III. Горение
3.1. Диффузионное горение.
3.1.1. Горение пыли.
3.1.1.1. Угольная пыль. При нагревании угольной частицы в окислительной атмосфере вначале из частицы выходят и сгорают летучие компоненты. Однако основную массу частицы составляет углерод, который не плавится и начинает испаряться только при температуре выше 3000 К. Так как в топках реализуется температура не выше 2000 К, ясно, что уголь окисляется на поверхности угольных частиц. В п. 2.4.3.4 для гетерогенной химической реакции (например, окисление куска каменного угля кислородом воздуха) было введено понятие высокотемпературного диффузионного режима. Диффузионным он назван потому, что в нем реакции на поверхности проходят чрезвычайно быстро благодаря высокой температуре (и резкой положительной зависимости скорости реакций от нее). При этом скорость потребления вещества и выделения тепла лимитируется и в конце концов определяется скоростью диффузионного подвода окислителя к реагирующей поверхности, на которой концентрация окислителя почти равна нулю. Такой режим называют диффузионным горением частицы. Оно реализуется, например, в топках теплоэлектростанций при сжигании угольной пыли в струе воздуха. Выделяющееся на поверхности угольных пылинок тепло отводится в окружающий газ (смесь воздуха и продуктов сгорания) теплопроводностью, конвекцией и излучением (пылинки ярко светятся потому, что при одинаковой температуре плотное твердое вещество излучает гораздо эффективнее, чем газ). Следует отметить, что на поверхности частицы (и под поверхностью, куда по порам проникает окислитель) уголь окисляется только до СО, догорание до СО2 происходит в газовой фазе. Окислителем может служить не только кислород, но и углекислый газ (диффундирующий к поверхности частицы из зоны продуктов сгорания) и вода, если топливо подается в виде водоугольной суспензии. Обширный список литературы по горению угля через Интернет может выдать, например, Виртуальная справочная служба Российской национальной библиотеки.
3.1.1.2. Горение углеводородной капли. Углеводородное топливо (бензин, соляр и т.д.) кипит и испаряется при температуре значительно меньшей чем в окружающих продуктах сгорания. Поэтому высокотемпературная (горячее окружающей среды) зона пламени образует сферу на некотором расстоянии от поверхности капли.
Рис. 16. Характер распределений температуры, концентраций окислителя и пара около угольной частицы (а), углеводородной и алюминиевой капли (b). Прокомментируйте ход кривых.
3.1.1.3. Алюминиевая пыль. Нечто подобное происходит и в ракетном двигателе на алюминизированном твердом топливе, где горячий поток газообразных продуктов сгорания уносит с горящей поверхности топлива мелкие (от долей мкм до нескольких мкм) частицы алюминия. Алюминий с очень большим тепловым эффектом окисляется (отбирая кислород у присутствующих в газовой смеси H2O, CO2). Температура в зоне реакции около 35000С, но эта реакция реализуется не на поверхности частицы, потому что, например, при атмосферном давлении алюминий уже кипит при 20000С. Пар алюминия движется радиально от поверхности жидкой частицы и на некотором расстоянии встречается с «окислителем» (H2O, CO2). Реакция на этой сферической «поверхности встречи» успевает переработать все подводимые с обеих сторон компоненты (Al, H2O, CO2), так что их концентрация здесь равна нулю. Радиус сферы автоматически подстраивается к изменениям внешней газовой среды. Например, если около рассматриваемой горящей алюминиевой частицы улучшились условия подвода окислителя, сфера реакций начинает сжиматься, «окислитель наступает». Но с приближением к поверхности жидкой частицы горячего фронта реакции растет тепловой поток от него на жидкую поверхность. Соответственно растет количество испаряемого за единицу времени алюминия. Когда оно станет достаточным для переработки усилившегося потока окислителя, приближение зоны реакций к частице прекратится.
Горение алюминиевой капли отличается от горения углеводородной тем, что продукт сгорания (Al2O3) в зоне пламени – жидкий.
Рис. 17. Фото из [6].
На теневых фотографиях горящих при атмосферном давлении алюминиевых частиц с размером d порядка 100 мкм [6] вокруг каждой частицы виден «ореол», который представляет собой, по-видимому, зону реакции с интенсивным выделением конденсированного Al2O3. От каждого «ореола» тянется «хвост» в направлении обтекающего частицу потока. На оси «хвоста» расположен отходящий от частицы непрозрачный «жгутик». По-видимому, это струя мелкодисперсной конденсированной фазы. Замечено, что она всегда выходит из-под оксидного «колпачка» на поверхности частицы1. «Колпачок» перегрет относительно частицы: к его наружной поверхности приближена зона пламени, поскольку здесь нет отталкивающего ее потока алюминиевого пара (а оксид при температуре кипения алюминия практически не испаряется). В некоторых случаях на фотографиях удавалось зафиксировать резкий прогиб (примыкание) границы «ореола» к поверхности частицы в районе оксидного «колпачка».
Теперь можно предложить два варианта эволюции горящей частицы.
Вариант 1. Частица имеет сплошной «ореол», то есть «колпачок» окисла на поверхности тоже находится под пламенем и, как отмечено выше, перегрет относительно частицы. Все тепло, которое поступает к нему из пламени, он отдает на испарение находящегося под ним алюминия (имеющего температуру кипения). Равномерный выход образующегося пара вдоль всей кромки «колпачка» не может быть устойчивым: случайное локальное уменьшение гидравлического сопротивления в паровой прослойке под «колпачком» приводит к тому, что в это место устремляется весь поток пара. Таким образом, из-под «колпачка» должна выходить одна струя. Поскольку она формируется между двумя разнородными жидкостями, на границах струи (и особенно на выходе) неизбежны механические возмущения, приводящие к образованию аэрозоля. Эффективность этого «пульверизатора» и состав аэрозоля зависят от величин вязкости, поверхностного натяжения и плотности алюминия и оксида. Так как соответствующие значения всех этих величин у оксида выше, есть основания полагать, что струя несет главным образом алюминий, который из нее постепенно испаряется и окисляется. Если не произойдет изменение режима с переходом на вариант 2, весь окисел окажется в мелкодисперсном виде за исключением единственной капли, в которую свернется «колпачок», возникший сразу после воспламенения (и, может быть, немного «общипанный» выходившей из-под него струей). О связи аэрозольной струи и «хвоста»: струя создает около частицы гидродинамическую неоднородность (и даже небольшую реактивную силу), которая при наличии обтекания частицы внешним потоком вызывает локальную неоднородность сопротивления. Последняя в конце концов разворачивает частицу так, что струя оказывается в «хвосте ореола».
Вариант2. Пламени над «колпачком» нет, «ореол» примыкает к поверхности капли на кромке «колпачка». Та часть окисла, которая не уходит в «хвост», а сносится по «ореолу» к «колпачку», частично на нем и остается. Таким образом, к концу горения «колпачок» может собрать значительную часть окисла, созданного частицей. Поскольку окисел приходит на «колпачок» из горячего пламени, имеет место, как и в варианте 1, перегрев «колпачка», причем по более эффективному механизму (не теплопроводностью, а конвективным переносом плотной конденсированной фазы). Поэтому струя из-под «колпачка» выходит и в варианте 2.
3.1.2. Диффузионное горение газа. Фактически вокруг алюминиевой частицы происходит диффузионное горение газа. В наиболее простом виде оно реализуется в коаксиальной газовой горелке, см. рис. 18.
Рис. 18. Пламя коаксиальной горелки.
По соосным трубам подаются горючий и окислительный газы. В районе среза труб, где газовые потоки вступают в контакт, при поджигании возникает пламя. В случае избыточной подачи компонента по внутренней трубе пламя принимает вид раструба, нависающего над струей недостающего «периферийного компонента». При избыточной подаче компонента по внешней трубе пламя принимает вид колпака, нависающего над струей недостающего «центрального» компонента.
Картина с центральным колпачком пламени реализуется при горении керосиновой лампы, где осевая струя горючего (паров керосина) образуется при испарении керосина из фитиля под действием теплового потока от близкого колпака диффузионного пламени. При этом в периферийную струю окислитель (воздух) подается снизу за счет небольшого вакуума, который за защитным стеклянным ограждением создает архимедова сила (естественная конвекция). Те же процессы происходят при горении свечи, только нет стекла и вместо керосина испаряется расплавленный воск. Множество интересных и актуальных сегодня сведений о процессах при горении свечи (имеющих отношение не только к свече) можно получить из популярных лекций, прочитанных для широкой публики в 1860 г. одним их основателей теории электричества М. Фарадеем [7].
Наконец, обычные язычки пламени в костре или при горении дров в печи – это тоже язычки диффузионного пламени. Ответьте самостоятельно на вопрос: что и куда диффундирует в таком пламени?