ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ТОПОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

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 диа­метром с1г устанавливается зона горения. Химическое реагирование сме­си паров жидкого топлива с окислителем происходит весьма быстро, поэтому зона горения весьма тонка. Скорость горения определяется наи­более медленной стадией — скоростью испарения горючего.

В пространстве между каплей и зоной горения находятся пары жидкого топлива и продукты горения. В пространстве вне зоны горе­ния— воздух и продукты сгорания.

В зону горения изнутри диффундируют пары топлива, а снаружи — кислород. Здесь эти компоненты смеси вступают в химическую реак­цию, 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 12* 179
каплей (рис. 10-1). Однако механизм передачи тепла еще не представ­ляется ясным.

Ряд исследователей считает, что испарение горящей капли происхо­дит за счет молекулярного переноса тепла через пограничную застой­ную пленку у поверхности капли.

По мере выгорания капли из-за уменьшения поверхности общее ис­парение 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 движу­щейся вместе с ней с одинаковой ско­ростью.

Количество кислорода, диффунди­рующее к шаровой поверхности при прочих равных условиях, пропорцио­нально квадрату ее диаметра, поэтому установление зоны горения на некото­ром удалении от капли обусловливает большую скорость ее горения по срав­нению с такой же частицей твердого топлива, при горении которой химиче­ская реакция практически протекает на самой поверхности.

Так как скорость горения капли жидкого топлива определяется ско­ростью испарения, то время ее выго­рания можно рассчитать на основе уравнения теплового баланса ее испа­рения за счет тепла, получаемого из зоны горения, т. е.

?М=-р[сСр(£к—и) - Ып]с?1Л (10-4)

В уравнении (10-4):

*7 — количество тепла, получаемое из зоны горения единицей по­верхности капли в единицу времени, кВт/м2;

Т7 — поверхность капли в текущий момент времени, м2;

Т — время полного выгорания капли, с;

Р — плотность жидкого горючего, кг/м3;

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

И и— температура кипения и начальная температура жидкого топлива, °С;

Хп — теплота испарения, кДж/кг;

ЙУ=Р(1г — уменьшение объема капли за промежуток времени йл г и г0 — текущий и начальный радиус капли, м.

Время полного выгорания капли жидкого горючего можно опреде­лить согласно уравнению (10-4):

О

- |р[(*к~Ч сср+МйГ' (10-5)

Го

Использование формулы (10-5) для расчета времени выгорания капли жидкого топлива связано с трудностями определения теплового потока <7, поступающего из зоны горения к поверхности капли.

В диффузионной теории горения капли жидкого топлива, разра­ботанной Г. А. Варшавским [Л. 29] применительно к горению в непод­вижной среде или в потоке при нулевой относительной скорости капли, принята схема процесса, приведенная на рис. 10-1. Используется пред­ставление о приведенной пограничной сферической (с? Пр) пленке у по­верхности капли, в пределах которой происходит только молекулярный перенос при резком изменении температуры и концентрации реагирую­щих веществ. Вне этой условной пограничной пленки благодаря интен­сивному молярному переносу поток однороден по температурным и концентрационным условиям. Вокруг капли устанавливается зона горе­ния в виде сферической поверхности. Часть тепла, выделяющегося в зо­не горения, поступает к поверхности капли и расходуется на испарение и нагрев пара жидкого топлива до температуры в зоне горения Тт. В процессе горения это тепло возвращается.

В зону горения с внутренней стороны от поверхности капли моле­кулярной диффузией переносятся пары топлива, а с наружной сторо­ны— кислород с внешней поверхности приведенной пленки. Принима­ется, что горение протекает в диффузионной области, т. е. что химиче­ское 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 поверх­ностью, на которой концентрации паров топлива и кислорода равны нулю вследствие практически мгновенного реагирования диффузионных потоков этих компонентов горючей смеси, поступающих в зону горения со стехиометрическим количественным соотношением между ними. Об­разующиеся в зоне горения продукты сгорания диффундируют во внеш­нюю среду и в пространстве между зоной горения и каплей, а выделяю­щееся 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 на­ружной стороны — окислитель и продукты горения.

Для расчета процесса выгорания для каждой из этих двух частей приведенной пленки составляется по два уравнения: теплового и мате­риального балансов.

Для упрощения задачи В. В. Померанцев [Л. 16] считает, что тем­пература поверхности жидкой капли равняется температуре кипения и в основу расчета берется уравнение теплового баланса испарения капли в процессе горения:

?=_в[яп+Сп(т-т.) ]=-*£., (10-6)

В уравнении (10-6):

<7 — удельный тепловой поток к поверхности;

G — удельный поток паров с поверхности жидкости в единицу вре­мени;

Яп — теплота испарения жидкости;

Сп — теплоемкость паров топлива;

Тк, Т — температура поверхности жидкости, принимаемая равной температуре кипения, и температура паров жидкого горючего;

Я — коэффициент теплопроводности газовой среды.

Интегрирование уравнения (10-6) дает:

В уравнении (10-7):

А — толщина приведенной пленки;

Тг — температура в зоне горения.

Необходимая для расчетов по формуле (Ю-7) температура в зоне горения определяется из соотношения между потоками тепла из зоны горения в окружающую среду и кислорода из окружающей среды в зону горения через приведенную пленку. Предполагая, что в условиях камеры сгорания тепловые потери от излучения в окружающую среду относительно малы, коэффициенты диффузии и температуропроводно­сти равны между собой, и что можно пренебречь стефановским потоком ввиду его малости, показывается, что температура на поверхности го­рения равна теоретической температуре горения в среде одинакового состава и с одинаковой начальной температурой с окружающей средой при коэффициенте избытка воздуха а=1.

Для того чтобы показать определяющую роль испарения в проте­кании 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, получаемое движущейся каплей в предположении, что теплообмен капель с окру­жающей средой совершается только конвекцией. В этом случае тепло­вой поток, воспринимаемый каплей, равен:

Ц — (1с {Тс Тк),

Где Тс — температура окружающей среды.

Величина коэффициента теплоотдачи ас зависит от состояния дви­жения среды и рассчитывается по зависимости критерия Ми от числа Ие, определяемой экспериментально. Для мелких капель, движущихся

В потоке с очень малой относительной скоростью (Ке<100), критерий

©ткуда

(10-9)

Подставив выражение (10-8) для <7 с учетом выражения (10-9) в формулу (10-5) и проинтегрировав, получим:

Согласно формуле (10-10) 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 учреж­дениях, так и за рубежом. Из большого опытного материала следует, что время выгорания капли пропорционально квадрату ее начального диаметра. Поскольку горение капель удовлетворяет закону Срезневско­го о линейной зависимости квадрата диаметра испаряющейся или го - 182

Рящей в диффузионном режиме капли от времени, то как характерную величину для горения капли принимают коэффициент горения

(10-11)

При горении в воздухе с температурой 800—900°С и скоростях обте­кания капель до 1 м/с для бензина £='1,3-т-1,5; для керосина & = = 14-1,3 мм2/с, для мазута и солярового масла значение к приблизи­тельно такое же. Коэффициент ^ возрастает с повышением температу­ры среды и концентрации кислорода, которые приводят к повышению температуры в зоне горения, а также с ростом скорости обтекания капли, приводящим к увеличению величины критерия N11.

Опытные данные совпадают с расчетными данными по диффузион­ной теории, а также показывают, что формула (10-10) качественно правильно описывает зависимость выгорания от диаметра капли и па­раметров 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 8е=(где К, £ и ад — соответственно константа ско - ад

Рости реакции, коэффициент молекулярной диффузии и коэффициент диффузионного обмена), роль горения паров в пределах пограничной пленки уменьшается и увеличивается количество паров, выносимых в окружающую среду. При Бе-^ОД горением паров в пределах погра­ничной пленки очень мелких капель можно пренебречь. Выносимые в газовый объем пары жидкого топлива сгорают по законам горения газовых смесей.

Большие значения критерия Бе-^с» 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.

В этом случае тепловой поток, воспринимаемый каплей, согласно |Л. 30] может быть принят равным

(10-12)

Где <7л — интенсивность излучения диффузионного пламени на поверх­ности капли.

В § 10-1 было показано, что при горении со свободной поверхности интенсивность излучения диффузионного пламени не зависит от величи­ны и формы зеркала испарения. Поэтому значения <7Л, полученные для горения со свободной поверхности, могут быть использованы для рас­чета выгорания капли жидкого топлива. Подставив величину <7 по (10-12) в выражение (10-5), получим формулу для расчета времени выгорания капли

Р [(^к — и) Сер Ч~ Ап]

Однако процесс горения капли жидкого топлива протекает значи­тельно сложнее, чем описано выше, и до настоящего времени еще не создана теория, позволяющая рассчитать продолжительность горения капли с достаточной точностью.

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 мель­чайшие капельки и хорошего смешения образовавшихся паров с воздухом при равномерном распределении мелкодисперсного топлива в нем. Эти две задачи выполняют, применяя горелки с форсунками, которыми рас­пыляют жидкое топливо в потоках воздуха, подаваемых в камерную топку через воздухонаправляющие аппараты горелок.

Рассмотрим вначале горение прямоточного факела жидкого топ­лива.

Воздух, необходимый для горения, подается в устье форсунки, за­хватывает 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. Мельчай­шие капельки жидкого топлива, нагреваясь благодаря конвективному теплообмену в струе, испаряются. Нагрев распыленного топлива происходит также за счет поглоще­ния ими тепла, излучаемого топочными га­зами и раскаленной обмуровкой.

На начальном участке и в особенности в пограничном слое струи интенсивный на­грев вызывает быстрое испарение капель. Пары горючего, смешиваясь с воздухом, со­здают газовоздушную горючую смесь, кото­рая, воспламеняясь, образует факел.

Таким образом, процесс горения жидкого топлива можно разбить на следующие фазы: распыление жидкого топлива, испарение и образо­вание газовоздушной смеси, воспламенение горючей смеси и горение последней.

Температура и концентрация газовоздушной смеси изменяются по сечению струи. По мере приближения к внешней границе струи темпе­ратура повышается, а концентрация компонентов горючей смеси падает. Скорость распространения пламени в паровоздушной смеси зависит от состава, концентрации и температуры и достигает максимальной вели­чины 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 ма­зутном факеле начинается у корня с периферии и затем распространя­ется вглубь струи на все сечение, достигая ее оси на значительном расстоянии /З. в от форсунки, равном перемещению центральных струй за время распространения пламени от периферии до оси. Зона воспла­менения принимает форму вытянутого конуса, основание которого на­ходится 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 устанавли­вается равновесие между скоростью распространения пламени и ско­ростью движения. Центральные струи, имеющие наибольшую скорость, затухают по мере продвижения в топочном пространстве, определяя 184

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, свободно­го углерода и неиспарившихся капель жидкого топлива продолжается за зоной воспламенения и требует определенного пространства /д, обу­словливая общую длину факела 1$.

Зона воспламенения 1 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. Про­цесс 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 угле­водородов способствует дальнейшему их окислению. Напротив, процесс термического расщепления является нежелательным, так как образую­щиеся 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 расщеп­ляются, или окисляются далее до формальдегида по следующим реак­циям:

СНзОН + Оа-^НСНО +Н20;

СНзСНО + 02-^НСН0 + СО + Н20.

Образовавшийся формальдегид в зависимости от избытка кисло­рода может вступить в одну из трех следующих реакций:

1) при отсутствии кислорода происходит расщепление на водород и окись углерода

СН20-^С0 "ЬН2|

2) при наличии кислорода — частичное окисление с выделением продукта полного горения водорода

Сто 4- 4- о, — Н,0 + СО;

3) при большом количестве кислорода происходит полное сгорание формальдегида

С Н20 - Ь 02 = С02 - Ь Н20.

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 образо­ваться лишь Н2 и СО, сравнительно легко и быстро дожигаемые в то­почном пространстве. Таким образом, окислительные процессы благо­приятствуют успешному ходу горения углеводородов и поэтому являют­ся 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 опреде­ленной теплоустойчивостью, продолжают нагреваться до некоторого - температурного предела, после которого наступает процесс теплового расщепления. В случае местного недостатка кислорода процесс расщеп­ления может продолжаться и во внешней зоне. Характер расщепления главным образом зависит от температуры и в меньшей степени отприро - ды сжигаемого мазута; при температурах до 500°С сложные углеводороды расщепляются более симметрично с образованием более мелких моле­кул; при повышении температуры расщепление происходит все ближе к концам цепи строения молекул. При температуре 650°С и выше рас­щепление 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 поряд­ка 300°С, но ввиду того, что процесс перегонки происходит не полно­стью, мазут при температурах ниже 300°С еще выделяет некоторое ко­личество 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 проте­канию окислительных реакций и всемерно препятствовать термическому разложению при высоких температурах. Для этого весь воздух, необхо­димый 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 дру­гой— понижать температуру, что обусловит расщепление молекул угле­водородов более симметрично без образования значительного количест­ва трудно сжигаемых высокомолекулярных углеводородов.

Смесь, получающаяся при сжигании мазута, содержит паро - и га­зообразные углеводороды, жидкие более тяжелые погоны, а также твердые соединения, образующиеся в результате расщепления углеводо­родов (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. Кап­ли высокомолекулярных углеводородов при горении дают твердый оста­ток— кокс.

Образующиеся в факеле твердые соединения — сажа и кокс сгора­ют так же, как происходит гетерогенное горение частиц твердого топли­ва. 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 186 •

Они сгорают не полностью с определенной химической неполнотой го­рения, 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 /ф.

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 спо­собствует газификации мазута, поэтому будет благоприятствовать за­жиганию и горению. Весь воздух, необходимый для горения, следует подавать в корень факела. При этом рациональной конструкцией воз - духонаправляющего устройства горелки, правильной установкой фор­сунки и соответствующей конфигурацией амбразуры горелки необходи­мо обеспечить хорошее перемешивание распыленного топлива с возду­хом, а также перемешивание в горящем факеле и в особенности в ко­нечной 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 продук­тов сгорания (до завершения процесса горения) с холодными поверх­ностями нагрева парогенератора температура может настолько пони­зиться, что содержащиеся в газах недогоревшие частицы сажи и свобод­ного углерода, а также высокомолекулярные углеводороды не смогут гореть.

Процесс горения нефтяного факела в закрученной струе протекает аналогично рассмотренному случаю при прямоточной струе. При закру­ченном движении на оси струи создается зона разрежения, вызываю­щая приток горячих продуктов сгорания к корню факела. Это обеспечи­вает устойчивое зажигание.