книги из ГПНТБ / Эксплуатационные свойства и применение горючего, смазочных материалов и специальных жидкостей учебное пособие

Характеристики воспламеняемости горючего. К параметрам процесса воспламенения относятся пределы воспламенения, темпе­ ратура и период задержки воспламенения, энергия активации а энергия зажигания для принудительного воспламенения. Пределы воспламенения зависят от химического состава горючего и окисли­ теля, температуры, давления и турбулентности среды, мощности источника зажигания. Концентрационные пределы воспламенения некоторых горючих в воздухе приведены в таблице 14.

Широкими пределами воспламенения обладают водород и аце­ тилен. Насыщенные углеводороды и их смеси имеют более узкие пределы воспламенения. Для н-алканов область воспламенения шире, чем для изоалканов. С уменьшением молекулярной массы углеводородов пределы воспламенения расширяются. Повышение начальной температуры и давления горючей смеси увеличивает скорость реакций предпламенных превращений, что вызывает рас­ ширение пределов воспламенения.

охлаждение и уменьшение скорости химических превращений. Пределы воспламенения значительно изменяются при добав­ лении некоторых веществ, способных оказывать влияние на разви­ тие предпламенных реакций. Известны вещества как расширяю­ щие, так и сужающие пределы воспламенения. С увеличением теп­ лоемкости, теплопроводности и концентрации инертных разбавите­

лей пределы воспламенения сужаются.

Температура и период задержки воспламенения. Воспламене­ нию предшествует период медленного нарастания скорости реак­ ции; соответствующий разогреву горючей смеси в тепловом воспла­ менении, изотермическому ускорению реакции при развитии цепей

140

в цепном воспламенении, накоплению активных продуктов и тепло­ ты в системе при цепочно-тепловом воспламенении. Период време­ ни от качала развития предпламенных реакций до появления очагов пламени называется периодом задержки воспламенения. Для теп­ лового и цепочно-теплового взрывов важной характеристикой яв­ ляется температура воспламенения — температура, при которой становится возможным прогрессивный саморазогрев реакции до воспламенения.

Температура и период задержки воспламенения зависит от свойств горючей смеси и условий воспламенения: температуры, дав­ ления, состава, размеров и материала реакционного сосуда, мощ­ ности источника зажигания при принудительном воспламенении.

Смеси горючего и окислителя, обладающие высокой реакцион­ ной способностью, воспламеняются при более низкой температуре и с меньшей задержкой, чем смеси малой реакционной способно­ сти, требующие высокой энергии активации.

При воспламенении углеводородов в среде кислорода воздуха наиболее низкие температуры воспламенения имеют алкановые углеводороды, наиболее высокие— ароматические. С увеличением молекулярной массы температура воспламенения уменьшается.

Температуры воспламенения сильно изменяются в зависимости от вида и строения углеводородов (рис. 32).

Повышение температуры и давления реагирующей смеси вне области отрицательного температурного коэффициента увеличи­ вает скорость предпламенных реакций, что приводит к снижению температуры и сокращению периода задержки воспламенения. Рассматривая зависимость периода задержки от условия воспла­

141

менения, необходимо учитывать их влияние на две составляющие этого периода — время физических и химических превращений:

На параметры воспламенения распыленного топлива в среде воздуха, особенно при низких температурах, большое влияние ока­ зывают процессы подготовки горючей смеси к воспламенению. При низких температурах повышение вязкости, поверхностного натя­ жения и уменьшение давления насыщенных паров снижает эффек­ тивность смешения горючего и окислителя и увеличивает задержку воспламенения.

Температурная зависимость тво = / ( Т) для различных угле­ водородов определяется характером предпламенных превращений в различных температурных областях.

440 460 480 500 5Z0 540 560

Температура,°с

Рис. 33. Влияние температуры на период задерж­ ки воспламенения фракций дизельного топлива:

1—изоалкановой; 2—циклановой; 3—ароматической.

При высоких температурах влияние химического состава топ­ лива сказывается слабее (рис. 33). При достаточно высоких темпе­ ратурах происходит быстрое развитие химических реакций топ­ лива любого состава и общая длительность задержки воспламене­ ния определяется в основном физическими процессами.

Состав горючей смеси влияет на условия протекания предпла­ менных превращений и физические характеристики горючей смеси. Отдельные стадии и реакции предпламенных процессов развива­ ются при своих оптимальных соотношениях горючего и окислителя. Первичные реакции окисления углеводородов наиболее быстро развиваются в богатых смесях. Для последующих стадий процесса требуется все больше и больше кислорода. Оптимальные условия воспламенения обычно создаются в смесях несколько обогащенно­

142

го состава. Обогащение или обеднение смеси относительно опти­ мального состава снижает химическую активность и энергетиче­ ский запас реагирующей системы, увеличивает затраты тепла на нагревание излишнего количества горючего и окислителя. Все это увеличивает период задержки воспламенения.

Размеры, материал, форма камеры сгорания, характер движе­ ния смеси определяют условия энергетического обмена реагирую­ щей системы с внешней средой. Увеличение отвода тепла в окру­ жающую среду и затрат энергии на нагревание или испарение топ­ лива, на расширение реагирующей смеси сопровождется ростом пе­ риода задержки воспламенения. Вихревое движение среды сокра­ щает период задержки воспламенения при высоких начальных тем­ пературах и увеличивает его при низких. Рассматривая зависимо­ сти параметров воспламенения от температуры и давления, необхо­ димо учитывать влияние последних на характеристики турбулент­ ности среды.

При принудительном воспламенении имеет значение мощность и размеры источника зажигания. Чем больше энергия зажигания, тем с меньшей задержкой воспламеняется горючая смесь.

Энергия активации зависит от вида горючего и окислителя, тем­

Изменение энергии активации с переходом из одной темпера­ турной области в другую связано с изменением механизма развет­ вления цепной реакции. Имеющиеся экспериментальные данные, показывают, что в одних случаях с ростом температуры значение Дэф проявляет тенденцию к увеличению, а в других, наоборот, уменьшается.

Для предпламенных реакций окисления углеводородов в среде кислорода воздуха в интервале температур 300—500°С величина Дэф лежит в пределах 30—50 ккал/г-моль.

Принудительное воспламенение вызывается обычно электриче­ ским разрядом. При этом подвод теплоты и активированных мо­ лекул, радикалов, атомов и ионов инициирует химические реакции окисления и вызывает воспламенение. При низких давлениях, осо­ бенно когда горючая смесь воспламеняется тлеющим разрядом, существенное значение приобретает активация ионизированными молекулами, радикалами и атомами, а при повышенном давлении воспламенение больше зависит от теплового фактора.

Необходимая энергия зажигания зависит от физико-химических свойств горючего и окислителя, рода источника зажигания, состава смеси и других условий воспламенения. Энергия воспламенения до­ стигает минимума при оптимальном для каждой горючей смеси составе.

По мере увеличения молекулярной массы углеводородов вели­ чина оптимального состава смеси смещается в сторону богатых

14а

смесей, а критическая энергия зажигания уменьшается. Энергия зажигания уменьшается при переходе от алкановых углеводоро­ дов к алкенам и мало отличается у ароматических и алифатических углеводородов с одинаковым числом атомов углерода в молекуле. Для большинства углеводородо-воздушных смесей оптимальнее состава энергия воспламенения при нормальных условиях состав­ ляет 0,18—0,30 мДж.

С повышением начальной температуры и давления горючей смеси необходимая энергия воспламенения уменьшается примерно

по следующей зависимости Е га— ТГ3 и £ Вс — Энергия воспламенения увеличивается, а область зажигания

сужается с повышением скорости движения среды и ее турбулент­ ности, если эти факторы увеличивают отвод тепла из зоны реакции и объем смеси, в которой формируется очаг воспламенения.

Энергия, необходимая для воспламенения горючей смеси, зави­ сит также от формы и материала электродов, величины разрядного промежутка и времени соприкосновения начального очага воспла­ менения с электродами. Влияние этих факторов особенно заметно при низких начальных температурах и давлении реагирующей смеси.

ГОРЮЧЕСТЬ

Значение горючести. Горючесть как эксплуатационное свойство определяет полноту, скорость и устойчивость процесса горения в двигателях. Повышение полноты сгорания топлива в двигателях в настоящее время приобрело большую актуальность в связи с проб­ лемой очистки воздушного бассейна от токсичных продуктов сго­ рания Полнота сгорания топлива важна и потому, что с ней свя­ заны расход горючего и дымность выпускных газов. В каждом типе двигателя процесс горения должен развиваться с оптимальной ско­ ростью. Повышение скорости горения до определенных пределов способствует улучшению мощностных и экономических показате­ лей двигателя, позволяет уменьшить вес и размеры камер сгорания. Однако очень высокие скорости горения взрывного характера не дают улучшения характеристик рабочего процесса двигателя и рез­ ко снижают их надежность. Устойчивость горения, особенно при резких изменениях условий и режима работы двигателей является необходимым условием эффективности и надежности двигателей.

Механизм распространения пламени. Процесс горения всегда осуществляется в определенной зоне — фронте пламени, имеющем определенную поверхность и толщину. Фронт пламени отделяет область еще не прореагировавшей исходной смеси от области про­ дуктов сгорания. Даже при горении газообразных, заранее переме­ шанных горючих смесей редко имеется сплошной фронт пламени. Чаще всего наблюдаемое пламя состоит из многих очагов и зона горения в этих очагах распространяется по горючей смеси с раз­ личными скоростями.

144

Б зависимости от свойств горючей смеси и условий горения мо­ жет значительно меняться как физическая картина процесса, так и механизм распространения зоны реакции.

Ниже будут рассмотрены два важных вида горения: горение газообразных горючих смесей и горение распыленного жидкого топлива в атмосфере кислорода воздуха. Каждый из этих видов горения может в свою очередь протекать в так называемой кинети­ ческой и диффузионной области.

Диффузионное горение осуществляется, если скорость процесса зависит главным образом от скорости смешения горючего окисли­ теля, когда химические превращения протекают со столь значитель­ ной скоростью, что в общей последовательности всех стадий про­ цесса горения наиболее тормозящим фактором становятся физиче­ ские процессы подготовки горючей смеси. При диффузионном го­ ренки скорость процесса зависит преимущественно от гидродина­ мических факторов и меньшую роль играют свойства топлива.

Г.сли скорость смешения горючего и окислителя очень велика н скорость процесса в основном зависит от химических превращений во фронте пламени, тогда процесс горения осуществляется в кине­ тической области. Однако скорость процесса наряду с химическими определяется также и физическими процессами передачи тепла и вещества из зоны горения в свежую смесь

Механизм распространения зоны реакции в процессе горения может быть различным. Существуют следующие виды распростра­ нения пламени: нормальное, цепное, путем умножения очагов са­ мовоспламенения и детонационное.

Нормальное, или тихое, распространение фронта пламени чаще всего встречается в практике применения топлив в двигателях. Остальные механизмы распространения обычно являются побоч­ ными в общем сложном комплексе физико-химических превраще­ ний при горении в двигателях. Существенно роль их проявляется при различного рода отклонениях от нормального развития про­ цесса горения.

Механизм нормального, или тихого, распространения пламени обусловлен передачей теплоты, а также активных промежуточных продуктов реакции из зоны горения в свежую горячую смесь.

Распространение зоны горения путем умножения очагом само­ воспламенения можно представить как самовоспламенение некото­ рых конечных объемов исходной или частично прореагировавшей горючей смеси в процессе турбулентного перемешивания с нагре­ тыми продуктами сгорания или как последовательное самовоспла­ менение конечных объемов смеси, прошедшей предпламенную под­ готовку.

При детонационном распространении пламени горючая смесь воспламеняется вследствие сжатия ее в ударной волне. Ударная волна, проходя по горючей смеси, вызывает ее нагрев, в зависимо­ сти от характеристик: скорости, температуры и давления. Когда по горючей смеси проходит ударная волна со степенью сжатия, до­

статочной; для ее воспламенения, возникает детонационная волна. Это значит, ;что при давлении и температуре ударной волны горю­ чая смесь воспламеняется с задержкой, не превышающей время пребывания смеси в зоне сжатия ударной волной.

Детонационная волна представляет собой совместное распро­ странение механической ударной волны с фронтом пламени. Ско­ рость распространения детонационных волн постоянна для дан­ ных условий осуществления процесса и составляет от 1200 до

3500 м/с.

Толщина фронта ударной волны весьма мала, и химическая реакция не успевает завершиться во фронте волны. За фронтом ударной волны располагается растянутая зона химической реак­ ции. Но глубина этой зоны ограничена. При большой ширине зоны реакции отвод тепла в стенки может настолько снизить температу­ ру реагирующей смеси, что распространение детонационной волны будет невозможным.

При цепном механизме распространения пламени процесс осу­ ществляется в результате диффузии активных продуктов из зоны реакции в свежую смесь. Примером цепного распространения пла­ мени может служить холодное пламя в смесях углеводородов с зоз-

духом.

Горение однородных горючих смесей. При распространении пла­ мени в однородных газовых смесях химическая реакция в каждый данный момент протекает в сравнительно тонком слое. Перед зо­ ной реакции имеется слой, в котором разогревается свежая горю­ чая смесь. Рассматриваемый фронт пламени (рис. 34) можно в первом приближении считать изотермической поверхностью, рас­ пространение которой и определяет скорость горения.

Скорость перемещения по оси X, нормальной к поверхности фронта пламени, называется нормальной или фундаментальной

скоростью распространения пламени ин = -d^x .

Согласно тепловой теории распространение пламени осущест­ вляется передачей тепла из зоны реакции в свежую смесь. Тогда нормальная скорость распространения пламени

а толщина фронта пламени

где ён— толщина фронта пламени; аср — коэффициент температуропроводности среды; тх.р — время химической реакции.

Эти формулы не учитывают взаимную диффузию продуктов сгорания и свежей смеси, что может существенным образом влиять

146

на величину нормальной скорости распространения пламени и тол­ щину фронта пламени.

I орение заранее перемешанной горючей смеси сопровождается движением газа и искривлением поверхности фронта пламени. Ес­

В более общем виде эту закономерность можно сформулировать так: наблюдаемая скорость распространения пламени в заданном направлении относительно свежей смеси увеличивается по сравне­ нию с нормальной скоростью в таком отношении, как поверхность фронта пламени б1™ относится к площади ее проекции Sx, пер­ пендикулярной направлению распространения

с

Ц=. Ц _— -- ИН£ •

Процесс горения всегда осуществляется при той или иной сте­ пени турбулентности горючей смеси. Вместо тонкого и четко очер-. ченного фронта пламени при ламинарном течении в турбулентном потоке он имеет размытые контуры и значительную толщину.

ния пламени увеличивается благодаря интенсификации процессов переноса тепла и вещества посредством микротурбулизации в са­ мой зоне горения. В соответствии с ранее приведенными формула­ ми и с учетом турбулентной диффузии имеем:

где ^ — характеристическое время горения.

Так как время химической реакции остается неизменным, то ширина зоны горения при мелкомастшабной турбулентности уве­

личивается.

Крупномасштабная турбулентность вызывает увеличение по­ верхности фронта пламени, который становится шероховатым и волнистым (рис. 35, а) при интенсивной турбулентности (и '^ > и н),

С

Продукт

сгорания

Рис. 35. Схема фронта пламени при турбулентном горении однородных смесей:

о—малая интенсивность турбулентности; б—большая интенсивность турбулентности.

волнение поверхности достигает такой величины, что от фронта пламени отрываются отдельные газовые объемы. При этом фронт пламени разрушается, появляются отдельные беспорядочно дви­ жущиеся объемы невоспламененной и горящей смеси (рис. 35, б) . Объемы горящей смеси в продуктах сгорания и объемы продуктов сгорания в свежей смеси образуют при хаотическом движении ши­ рокую зону турбулентного пламени. Горение отдельных объемов

148

свежей смеси идет путем распространения пламени либо в резуль­ тате самовоспламенения.

П о л а г а я , ч т о и д л я т у р б у л е н т н о г о г о р е н и я о с н о в н ы м и п а р а ­

м е т р а м и я в л я ю т с я н о р м а л ь н а я с к о р о с т ь р а с п р о с т р а н е н и я п л а м е н и ит6, т о л щ и н а зо н ы г о р е н и я 8т6 и в р е м я с г о р а н и я тт6, м о ж н о о п р е ­

При большой интенсивности турбулентности и'^§>инотдельные объемы горючей смеси при горении могут дробиться на части тур­ булентными пульсациями и время их горения в основном определя­

Стационарное горение в потоке газообразной заранее подготов­ ленной горючей смеси, скорость которой больше скорости распро­ странения пламени, возможно при условии непрерывного поджи­ гания смеси каким-либо источником. При отсутствии искусствен­ ного источника поджигания для образования стационарного фрон­ та пламени в потоке необходимо иметь точки, где скорость распро­ странения пламени равна скорости потока и направлена в проти­ воположную сторону. Для стабилизации горения в турбулентном потоке устанавливаются плохо обтекаемые тела — стабилизаторы.

Горение распыленного топлива. Горение жидкого распыленного топлива обычно осуществляется в турбулентном потоке и диффузи­ онной области. Для характеристик гетерогенной горючей смеси не­ обходимо знать степень и однородность распыливания, распределе­ ние капель и количество испаренного топлива в пространстве ка­ меры сгорания. Приближенной характеристикой гетерогенной сме­ си могут быть коэффициенты избытка воздуха суммарный as и по

паровой фазе а„, а также средний диаметр капель. Факел пламе­ ни гетерогенной горючей смеси сильно отличается от фронта горе­ ния однородных смесей. Внешний контур зоны горения гетероген­ ной смеси имеет большую протяженность в направлении движения смеси и сильно размыта.

В зоне горения распыленного топлива с большим (до 50%) со­ держанием неиспарившегося горючего отчетливо наблюдаются сле­ ды горящих капель в виде ярко-желтых полос на сплошном голу­ бом фоне факела пламени. При понижении температуры и умень­ шении доли испаренного топлива в смеси приблизительно до 20% вид факела изменяется: отсутствуют сплошной голубой фон и не­ прерывный фронт пламени, наблюдается горение отдельных капело

149