ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ТОПОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА
ЗАВИСИМОСТИ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ ОТ ДАВЛЕНИЯ, СОСТАВА И ТЕМПЕРАТУРЫ СМЕСИ
Зависимость скорости распространения пламени от давления
Так как интенсивность тепловыделения, выражаемая в (8-37) функцией Ф(Т), пропорциональна скорости реакции, зависящей от давления по степенному закону, где V — порядок реакции, а плотность пропорциональна давлению, то из формулы (8-37) следует, что
Ип^р. (8-47)
|
(8-48) |
Массовая скорость горения, равная
И т — У пР о
С повышением давления всегда растет.
Зависимость скорости распространения пламени от состава и температуры смеси
|
/00 80 60 ¥0 20 О Содержание Воздуха В смеси Рис. 8-7. Зависимость нормальной скорости распространения пламени в воздушных смесях водорода, окиси углерода и метана от их состава. На рисунке вместо м/с следует читать см/с, СН—СН4, состав — стехиометрический состав. |
Как видно из формул (8-37) и (8-44), ип в основном зависит от времени химической реакции во фронте пламени. Время сгорания можно считать пропорциональным средней скорости химического превращения, которая зависит от температуры и состава смеси в зоне реакции в пламени.
Опыт показывает, что скорость нормального распространения пламени в кислородных и воздушных смесях горючих газов сильно зависит от состава смеси
|
|
|
302015 10 075 |
|
Ос |
|
Рис. 8-8. Зависимость нормальной скорости распространения пламени в воздушной смеси саратовского природного газа от его процентного содержания в смеси. |
И температуры. На рис. 8-7 показана зависимость скорости распространения пламени в воздушных смесях водорода, окиси углерода и метана от содержания газа в смеси. На рис. 8-8 эта же зависимость приведена для воздушной смеси саратовского природного газа, на этом же рисунке показана зависимость ип от коэффициента избытка воздуха.
Как видно из рис. 8-7, скорость нормального распространения пламени для водородно-воздушных смесей во много раз больше, а концентрационные пределы шире, чем для смесей метана или окиси углерода с воздухом. В кислородных смесях горючих скорость распространения пламени резко возрастает. Так, например, в смеси метана с кислородом максимальная скорость распространения пламени равняется 3,25 м/с, тогда как для смеси метана с воздухом она составляет 37 см/с.
Распространение пламени в различных смесях происходит по аналогичным зависимостям от состава. Характер этих зависимостей иллюстрируется куполообразными кривыми на рис. 8-7 и 8-8. Нормальная скорость распространения пламени достигает максимума при заметном избытке горючего, а не при стехиометрическом соотношении. Например, для воздушных смесей окиси углерода стехиометрический состав равен 29,5%, а скорость пламени достигает максимума при содержании горючих 42—43%.
Следует заметить, что при сжигании однородной смеси максимум температуры будет достигнут в стехиометрической смеси, тогда как скорость превращения максимальна в смеси такого состава, в которой соответственно кинетическому уравнению осуществляются оптимальные условия для скорости выхода продуктов реакции.
При изменении состава смеси изменяется также и температура горения, поэтому в действительности ип зависит не только от состава, но также и от температуры горения.
Следовательно, для нахождения зависимости ип от состава смеси следует так изменять состав, чтобы температура горения оставалась неизменной. Это условие может быть выполнено, если в смеси заменить часть избыточной компоненты на инертный газ, теплоемкость которого близка к теплоемкости избыточной компоненты. При таком изменении состава температура горения будет оставаться неизменной, а концентрация избыточной компоненты изменится.
Так, например, в следующих трех смесях [Л. 20]: 20% СО, 10% Ог, 70% N2; 20% СО, 30% Ог, 50% N2; 20% СО, 80% 02 температура горения одинакова, концентрация СО в зоне реакции также одинакова, так как она определяется температурой горения, а концентрация кислорода изменяется. Опыты с этими смесями показали, что скорость распространения пламени практически не зависит от концентрации кислорода. Концентрация кислорода в зоне реакции менялась от 2% в смеси первого состава до 72% в третьем случае, а скорость пламени изменялась менее чем в 1,5 раза.
Опыты, проведенные подобным образом со смесями, содержащими в избытке различные количества окиси углерода, показали, что скорость пламени пропорциональна ]/"Ссо, где Ссо — концентрация окиси углерода в зоне реакции. Сопоставляя эту зависимость с формулой (8-44) с учетом того, что скорость реакции пропорциональна времени ее протекания, видим, что химическая реакция в пламени — первого порядка по СО.
Разбавление смеси инертным газом снижает температуру горения, в результате чего скорость распространения пламени уменьшается. Чем больше теплоемкость инертного газа, тем больше инертный газ снижает
135
Температуру горения и тем сильнее уменьшает скорость распространения пламени.
Для интенсификации процесса горения значительный интерес представляет зависимость скорости нормального распространения пламени от начальной температуры смеси.
Предварительный подогрев смеси увеличивает скорость распространения пламени, так как при этом повышается температура горения. Однако наблюдающееся в опытах с предварительным подогревом увеличение скорости распространения пламени во много раз меньше, чем можно было ожидать по увеличению скорости реакции согласно закону Аррениуса. Это объясняется тем, что для скорости химического реагирования в пламени и, следовательно, для скорости распространения пламени определяющей является температура в зоне горения, которая с повышением начальной температуры смеси увеличивается на значительно меньшую величину. По результатам экспериментальных исследований установлено, что максимальная скорость нормального распространения пламени растет пропорционально начальной температуре смеси в степени 1,7.
На скорость распространения пламени в смесях окиси углерода сильное влияние оказывает содержание водяного пара. Смесь СО с воздухом и даже с кислородом, лишенная водородосодержащих веществ, не способна к распространению пламени. Однако прибавление к смеси даже ничтожных количеств влаги позволяет получить воспламенение и обеспечить распространение пламени. Оптимальное количество примеси водяного пара зависит от давления и при атмосферном давлении для кислородной смеси СО составляет примерно 9%.
В табл. 8-1 приведены данные о скорости нормального распространения пламени в смесях различных газов с воздухом, а в табл. 8-2 —
|
Таблица 8-1 Нормальная скорость распространения пламени в смесях различных газов с воздухом при нормальном давлении и температуре 20°С
|
|
Максимальные скорости наблюдаемого распространения пламени в смесях различных газов с воздухом
|
Данные о скорости наблюдаемого распространения пламени в трубе
0 25,4 мм в смесях различных газов с воздухом, которые значительно превосходят соответствующие значения ип, взятые при прочих равных условиях: одинаковом составе смеси, температуре и давлении. При пересчете по формуле (8-5) получаемые значения 0п совпадают с данными табл. 8-1. Это свидетельствует о сходимости результатов, полученных различными методами, и справедливости закона (8-5).
