Фев 01 2011

Теория горения жидкого топлива

Д. М. ХЗМАЛЯН, Я. А. КАГАН
ТЕОРИЯ
ГОРЕНИЯ
И ТОПОЧНЫЕ
УСТРОЙСТВА
Под ред. доктора техн. наук, проф. Д. М. ХЗМАЛЯНА

Допущено Министерством высшего и средиего специального образования СССР в качестве учебного пособия для студентов теплоэнер¬гетических специальностей высших учебных заведений

ГЛАВА ДЕСЯТАЯ
ГОРЕНИЕ ЖИДКИХ ТОПЛИВ
10-1. ГОРЕНИЕ ЖИДКИХ ТОПЛИВ СО СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Каждое жидкое горючее, так же как любое жидкое вещество, при данной температуре обладает определенной упругостью пара над своей поверхностью, которая увеличивается с ростом температуры.
При зажигании жидкого горючего, имеющего свобод¬ную поверхность, загорается его пар, содержащийся в пространст¬ве над поверхностью, образуя горящий факел. За счет тепла, излучае¬мого факелом, испарение резко увеличивается. При установившемся режиме теплообмена между факелом и зеркалом жидкости количество испаряющегося, а следовательно, и сгорающего горючего достигает ма¬ксимального значения и далее остается постоянным во времени.
Опыты показывают, что при сжигании жидких топлив со свободной поверхностью горение протекает в паровой фазе; факел устанавливается на некотором удалении от поверхности жидкости и ясно видна темная полоска, отделяющая факел от обреза тигля с жидким горючим. Интен¬сивность излучения зоны горения на зеркало испарения не зависит от его формы и величины, а зависит только от физико-химических свойств горючего и является характерной константой для каждого жидкого го¬рючего.
Температура жидкого горючего, при которой пары над его поверх¬ностью образуют с воздухом смесь, способную воспламениться при под¬несении источника зажигания, называется температурой вспышки.
Поскольку жидкие горючие сгорают в паровой фазе, то при уста¬новившемся режиме скорость горения определяется скоростью испаре¬ния жидкости с ее зеркала. Ввиду того что тепло, излучаемое факелом на зеркало горючей жидкости, расходуется на подогрев жидкости до температуры кипения и на парообразование, можно записать уравнение теплового баланса для 1 м2 зеркала испарения в виде
qл = Wг[Сср(tK—t0)+ λп] (10-1)
В уравнении (10-1):
qл — количество тепла, излучаемого факелом на зеркало жидкости, кВт/м2;
Wг— скорость горения, отнесенная к единице поверхности испаре¬ния, кг/(м2*с);
Cср — средняя теплоемкость жидкости, кДж/(кг*К);
tK — температура кипения жидкости, К;
t0— температура горючей жидкости до опыта, К;
λп — теплота парообразования, кДж/кг.
Из уравнения (10-1) видно, что для данной жидкости массовая скорость горения со свободной поверхности зависит от температуры по¬догрева жидкости и интенсивности излучения ее диффузионного факела на зеркало испарения, а для различных жидкостей зависит также от величины теплоты парообразования и теплоемкости.

Процесс горения жидких горючих со свободной поверхностью про¬исходит следующим образом. При установившемся режиме горения за счет тепла, излучаемого факелом, жидкое горючее испаряется. В вос¬ходящий поток горючего, находящегося в паровой фазе, посредством диффузии проникает воздух из окружающего пространства. Полученная таким образом смесь образует горящий факел в виде конуса, отстояще¬го от зеркала испарения на 0,5—1 мм. Устойчивое горение протекает на поверхности, где смесь достигает пропорции, соответствующей стехиометрическому соотношению горючего и воздуха. Это предположение сле¬дует из тех же соображений, что и в случае диффузионного горения га¬за, изложенного в § 9-3.
Химическая реакция протекает в очень тонком слое фронта факела, толщина которого не превышает нескольких долей миллиметра. Объем, занимаемый факелом, зоной горения делится на две части: внутри факе¬ла находятся пары горючей жидкости и продукты сгорания, а вне зоны горения — смесь продуктов горения с воздухом.
Горение восходящих внутри факела паров жидких топлив можно представить состоящим из двух стадий: диффузионного подвода кисло¬рода к зоне горения и самой химической реакции, протекающей во фронте пламени. Скорости этих двух стадий не одинаковы; химическая реакция при имеющих место высоких температурах протекает очень быстро, тогда как диффузионный подвод кислорода является медлен¬ным процессом, ограничивающим общую скорость горения. Следовательно, в данном случае горение протекает в диффузионной области, а скорость горения определяется скоростью диффузии кислорода в зону горения.
Так как условия подвода кислорода к зоне горения при сжигании различных жидких горючих со свободной поверхности примерно одина¬ковы, следует ожидать, что скорость их горения, отнесенная к фронту пламени, т. е. к боковой поверхности факела, также должна быть одинаковой, а длина факела будет тем больше, чем больше скорость испа¬рения.
Массовая скорость горения, отнесенная к фронту пламени для одного и того же горючего, не зависит от величи¬ны и формы зеркала испарения и является постоянной величиной. Для различных горючих с увеличением теплоты сгорания массовая скорость горения уменьшается, а скорость выделения тепла, отнесенная к едини¬це фронта пламени, т. е. теплонапряжение зоны горения, остается при¬мерно одинаковой. Некоторые отклонения в значениях скорости горе¬ния, отнесенной к фронту пламени, объясняются трудностями определе¬ния поверхности факела.
Таким образом, можно сделать интересный вывод: теплонапряже¬ние боковой поверхности факела, устанавливающегося над свободной поверхностью жидкого горючего, практически не зависит от диаметра тигля и рода топлива.
Специфической особенностью горения жидких горючих со свободной поверхности является большой химический недожог. Каждое горючее, представляющее собой углеродистое соединение при сжигании со сво¬бодной поверхности, имеет свойственную ему величину химического не¬дожога qз, которая составляет, %:
для спирта 5,3 для керосина 17,7
для бензина 12,7 для бензола 18,5
Картину возникновения химического недожога можно представить -следующим образом.
Парообразные углеводороды при движении внутри конусообразного факела до фронта пламени при нахождении в области высоких темпе¬ратур при отсутствии кислорода, подвергаются термическому разложе¬нию вплоть до образования свободного углерода и водорода по уравне¬нию:
СnНm→nС + m/2Н2, (10-2)
или
СnНm→хС + уН2 + Сn-xНm-2y (10-3)
Свечение пламени обусловливается нахождением в нем частиц сво¬бодного углерода. Последние, раскалившись за счет выделяемого при горении тепла, излучают более или менее яркий свет.
Часть свободного углерода не успевает сгорать и в виде сажи уно¬сится продуктами сгорания, образуя коптящий факел.
Кроме того, наличие углерода согласно равновесию С + СО2↔2СО, вызывает образование СО.
Высокая температура и пониженное парциальное давление СО и СО2 в продуктах сгорания благоприятствуют образованию СО.
Присутствующие в продуктах сгорания количества углерода и СО обусловливают величину химического недожога. Чем больше содержа¬ние углерода в жидком топливе и чем меньше он насыщен водородом, тем больше образование чистого углерода, ярче факел, больше химиче¬ский недожог.
Таким образом, исследования горения жидких горючих со свобод¬ной поверхности показали, что:
1) горение жидких топлив происходит после их испарения в паро¬вой фазе. Скорость горения жидких топлив со свободной поверхности определяется скоростью их испарения за счет тепла, излучаемого зоной горения, при установившемся режиме теплообмена между факелом и зеркалом испарения;
2) скорость горения жидких горючих со свободной поверхности растет с увеличением температуры их подогрева, с переходом к горючим с большей интенсивностью излучения зоны горения, меньшей теплотой парообразования и теплоемкостью и не зависит от величины и формы зеркала испарения;
3) интенсивность излучения зоны горения на зеркало испарения, горящего со свободной поверхности жидкого горючего, зависит только от его физико-химических свойств и является характерной константой для каждого жидкого горючего;
4) теплонапряжение фронта диффузионного факела над поверхно¬стью испарения жидкого горючего практически не зависит от диаметра тигля и рода топлива;
5) горению жидких горючих со свободной поверхности присущ по¬вышенный химический недожог, величина которого характерна для каж¬дого горючего.
10-2. ГОРЕНИЕ КАПЛИ ЖИДКОГО ТОПЛИВА
Имея в виду, что горение жидких топлив происходит в паровой фазе, процесс горения капли жидкого горючего можно представить следующим образом.
Капля жидкого топлива окружена атмосферой, насыщенной парами этого горючего. Вблизи от капли по сферической поверхности с диа¬метром dv устанавливается зона горения. Химическое реагирование сме¬си паров жидкого топлива с окислителем происходит весьма быстро, поэтому зона горения весьма тонка. Скорость горения определяется наи¬более медленной стадией — скоростью испарения горючего.
В пространстве между каплей и зоной горения находятся пары жидкого топлива и продукты горения. В пространстве вне зоны горе¬ния — воздух и продукты сгорания.
В зону горения изнутри диффундируют пары топлива, а снаружи — кислород. Здесь эти компоненты смеси вступают в химическую реак¬цию, которая сопровождается выделением тепла. Из зоны горения тепло переносится наружу и к капле, а продукты сгорания диффундируют в окружающее пространство и в пространство между зоной горения и каплей (рис. 10-1). Однако механизм передачи тепла еще не представ¬ляется ясным.
Ряд исследователей считает, что испарение горящей капли происхо¬дит за счет молекулярного переноса тепла через пограничную застой¬ную пленку у поверхности капли.
По мере выгорания капли из-за уменьшения поверхности общее ис¬парение уменьшается, зона горения суживается и исчезает при полном выгорании капли.

Так протекает процесс горения капли полностью испаряющихся жидких топлив, находящейся в покое в окружающей среде или движу¬щейся вместе с ней с одинаковой ско¬ростью.
Количество кислорода, диффунди¬рующее к шаровой поверхности при прочих равных условиях, пропорцио¬нально квадрату ее диаметра, поэтому установление зоны горения на некото¬ром удалении от капли обусловливает большую скорость ее горения по срав¬нению с такой же частицей твердого топлива, при горении которой химиче¬ская реакция практически протекает на самой поверхности.
10-1. Схема горения капли жидкого топлива.
Рис.
Так как скорость горения капли жидкого топлива определяется ско¬ростью испарения, то время ее выго¬рания можно рассчитать на основе уравнения теплового баланса ее испа¬рения за счет тепла, получаемого из зоны горения, т. е.
qFdт = —p[cср(tK—t0)+λп ]dV (10-4)
В уравнении (10-4):
q — количество тепла, получаемое из зоны горения единицей по¬верхности капли в единицу времени, кВт/м2;
F — поверхность капли в текущий момент времени, м2;
т — время полного выгорания капли, с;
р — плотность жидкого горючего, кг/м3;
cср — средняя теплоемкость жидкого топлива, кДж/(кг*К);
tK и to — температура кипения и начальная температура жидкого топлива, °С;
λп —теплота испарения, кДж/кг;
dV=Fdr — уменьшение объема капли за промежуток времени dT
r и ro — текущий и начальный радиус капли, м.
В диффузионной теории горения капли жидкого топлива, разра¬ботанной Г. А. Варшавским [Л. 29] применительно к горению в непод¬вижной среде или в потоке при нулевой относительной скорости капли, принята схема процесса, приведенная на рис. 10-1. Используется пред¬ставление о приведенной пограничной сферической (dпр) пленке у по¬верхности капли, в предела которой происходит только молекулярный перенос при резком изменении температуры и концентрации реагирую¬щих веществ. Вне этой условной пограничной пленки благодаря интен¬сивному молярному переносу поток однороден по температурным и концентрационным условиям. Вокруг капли устанавливается зона горе¬ния в виде сферической поверхности. Часть тепла, выделяющегося в зо¬не горения, поступает к поверхности капли и расходуется на испарение и нагрев пара жидкого топлива до температуры в зоне горения Тr. В процессе горения это тепло возвращается.
В зону горения с внутренней стороны от поверхности капли моле¬кулярной диффузией переносятся пары топлива, а с наружной сторо¬ны — кислород с внешней поверхности приведенной пленки. Принима¬ется, что горение протекает в диффузионной области, т. е. что химиче¬ское реагирование в зоне горения совершается настолько быстро, что временем его протекания можно пренебречь по сравнению с временем диффузии. Это позволяет считать, что зона горения является поверх¬ностью, на которой концентрации паров топлива и кислорода равны нулю вследствие практически мгновенного реагирования диффузионных потоков этих компонентов горючей смеси, поступающих в зону горения со стадиометрическим количественным соотношением между ними. Об¬разующиеся в зоне горения продукты сгорания диффундируют во внеш¬нюю среду и в пространстве между зоной горения и каплей, а выделяю¬щееся тепло отводится молекулярной теплопроводностью во внешнюю среду. Во внутренней части приведенной пленки, между поверхностями горения и капли, находятся продукты горения и пары топлива, а с на¬ружной стороны — окислитель и продукты горения.
Для расчета процесса выгорания для каждой из этих двух частей приведенной пленки составляется по два уравнения: теплового и мате¬риального балансов.
Для упрощения задачи В. В. Померанцев [Л. 16] считает, что тем¬пература поверхности жидкой капли равняется температуре кипения и в основу расчета берется уравнение теплового баланса испарения капли в процессе горения:
q = — g [λп+Сп(Т-Тк)]=-λdt/dx (10-6)
В уравнении (10-6):
q — удельный тепловой поток к поверхности;
g — удельный поток паров с поверхности жидкости в единицу вре¬мени;
λп — теплота испарения жидкости;
Сп — теплоемкость паров топлива;
Тк Т — температура поверхности жидкости, принимаемая равной температуре кипения, и температура паров жидкого горючего;
λ — коэффициент теплопроводности газовой среды.
Предполагая, что в условиях камеры сгорания тепловые потери от излучения в окружающую среду относительно малы, коэффициенты диффузии и температуропроводно¬сти равны между собой, и что можно пренебречь стефановским потоком ввиду его малости, показывается, что температура на поверхности го¬рения равна теоретической температуре горения в среде одинакового состава и с одинаковой начальной температурой с окружающей средой при коэффициенте избытка воздуха α=1.
Для того чтобы показать определяющую роль испарения в проте¬кании процесса горения капли и зависимость испарения от тепловых условий Л. Н. Хитрин рассмотрел предельный случай, когда горение паров не лимитирует процесс, а тепловые условия задаются независимо от процесса горения паров горючего вблизи от поверхности капли. Им предложен [Л. 10] метод определения количества тепла, получаемого движущейся каплей в предположении, что теплообмен капель с окру¬жающей средой совершается только конвекцией. В этом случае тепло¬вой поток, воспринимаемый каплей, равен:
q=ac(Tc-TK), (10-8)
где Тс — температура окружающей среды.
Величина коэффициента теплоотдачи ас зависит от состояния дви¬жения среды и рассчитывается по зависимости критерия Nu от числа Re, определяемой экспериментально. Для мелких капель, движущихся в потоке с очень малой относительной скоростью (Re<100).
Продолжительность выгорания капли, испаряющейся в процессе конвективного нагрева в несущем газовом потоке, пропорциональна квадрату ее начального радиуса.
Горение единичных капель жидкого топлива исследовалось как в СССР в лаборатории теплофизики ЛПИ и в других научных учреж¬дениях, так и за рубежом. Из большого опытного материала следует, что время выгорания капли пропорционально квадрату ее начального диаметра. Поскольку горение капель удовлетворяет закону Срезневско¬го о линейной зависимости квадрата диаметра испаряющейся или горящей в диффузионном режиме капли от времени, то как характерную величину для горения капли принимают коэффициент горения.
При горении в воздухе с температурой 800—900°С и скоростях обте¬кания капель до 1 м/с для бензина k= 1,3 — 1,5; для керосина k = = 1 — 1,3 мм2/с, для мазута и солярового масла значение k приблизи¬тельно такое же. Коэффициент k возрастает с повышением температу¬ры среды и концентрации кислорода, которые приводят к повышению температуры в зоне горения, а также с ростом скорости обтекания капли, приводящим к увеличению величины критерия Nu.
Опытные данные совпадают с расчетными данными по диффузион¬ной теории, а также показывают, что формула (10-10) качественно правильно описывает зависимость выгорания от диаметра капли и па¬раметров среды.
Вместе с тем опытные данные показывают, что горение капель не всегда диффузионно. С улучшением условий диффузии при уменьшении размера капель и увеличении скорости их обтекания потоком, т. е. при переходе к режимам, характеризуемым меньшими значениями критерия
Семенова Se. При Se→0,4 горением паров в пределах погра¬ничной пленки очень мелких капель можно пренебречь. Выносимые в газовый объем пары жидкого топлива сгорают по законам горения газовых смесей.
Большие значения критерия Se→бесконечности соответствуют диффузионному горению паров в пределах пограничной пленки.
При сравнительно крупных каплях увеличивается расстояние от поверхности капли до зоны горения, вследствие чего роль конвективного теплообмена с каплей уменьшается и начинает превалировать передача тепла излучением из зоны горения.
При горении со свободной поверхности интенсивность излучения диффузионного пламени не зависит от величи¬ны и формы зеркала испарения.
Однако процесс горения капли жидкого топлива протекает значи¬тельно сложнее, чем описано выше, и до настоящего времени еще не создана теория, позволяющая рассчитать продолжительность горения капли с достаточной точностью.

10-3. СЖИГАНИЕ ЖИДКИХ ТОПЛИВ В ФАКЕЛЕ
Так как горение жидких топлив происходит после их испарения в паровой фазе, то его интенсификация связана с интенсификацией испарения и смесеобразования. Это достигается за счет увеличения поверхности испарения путем распыления жидкого топлива на мель¬чайшие капельки и хорошего смешения образовавшихся паров с воздухом при равномерном распределении мелкодисперсного топлива в нем. Эти две задачи выполняют, применяя горелки с форсунками, которыми рас¬пыляют жидкое топливо в потоках воздуха, подаваемых в камерную топку через воздухонаправляющие аппараты горелок.
Рассмотрим вначале горение прямоточного факела жидкого топ¬лива.
Воздух, необходимый для горения, подается в устье форсунки, за¬хватывает тонко распыленное жидкое топливо и образует в топочной
камере неизотермическую затопленную струю (рис. 10-2). Струя, распространяясь, нагревается за счет увлечения продуктов сгорания высокой температуры. Мельчай¬шие капельки жидкого топлива, нагреваясь благодаря конвективному теплообмену в струе, испаряются. Нагрев распыленного топлива происходит также за счет поглоще¬ния ими тепла, излучаемого топочными га¬зами и раскаленной обмуровкой.
Рис. 10-2. Схема факела жидкого топлива.
На начальном участке и в особенности в пограничном слое струи интенсивный на¬грев вызывает быстрое испарение капель. Пары горючего, смешиваясь с воздухом, со¬здают газовоздушную горючую смесь, кото¬рая, воспламеняясь, образует факел. Таким образом, процесс горения жидкого топлива можно разбить на следующие фазы: распыление жидкого топлива, испарение и образо¬вание газовоздушной смеси, воспламенение горючей смеси и горение последней.
Температура и концентрация газовоздушнои смеси изменяются по сечению струи. По мере приближения к внешней границе струи темпе¬ратура повышается, а концентрация компонентов горючей смеси падает. Скорость распространения пламени в паровоздушной смеси зависит от состава, концентрации и температуры и достигает максимальной вели¬чины в наружных слоях струи, где температура близка к температуре окружающих топочных газов несмотря на то, что здесь горючая смесь сильно разбавлена продуктами сгорания. Поэтому воспламенение в ма¬зутном факеле начинается у корня с периферии и затем распространя¬ется вглубь струи на все сечение, достигая ее оси на значительном расстоянии Lзв от форсунки, равном перемещению центральных струй за время распространения пламени от периферии до оси. Зона воспла¬менения принимает форму вытянутого конуса, основание которого на¬ходится на малом расстоянии от выходного сечения амбразуры горелки. Положение зоны воспламенения зависит от скорости смеси; зона занимает такое положение, при котором во всех ее точках устанавли¬вается равновесие между скоростью распространения пламени и ско¬ростью движения. Центральные струи, имеющие наибольшую скорость, затухают по мере продвижения в топочном пространстве, определяя
длину зоны воспламенения местом, где скорость падает до абсолютной величины скорости распространения пламени.
Горение основной части парообразных углеводородов происходит в зоне воспламенения, занимающей наружный слой факела небольшой толщины. Горение высокомолекулярных углеводородов, сажи, свободно¬го углерода и неиспарившихся капель жидкого топлива продолжается за зоной воспламенения и требует определенного пространства Lд, обу¬словливая общую длину факела Lф.
Зона воспламенения / делит пространство, занимаемое факелом, на две области: внутреннюю 2 и наружную 3. Во внутренней области протекает процесс испарения и образования горючей смеси.
Во внутренней области парообразные углеводороды подвергаются нагреву, который сопровождается окислением и расщеплением их. Про¬цесс окисления начинается при сравнительно низких температурах — порядка 200—300°С. При температурах 350—400°С и выше наступает процесс термического расщепления.
Процесс окисления углеводородов благоприятствует последующему процессу горения, так как при этом выделяется некоторое количество тепла и повышается температура, а наличие кислорода в составе угле¬водородов способствует дальнейшему их окислению. Напротив, процесс термического расщепления является нежелательным, так как образую¬щиеся при этом высокомолекулярные углеводороды сгорают трудно.
Горение углеводородов представляют протекающим по следующей схеме. Оно начинается с присоединения ими кислорода с образованием спиртов и альдегидов. Образующиеся спирты и альдегиды или расщеп¬ляются, или окисляются далее до формальдегида по следующим реак¬циям:
СНзОН+О2→НСНО + Н2О;
СН3СНО + 02→НСНО + СО + Н20.
Образовавшийся формальдегид в зависимости от избытка кисло¬рода может вступить в одну из трех следующих реакций:
1) при отсутствии кислорода происходит расщепление на водород
и окись углерода
СН20→СО + Н2;
2) при наличии кислорода — частичное окисление с выделением
продукта полного горения водорода
CH20 + ½02 →Н20 + СО;
3) при большом количестве кислорода происходит полное сгорание
формальдегида
CH20 + 02 = CO2+H2O.
Отсюда видно, что если предварительное окисление углеводородов успевает закончиться образованием формальдегидов, процесс горения пойдет без образования тяжелых углеводородов и, в частности, сажи, так как даже в случае местного недостатка кислорода могут образо¬ваться лишь Н2 и СО, сравнительно легко и быстро дожигаемые в то¬почном пространстве. Таким образом, окислительные процессы благо¬приятствуют успешному ходу горения углеводородов и поэтому являют¬ся желательными. В таких благоприятных условиях протекает горение периферийных струй.
Распыленное жидкое топливо центральных струй факела при своем движении во внутренней области до зоны воспламенения находится в среде, менее насыщенной кислородом, и более длительно пребывает в этой области. В этих условиях пары углеводородов, обладая опреде¬ленной теплоустойчивостью, продолжают нагреваться до некоторого температурного предела, после которого наступает процесс теплового расщепления. В случае местного недостатка кислорода процесс расщеп¬ления может продолжаться и во внешней зоне. Характер расщепления главным образом зависит от температуры и в меньшей степени от приро¬ды сжигаемого мазута; при температурах до 500°С сложные углеводороды расщепляются более симметрично с образованием более мелких моле¬кул; при повышении температуры расщепление происходит все ближе к концам цепи строения молекул. При температуре 650°С и выше рас¬щепление происходит несимметрично с образованием, с одной стороны, водорода и простейших углеводородов, а с другой стороны — тяжелых, сложных углеводородов вплоть до высокомолекулярных углеводородов, очень богатых углеродом, т. е. кокса или сажи, которые сгорают весьма трудно.
Из нефтяных топлив в энергетике применяется лишь мазут. Мазут представляет собой остаток от перегонки нефти при температуре поряд¬ка 300°С, но ввиду того, что процесс перегонки происходит не полно¬стью, мазут при температурах ниже 300°С еще выделяет некоторое ко¬личество паров более легких погонов. Поэтому при входе распыленной струи мазута в топку и постепенном нагревании часть его превращается в пары, а часть еще может находиться в жидком состоянии даже при температуре порядка 400°С.
Поэтому при сжигании мазута необходимо способствовать проте¬канию окислительных реакций и всемерно препятствовать термическому разложению при высоких температурах. Для этого весь воздух, необхо¬димый для горения, следует подавать в корень факела. В этом случае наличие большого количества кислорода во внутренней области будет, с одной стороны, благоприятствовать окислительным процессам, а с дру¬гой — понижать температуру, что обусловит расщепление молекул угле¬водородов более симметрично без образования значительного количест¬ва трудно сжигаемых высокомолекулярных углеводородов.
Смесь, получающаяся при сжигании мазута, содержит паро и га¬зообразные углеводороды, жидкие более тяжелые погоны, а также твердые соединения, образующиеся в результате расщепления углеводо¬родов (т. е. все три фазы — газообразную, жидкую и твердую). Паро и газообразные углеводороды, смешиваясь с воздухом, образуют горючую смесь, горение которой может протекать по всем возможным способам горения газов. Аналогично сгорает и СО, образовавшийся при горении жидких капель и кокса.
В факеле зажигание капель осуществляется за счет конвективного нагрева; вокруг каждой капли устанавливается зона горения. Горение капли сопровождается химическим недожогом в виде сажи и СО. Кап¬ли высокомолекулярных углеводородов при горении дают твердый оста¬ток — кокс.
Образующиеся в факеле твердые соединения — сажа и кокс сгора¬ют так же, как происходит гетерогенное горение частиц твердого топли¬ва. Наличие накаленных частиц сажи обусловливает свечение факела.
Свободный углеводород и сажа в среде с высокой температурой при наличии достаточного количества воздуха могут сгореть. В случае же местного недостатка воздуха или недостаточно высокой температуры
они сгорают не полностью с определенной химической неполнотой го¬рения, окрашивая продукты сгорания в черный цвет — коптящий факел.
Зона догорания газообразных продуктов неполного сгорания и твердых частиц, следующая за зоной горения, увеличивает общую длину факела Lф.
Химический недожог, характерный для горения жидких топлив со свободной поверхности при сжигании их в факеле, соответствующими режимными мероприятиями может и должен быть сведен практически к нулю.
Таким образом, для интенсификации сжигания мазута необходимо хорошее распыление. Предварительный подогрев воздуха и мазута спо¬собствует газификации мазута, поэтому будет благоприятствовать за¬жиганию и горению. Весь воздух, необходимый для горения, следует подавать в корень факела. При этом рациональной конструкцией воздухонаправляющего устройства горелки, правильной установкой фор¬сунки и соответствующей конфигурацией амбразуры горелки необходи¬мо обеспечить хорошее перемешивание распыленного топлива с возду¬хом, а также перемешивание в горящем факеле и в особенности в ко¬нечной его части. Температура в факеле должна поддерживаться на достаточно высоком уровне и для обеспечения интенсивного завершения процесса горения в конце факела должна быть не ниже 1000—1050°С.
Факелу должно быть обеспечено достаточное пространство для развития процесса горения, так как в случае соприкосновения продук¬тов сгорания (до завершения процесса горения) с холодными поверх¬ностями нагрева парогенератора температура может настолько пони¬зиться, что содержащиеся в газах недогоревшие частицы сажи и свобод¬ного углерода, а также высокомолекулярные углеводороды не смогут гореть.
Процесс горения нефтяного факела в закрученной струе протекает аналогично рассмотренному случаю при прямоточной струе. При закру¬ченном движении на оси струи создается зона разрежения, вызываю¬щая приток горячих продуктов сгорания к корню факела. Это обеспечи¬вает устойчивое зажигание.
9-9. БЕСПЛАМЕННОЕ ГОРЕНИЕ ГАЗОВ
В поисках способов интенсификации сжигания газов было также предложено так называемое б еспл а м енное горение, позволившее сжигать газовую смесь с большими тепловыми напряжениями объема камеры (порядка десятков мегаватт на метр кубический).
Беспламенное горение характеризуется тем, что горение готовой горючей смеси происходит в непосредственной близости с раскаленными керамическими поверхностями. Поэтому этот вид горения получил так¬же название поверхностного.
У многих, занимающихся изучением этого вопроса, сложилось мне¬ние, что причиной высоких тепловых напряжений при поверхностном горении является каталитическое воздействие керамических стенок го¬релки на скорость реакции.
Исследования, проведенные МЭИ по интенсификации сжигания газов, не подтвердили каталитического воздействия керамических поверх¬ностей на процесс горения и одновременно позволили объяснить сущ¬ность беспламенного горения, заключающуюся в организации развитого зажигания газовой смеси в этих горелках.
Рис. 9-13. Туннельная горелка.

Рассмотрим типичные горелки и способы осуществления беспламен¬ного горения с указанной точки зрения.
Из беспламенных наибольшее распространение получила туннель¬ная горелка (рис. 9-13). В ней газовоздушная смесь по каналу 1 пода¬ется в туннель 2 диаметром ~60—80 мм, где и сгорает с тепловым на¬пряжением порядка 30-55 МВт/м3. Туннель горелки обычно выполняется в виде цилиндра из керамического огнеупорного материала. Газо-подводящий канал / у входа в туннель сужается для создания такой скорости газовоздушной смеси, при которой исключается возможность обратного проскока пламени. Этот канал часто выполняется в виде инжектора, причем подаваемый в него под давлением газ инжектирует воздух, создавая газовоздушную смесь.
Сжигание газа в туннельных горелках с большими тепловыми на¬пряжениями объясняется следующим образом. Вытекающая из канала газовоздушная смесь увлекает газ из окружающего струю простран¬ства abc, в результате чего в этих — местах создается зона разрежения, которая вызывает приток продуктов сгорания высокой температуры из
зоны горения к устью канала.
Рис. 9-14. Туннельная горелка.
В пространстве abc между расширяющейся струей и стенками начально¬го участка туннеля создаются вих¬ревые зоны продуктов сгорания высокой температуры, из них продукты сгорания расходуются, увлекаемые струей, и при одновременном прито¬ке горячих газов. Увлеченные в струю продукты сгорания нагревают газовоздушную смесь и тем самым подготавливают ее к воспламенению. Кроме того, на стенках туннеля, на участке ей, благодаря шероховато¬стям керамики образуется застойная пленка продуктов сгорания, кото¬рая также способствует лучшему зажиганию смеси. Таким образом, эффект беспламенного горения в туннельной горелке объясняется раз¬витым зажиганием смеси за счет застойных вихревых зон высоко на¬гретых продуктов сгорания, которые переносят тепло из зоны горения в свежую смесь, вытекающую из горелки, и за счет застойной пленки продуктов сгорания у стенок туннеля.
Из такого объяснения беспламенного горения в туннельной горелке следует, что если уничтожить вихревые зоны и шероховатость стенок, то этим будет исключена возможность получения беспламенного го¬рения.
Для проверки этих теоретических предположений были поставлены опыты по за¬жиганию газов в туннельной горелке. Горючая смесь подавалась в кварцевую трубку (рис. 9-14) через подводящий канал и конический раструб, обеспечивающий истечение -струи без отрыва от стенок. Такое выполнение горелки дало возможность исклю¬чить участки застойных вихревых зон, а влияние застойной пленки продуктов сгорания у стенок горелки уменьшить до минимума. В этой горелке не удалось получить бес¬пламенного горения: при малых скоростях газовой смеси имело место факельное горе¬ние у выходного сечения туннеля. При увеличении скорости свыше 1,25—1,4 м/с факел открывался и погасал. При удалении раструба благодаря восстановлению вихревых зон горячих продуктов сгорания в туннеле в горелке осуществлялось сжигание газа •с такими же высокими тепловыми напряжениями, как и в туннельных керамических горелках.
Следовательно, опытами установлено, что уничтожение вихревых зон и сведение к минимуму влияния застойной пленки продуктов сгорания у стенок исключает возмож¬ность получения беспламенного горения в туннельной горелке.
Таким образом, объяснение физической сущности беспламенного горения в тун¬нельных горелках соответствует действительности.
Получение высоких тепловых напряжений в беспламенных керами¬ческих горелках не означает, что в этих горелках газ сжигается с высо¬кой интенсивностью. Опыт показывает, что в этих горелках горение возможно при сравнительно малых скоростях.

Теория горения жидкого топлива


Янв 24 2011

Проект жаровой трубы

Category: Моя горелкаgizmaz @ 4:42 пп


Янв 24 2011

Первые фото

Category: Моя горелкаgizmaz @ 2:07 пп


Следующая страница →