ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ТОПОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

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 свобод­ную поверхность, загорается его пар, содержащийся в пространст­ве над поверхностью, образуя горящий факел. За счет тепла, излучае­мого факелом, испарение резко увеличивается. При установившемся режиме теплообмена между факелом и зеркалом жидкости количество испаряющегося, а следовательно, и сгорающего горючего достигает ма­ксимального 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. Интен­сивность 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 го­рючего.

Температура жидкого горючего, при которой пары над его поверх­ностью образуют с воздухом смесь, способную воспламениться при под­несении источника зажигания, называется температурой вспышки.

Поскольку жидкие горючие сгорают в паровой фазе, то при уста­новившемся режиме скорость горения определяется скоростью испаре­ния 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

Я л = ^г[^ср (^о) +^п], (10-1)

В уравнении (10-1):

<7л — количество тепла, излучаемого факелом на зеркало жидкости,. кВт/м2;

УРГ — скорость горения, отнесенная к единице поверхности испаре­ния, кг/(м2*с);

ССр — средняя теплоемкость жидкости, кДж/(кг-К);

/к — температура кипения жидкости, К;

/о — температура горючей жидкости до опыта, К;

Хп — теплота парообразования, кДж/кг.

Из уравнения (10-1) видно, что для данной жидкости массовая скорость горения со свободной поверхности зависит от температуры по­догрева жидкости и интенсивности излучения ее диффузионного факела на зеркало испарения, а для различных жидкостей зависит также от величины теплоты парообразования и теплоемкости (табл. 10-1).

Процесс горения жидких горючих со свободной поверхностью про­исходит следующим образом. При установившемся режиме горения за счет тепла, излучаемого факелом, жидкое горючее испаряется. В вос­ходящий поток горючего, находящегося в паровой фазе, посредством диффузии проникает воздух из окружающего пространства. Полученная таким образом смесь образует горящий факел в виде конуса, отстояще­го 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 сле­дует из тех же соображений, что и в случае диффузионного горения га­за, 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 факе­ла 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 кисло­рода 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 медлен­ным 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 одина­ковы, следует ожидать, что скорость их горения, отнесенная к фронту пламени, т. е. к боковой поверхности факела, также должна быть оди-

12— 541 177“

Наковой, а длина факела будет тем больше, чем больше скорость испа­рения.

Данные о скорости горения, отнесенные к фронту пламени, вычис­ленному по фотографическим снимкам, приведены в табл. 10-2 [Л. 28].

Из табл. 10-2 видно, что массовая скорость горения, отнесенная к фронту пламени для одного я того же горючего, не зависит от величи­ны 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 едини­це фронта пламени, т. е. теплонапряжение зоны горения, остается при­мерно одинаковой. Некоторые отклонения в значениях скорости горе­ния, отнесенной к фронту пламени, объясняются трудностями определе­ния поверхности факела.

Таким образом, можно сделать интересный вывод: теплонапряже­ние 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 сво­бодной поверхности, имеет свойственную ему величину химического не­дожога <7з, 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 темпе­ратур при отсутствии кислорода, подвергаются термическому разложе­нию вплоть до образования свободного углерода и водорода по уравне­нию:

CraH/7j —> яС - j—2~ Нг, (10-2)

Или

СпНт--- 1/Н2 + С п—хН т—2у • (10-3)

Свечение пламени обусловливается нахождением в нем частиц сво­бодного 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 уно­сится продуктами сгорания, образуя коптящий факел.

Кроме того, наличие углерода согласно равновесию С + С02^2С0„ вызывает образование СО.

Высокая температура и пониженное парциальное давление СО и. СОг в продуктах сгорания благоприятствуют образованию СО.

Присутствующие в продуктах сгорания «количества углерода и СО обусловливают величину химического недожога. Чем больше содержа­ние углерода в жидком топливе и чем меньше он насыщен водородом,, тем больше образование чистого углерода, ярче факел, больше химиче­ский недожог.

Таким образом, исследования горения жидких горючих со свобод­ной поверхности показали, что:

1) горение жидких топлив происходит после их испарения в паро­вой 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 поверхно­стью испарения жидкого горючего практически не зависит от диаметра тигля и рода топлива;

5) горению жидких горючих со свободной поверхности присущ по­вышенный химический недожог, величина которого характерна для каж­дого горючего.