Міністерство освіти і науки України
Одеський національний університет ім. І.І. Мечникова
Кафедра теплофізики
Тепломасообмін при випаровуванні і горінні крапель рідких палив

«Допустити до захисту»
зав. кафедри теплофізики
профессор_Калінчак В.В.
«__»_________ 2003р.
Курсова робота
студента IV курсу фізичного факультету
Карабаджак Н.П.

Науковий керівник
професор Калінчак В.В.
Одеса 2003

зміст
Введення
1. Визначення швидкості випаровування (горіння) краплі
Огляд літератури
Кінетика горіння
Вплив вологості на горіння краплі вуглеводневих палив
2. Критичне умова займання краплі
Метод Зельдовича
Аналіз залежності критичного умови
3. Гістерезис горіння. зрив полум'я
Горіння в потоці повітря
Природна конвекція
Вимушена конвекція
Література

введення
Управління процесом горіння диспергованих рідких палив у потоці шляхом зміни фізико-хімічних характеристик потоку представляє один з перспективних напрямків у теплоенергетиці. Таке управління з одного боку дозволяє регулювати швидкість в критичні умови горіння крапель рідких палив з урахуванням особливостей камер згоряння та умов їх експлуатації. З іншого боку - збільшити тепловиділення за рахунок догорання чадного газу СО до вуглекислого СО _2, що в свою чергу дозволяє вирішувати дуже актуальні завдання охорони навколишнього середовища. Завдання інтесіфікаціі процесу горіння рідкого палива, а, отже, отримання максимального К.П.Д. вирішується двома шляхами. Перший шлях - зміна якісного складу палива, досягається введенням в рідину різних добавок; другий пов'язаний з можливістю збільшення К.П.Д. завдяки збільшенню процесу сумішоутворення і зміни якісного складу газового середовища, в якій відбувається горіння рідкого палива. З літератури відомо, що наявність парів води в газовій фазі прискорює протікання хімічних реакцій вуглеводнів.
Завдання величин швидкості горіння, швидкості зриву полум'я з крапель рідких палив і константи горіння залежності від відносного вмісту кисню і водяної пари в потоці, представляє безперечний інтерес для вирішення питань про інтесіфікаціі процесу горіння рідкого палива і отже отримання максимального К.П.Д.

Глава 1.
Визначення швидкості випаровування (горіння) краплі.
1.1 Огляд літератури
Аналітичне розгляд процесу горіння краплі рідкого палива грунтується на обліку взаємного впливу факторів, що визначають хімічну кінетику, тепломасообмін, випаровування та інші явища, що супроводжують горіння і зумовлені ним. Очевидно, побудова повної теоретичної схеми процесу горіння пов'язано з подоланням надзвичайно великих труднощів. Тому в теоретичних роботах розглядаються ідеалізовані схеми з використанням ряду спрощують передумов. Теорія дифузійного горіння одиночної краплі палива була вперше створена Г. А. Варшавським в 1945 році. Теорії горіння краплі, створені за кордоном, Сполдінг, Голдсмітом іПіннером [1,2], засновані на більш спрощених передумови, наприклад, не враховують залежність коефіцієнтів теплопровідності від температури. Останнім часом з'явилася велика кількість робіт, в яких враховується кінцівку швидкості хімічної реакції.
1.2 Кінетика горіння
Основу дифузійної теорії складають наступні передумови:
1. Процес розглядається як квазістаціонарний,. Це значить, що не враховується зміна полів температур і концентрацій компонент газового середовища в міру вигоряння краплі.
2. Передбачається, що кінетичне опір горінню нікчемно в порівнянні з дифузійним, тобто швидкість хімічного перетворення набагато більше швидкості підведення компонентів реакції до зони горіння.
3. Поля температур і концентрацій симетричні. З цього випливає, що горіння відбувається в дуже вузькому шарі, практично на поверхні. Склад суміші на цій поверхні повинен відповідати стехіометрії. Для чисто дифузного процесу концентрація кисню і парів палива повинні бути нульовими.
Після потрапляння краплі в нагрітий потік окислювача відбувається її прогрівання, випаровування, дифузія парів і хімічна реакція. Оцінка часу прогріву до рівноважної температури показує, що ця величина значно менше повного часу випаровування краплі. Через цей час концентрація парів на поверхні краплі, і її температура встановлюються і далі не змінюються. Тому для теоретичного опису явища випаровування (горіння) скористаємося квазістаціонарних (рівноважної) моделлю випаровування у наближенні плівки, на межі якої температура дорівнює температурі середовища, значно більшою, ніж рівноважна температура краплі. Слід врахувати, при високих температурах окисної середовища перенесення тепла і маси Стефановський потоком, швидкість якого
(1.1)
де - Масова швидкість випаровування (горіння) краплі; - Радіальна координата; - Щільність газу.
Рівняння теплопровідності і дифузії містять член, що визначає джерело і сток тепла і маси за рахунок хімічної реакції. Рівняння теплопровідності має вигляд
(1.2)
Рівняння дифузії для концентрацій окислювача і парів записуються аналогічно
(1.3)
(1.4)
Ці рівняння записані з урахуванням перенесення тепла і маси Стефановський потоком (ліва частина рівняння (1.2) та (1.3), (1.4)).
Швидкість реакції визначимо кінетичним рівнянням другого порядку

(1.5)
де - Молярна маса відповідно парів і окислювача.
У рівняннях (1.2) - (1.5) прийняті наступні позначення:
- Відносна масова концентрації окислювача і парів; - Питомої ва теплоємність газу; - Коефіцієнт дифузії окислювача і парів; q - тепловий ефект реакції на одиницю маси окислювача; - Швидкість реакції, обумовлена ​​зміною масової концентрації окислювача і парів, ; - Коефіцієнт теплопровідності газу.
Рівняння (1.2) та (1.3) доповнимо граничними умовами. На поверхні краплі г = г _к; Т (г = г _к) = Т _к; концентрація парів є насиченою і залежить від Т _до за формулою Клаузіуса-Клапейрона
(1.6)
- Молярна маса повітря (газу); - Питома теплота пароутворення, Дж / ​​кг; М _п - молярна маса парів, кг / моль; T _КНП - температура кипіння рідини, концентрація окислювача n _{ок ок} На поверхні наведеної плівки r = r _пл; T (r = r _пл) = ; N _г (r = r _пл) = 0; n _ок (r = r _пл) = n _{ок, ∞.} При горінні окислювач не доходить до поверхні краплі n _{ок, к} = 0.
Помноживши рівняння (1.3) на q і склавши до (1.2), отримаємо лінійне рівняння, що не містить W _ок
(1.7)
де Н = з _п Т + qn _ок - повна ентальпія окислювача. При отриманні (1.7) передбачалося, що Д = _р. Потік ентальпії на поверхні краплі витрачається на її пароутворення. Тобто гранична умова, що дозволяє визначити масову швидкість випаровування, має вигляд
(1.8)
Використовуючи (1.8), з (1.7) маємо вираз для потоку ентальпії через довільну поверхню радіуса r
(1.9)
Враховуючи граничні умови (r = r _к, H = H _до і H = H _пл), розділяючи змінні в (1.9) по r і H та інтегруючи, одержимо
,
,
то залежність масової швидкості випаровування (горіння) від інтенсивності конвекції (Nu), умов та фізико-хімічних властивостей, набуде вигляду
, (1.10)
Якщо температура газового середовища недостатня для запалення, то в цьому випадку відбувається випаровування краплі. Різниця ентальпії окислювача для випадку випаровування визначається різницею температур середовища Т ∞ і краплі т _до
,
тому що концентрація окислювача в середовищі і на поверхні краплі рівні. Тоді, використовуючи зв'язок масової швидкості випаровування зі швидкістю зміни радіуса і квадрата діаметру краплі

отримаємо вираз для константи швидкості випаровування
,
Величина називається константою швидкості випаровування, оскільки права частина рівності слабо залежить від радіуса краплі, який входить до Nu. Для нерухомої краплі константа швидкості випаровування
.
Тобто при температурі середовища квадрат діаметра краплі зменшується в результаті випаровування з часом по лінійної залежності

де d _до0 - діаметр краплі в момент часу t = 0. Закон лінійного убування поверхні краплі з плином часу експериментально був відкритий Срезневським у 1982 році.
Для випадку горіння різниця ентальпій

Приймаючи, що концентрація окислювача на поверхні краплі = 0, отримаємо з (1.8) формули для масової швидкості і константи швидкості горіння
,
.
При горінні температура краплі близька до температури кипіння. Використовуючи визначення температури горіння
, (1.11)
отримаємо формули
, (1.12)
, (1.13)
дозволяють оцінити J і , Проаналізувати вплив умов і властивостей на швидкість горіння крапель. Зі зростанням температури середовища збільшується , Більше , Тому швидкість випаровування (горіння) збільшується.
На рис.2 представлена ​​характерна залежність, яка спостерігається при горінні ізооктану в атмосфері, що містить 34,9% кисню. У табл.1 приведені експериментальні та розрахункові значення констант випаровування при горінні в повітрі, певні Годсейвом. Хоча дані для ракетних палив не були отримані, можна очікувати, що константи випаровування будуть
порядку 10 ^-4 м ² / сек (того ж порядку, що і для гасу). Константи випаровування для изооктана наведено в табл. 1.
Рис. 2
Таблиця 1.
Константи випаровування для різних палив при горінні в
повітрі
1.3 Вплив вологості на горіння краплі вуглеводневих палив
Велика кількість робіт присвячена дослідженню горіння водоемульсійних палив. Основним завданням є зменшення токсичності відпрацьованих газів та зменшення забруднення навколишнього середовища.
Теоретичними розрахунками та експериментально встановлено, що ефективність використання води для зниження концентрації забруднень у вихлопних газах двигунів залежить від способу введення води і від типу двигуна. Зокрема сопло у камеру згоряння емульсії вода - рідке паливо, призводить до зниження на 95% концентрації NO _x і вихлопних газів, істотного зниження кількості викидається сажі та зниження температури вихлопних газів, що дозволяє підвищити потужність двигуна на 20%. Знайдена оптимальна концентрація води у водно-паливних емульсіях становить 10-20%.
Експериментально досліджено вплив дисперсності води на процес горіння крапель емульсій. Показано відмінність в закономірностях горіння крапель і вплив дисперсності води на час згоряння крапель.

Вплив води має фізичну, а не хімічну природу: вода призводить до вторинного дроблення крапель пального в камері згоряння, сприяючи значного збільшення розміру крапель пального та збільшення повноти згоряння. Обговорювалося кінетичний механізм впливу води і можливі шляхи покращення сумішоутворення і згоряння при використанні водно-паливних емульсій.
Набагато менше робіт присвячено дослідженню горіння вуглеводів-рідних палив у вологому окислювачі. Розроблено числова модель для вивчення перехідного стану процесів фізичного випаровування краплі, займання і дифузійного горіння. Вважається, що крапля складається з водного ядра, оточеного рідкої паливної оболонкою. На стадіях фізичного випаровування і дифузійного горіння можливий розгляд квазістаціонарного процесу. На стадії дифузійного горіння розглянуті випадки, коли температура водного ядра перевищує температуру кипіння до тих пір, поки повністю не випарується паливо.
Вивчено вплив водяної пари на температуру полум'я, швидкість згоряння. Встановлено, що введення водяної пари призводить до деякого зниження температури полум'я і швидкості згоряння палив. Введення водяної пари призводить до значного інгібування освіти C і CO при одночасному підвищенні тепловиділення, що пов'язано з тим, що подача води збільшує концентрацію OH-радикалів, які реагують з CO і C, утворюючи CO ₂ і H _2.
Вивчено процес згоряння важкого нафтового палива з використанням уприскування в камеру згоряння водної пари. У залежності від температури та характеру насичення суміші водяною парою, що визначають співвідношення вологи та повітря в суміші, яка подається в зону горіння, розглянуто 3 типу згоряння палива: нормальне вологе, неповне вологе і перезволоження. Підкреслено, що для забезпечення максимальної ефективності від упорскування води необхідно правильно встановлювати співвідношення між водою і повітрям в суміші, оскільки від нього залежить кількість повітря, необхідного для повного випалювання пористих коксових залишків у зони горіння.
Як видно з огляду літератури, експериментатори в основному досліджували вплив води на характеристики горіння, безпосередньо змішуючи паливо з водою. Але існує й інший спосіб введення води в зону хімічної реакції - горіння палива у вологому окислювачі. Для побудови моделі горіння сукупності крапель в камері згоряння, необхідно горіння одиночної краплі.
Розділ 2
Критичне умова займання краплі.
2.1 Метод Зельдовича
Для виведення критичного займання скористаємося методом Зельдовича Я.Б. Розділимо область r _до <r <r _пл на дві зони: перша прилягає до поверхні наведеної плівки r _в <r <r _пл; друга - r _до <r <r _в. Тут r _в - координата умовного кордону, на якій відбувається займання. Нехтуючи теплом, що виділяється при хімічній реакції в другій зоні r _до <r <r _в, рівняння (1.2) запишемо у вигляді
(2.1)
вирішуючи яке отримаємо

а з урахуванням

маємо вираз для теплового потоку
(2.2)
Для першої зони r _в <r <r _пл, нехтуючи зміною температури з координатою , Так як дія хімічних джерел сприяє вирівнюванню температури по зоні, отримаємо
(2.3)
Порівнюючи (2.1) та (2.3) бачимо, що на кордоні двох зон r = r _в повинна існувати область , В якій
(2.4)
тобто кількість тепла, що виділяється за рахунок хімічної реакції , Так само тепла, що відводиться . Рівність (2.4) представимо у вигляді першої умови Семенова

Друга умова Семенова, визначає нестійкість теплового рівноваги
(2.5)
Підставивши в (2.4) з (2.2)
(2.6)
Швидкість хімічної реакції залежить від концентрації парів і температури. Для визначення зв'язку концентрації з температурою запишемо рівняння дифузії

Враховуючи подібність граничних умов для температури і концентрації, можна довести, що
.
Швидкість хімічної реакції у разі надлишку окислювача визначається кінетичним рівнянням першого порядку
(2.7)
і залежить тільки від температури.
Використовуючи рівняння Семенова, (2.4) та (2.5), маємо систему рівнянь
(2.8)
(2.9)
з якої треба виключити температуру парогазової суміші Т _в.
Розділивши (2.8) на (2.9), одержимо рівняння

дозволяє висловити Т _в через температуру середовища. Оцінка величини дає малу величину в порівнянні з . Тому без особливої ​​похибки приймемо
(2.10)
З (1.13) маємо раніше отриману формулу для масової швидкості випаровування
(2.11)
яка при Nu = 2
. (2.12)
Виконаємо перетворення Франк-Каменецького

Підставимо в (2.8) і використовуємо (2.10)

Знайдемо радіус займання, інтегруючи рівняння (2.2) в межах від r _до r до _в і від r _до r до _пл. У результаті отримаємо


Використовуючи формулу (2.11), маємо
,
де

Враховуючи (2.10) і представляючи

де , Отримаємо формулу для r _{в у} вигляді
(2.13)
Для випадку нерухомої середовища і координата "поверхні" запалення визначається як

Для краплі етилового спирту розрахунок за цією формулою дає r _в / r _до ≈ 25. Велика відстань, на якому відбувається займання, вимагає великого часу, щоб встановилося квазістаціонарне розподіл температур і концентрацій у газовій фазі. Очевидно, що цей час не повинен перевищувати часу повного випаровування краплі. Тому критичне умова займання (2.9) спільно з (2.13) для випадку нерухомої середовища може використовуватися тільки для грубої оцінки.
При Nu> 2,3 критерій займання краплі представляється у вигляді
(2.14)
При цьому фізичний сенс const не розшифровується.
Вважаючи, що r _к / r _в ≈ r _к / r _пл і використовуючи (2.8), (2.9), (2.10), критичне умова займання краплі представимо у вигляді, аналогічному умові запалювання газової суміші напруженим тілом
(2.15)
де

.
2.2 Аналіз залежності критичного умови
На відміну від (2.14) в (2.15) міститься інформація про випаровуванні. Для рідини, у він величина L / c _п більше, температура займання повинна бути при постійних інших властивостях. Найбільш чутлива температура займання до енергії активації. Так у ацетону енергія активації більше (Е _ац / Е _сп = 1.31) а величина L / c _п менше ніж у етилового спирту (L / c _{п) ац} / (L / c _{п) сп} = 0.72. У результаті температура займання у ацетону вище, ніж у етилового спирту, так як величина L / c _п входить під знак логарифма. Зі збільшенням швидкості потоку температура займання збільшується, а із зростанням радіуса краплі зменшується. Це пояснюється тим, що зростання швидкості потоку призводить до збільшення тепловідведення із зони хімічної реакції. Збільшення ж розмірів краплі в результаті призводить до збільшення потужності тепловиділення. Тому займання краплі більшого діаметра відбувається при меншій температурі газу.

Розділ 3.
гістерезис горіння. зрив полум'я
3.1. Горіння в потоці повітря.
Горіння рідкої поверхні в рухомому повітряному потоці докладно вивчалося Сполдінг [2]. Досліди проводилися на пальниках з рециркуляцією, в яких паливо (у більшості випадків гас) омивало поверхню пальника і знову збиралося. Використовувалися пальники з вертикальної плоскої пластинкою і сферичні пальника (останні відтворювали краплю рідкого палива). Зміна витрати палива дозволяло змінювати кількість тепла, що поглинається паливом. Розміри пальників були такі, що доводилося враховувати вплив природної конвекції. Сполдінг [2] проводив також досліди з горіння на кульці при вимушеній конвекції.
Не наводячи остаточного висновку, Сполдінг [2] пропонує таке рівняння, виражений через безрозмірні параметри, для горіння на вертикальній плоскій пластинці при ламінарної природної
конвекції:
(3.1)
де

а - Вага кисню на одиницю ваги газової суміші в атмосфері.

Не вказується, які значення слід приймати для питомої теплоємності, густини, коефіцієнта теплопровідності і коефіцієнта в'язкості. Сполдінг у своїх розрахунках використовував характеристики повітря при кімнатній температурі. Слід зазначити, що вираз /   є частиною числа Грасгофа. Функція дорівнює приблизно 0,769 ln (1 + ) При Рr = 0,71 (для повітря).
Швидкість дифузії від плоскої пластинки, обтічної в поздовжньому напрямку ламінарним потоком в умовах вимушеної конвекції, дається виразом
, (3.2)
При Рr = 0,71 функція апроксимується виразом 0,646 ln (1 + ).
Встановлено, що швидкість дифузії (швидкість горіння) може бути визначена наближено по відомим даним про теплопередачі з виразу
, (3.3)
де Н - коефіцієнт теплопередачі, що визначається експериментальним шляхом за відсутності горіння або дифузії.
Рівняння (3.3) нагадує рівняння (8а), яке, будучи написано для швидкості горіння на одиницю поверхні, приймає вигляд
, (3.4)
Член    можна замінити коефіцієнтом, теплопередачі.
Якщо ввести температуру горіння з рівняння (34а), то отримаємо
, (3.5)
так як з _р р D / х ~ 1 і для повітря . Таким чином, видно взаємозв'язок рівнянь (46) та (47).
3.2. Природна конвекція.
У своїх дослідах по горінню в умовах природної конвекції Сполдінг застосовував пальник з плоскою платівкою довжиною 63,5 мм і шириною 52,8 мм і сферичну пальник з кулькою діаметром 38 мм. При зміні витрати палива кількість поглинається рідиною тепла могло досягати 2220 ккал на 1 кг спалюваного палива. Це дозволяло змінювати Н ₀ + Н _г у значно більших межах, ніж при горінні окремих крапель палив.
Дані як для плоскої, так і для сферичної пальники добре описуються рівнянням (3.1). При горінні на сфері як характеристичного розміру використовувався її діаметр, а при горінні на платівці - її висота. Сполдінг підтверджує правильність такої методики тією обставиною, що дані по теплообміну при природній конвекції на платівках, кулях і циліндрах добре корелюються однієї залежністю, так що те ж саме може виявитися слушною і у випадку горіння. Більшість дослідів було проведено з горіння гасу, але рівняння (3.1) дає можливість так само добре розрахувати дані для газойля, бензину і важких мазутів. Вважається, що рівняння (3.1) і (3.3) можна застосовувати і для розрахунку швидкості горіння при природній конвекції.
3.3. Вимушена конвекція.
У більшості своїх дослідів в умовах вимушеної конвекції Сполдінг використовував сферичну пальник діаметром 25,4 мм, а в якості палива - гас, бензин, етиловий спирт і бензол. Швидкості горіння на плоскій пластинці, обчислені за рівнянням (3.2), опинилися на 10-3.2% нижче, а обчислені за рівнянням (3.3) - на тугіше величину вище експериментальних значень. Відтворюваність даних гірше, ніж даних, отриманих при природній конвекції. Обчислення за рівнянням (3.3) час згоряння крапель ракетного палива діаметром 100 мкм при температурі повітряного потоку 205 ° і швидкості краплі щодо повітря 3.2 м / сек становить 5 мсек. За відсутності конвекції час згоряння складає 12 мсек. -
Еммонс справив більш точний розрахунок для горіння на плоскій пластинці при вимушеній конвекції, у якому число Рг приймалося рівним 1. Результати цього розрахунку кілька краще збігаються з експериментальними даними, ніж результати, отримані за рівнянням (3.2) або (3.3).
При проведенні дослідів з горіння на сферах в повітряному потоці було виявлено, що при критичній швидкості повітря верхня половина оболонки полум'я, навколишнього кулька, гасне. Сполдінг назвав це явище затухання досягненням хімічного межі швидкості горіння. Зі збільшенням швидкості повітря прикордонний шар стає тоншою, а перенесення маси до фронту полум'я зростає. Оскільки швидкості хімічних реакцій, що протікають на поверхні горіння, кінцеві, реакційна зона товщає, і температура її падає. Зрештою, досягається такий стан, коли швидкість хімічної реакції відстає від швидкості підведення палива і кисню до зони горіння і полум'я гасне. Сполдінг проводив досліди по загасання полум'я в умовах вимушеної конвекції на кульках різного діаметра (7-26 мм). Згідно з розрахунком у момент загасання швидкість повітряного потоку, виражена числом діаметрів в секунду, і відстань полум'я від поверхні кульки на лобовий його частини не повинні залежати від діаметра кульки. Це підтвердилося з точністю до 10% при зміні діаметра кульки в 3,7 рази.
Топі використовував інший метод вивчення горіння в умовах конвекції. У його дослідах краплі палива (з первісним діаметром 300-600 мкм) падали в нагріту топку при своїх граничних швидкостях. Таким шляхом були отримані кількісні дані по випаровуванню в атмосферах з високою температурою. За визначенням залишку при горінні крапель мазутного палива представлені лише деякі якісні дані.
Взагалі рівняння Сполдінга дають можливість надійно визначити експериментальні швидкості горіння при природній і вимушеної конвекції. Розмір крапель в струмені палива на 3 або більше порядків менше, ніж розмір сферичних пальників, використаних Сполдннгом, а інших кількісних даних з горіння в умовах конвекції немає. Тому його рівняння не можна використовувати з упевненістю в розрахунку для випадку горіння дрібних крапель.

Література

1. Калннчак В. В., Федосєєва Н. В. / / Хімічна фізика процесів горіння і вибуху. Горіння гетерогенних і газових сістем.-Черноголовка, 1977.
2. Сполдінг Д. Б, Основи теорії горенія.-М: Госекергоіздат, 1959,
3. Латоніна Л.П., Федосєєв В. А., Поліщук Д, І. / / Тр. ОДУ, Сер. фіз.-наук .- Одеса, 1960, - Вип. 7.
4. Процеси горіння / / редактор А.В.Гермогенов-Москва., 1961, 542с., Іл.
5. Варшавський Г.А., Пещанская Л.Г. / / Тр. ОДУ, Сер. фіз.-наук .- Одеса, 1960,-Вип. 8.
6. Рибанін С.С. / / Горіння і вибух .- М.: Наука, 1972.
7. Форман А. Вільямс, Теорія горіння .- М., 1971.
8. Основи горіння вуглеводневих палив / пров. з НГЛ., ред. В. М. Шеманіна, Л.М. Хитрина .- М., 1960.
9. Збірник задач з теорії горіння: Навчальний посібник для вузів / під ред. В.В. Померанцева - Л.: Вища школа, 1983. - 3.22с., Іл.
10. Кумагаі С., Горіння: Пер. з японської. - М.: Хімія, 1980. - 256с., Іл.