4.3. Процессы сгорания жидкого, газообразного и твердого топлива

Параметры распыливания и испарения топлива. Образование рабочей смеси, ее воспла-менение и горение. Образование оксидов азота, оксидов углерода, различных углеводородов, сажи, оксидов серы и других соединений. Расчет процесса горения топлива. Материальный и тепловой балансы процессы горения. Способы интенсификации сжигания топлива.

По теме не предусмотрены лабораторные работы. Материал темы входит в задачи контрольной работы. После изучения теоретического материала следует ответить на вопросы для самопроверки. В заключение раздела приведен тест № 4. Более подробная информация по теме – в источниках [1], [5].

4.3.1. Сжигание жидкого топлива

Жидкое топливо (бензин, керосин, дизельное, мазут и др.), обладающее высокой теплотой сгорания, хорошими эксплуатационными свойствами и умерен-ными экологическими показателями, широко применяется в различных тепловых двигателях, теплоэнергетических установках и котельных топках. Различие во фракционном составе и физико-химических свойствах топлив определило особен-ности конструкции топливораспыливающих устройств, камер сгорания и спосо-бов подготовки топлив к сжиганию. Процессу воспламенения топлива предше-ствует его распыливание на возможно большее количество капель, испарение и образование горючей смеси.

Бензины различных марок (А-72, А-76, А-92 и др.) используются в двига-телях с искровым зажиганием (цикл быстрого сгорания). При этом применяют следующие способы приготовления горючей смеси: карбюраторный, впрыски-вание топлива во впускной турбопровод (инжекторная система) и другие.

При карбюраторном способе приготовление горючей смеси происходит в карбюраторе и впускном трубопроводе (доля испарившегося топлива при входе в цилиндр составляет 60…80 %) за счет движения воздуха и топлива с разными скоростями. При разности скоростей в 4…6 м/с происходит разрушение струи топлива, вытекающей из жиклера в диффузор, создающий высокую скорость воздушного потока и перепад давления между диффузором и смесительной камерой (за дроссельной заслонкой) равный 2…2,2, кПа.

Чем выше разрежение в диффузоре, тем выше скорость воздуха и тонкость распыливания топлива, при этом повышается скорость испарения топлива вслед-ствие увеличения суммарной поверхности капель. Например, при распыливании топлива объемом 1 см³ на капли диаметром 20 мкм поверхность испарения топлива увеличивается с 4,85 до 300 см². т.е. в 620 раз.

Расчет процесса воспламенение горючей смеси в двигателе с искровым зажиганием состоит в определении минимальной температуры смеси, при ко-торой возможен пуск двигателя.

Дизельное топливо, керосин и мазут (ДЛ, ДЗ, Т-1, ТС-1, Ф-20, М-40 и др.) широко используются в дизельных и газотурбинных двигателях, в котельных топках, мартеновских печах и других теплоэнергетических установках. Эти виды топлива отличаются между собой плотностью: от 0,755–0,85 (керосин), 82-0,85 (дизельное топливо) до 0,92–0,95 (мазут) кг/м³, а также вязкостью (кинема-тический коэффициент вязкости при 20 ^оС от 1,25-5, 0,8-8,0…до 40-120 мм²/с), содержанием серы, высокомолекулярных веществ и смол.

Эти отличия требуют соответствующей подготовки топлива и конструкций устройств, обеспечивающих качественную микроструктуру распыленного топ-лива, равномерное распределение горючей смеси по всему пространству камеры сгорания и совершенное перемешивание капель топлива с воздухом за счет вихреобразования в камере сгорания.

Распыливание топлива. Жидкое топливо сжигается в камерах сгорания, топках и печах в распыленном состоянии. Первичное распыливание топлива осу-ществляется форсункой, конструкция и принцип работы которой обеспечивают нужное давление впрыска и скорость истечения топливной струи из распылива-ющих отверстий. Начальные сведения по рспыливанию даны в теме 3.3.

Вторичное распыливание (дробление) капель топлива происходит в процессе их движения и взаимодействия с окружающей средой. На рис. 4.5 приведены следующие формы распада топливной струи:

1-я – распад струи в результате турбулентного истечения топлива из распыливающих отверстий, характеристики распыла зависят от формы кромок отверстия, сжимаемости струи и других факторов (рис. 4.5а);

2-я – распад струи в результате дополнительного воздействия сопротивления воздуха, при этом струя топлива движется в воздухе с относительной скоростью и испытывает перепад давления воздуха над гребнем и во впадине волны, что увеличивает амплитуду волны (λ) и ускоряет распад струи на отдельные капли (рис. 4.5в);

3-я – распад струи под действием сил сопротивления воздуха (Рис. 4.5с).

Рис. 4.5 Различные формы распада струи

Под действием этих факторов струя начинает разрушаться на отдельные объемы различной величины и формы, которые под действием сил поверхно-стного натяжения приобретают шарообразную форму в виде капель. В результате монолитная струя, распадаясь, образует факел (рис. 4.6), состоящий из стержня 2, в котором сосредоточена основная масса топлива в виде струй и капель, и оболочки 1, в которой накапливаются мелкие капли и пары топлива.

Рис 4.6. Факел распыла

Появление при распыливании топлива капель различных размеров зависит от следующих факторов: давления и стабильности впрыскивания топлива, качества изготовления распыливающих отверстий, характера течения топлива через распыливающие отверстия, параметров состояния воздушного заряда и свойств топлива и т.д. Принято считать, что процесс распыливания есть случайный процесс, как результат суммарного воздействия многих факторов. Поэтому для изучения случайного процесса используется закон нормального распределения (закон Гаусса).

Для оценки качества распыливания используют характеристики распылива-ния (рис. 4.7 и 4.8) которые характеризуют тонкость распыливания (диаметров капель) и однородность капель по их размерам. По оси абсцисс отложены диаметры капель в мкм, а по оси ординат – количество капель данного диаметра.

Рис 4.7. Характеристики распыливания дизельного топлива:1 - экспериментальные данные; 2 – расчетная кривая для капель разных диаметров; 3 – откорректированная расчетная кривая; 4 – расчетная суммарная кривая

Анализ характеристик распыливания (рис. 4.7) показывает, что при распыли-вании дизельного топлива в дизельных и газотурбинных двигателях образуется наибольшее количество капель диаметром 15-25 мкм. При распыливании мазута в котельных топках соответствующее количество капель имеет диаметры 150-250 мкм. В первом случае имеет место более тонкое и однородное распыливание, а во втором – грубое и неоднородное распыливание.

Испарение жидкого топлива. Топливный факел состоит из большого количества капель различного размера. Скорость испарения впрыснутого топлива определяется скоростью испарения отдельно взятой капли топлива. Процессы нагрева и испарения капель зависят от температуры и давления воздуха, от физических характеристик топлива, а также от конструкции и аэродинамических характеристик камеры сгорания.

Скорость испарения капли топлива определяется в результате совме-стного решения уравнений тепло- и массообмена на поверхности неподвижной капли по формуле

, (4.29)

где r – радиус капли, α_к – коэффициент теплоотдачи от окружающей среды к капле (теплопроводностью и конвекцией), Т_с, Т_к – соответственно температура среды и капли, dτ – время, Д_п – коэффициент диффузии, - плотность смеси, ρ_п и ρ_в – плотность пара и воздуха, с₁ и с_п – объемная и массовая концентрация паров топлива, Т_исп – температура испарения топлива, dG – количество испарившегося топлива.

После интегрирования и преобразований скорость испарения капли топлива при равновесной температуре испарения Т_исп определится по формуле

, (4.30)

где – теплопроводность смеси, - теплоемкость смеси при р = const, и - соответственно теплоемкости паров топлива и воздуха. Таким образом, факел, состоящий из распыленного и испаренного топлива, непрерывно меняется в процессе впрыска.

Сначала длина факела L возрастает и величина телесного угла φ факела уменьшается. Концентрация топлива с_т и скорость капель w_т по сечению факела неравномерны. По мере перемещения капель, их размеры и массы уменьшаются вследствие испарения, уменьшения кинетической энергии и подсоса в факел воздуха. В результате сечения факела увеличивается, и ускоряется прогрев и увеличивается скорость капель.

Рис. 4.8. Частотная кривая распределения капель в струе

Если допустить, что все величины в уравнении (4.30), кроме радиуса капли r, остаются постоянными, то после интегрирования время испарения капли определяется по формуле Срезневского Б. И.:

, (4.31) где - константа испарения, l_исп – теплота испарения топлива, r_o и r_к – соответственно радиус капли первоначальный и в процессе испарения.

Расчет процесса нагрева и испарения капель дизельного топлива и мазута более подробно рассмотрен в работах [1, 5].

Рис. 4.9. Тороидальный вихоь в камере сгорания

Экспериментально установлено, что в камере сгорания формируется тороидальный вихрь, показанный на рис. 4.9. Его движение тороидального вихря направлено через зоны действия топливных факелов. В тороидальном вихре имеются зоны О₁rC₁ и О₂rС₂, в которых частицы воздуха вращаются по закону твердого тела, т.е. , и зоны О₁rВ₁ и О₂rВ₂, в которых воздух вращается по закону потенциального вихря, т.е. , где Г – циркуляция.

Создание воздушных потоков требуемой интенсивности и направления дви-жения обеспечивается соответствующей формой и конструктивными особенно-стями.

На рис. 4.10 представлена схема камеры сгорания газотурбинного двигателя (ГТД), особенности которой состоят в следующем:

1. Камера сгорания разделена на зону горения и зону смешения, что позво-ляет часть воздуха G_I, постепенно (ступенчато) подводить для горения быстро испарившихся капель топлива и далее - по мере подготовки оставшейся части топлива к горению. В результате обеспечивается и средняя температура газов 1600-1800 ^оС:

2. Оставшаяся часть воздуха G_II, минуя зону горения, направляется через специальные отверстия в зону смешения жаровой трубы 2, в которой этот воздух смешивается с продуктами сгорания, обеспечивая заданную температуру газа перед турбиной 750…950^оС (в авиационных ГТД~1200 ^оС).

3. Турбулизация потока в зоне горения достигается посредством ради-ального ввода струй воздуха через отверстия в стенках жаровой трубы и установ-кой в торцевой части камеры лопаточных завихрителей, перфорированных плас тин и других плохообтекаемых тел. В результате интенсифицируются процессы тепло- и массообмена , улучшается смесеобразование и увеличивается скорость горения топлива.

Рис. 4.10. Камера сгорания газотурбинного двигателя

В котельных топках и промышленных печах мазут сжигают в факеле. Особенность сжигания мазута состоит в том, что воздух для горения подается к устью форсунки, в результате воздушная струя захватывает распыленное топливо и образуется двухфазная струя. В начальный период теплота к струе подводится от запальника, после стабилизации горения он отключается. Затем капли мазута нагреваются за счет теплообмена с продуктами сгорания и раскаленными поверхностями рабочего пространства печи и испаряются. Пары топлива перемешиваются с воздухом и образуют горючую смесь, которая, разогревшись до температуры воспламенения, загорается. Сжигание мазута организуется так, чтобы в максимальной степени обеспечить протекание окислительных процессов и не допустить процессов термического расщепления капель мазута, в результате затрудняется образование высокомолекулярных соединений и смол.

Интенсификация сжигания мазута достигается применение форсунок, обеспечивающих качественное распыливание, и горелочного устройства для подачи направленного потока воздуха.

Подогрев воздуха и мазута (не более 550 К) также ускоряет процесс ис-парения легких фракций мазута. Сжигание мазута должно осуществиться в топке большого объема, чтобы не допустить соприкосновение факела со стенками. Тем самым понижается температура факела и не допускается большой недожог.

Более подробно вопросы сжигания мазута, конструкции форсунок, горело-чных устройств и параметры факела рассмотрены в работах [1,5].