Вращающиеся печи: теплотехника, управление и экология - Лисиенко В.Г.
ISBN 5-98457-018-1
Скачать (прямая ссылка):
В разработке теории распространения пламени большая роль принадлежит советским ученым Я. Б. Зельдовичу, Д. А. Франк-Каменецкому, К. И. Щелки-ну, Е. С. Щетинкову и др.
Как и следовало ожидать, опыт показывает, что скорость распространения пламени в смеси горючего газа с воздухом (или с кислородом) находится в непосредственной связи с содержанием в ней горючего газа и при изменении соотношения между компонентами сильно изменяется. Действительно, чем интенсивнее тепловыделение в зоне реакции, тем быстрее при прочих равных условиях должен протекать процесс передачи тепла от фронта пламени к соседнему, еще не воспламененному слою смеси. Но ведь количество тепла, выделяемого при сгорании единицы объема смеси, различно для разных смесей с воздухом одного и того же газа. Оно максимально при стехиометрическом соотношении, когда выделяется все химически связанное тепло газа, и уменьшается в обе стороны, как при уменьшении содержания горючего газа по сравнению со стехиометрическим, так и при увеличении его. В первом случае уменьшается общий запас химической энергии в единице объема смеси, во втором случае, хотя он и возрастает, но вследствие недостатка воздуха все большая и большая часть его остается неиспользованной.
Итак, по мере уменьшения содержания горючего газа в смеси уменьшается и скорость распространения пламени в ней. Наконец, при определенном для каждой смеси составе, наступает такое положение, когда выделяющегося в зоне горения тепла уже не хватает для подогрева последующих слоев до температуры воспламенения, и пламя перестает распространяться в смеси. Аналогично этому и чрезмерное увеличение содержания горючего газа в смеси приводит в конечном счете к тому, что распространение пламени в ней прекращается.
21
Вследствие этого зависимость скорости распространения пламени от концентрации горючего газа в смеси всегда имеет вид кривой колоколообразной формы, заканчивающейся с обеих сторон в точках, называемых концентрационными преДелами воспламенения. На рис. 4.8 представлены кривые такого вида для основных горючих компонентов газообразного топлива.
Эти кривЫе относятся к скорости равномерного распространения пламени в трубке диаметром 25 мм. На графике видна резкая разница в величине максимальной скорости распространения пламени для водорода, с одной стороны, и окиси углерода и метана — с другой стороны. Эта резкая разница существенно скззывается на поведении различных газообразных топлив в процессе горения. В зависимости от содержания водорода в них приемы технического сжиганйЯ иногда существенно различаются.
Следует отметить, что распространение пламени в трубке диаметром 25 мм дает скороСть> отличную от нормальной скорости распространения пламени. На рис. 4.9 даны соответствующие кривые для этой последней.
Как видно из рисунка, общие закономерности остаются теми же, что и в первом случае’ разница состоит лишь в самой величине скорости.
Обращает на себе внимание то, что максимальное значение скорости распространения пламени в обоих случаях не соответствует стехиометрическому соотношению между газом и воздухом. Максимум кривых всегда более или менее смещен вправо, т.е. в сторону избытка содержания газа. Например, для смесей водорода и окиси углерода с воздухом стехиометрическое содер-
0 20 40 60 80
Содержание горючих газов в смеси с N2, %
Рис. 4.8. Зависимость скорости распространения пламени от состава смеси в трубке d = = 25 мм: / — цоД°Р°Д; 2 окись углерода; 3 — метан; 4 — этан
Содержание горючего газа в смеси с N2, %
Рис. 4.9. Зависимость нормальной скорости распространения пламени от состава смеси: 1 — водород; 2 — оксид углерода; 3 — метан; точки, соотвеству-ющие стехиометрическому составу горючего газа: 4 — для оксидов Н, и СО; 5 — для метана
22
ясание горючего газа равно 29,5 %, максимум же скорости распространения пламени соответствует величине 57-58 %. Для метана (как и для других угле-водородных газов) различие это не столь заметно, но все же имеется. Стехиометрическое содержание метана в смеси равно 9,5 %, максимальная же скорость распространения пламени наблюдается при 10 %. Причина этого трудно объяснимого факта лежит в том, что, помимо теплового эффекта химической реакции горения, на процесс распространения пламени влияет и ее кинетика, а оптимальные условия для скорости выхода продуктов реакции, вытекающие из конкретных кинетических уравнений горения, не соответствуют стехиометрическому составу смеси.
Уменьшаясь по мере приближения состава смеси и к одному и к другому предельному значению, скорость распространения пламени никогда не дости-гает нуля, имея некоторую конечную величину для обоих предельных составов. Для различных газов скорости распространения пламени на концентрационных пределах различны, так же, как они различны и для обоих пределов одного и того же газа; но если воспользоваться понятием массовой скорости, то картина получается иной. Величина ии сможет быть определена как объемная скорость, так как ее размерность (м/с) может быть представлена в виде м3/ (м2-с). В отличие от нее массовая скорость тн = инр имеет размерность кг/ (м2-с), так как р — плотность смеси, размерность которой кг/м3.
