3.2.2 Горение капли жидкого топлива

Имея в виду, что горение жидких топлив происходит в паровой фазе, процесс горения капли жидкого горючего можно представить следующим образом.

Капля жидкого топлива окружена атмосферой, насыщенной парами этого горючего. Вблизи от капли по сферической поверхности с диа­метром d₂ устанавливается зона горения. Химическое реагирование сме­си паров жидкого топлива с окислителем происходит весьма быстро, поэтому зона горения весьма тонка. Скорость горения определяется наи­более медленной стадией-скоростью испарения горючего.

В пространстве между каплей и зоной горения находятся пары жидкого топлива и продукты горения. В пространстве вне зоны горе­ния- воздух и продукты сгорания.

В зону горения изнутри диффундируют пары топлива, а снаружи - кислород. Здесь эти компоненты смеси вступают в химическую реак­цию, которая сопровождается выделением тепла. Из зоны горения тепло переносится наружу и к капле, а продукты сгорания диффундируют в окружающее пространство и в пространство между зоной горения и каплей (рис.9). Однако механизм передачи тепла еще не представляется ясным. Ряд

исследователей считает, что испарение горящей капли происходит за счет молекулярного переноса тепла через пограничную застойную пленку у поверхности капли.

Рис. 9. Схема горения капли жидкого топлива

По мере выгорания капли из-за уменьшения поверхности общее испарение уменьшается, зона горения суживается и исчезает при полном выгорании капли.

Так протекает процесс горения капли полностью испаряющихся жидких топлив, находящейся в покое в окружающей среде или движу­щейся вместе с ней с одинаковой ско­ростью.

Количество кислорода, диффунди­рующее к шаровой поверхности при прочих равных условиях, пропорцио­нально квадрату ее диаметра, поэтому установление зоны горения на некото­ром удалении от капли обусловливает большую скорость ее горения по срав­нению с такой же частицей твердого топлива, при горении которой химиче­ская реакция практически протекает на самой поверхности.

Так как скорость горения капли жидкого топлива определяется ско­ростью испарения, то время ее выго­рания можно рассчитать на основе уравнения теплового баланса ее испа­рения за счет тепла, получаемого из зоны горения, т. е.

, (3.2)

где q - количество тепла, получаемое из зоны горения едини-

цей поверхности капли в единицу времени, кВт/м²;

F - поверхность капли в текущий момент времени, м²;

τ - время полного выгорания капли, с;

ρ - плотность жидкого горючего, кг/м³;

с_ср - средняя теплоемкость жидкого топлива, кДж/(кгК); г и

- температура кипения и начальная температура жид

кого топлива, °С;

λ_п - теплота испарения, кДж/кг;

Уменьшение объема капли за промежуток времени τ и текущий r и начальный r_о радиус капли, время полного выгорания капли жидкого горючего можно определить согласно уравнению (10-4).

(3.3)

Использование формулы (10-5) для расчета времени выгорания жидкого топлива связано с трудностями определения теплового потока q, поступающего из зоны горения к поверхности капли.

Для того чтобы показать определяющую роль испарения в протекан­ии процесса горения капли и зависимость испарения от тепловых условий Л. Н. Хитрин рассмотрел предельный случай, когда горение паров не лимитирует процесс, а тепловые условия задаются независимо от процесса горения паров горючего вблизи от поверхности капли. Им изложен метод определения количества тепла, получаемого движущейся каплей в предположении, что теплообмен капель с окружающей средой совершается только конвекцией. В этом случае тепловой поток, воспринимаемый каплей, ранен:

(3.4)

где Т_с - температура окружающей среды.

Величина коэффициента теплоотдачи α_с зависит от состояния движерия среды и рассчитывается по зависимости критерия Nu от числа Rе, определяемой экспериментально. Для мелких капель, движущихся в потоке с очень малой относительной скоростью (Rе<100), критерий

,

откуда (3.5)

Подставив выражение (3.4) для q с учетом выражения (3.5) формулу (3.3) и проинтегрировав, получим:

(3.6)

Согласно формуле (3.6) продолжительность выгорания капли, испаряющейся в процессе конвективного нагрева в несущем газовом потоке, пропорциональна квадрату ее начального радиуса.

Поскольку горение капель удовлетворяет линейной зависимости квадрата диаметра испаряющейся или горящей в диффузионном режиме капли от времени, то как характерную величину для горения капли принимают коэффициент горения

, мм²/с (3.7)

При горении в воздухе с температурой 800-900°С и скоростях обте­кания капель до 1 м/с для бензина К=1,3-*-1,5; для керосина К= 1,0 -1,3 мм²/с, для мазута и солярового масла значение к приблизи­тельно такое же. Коэффициент к возрастает с повышением температу­ры среды и концентрации кислорода, которые приводят к повышению температуры в зоне горения, а также с ростом скорости обтекания капли, приводящим к увеличению величины критерия Nu.

При сравнительно крупных каплях увеличивается расстояние от поверхности капли до зоны горения, вследствие чего роль конвективного теплообмена с каплей уменьшается и начинает превалировать передача тепла излучением из зоны горения.

В этом случае тепловой поток, воспринимаемый каплей, согласно может быть принят равным

q = q_л (3.8)

где q_л — интенсивность излучения диффузионного пламени на поверх­ности капли.

Подставив эту величину в выражение (3.3) получим формулу для расчета времени выгорания капли при условии лучистого теплообмена

(3.9)