teplotekhnika (852911), страница 56
Текст из файла (страница 56)
0но считается более интенсивным, чем тепловое зажигание, поскольку с выделением теплоты от электрического разряда вокруг электродов запальной свечи происходит ионизация топливно-воздушнойсмеси, приводящая к появлению активных центров, ускоряющих воспламенение.По своей природе явления самовоспламенения и зажигания не отличаются друг от друга.
(Эба они наряду с температурами воспламенения исамовоспламенения характеризуются концентрационными пределамизажигания.Пределы определяют нижнюю - предельно бедную, и верхнюю предельно богатую, объемные концентрации горючих газов в смеси, прикоторых возможно распространение пламени по всему объему смеси привозникновении воспламенения. Нижний и верхний концентрационныепределы выражаются в процентном (по объему) содержании газообраз-ного топлива в его смеси с воздухом или кислородом.
Концентрационные пределы существенно зависят от давления и температуры смеси, содержания в топливе активных и балластных примесей и т.д.Для оценки воспламенения паров жидкостей и твердых веществ всмеси с воздухом вместо концентрационных пределов применяют температурные пределы зажигания, что более соответствует практическимЦелям.Температурными пределами (верхним и нижним) называют две такиетемпературы топлива, при которых его насыщенные пары образуют своздухом концентрации, соответствующие нижнему или верхнему конЦентрационным пределам. Естественно, что нижнему пределу соответствует меньшая, а верхнему - большая температура топлива.
Температурные пределы зажигания топлива чрезвычайно важны для определения температурных условий хранения топлива, применения его в технологических целях, расчета вентиляции помещений и т.д.Горение газообразных топлив. Горение газов является типичным примером разветвленной цепной реакции. Воспламенение газовоздушнойсмеси - это начальная фаза зарождения пламени.304При сжигании газовой смеси, предварительно доведенной до температуры воспламенения, смесь горит во всем объеме одновременно.При воспламенении от постороннего источника неподвижной холодной газовой смеси в начальный момент загорается и сгорает небольшоеколичество газа (в месте воспламенения).За счет выделившейся теплоты прогревается и воспламеняется соседний слой смеси, который обеспечивает зажигание нового слоя.
Горениепри этом происходит в тонком слое (0,01-0,0 001 см), так называемомфронте пламени, который в каждый момент времени отделяет еще несгоревшую смесь от продуктов сгорания. Фронт пламени перемещается,пока не сгорит вся смесь. Процесс сжигания воспламененной неподвижной газовоздушной смеси происходит, таким образом, при перемещающемся фронте пламени. Если же начать перемещать газовую смесь навстречу фронту пламени со скоростью его распространения, то фронтпламени окажется неподвижным. Такое положение имеет место в обычной газовой горелке.
При воспламенении выходящей с постоянной скоростью из трубки газовоздушной смеси 4 у устья горелки 3 образуетсястационарное пламя 2, имеющее вид конуса (рис. 14.1).Такая форма пламени связана с различной скоростью выхода газовойсмеси из устья горелки. Образуюшаяся устойчивая поверхность конусагорения представляет собой геометрическое место точек, в которых нормальная составляющая И/н скорости потока И/равна нормальной скорости распространения пламени П", т.е.7Рис.
14.1. Схема нормального распространения пламени в ламинарном потоке:І - фронт пламени; 2 - пламя; 3 - горелка; 4 -газовоздушная смесьЁй///й//ххяйаММ\305Пн = И/созф,(14.17)где ср - угол между вектором скорости И/ и нормалью к поверхности конуса.Под нормальной скоростью распространения пламени понимают линейную скорость перемещения элемента фронта пламени относительнонесгоревшей смеси по направлению нормали к поверхности фронта вданном месте.Скорость распространения пламени является важным параметром,служащим для определения скорости подачи топлива в топку. В зависимости от характера движения газовоздушной смеси различают ламинарное и турбулентное горения. Рассмотренное нами сжигание газа в горелке происходит в ламинарном потоке (при Ке < 2000). При этом передачатеплоты от фронта пламени к несгоревшей смеси осуществляется толькопутем теплопроводности.Из-за малой теплопроводности газов скорость и" для большинствагазообразных топлив невелика и составляет, например, для метана0,28 м/с, окиси углерода - 0,3 м/с, ацетилена - І м/с, водорода - 1,6 м/с.Значение Пн сильно зависит от состава смеси, концентрации топливав ней, а также температуры смеси.
Так, по экспериментальным даннымдля углеводородовоздушных смесей НН пропорционально іс'дў (здесь (см температура смеси перед фронтом воспламенения).Распространение пламени в газовоздушной смеси возможно только вопределенных концентрационных пределах. Вне этих соотношений топлива и окислителя смесь не горит. Если в такой смеси при помощи постороннего источника все же воспламенить некоторое количество топлива, то пламя на весь объем не распространится.Концентрационные пределы распространения пламени совпадают сконцентрационными пределами зажигания. Для каждого топлива существует определенная концентрация его в смеси с окислителем, при которой НН имеет максимальное значение.
Наименьшие значения І!" будутпри верхнем и нижнем концентрационных пределах распространенияпламени. Наличие концентрационных пределов связано с тем, что призначительном избытке воздуха (бедные смеси) или малом количестве его(богатые смеси) количество теплоты, выделяющейся в месте воспламе-нения, недостаточно, чтобы осуществить зажигание соседних слоев смеси. В обоих случаях расход теплоты на прогрев компонентов смеси (с избыточным количеством одного из них) превышает тепловыделение, чтоприводит к уменьшению температуры во фронте горения ниже температуры воспламенения.Применение горелок с ламинарным потоком из-за малых скоростейраспространения пламени не может обеспечить сжигание необходимыхколичеств газообразного топлива в промышленных установках.
Поэтомуобычно осуществляют сжигание этих топлив в турбулентных потоках.306Турбулизации газа и воздуха резко увеличивают скорость распространения пламени, поскольку в турбулентных потоках перенос теплоты отфронта пламени к несгоревшей смеси осуществляется не только теплопроводностью, но и путем перемешивания горящих объемов со свежейсмесью, что сильно увеличивает поверхность фронта пламени, и горениепроисходит в объеме смеси. Скорость турбулентного распространенияпламени І/Т обычно подсчитывают в зависимости от Пн, м/с. Для ориентировочных расчетов можно принятьиТ = Ава/3,3,(14.18)где А - коэффициент, учитывающий характеристики топлива; И/- средняя скорость потока, м/с.Детонационное горение (детонация) может возникнуть в особых условиях горения.
(Основы теории детонационного горения были изложеныв гл. 4.) В нормальных условиях фронт пламени распространяется от источника зажигания в свежие объемы смеси, однако при сжигании топливс низкими температурами воспламенения в ограниченном объеме привысоких давлениях, например паров легких топлив в карбюраторныхдвигателях, возникает детонация.Суть детонации состоит в том, что во фронте пламени, возникшем узапальной свечи, развивается высокое давление продуктов сгорания, врезультате чего, обгоняя фронт пламени со скоростью 1000 + 4000 м/с, всвежие объемы смеси движется волна давления.
Она вызывает дополнительное сжатие смеси и ее нагрев. Если температура свежей смеси в этомслучае достигнет температуры воспламенения, то в разных местах объема смеси возникнут неорганизованные очаги пламени, удаленные от основного фронта. Это приводит к взрывному увеличению давления в цилиндре, которое не компенсируется увеличением объема цилиндра придвижении поршня вниз.Внешними признаками детонации являются стук в двигателе и дымление.
Детонация - вредное явление, так как приводит к нерасчетнымнагрузкам на узлы и детали двигателя и преждевременному их разрушению.Горение твердого топлива. Горение частицы твердого топлива складывается из ряда последовательных стадий: прогрев топлива и испарениевлаги; выход летучих и образование кокса при 1> 100 °С в результате разложения сложных углеводородных молекул, сгорание коксового остатка.Содержание летучих сильно влияет на общее время сгорания частицы. Температура воспламенения летучих значительно ниже температурывоспламенения кокса. Поэтому они воспламеняются раньше кокса и чемих больше, тем сильнее они прогревают кокс, подготавливая его к воспламенению.
Сгорание коксового остатка - наиболее медленная стадиягорения частицы. Горение кокса происходит на его поверхности и пото307му является диффузионным, так как время горения определяется скоростью диффузии кислорода к поверхности кокса через среду продуктовсгорания. Конечным продуктом полного сгорания углерода топлива является двуокись углерода СО2, образование которой при горении идет засчет следующих реакции:с + 02 = 002; 2с + 02 = 200; с +со2 = 200; 200 + 02 = 2002,причем первая и вторая реакции называются первичными, а третья и четвертая - вторичными. Интенсивность этих реакций, их последовательность и полнота сгорания СО в СО2 зависят от скорости обдувания частиц кокса потоком воздуха и температурного уровня процесса.Следовательно, сжигание твердых топлив должно осуществлятьсяпри достаточных количествах воздуха и в зоне высоких температур, обеспечивающих высокую полноту выгорания кокса и СО.Горение жидкого топлива.
Так как температура кипения жидких топлив ниже температуры их воспламенения, то воспламенению предшествует испарение. Поэтому горение всех жидких топлив происходит в парогазовой стадии; топливно-воздущная смесь образуется путем диффузии кислорода в пары топлива. Следовательно, скорость сгорания элементарной дозы топлива зависит от скорости испарения топлива и скорости диффузии окислителя к нему.Рассмотрим схему горения капли жидкого топлива (рис. 14.2). Жидкая фаза [окружена оболочкой из паров топлива 2, на внешней границекоторой создается топливно-воздушная смесь за счет диффузии кислорода 6 через область 4 продуктов сгорания 5 и возникает фронт пламени3. Воспламснению предшествует прогрев капли до температуры испарения, интенсивность которого зависит от температуры окружающей каплю среды.Скорость химической реакции окисления во фронте пламени оченьвысока, в то время как диффузия кислорода затруднена, так как область4 забалластирована продуктами сгорания.
В этом случае горение каплиследует отнести к диффузионному. Время выгорания капли определяется скоростью расходования жидкой фазы:“посЖ +їж1к2т = р[(тК2),(7`с_7к)О”(14.19)где р - плотность жидкого топлива, кг/м3; Тк и То - соответственно температура кипения и начальная температура жидкого топлива, К; Сж - теплоемкость топлива, кДж/(кг. К); Ко - начальный радиус капли, м; гж - теплота парообразования топлива, кДж/кг; Же - коэффициент теплопроводности газовой среды, Вт/(м-К); Тс - температура окружающей среды, К.308Рис. 14.2. Схема горения капли жидкоготопливаФормула (І4.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
