) и а=А/(р,срг) — плотность и температуропроводность газовой среды. Считая критерий Льюиса постоянной величиной и интегрируя выражение (11-6) по Т от Т, до Т„(температура окружающей среды) и по рг от нуля (в зоне горения) до ргср (в окружающей среде), получим МОССгГРГ Ср 1е(Тг — Т„) = = Тс Тср, М~РгргР (11-7) с? (ржмбз/6) = — бган?т, (11-8) где рм — плотность жидкости, кмоль/м', если единица Сгс— кмоль/с, и кг/мс, если единица сгс — кг/с; б 2г„— текущий диаметр капли; т — время.
После подстановки выражения сг, (11-2) и преобразований уравнение (11-8) приводится к виду ггб аФ(гг, Тсср) Ргсбс ( — — — ) Мо~0грг с р где Тс Тср + — теоретическая температура горения. МгйсргР Для газов критерий Льюиса не очень сильно отличается от единицы. При?.е=1 по соотношению (11-7) Т,=Т,. Итак, при расчете диффузионного горения капли жидкого топлива можно принять, что температура поверхности капли равна температуре кипения при заданном давлении среды, а пары горят у внешней границы приведенной пленки.
Здесь достигается температура, близкая к теоретической температуре горения (при слабом влиянии излучения, не учитываемого при выводе). Фактически задача о диффузионном горении капли сводится к задаче об испарении при перечисленных условиях. Уравнение баланса массы для испаряющейся (и горящей по диффузионному механизму) капли следующее: Подставляя сюда наружный радиус приведенной пленки Хи гпо = гк для сферической капли, получаем На — 2 = — — ИиФ(Т„, Т„„„). (1 1-9) Ет р Если г(и считать постоянным, то после интегрирования имеем 6 =6о — Кт, (И-10) где 6о — начальный диаметр капли; К вЂ” коэффициент горения; К= ~ 1)иФ(Т„, Т,„„). (1 1-1 1) Рж По существу, приведенный вывод относится к сзучаю сравнительно больших скоростей обтекания капель потоком. Однако полученные формулы дают правильный порядок величины и при расчете горения капель в неподвижной среде, когда Ив=2.
Формулы пригодны и для расчета испарения капли негорючей жидкости (или горючей жидкости, но без воспламенения, например, горючей жидкости в инертной среде), если задана температура среды Т„. В выражение для К в данном случае вместо температуры горения Т, следует подставлять температуру среды Тсо.
Соотношение (11-10) выражает закон Срезневского — линейную зависимость квадрата диаметра испаряющейся или горящей по диффузионному механизму капли от времени. Рассмотренная теория применима к расчету испарения и диффузионного горения как капель чистых химических веществ (этиловый спирт, бензол и т. п.), так и капель многофракционных топлив (нефть, ее производные). При горении капель многофракционных топлив не происходит разгонки фракций, так как скорость перемешнвания внутри капли гораздо меньше скорости испарения.
Слой жидкости у поверхности капли испаряется полностью (испаряются все фракции) за время, в течение которого заметного перемешивания внутри капли не происходит. Температура поверхности капли приближается к температуре кипения наиболее высококипящей фракции (к температуре кипения составного топлива). В расчет входит эффективная теплота испарения, определяемая, как и температура кипения составного топлива, из опыта. О1-3. ОПЫТНЫЕ ДАННЫЕ ПО ГОРЕНИЮ КАПЕЛЬ ЖИДКОГО ТОПЛИВА К настоящему времени накоплен большой опытный материал по горению капель жидкого топлива.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
