ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Структура факела и последовательность протекания в нем элементарных процессов из "Сжигание тяжелых жидких топлив" При рассмотрении совокупности капель, имеющихся в факеле, возникает вопрос, в какой мере здесь сохраняются последовательность и общие закономерности частных процессов при горении капли в факеле Подача топлива в топку при интенсивной турбу-лизации потока и различных начальных размерах капель делает задачу выявления особенностей протекания элементарных процессов в факеле в настоящее время чрезвычайно сложной. Эта сложность определяется главным образом тем, что в данном сечении факела в каждый фиксированный момент времени существуют капли различных размеров, каждая из которых находится на определенной стадии собственного процесса горения, а сам процесс горения капель развивается в условиях непрерывно изменяющихся температур, скоростей и состава среды. [c.63] Задача несколько упрощается для условий обычного стационарного факела, горящего в потоке воздуха. В этом случае при сохранении постоянными всех внешних условий (скорости, температуры, давления и состава потока, а также размеров капель) можно выделить в факеле такие области, параметры которых не зависят от времени и изменяются лишь от сечения к сечению. Несмотря на чрезвычайную сложность и взаимное наложение отдельных стадий, в первом приближении можно выделить некоторые основные обобщенные процессы, которые для упрощения принимаются независимыми друг от друга. Таковыми обычно считают процессы смесеобразования и собственно горения. [c.63] Возникновение таких обобщенных понятий определяется тем, что в горящем стационарном факеле, как это показывают многочисленные непосредственные наблюдения, можно выделить по крайней мере три участка холодный, или участок предпламенных процессов, ядро факела и участок догорания. Границей между зоной предпламенных процессов и ядром факела обычно принимается фронт пламени, т. е. зона резкого изменения параметров топливо-воздушной смеси. [c.64] Между ядром факела и зоной догорания нет четко выраженной границы, и последняя обычно устанавливается по косвенным признакам, таким, как начало плавного понижения температуры или уменьшения скорости химической реакции. Фронт пламени также не является строгой физической границей между зоной предпламенных процессов и ядром факела, так как непосредственно за фронтом пламени наблюдается интенсивный рост температуры потока, свидетельствующий о последовательном воспламенении и сгорании все новых и новых порций топлива. Однако выбор этой границы удобен с методической точки зрения. [c.64] Горение жидкого топлива рассматривается как процесс горения его паров, капли рассматриваются лишь как источник пара. Предполагается, что скорость, или время, испарения определяется константой, соответствующей условиям испарения одиночной капли. С другой стороны, горение паров топлива, т. е. реакция химического взаимодействия молекул топлива и кислорода, происходит в условиях как бы гомогенной смеси со скоростями, зависящими от местных концентраций, реагирующих веществ и температуры. [c.66] Другая, в сущности противоположная точка зрения на развитие процесса горения распыленного топлива основывается на перенесении закономерностей горения одиночной капли на горение всего факела, а некоторый средний размер капель принимается за определяющий [34, 35, 36]. Сопоставляя эти две точки зрения, легко видеть, что они исходят из двух крайних случаев процесс горения факела распыленного топлива либо сводится к горению гомогенной газо-воздушной смеси и пренебрегается собственно горение каждой частички топлива, либо факел рассматривается как простая совокупность капель, каждая из которых не оказывает никакого влияния на развитие процесса горения соседних, и возможность горения паров топлива в пространстве между каплями вовсе не учитывается. Очевидно, вопрос о том, какая из этих точек зрения наиболее применима к случаю факельного сжигания тяжелых топлив, может быть решен в результате рассмотрения данных о структуре горящего факела. [c.66] Исследование структуры пламени двухфазных топливо-воздушных смесей началось лишь в самое последнее время и основные закономерности процесса горения распыленного топлива выяснены еще недостаточно полно. Основная задача исследований — выяснить вопрос о том, в какой мере закономерности, выявленные при исследованиях горения одиночной капли, справедливы для условий ее горения в факеле. Необходимость решения этой задачи определяется тем, что основные предпосылки, сделанные при аналитическом описании процесса горения одиночной капли, справедливы либо для очень мелких, либо для крупных капель. Так, например, предположение о сферической симметрии зоны горения оправдывается лишь для мелких капель, когда конвективные потоки, возникающие вокруг горящей капли, не играют существенной роли. С другой стороны, предположение о стационарности процесса горения капли справедливо лишь для капель большого диаметра. Кроме того, выявленная зависимость константы горения от внешних условий, таких, как температура среды и содержание кислорода, указывает на то, что условия сгорания капли в факеле должны в какой-то мере отличаться от условий ее горения в неограниченном пространстве. [c.66] Исследование общей структуры пламени распыленного топлива в турбулентном потоке воздуха [37] показало прежде всего, что такой факел не является однородным. Фотографированием свободного факела пламени установлено, что при сравнительно больщих экспозициях (0,5 се/с) вся зона горения распыленного керосина оказывается равномерно светящейся. По мере уменьшения экспозиции общий светящийся фон пламени исчезает и появляются отчетливо различимые следы горящих капель в виде ярких полос на сплошном фоне пламени. [c.67] Снижение начальной температуры смеси приводило к тому, что общий фон пламени разрывался на отдельные участки, которые в основном окружали яркие светящиеся языки пламени. При дальнейшем понижении температуры смеси и, следовательно, начальной концентрации паровой фазы, фон полностью исчезает. На основании этих данных делается вывод о том, что при низких начальных температурах смеси и малой концентрации паров топлива нет сплошного фронта пламени, а происходит горение как отдельных капель, так и их совокупностей [37 ]. При повышении температуры смеси и увеличении начальной концентрации топливных паров может образоваться сплошной фронт пламени. Однако при этом также сохраняются отдельные очаги горящих капель. [c.67] Съемки с большим увеличением (19х) и использованием принципа оптической компенсации дали возможность выявить отдельные капли топлива и расстояния между ними. Было отмечено, что изображения зон горения размыты в гораздо большей степени, чем изображения самих капель. Это указывает на то [38 ], что зоны горения переносятся турбулентными пульсациями потока с большей легкостью, чем капли, вследствие чего они могут занимать самые различные положения относительно последних. Хотя вокруг капель и образуются индивидуальные зоны горения, как и вокруг группы капель, однако не все они горят одновременно. В работе [39 ] указывается, что пр.и сгорании топлива в условиях факела в некоторых случаях имеет место испарение капель в горячую среду с последующим сгоранием паров топлива на некотором расстоянии от капли. При анализе этих данных следует заметить, что они получены в результате исследования факела сравнительно легких топлив (керосин и бензин), которые имеют высокие значения характеристик испарения. [c.67] Для исследования структуры факела распыленного дизельного топлива авторами было использовано явление ионизации пламени. [c.67] Если в горящий факел ввести два электрода, к которым приложено некоторое напряжение, то под воздействием ионов, образовавшихся в пламени, проводимость промежутка между электродами значительно возрастет. Концентрация ионов в свою очередь будет определяться свойствами топлива, температурой и составом смеси [40, 41, 42, 43, 44]. [c.67] Как-показали результаты проведенных работ, при температуре продуктов сгорания керосина приблизительно ЗОО С ток ионизации представляет собой пульсирующую линию с отдельными ясно выраженными пиками, частота и амплитуда которых характеризуют количество и температуру отдельных объемов продуктов сгорания, проходящих через межэлектродный зазор. Осциллографическая запись тока ионизации (рис. 33) свидетельствует о наличии некоторой постоянной составляющей ионизационного тока, соответствующей общему уровню ионизации продуктов сгорания и их температуре. Кривая ионизационного тока, полученная для продуктов сгорания с температурой около 1000° С (см. рис. 33, А), не имеет отдельных ясно выраженных пиков тока ионизации, которые наблюдались при более низкой температуре. Исследование тока ионизации пульсирующего холодного пламени (—250° С) показывает (см. рис. 33, В), что пламя это представляет собой совокупность отдельных гор щих объемов пара, количество которых не остается постоянным во времени в каждой данной точке факела. Осциллографирование тока ионизации при воспламенении и горении распыленного топлива Б турбулентном потоке воздуха при различных условиях дает в общем одинаковую картину (см. рис. 33, Г) с тремя четко выраженными областями, характерными для этого процесса областью первоначального зажигания факела, областью распространения пламени от начального очага горения по всему объему факела и областью установившегося горения. В начальный момент времени, когда в холодной топливо-воздушной смеси происходит электрический заряд, воспламеняющий эту смесь, датчик регистрирует отдельные всплески ионизационного тока, источником которого является сам электрический заряд (линия / на рис. 33). О воспламенении топлива можно судить по линии динамического напора воздуха (линия, 3), которая в этот момент имеет значительный подъем. В последующий период происходит распространение пламени от начального очага по всему объему факела, о чем свидетельствует изменение характера кривой тока ионизации и динамического напора воздушного потока. [c.68] С нашей точки зрения вероятность того, что отдельные горящие капли могут вызвать появление тока ионизации, достаточно велика. Необходимо учесть, что здесь важен не диаметр капель, исчисляемый в 0,1—0,4 мм и даже не радиус их зоны горения, который в 6—10 раз больше размеров капли, а та область высокотемпературных продуктов горения, которая распространяется вокруг капли на расстояние 20—40 диаметров капель, что составит 2—4 мм, т. е. расстояние, соизмеримое с расстоянием между электродами датчика. [c.70] Таким образом, результаты исследования структуры горящего факела двухфазной топливо-воздушной смеси (главным образом легких топлив) позволяют заключить, что горение распыленного топлива может протекать в виде как горения отдельных капель и их совокупностей, так и горения газо-воздушных смесей. Непосредственных данных о структуре факела тяжелых остаточных топлив типа мазутов и крекинг-остатков нет. Однако основываясь на данных, приведенных в гл. 1, можно предположить с достаточной степенью достоверности, что процесс сгорания факела тяжелого топлива будет развиваться в условиях более четко выраженного дискретного строения факела. Это, естественно, не означает, что при сжигании тяжелого топлива исключается горение его иаров в пространстве между каплями. Но, как следует из материалов гл. 1, их количество определяется не столько свойствами топлива, сколько внешними условиями горения, если понимать под этим температуру, скорость, состав среды, а также размеры капель в факеле. В зависимости от этих условий количество иаров топлива, вышедших за пределы индивидуальной зоны горения капли тяжелого топлива, будет изменяться в ту или иную сторону, оставаясь, однако, всегда значительно меньшим, чем для капли легкого топлива, находящейся в идентичных условиях. Из этого непосредственно следует, что при сжигании тяжелых топлив в основном должна сохраняться вся последовательность элементарных стадий, наблюдаемых ири развитии процесса горения одиночной капли, хотя на длительности каждой из них будет сказываться влияние других капель, расположенных в непосредственной близости. [c.70] Вернуться к основной статье