829

(метод бунзеновской горелки). Сущность метода состоит в следующем.

Снижение нормальной скорости (уменьшение температуры, изменение состава смеси и т.д.) будет сопровождаться увеличение высоты конуса, что

может привести к отрыву пламени. При увеличении высота конуса снижается, и это может привести к проскоку пламени внутрь.

Нормальная скорость может быть определена с помощью прозрачной трубы. Если по трубе течет газовая смесь, а навстречу ее течению распро-

Представим (рис. 3.4), что топливная смесь движется со скоростью W0, равной нормальной скорости горения uн. (фронт пламени неподвижный). Распространение пламени относительно топливной смеси будет наблюдаться вследствие передачи тепла из зоны пламени к свежей смеси. При этом температура смеси повышается перед фронтом пламе-

ни от ее начального значения T0 до температуры Tb (зона прогрева δ1 ) и

Протяженность зоны пламени выразим через нормальную скорость горения и время протекания реакции:

Откуда

= .

Поскольку

δ2 = uн τк ,

Из выражения (3.4) следует, что величина нормальной скорости распространения пламени зависит от начальной температуры топливной смеси, от температуры ее воспламенения и физических свойств смеси. На величину uн влияет соотношение компонентов топлива, а также содержание в нем веществ, не участвующих в тепловыделении, но играющих роль ускорителей или замедлителей горения.

К гомогенным топливам относят твердые топлива ракетных двигателей, пороха и др. Особенности их горения рассмотрены, например, в

32

3.4.Горение гетерогенных топлив

3.4.1.Горение жидкого горючего в среде газообразного окислителя

Очень часто в тепловых двигателях и других преобразователях энергии в качестве окислителя используется кислород воздуха, а в качестве горючего углеводородные соединения в жидкой фазе.

Механизм сгорания жидкого горючего связан с рядом теплофизических процессов, это:

-подача в камеру сгорания горючего при помощи форсунок, с целью распыления компонента на отдельные капельки;

-подогрев и испарение капелек горючего;

-перемещение паров горючего и окислителя до такого состава, когда смесь в месте смешения становится горючей;

-воспламенение горючей смеси одним из рассмотренных выше спосо-

бов;

-непосредственное химическое взаимодействие горючего и окислителя

споследующим установлением энергетического и химического равновесия вновь образовавшихся молекул.

Процесс распыла можно разделить на такие этапы: ускорение и придание определенной направленности потоку жидкости на рабочих элементах форсунки; образование струи жидкости, вытекающей из форсунки, и придание ей той или иной формы под действием центробежных сил инерции и трения; дробление струи жидкости на отдельные капли, возможно, меньшего размера. Распыление или дробление жидкости на отдельные капли происходит в основном за счет турбулентных пульсаций частиц жидкости в потоке, действия сил трения между струей жидкости и средой в камере, отрывающих

споверхности струи частицы жидкости, наличия возмущений в струе, вызванных шероховатостью входного канала форсунки. Силам, разрушающим струю, противостоят силы сцепления между молекулами и силы поверхностного натяжения. Задачей впрыска и распыла является раздробление топлива на мельчайшие капельки с целью получения возможно большей поверхности испарения. Качество распыла определяется, прежде всего, тонкостью и однородностью распыла, равномерностью распределения капелек жидкости в конусе распыла. Тонкость характеризуется величиной среднего диаметра отдельных капель.

Подогрев и испарение раздробленного горючего необходимы для получения паровой фазы. На месте испарившихся капель горючего образуется множество облачков пара, в которых затем (после их перемешивания) происходит химическая реакция. Подогрев и испарение капель происходит практически одновременно: с поверхности капли уже испаряются, а внутри они еще продолжают подогреваться до температуры испарения. Процесс подогрева и испарения капли жидкости осуществляется примерно по такой схеме. Распыленная жидкость, поступая в камеру горения, непрерывно перемешивается с раскаленными газами, воспринимает от них тепло. Первоначально по-

33

ток капелек имеет значительную скорость и очень низкую температуру относительно газовой среды в камере. Конвективный и лучистый тепловой обмен между газовой средой и каплями жидкости будет весьма интенсивным. За счет этого капли начнут быстро подогреваться и испаряться. Возникает поток молекул пара в направлении ―поверхность капли – горючая газовая среда‖, одновременно капля затормаживается газовой средой и теряет свою скорость. В результате этого конвективный теплообмен уменьшится, подвод тепла от газов к капле будет происходить в основном путем теплового излучения. По мере уменьшения диаметра капли испарение становится более интенсивным, и роль конвективного теплообмена вновь возрастает. Связано это с тем, что молекула жидкости, находящаяся на выпуклой поверхности, испытывает притяжение тем меньшего числа других молекул, чем меньше радиус кривизны поверхности. Диаметр капель вообще очень мал; когда он соизмерим с длиной свободного пробега молекул, на поверхности капель отсутствует пограничный слой, являющийся наибольшим препятствием для конвективного теплообмена.

Образование смеси компонентов топлива вполне определенного концентрационного состава, обеспечивающего наиболее полное и быстрое сгорание топлива, происходит в результате механического перемешивания и процессов диффузии.

Физические изменения, происходящие с горючим в предпламенный период, превращают его в огромное количество испаряющихся капелек. Вследствие этого горение гетерогенного топлива можно считать процессом одновременного сгорания большой массы капелек горючего в среде окисли-

4высокой температурой, капля горючего 1 (рис. 3.5) нагревается и начинает испа-

5ряться. В слое 2 находятся только пары горючего. Слой 3 представляет собой смесь паров горючего и окислителя, но в этом слое окислителя еще очень мало, и только на его внешней границе состав смеси соответствует верхнему концентрационному пределу воспламенения.

Слой 4 по составу смеси паров горючего

иокислителя таков, что в нем возможно распространение пламени. На границе слоев 4 и 5 состав смеси соответствует нижнему концентрационному пределу

34

воспламенения. В слое 5 находятся практически лишь пары окислителя, и горения здесь не может быть. При определенных условиях воспламенения смеси происходит на внешней границе слоя 4, и фронт пламени перемещается к слою 3. По мере испарения горючего с поверхности капли и перемешивания его с парами окислителя размеры капли уменьшаются.

Установившийся режим горения капли характеризуется двумя взаимосвязанными процессами: испарением горючего за счет тепла, подводимого из зоны горения, и горением смеси горючего и окислителя. Очевидно, что скорость горения будет определяться интенсивностью испарения жидкости, поскольку собственно химические реакции в рассматриваемых условиях будут протекать очень быстро. Тогда время сгорания капли можно считать в первом приближении равным времени ее испарения.

Скорость испарения жидкости определяется интенсивностью теплоподвода от продуктов горения к капле и теплофизическими свойствами самой жидкости.

Баланс энергии в форме тепла для капли с переменной массой запишется в вид

где D –диаметр капли;

– температура в зоне горения;

– температура испарения жидкости; m – масса капли;

– коэффициент теплоотдачи.

Величина коэффициента теплоотдачи определяется по эмпирическим уравнениям: для Re = 0 … 100 – по уравнению Nu = 2 + 0,16 Re 2/3,

для Re = 100 …1000 – по уравнению Nu = 0,56 Re 0,5.

Изменение энтальпии включает теплоту на нагрев жидкости от Тж до Тисп , испарение ее и нагрев пара до Тг :

сж ( Тисп Тж) + r + cp

где r - теплота испарения.

Выразим массу капли через ее объем и плотность:

Продифференцировав это выражение, получим

.

Перепишем выражение (3.5) в виде

После сокращения будем иметь:

ного диаметра D0 до текущего, получим:

35

Обозначим:

тогда будем иметь:

(3.6)

Выражение (3.6) получено Б. Срезневским, здесь к - константа испарения с единицей измерения мм2/с (в реальных процессах к = 0,5…1,5 мм2/с). Уравнение (3.6) устанавливает линейную зависимость текущего диаметра капли от времени.

Из выражения (3.6) можно определить время, потребное для полного испарения капли (до D = 0):

Например, при к = 1 мм2/с капля диаметром 0,5 мм испарится за 0,25 с. Скорость испарения

В реальных случаях одновременно испаряется и сгорает множество капель различных размеров. Испарение совокупности капель отличается от испарения единичной капли, которая характеризуется некоторой экспоненциальной функцией, расчета по ней показывают, что в первый период испарения капель различных размеров количество испарившейся жидкости будет больше того количества, которое испарилось бы в случае капель одного размера. В конечном же итоге испарение капель разного размера затягивается.

Весь объем, где происходит сгорание жидкого горючего можно условно разделить на несколько зон. Непосредственно у области впрыска находится зона подогрева, в которой успевают испариться наиболее мелкие капли горючего. Образующаяся в результате этого смесь сгорает в следующей зоне по законам кинетического горения. Часть выделяющейся теплоты расходуется на нагрев и испарение капель большого размера. Осуществляется их воспламенение. Далее следует зона диффузионного горения, в которой сгорает оставшаяся часть горючего, завершается процесс тепловыделения и развивается наиболее высокая температура.

Из зоны диффузионного горения передается поток тепла в зону кинетического горения, приводящий к увеличению скорости распространения пламени и к расширению концентрационных пределов воспламенения по сравнению с однородными газовыми смесями. Связано это с тем, что средний состав смеси капель, окруженных парами и продуктами сгорания, отли-

36

37

4 – подготовительная зона. Здесь перемешиваются компоненты горючего и окислителя, образуются активизированные комплексы молекул и начинаются химические реакции.

5 – зона пламени. В этой зоне концентрации горючих и окислительных элементов достигают оптимальной величины, а реакции – химического равновесия. Устанавливается максимальное значение температуры продуктов сгорания.

6 – зона продуктов сгорания.

Каждая зона характеризуется значением температурного поля, концентрацией веществ и их агрегатным состоянием.

На протяженность зон оказывают сильное влияние химический состав, теплофизические свойства, форма и размер элемента горючего; состав окислителя и его количество; величина теплового потока от продуктов сгорания. От этих же факторов зависит и скорость горения.

Под скоростью горения твердого горючего понимают скорость перемещения горящего слоя по нормали к поверхности.

Скорость горения обозначают через uн и измеряют в мм/с.

3.5. Понятие о детонационном горении

Впрактике эксплуатации двигателей с искровым воспламенением возможно нарушение нормального сгорания смеси. Скорость распространения пламени может достигнуть 1500-2500 м/с и приобрести взрывной характер. Давление в цилиндре в этом случае повышается почти вдвое, а температура – на 500-1000 градусов. Такое горение называется д е т о н а ц и о н н ы м .

Врезультате удара детонационной волны о стенки цилиндра и многократного отражения ее возникает вибрация стенок цилиндра, сопровождающаяся характерными звонкими стуками.

При детонационном горении не успевает полностью сгореть углерод, что снижает мощность двигателя и увеличивает расход топлива; возможен перегрев двигателя и снижение прочности отдельных конструкционных элементов, связанное с точечным разрушением металла. На поршнях, стенках цилиндра появляется множество ―лунок‖. Детонация сокращает срок службы двигателя, подробнее см. в

Возникновение и протекание детонационного сгорания наиболее

полно объясняется перекисной теорией, разработанной А.И. Бахом, Н.Л. Календером, Н.И. Семеновым. По это теории основной причиной возникновения детонации является образование и накопление активных перекисей, представляющих собой первичные продукты окисления углеводородов, а при более высоких температурах свободные радикалы и атомы. Перекиси (формула в общем виде: R - O - O – R) относятся к очень неустойчивым соединениям с большой избыточной энергией, которые дают начало цепным реакциям.

38

Глава 4 Преобразователи энергии химических топлив

4.1. Виды преобразователей энергии и их характеристики

Во всех сферах жизнедеятельности человека используется колоссальное количество энергии в форме теплоты. В настоящее время распределение тепловой энергии, получаемой из химических топлив, по видам применения в % примерно таково:

–тепловые электростанции, включая теплофикацию ……. …. 35…45;

–промышленность, особенно металлургическая, химическая, машиностроительная и стройматериалов …………………………………. 30;

– транспорт (автомобильный, железнодорожный, морской), а также тракторы и другие сельскохо зяйственные машины ………. 15…25;

– бытовые нужды ………………………………………................ 10…15.

Для получения теплоты из химических топлив используются преобразователи энергии, так называемые х и м и ч е с к и е (огневые) т е п л о г е-

не р а т о р ы, к ним относятся:

–топки водонагревательных, паровых или комбинированных котельных установок;

–камеры сгорания поршневых, газотурбинных, ракетных ДВС;

–камеры сгорания воздухоподогревателей;

–бытовые печи и камины.

Горение топлива происходит в топках печей и котлов, в камерах сгорания двигателей и воздухоподогревателей. Работу каждого из этих теплогенераторов принято оценивать следующими характеристиками.

Т е п л о в а я м о щ н о с т ь – теплота, выделяемая в единицу времени (τ – время),

Nτ = Q / τ , кВт .

О б ъ е м н о е т е п л о н а п р я ж е н и е (или удельная мощность) характеризует компактность теплогенератора и представляет собой тепловую мощность, отнесенную к величине объема Vp рабочего пространства топки

или камеры:

qv = Nτ / Vp , кВт/м3.

К о э ф ф и ц и е н т п о л н о т ы т е п л о в ы д е л е н и я, или полноты горения, характеризует полноту сгорания горючего и представляет собой отношение действительно выделившейся теплоты Qд к теоретически возмож-

ной Qт:

= Qд / Qт .

К о э ф ф и ц и е н т п о л е з н о г о д е й с т в и я т е п л о г е н е р а - т о р а – отношение полезно использованной теплоты к затраченной энергии в форме теплоты:

тг = Qпол / Qзатр .

В некоторых случаях это отношение называют КПД б р у т т о.

39

4. 2. Котельные установки

В теплоэнергетике котельные установки наиболее широко используются для выработки электроэнергии на тепловых электростанциях (ТЭС). Из котлоагрегатов некоторых таких установок поступает до 3500 т пара в час с давлением до 26,5 МПа и температурой 540 – 570 0С. Для теплоснабжения используются менее мощные котельные установки. Часть из них служит для комбинированной выработки тепла и электроэнергии, их называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Другие обеспечивают горячей водой или паром различного рода потребителей.

Котельные установки классифицируются по назначению, по тепловой мощности, по виду используемого горючего и типу котельного агрегата.

Котельная установка – это сложное инженерное сооружение, включающее комплекс конструкций и технологических процессов. Принципиальная схема котельной установки на газовом горючем представлена на рис. 4.1.

Любая котельная установка состоит из следующих основных объектов:

–котельного агрегата;

–системы подачи горючего;

–системы подачи окислителя;

–системы подачи воды;

–системы удаления продуктов сгорания;

–системы контроля и автоматического регулирования режима работы. Каждая из этих систем занимает свое место в общей цепочке техноло-

гии получения горячей воды или пара котельной установкой. Рассмотрим поочередно эти системы.

4.2.1. Котельный агрегат

Котельный агрегат это своего рода теплообменный аппарат, в котором для получения высокотемпературного теплоносителя используется химический теплогенератор (топка). В нем от факела пламени горящего топлива и продуктов сгорания теплота передается нагреваемой воде через стенки различного конструктивного выполнения.

Промышленностью выпускаются котельные агрегаты различного предназначения – паровые, водогрейные и комбинированные. По виду горючего различают: газовые котлы (природный газ, попутный газ, биогаз), котлы на жидком горючем (горючие нефтяного происхождения, синтезированные горючие), котлы на твердом горючем (угли всех сортов, различные формы биомасс). Все эти типы котлов используют в качестве окислителя кислород воздуха.

Паровые котельные агрегаты стандартизованы (ГОСТ 3619-76) по паропроизводительности и параметрам пара. Котельные агрегаты паропроизводительностью до 20 т/ч относятся к котлам малой мощности, до 110 т/ч к котлам средней и более 110 т/ч – к котлам большой мощности.

40