Специально для ДВСников / ofg-lecture8

Лекция 8. Воспламенение, распространение и стабилизация пламени

Свежая смесь является квазиравновесной, несмотря на то, что в смеси и не протекают химические реакции (с ощутимой скоростью). Чтобы начались интенсивные реакции, смесь требуется воспламенить. После воспламенения, при благоприятных обстоятельствах, смесь сгорает в пламени, распространяющемся по ней, и в коечном счете преобразуется в продукты сгорания, находящиеся в химическом равновесии.

В данной лекции рассматриваются этапы, так сказать ``жизненного цикла'' пламени: воспламенение смеси и способы воспламенения, условия, способствующие или препятствующие распространению пламени, способы стабилизации пламени в потоке (см. рис. 8.1).

Рис. 8.1. Воспламенение (и его способы), распространение

и стабилизация пламени

Воспламенение

Исследование условий при различных способах воспламенения требуется практически для определения необходимого для этого уровня воздействия на воспламеняемую смесь.

Самопроизвольное воспламенение. Что касается самопроизвольного воспламенения, отметим, что к таковому относится ``самопроизвольный'' разогрев объема смеси при затрудненном теплоотводе, не компенсирующем выделения тепла в реакциях. Одновременно происходит накопление активных центров -- промежуточных продуктов реакций. Все это способствует прогрессивному самоускорению реакций, объемному сгоранию -- ``тепловому взрыву''. Процессы самовоспламенения отличает неконтролируемое развитие процесса. Примером неуправляемого самовоспламенения является нежелательное в двигателях с внешним смесеобразованием самовоспламенение части заряда (вызванное или сопровождаемое калильным зажиганием в объеме или на поверхности, или по детонационному механизму).

Основная роль при самопроизвольном объемном воспламенении и сгорании принадлежит химико-кинетическим процессам. Организация объемного сгорания -- удобный метод экспериментальных исследований данных явлений.

Воспламенение от сжатия. В данном случае, как правило, подразумевается, что воспламенение организовано путем сжатия смеси для повышения температуры. Воспламенение от сжатия может быть как объемным, так и локальным. Объемное воспламенение от сжатия реализуется в хорошо подготовленной гомогенной смеси, например

в исследовательской установке адиабатического сжатия с движущимся поршнем, используемой также для изучения кинетики (само)воспламенения. Данный способ имеет недостатки, связанные с наличием механически движущихся частей и холодных стенок, что затрудняет исследования при больших температурах (более 700о С), для которых проявляются потери тепла в стенки и характерное время процессов сильно уменьшается. От этих недостатков практически свободен метод воспламенения смеси за фронтом ударной волны (УВ). В исследованиях по данному способу сжатие смеси происходит практически мгновенно, отсутствуют тепловые потери и можно реализовывать самые разнообразные термодинамические условия. (Само)воспламенение за фронтом УВ представляет собой детонацию, рассматриваемую в следующей лекции. Условно говоря, при организации воспламенения от сжатия имеется целенаправленное воздействие на процесс, а сам процесс правильнее называть не ``самовоспламенение'', а ``воспламенение от сжатия''.

Воспламенение от сжатия реализуется в ДВС, работающих по циклу Дизеля. Но в дизелях процесс самовоспламенения локальный (не охватывает всего объема рабочей смеси) и осложняется одновременным протеканием процессов испарения и диффузии горючего, но кинетика в воспламеняющихся зонах играет ведущую роль.

Воспламенение смеси, проходящей через скачок уплотнения можно использовать

в прямоточных двигателях со сверхзвуковым потоком для организации (и стабилизации) горения в этом потоке. При этом в потоке образуется система косых стоячих детонационных волн -- интересный пример того, как детонация (см. лекцию 9) служит целям стабилизации пламени в потоке (см. ниже в данной лекции).

Воспламенение электрическим разрядом – важнейший для нас является из прочих способов управляемого воспламенения. Отличительной особенностью воспламенение электрическим разрядом (искрового воспламенения) является кратковременное и локальное, но с высокой объемной плотностью энергии, воздействие на смесь, которое производится чаще всего посредством электрического разряда (возможны варианты).

Не всякое по мощности воздействие приводит к образованию волны реакции, минимальная потребная мощность зависит от рода и параметров состояния смеси, от скорости и характера относительного движения смеси относительно эл. разряда -- ламинарное или турбулентно течение смеси, в последнем случае влияние оказывает масштаб турбулентности. Широко используется в технике: ДВС, ГТД и др.

С необходимой полнотой рассчитать процессы, которыми сопровождается искровое воспламенение можно, очевидно, только применяя численное моделирование. Поэтому приводимую ниже теоретическую модель воспламенения можно рассматривать как некий инженерный метод для оценочного расчета, позволяющий правильно объяснить наблюдаемые факты.

Модель воспламенения неподвижной смеси искрой, предложенная Я. Б. Зельдовичем в 1941 г., относится к группе тепловых моделей. В этой модели в целях схематизации явления искра заменяется точечным источником тепла, выделяющегося в количестве Q Дж мгновенно в момент t = 0 в точке r = 0. Для определения сферически-симметричного поля температуры T(r,t) используется решение уравнения теплопроводности с постоянными коэффициентами a = lambda / (rho * cp):

dr2T/dt=ad(r2dT/dr)/dr,

следующего вида:

T(r,t) = бла-бла-бла, (8.1)

где *,*,* -- температура, плотность и теплоемкость начальной смеси. Таким образом, рассчитывается температурное поле в ``твердом теле'' со свойствами начальной смеси, постоянной плотностью, теплоемкостью и коэффициентом температуропроводности. В отсутствие реакций согласно (8.1) образуется следующее поле температур (рис. 8.2).

Рис.8.2 Поле температур

В качестве критерия воспламенения в модели принято, чтобы время охлаждения

в точке с максимальной температурой (r=0) от ... до ... где ... было больше или равно продолжительности реакции -- времени пребывания вещества в зоне ламинарного пламени (рис. 8.3)

Рис. 8.3.

Аппроксимировав T(r=0,t) касательной в точке tохл1 и использовав некоторые результаты теории ламинарного распространения пламени, Я. Б. Зельдович получил условие воспламенения в следующей форме:

Rэкв >= 3.7 (8.2)

где bn = a/un (bn -- условная ширина ламинарного пламени),

Rэкв >= pow((3/(4*M_PI))*Q/(rho*cp*(T-T)), 1./3.);

Вывод: чтобы смесь воспламенилась, нужно, чтобы соответствующий выделившейся энергии разряда Rэкв был в несколько раз больше, чем bn, т. е. нужно обеспечить прохождение реакций до того, как разогретый слой смеси остынет.

Формулу (8.2) не следует рассматривать как точную количественную связь, при ее вводе сделан ряд серьезных допущений (уравнение распространения тепла для rho=const, a=const, tохл=delta_tохл). Для более точного решения подобных задач нужны данные экспериментов (хотя бы численных!).

Далее, следует дополнительно учитывать, что далеко не вся электрическая энергия переходит в эффективную тепловую энергию разряда Q. Имеет место «тепловой КПД» искры:

eta_T = Q/Eэ =2Q / (CU2);

Результаты некоторых опытов (искрообразование в среде NH3, разлагающегося

при 1000 оС) говорят о величинах eta_T порядка 0.02...0.16. Эксперименты по воспламенению смесей подтверждают наличие линейной связи вида (8.2), они были обработаны с приведением к состоянию «г»:

Формулы... (8.3)

Зависимость (3) подтверждается в диапазоне Rэкв' = 0,2 ... 5.0 мм.

В технических устройствах газ чаще всего движется относительно разряда (и чаще всего в турбулентном режиме). Ламинарное движение уже вызывает распределение энергии Q на больший объем, еще более существенная роль мелкомасштабных турбулентных пульсаций, интенсифицирующих рассеивание температуры. По этим причинам энергия воспламенения в движущемся потоке превышает таковую для неподвижного. Ниже приведены данные экспериментов по воспламенению пропано-воздушной смеси (alfa=0.77, T = 26,6 оС, t* = 0,6мс, l = 6.35мм) при различных давлениях:

Рис. 8.4. Графики Eэ(u, p).

Воспламенение накаленными поверхностями. При обтекании потоком квазиравновесной (горючей) смеси твердых тел могут действовать несколько факторов, вызывающих ускорение реакций в слоях газа, прилегающих к стенкам:

1) если Tw > Тf, то за счет теплопроводности произойдет повышение T прилежащих слоев газа (пограничный слой) что, при интенсификации реакций, при определенных условиях, приведет к распространяющейся по потоку смеси волны реакций -- пламени;

2) если материал стенки способствует развитию гетерогенных каталитических реакций, то это также может привести к нагреванию и воспламенению прилежащих слоев газа;

3) если скорость движения смеси велика настолько , что температура торможения (точнее, близкая к ней температура в пограничном слое) способна вызвать соответствующее ускорение реакций (динамический подогрев).

Как и во всех случаях вынужденного воспламенения, интенсивность воздействия на поток смеси может быть недостаточной для воспламенения. Для построения приближенных количественных моделей воспламенения могут быть использованы подходы, аналогичные использованным ранее, при этом полезно привлекать понятие пограничного слоя и количественные соотношения теории пограничного слоя; частным случаем и основой для наиболее простых построений может служить задача воспламенения неподвижно смеси от нагретой стенки.

Воспламенение открытым пламенем. Наиболее распространенный в повседневной жизни способ, также широко используемый в технических устройствах. При этом способе высокотемпературный источник энергии привносится в свежую смесь в виде открытого пламени или потока нагретых продуктов сгорания.

Практическое значение воспламенение от струи продуктов сгорания имеет в поршневых ДВС с т., н. форкамерно-факельным зажиганием (см. рис. 8.5.).

Рис 8.5: Схема процессов воспламенения в камере сгорания

ДВС с форкамерно-факельным зажиганием.

Рис 8.6. Продолжительность начальной фазы сгорания: от начала видимого сгорания до достижения максимального давления.

Искровому воспламенению подвергается здесь смесь, расположенная в форкамере небольшого объема (2-3%), отделенной от основного объема камеры сгорания (КС) каналом, так, что после воспламенения смеси в форкамере основная смесь воспламеняется факелом горячей, продолжающей реагировать смеси газов. Частично устраняются недостатки двигателей с искровым воспламенением: 1) медленное нарастание сгорания в начальной фазе и 2) ухудшение показателей (связанное с затянутым горением) при обеднении смеси. т., е. форкамерно-факельное воспламенение позволяет интенсифицировать весь процесс сгорания и расширить пределы обеднения смеси, см. табл.:

ываываыаы 0.9 1.2 1.6

Искровое 30 38 --

Ф. Фак 20 22 26

Воспламенение открытым пламенем находит применение в ГТД и ВРД – где оно используется в многосекционных КС, где при погасании в одной из камер воспламенение осуществляется подачей раскаленных газов через «пламяперебрасывающие» трубки из соседней КС.

Пределы распространения пламени

Распространение пламени – это устойчивое движение волны реакции относительно свежей смеси. Однако есть факторы, препятствующие ходу этого процесса. В результате их действия после начального воспламенения распространения пламени не происходит, т.е. первоначально образовавшееся пламя самопроизвольно погасает -- в этом случае говорят, что в данных условиях распространение пламени невозможно, распространение пламени ограничивается существованием некоторых предельных условий.

Наиболее важны «концентрационные» пределы распространения – когда при определенных значениях концентраций (стехиометрического состава горючей смеси и (или) соотношения реагирующих и инертных компонентов), несмотря на мощность источника воспламенения, пламя не распространяется в смесях данного состава. Связано это с тем, что данный фактор приводит к снижению температуры п. с., а значит и к заметному снижению интенсивности реакций во фронте пламени. Вначале это приводит к снижению скорости горения, но при предельных значениях (концентрационных пределах) процессы молекулярной и турбулентной диффузии в пламени и излучение, воздействуя на поля температур и концентраций способны привести к резкому замедлению и прекращению реакций.

Подобным же образом действует дополнительная теплоотдача в стенки. С этим явлением связано, например, существование совершенно определенного для данной смеси, («гасящего») диаметра трубки, при котором пламя по данной смеси помещенной в трубки такого и меньшего диаметра, не распространяется (см. рис ...)

Рис. 8.7. Концентрационные пределы распространения пламени

Рис. 8.8. Пределы распространения пламени в трубках малого диаметра

Стабилизация пламени

Если скорость движения волны реакции (ламинарного или турбулентного пламени) относительно смеси больше скорости смеси в стационарном течении, то пламя будет перемещаться вверх по потоку и наоборот. Однако часто желательна и в некоторых условиях возможна стабилизация пламени, когда [квази]стационарная картина пламени сохраняется. Применяются различные способы стабилизации пламени в потоке.

1) Размещение в потоке постоянно действующих источников зажигания (рис. 8.9)

Рис. 8.9. Стабилизация пламени постоянным внешним источником воспламенения

Недостатки способа: нужно расходовать энергию и обеспечить эксплуатационную

надежность источника

2) Рециркуляция. Достоинство способа: для воздействия энергию поставляет основной поток (рис. 8.10)

Рис. 8.10. Стабилизация пламени посредством рециркуляции: а) рециркуляция

ПС по специальному каналу; б) рециркуляция ПС организацией срывных

и рециркуляционных зон за плохообтекаемым телом; в) рециркуляция

тепла через теплопроводную стенку вперед по потоку.

3) Стабилизация в пограничном слое [затопленной] [ламинарной или турбулентной] струи.

Пламя на срезе горелки представляет собой не что иное, как пламя, стабилизированное

в потоке. При этом особую стабилизирующую роль играет зона пограничного

слоя...

Рис. 8.11. Пламя горелки – пример стабилизации

в пограничном слое затопленной струи

Стабилизация пламени возможна в определенном диапазоне уcловий течения; так, при чрезмерном уменьшении расхода смеси также происходит проскок пламени вверх по потоку или наоборот, срыв пламени и унос его вниз по потоку или погасание.

Проблема стабилизации пламени играет очень заметную роль в конструировании КС ВРД: уменьшение габаритов двигателя связано с увеличением удельного расхода через КС, а он лимитируется срывом горения в ней. Поэтому в конструкцию КС должен быть заложен эффективный способ стабилизации.