Тема 5.4. Скорость горения жидкостей. Учебные вопросы: Скорость

Тема 5.4. Скорость горения жидкостей. Учебные вопросы: Скорость горения жидкостей. Выгорание жидкостей со свободной поверхности. Химический недожог.

Чтобы жидкое горючее загорелось необходимым условием являет­ся образование горючей паровоздушной смеси около его поверхности. Если в этом случае к поверхности жидкости поднести нагретый источ­ник, то произойдет воспламенение паровоздушной смеси, содержащей пары горючей жидкости и воздух как окислитель.

Горение жидкого горючего: с одной стороны, есть горение его паров, т.е. в своей основе гомогенный химический процесс, с другой стороны, его скорость определяется скоростью испарения, которая зависит от скорости (количества) подводимого к жидкости тепла от горящего факела, т.е. от чисто физического процесса теплообмена.

Для жидкостей различают массовую G и линейную скорость горения V. Под массовой скоростью понимается масса жидкости в кг, выго­рающая в единицу времени (ч, мин) с единицы поверхности: , кг/мин

Линейная скорость характеризуется высотой слоя жидкости (мм, см), выгорающей в единицу времени: , мм/мин где h – высота слоя сгоревшей жидкости. Обе скорости взаимосвязаны.

Линейная скорость горения некоторых жидкостей : керосин - 0,93 мм/мин; ацетон - 1,40 мм/мин; автобензин - 1,75 мм/мин; авиабензин - 2,10 мм/мин; толуол - 2,68 мм/мин; бензол - 3,15 мм/мин.

Скорость горения жидкостей непостоянна и изменяется в зави­симости от начальной температуры, диаметра резервуара, скорости ветра и других факторов. Сильный ветер способствует смешиванию паров с воздухом, повышению температуры пламени, в результате чего интенсивность го­рения увеличивается.

При горении со свободной поверхности над зеркалом жидкости возникает язык факела пламени, а уровень жидкости начинает опус­каться. Общая схема горения с открытой поверх­ности жидкости

Сгорание в факеле происходит за счет диффузного смешивания паров и воздуха, причем значительную роль, в этом случае, игра­ет конвективное движение, аналогичное присосу воздуха при обыч­ном факельном горении. Подвод тепла к жидкости, как это уже было показано выше, осуществляется, главным образом, за счет излу­чения от факела.

Интенсивность излучения зоны горения на зерка­ло жидкости не зависит от его формы и величины, а определяется только физико-химическими свойствами горючего и является опреде­ленной константой горючей жидкости.

Уравнение теплового баланса на 1 кг зеркала испарения выглядит следующим образом: - количество тепла, излучаемое факелом на зеркало жидкости, кВт/м2; WГ - скорость горения, отнесенная к единице поверхности испарения, кг/м2·с; ССР - средняя теплоемкость жидкости, кДж/кг· К; tK - температура кипения жидкости, К; t0 - начальная температура жидкости, К; λП - теплота парообразования, кДж/кг.

Доля тепла, теряемого пламенем жидкости через излучение, по отношению к количеству тепла, выделяемого в пламени в результате химической реакции, можно проиллюстрировать на примере горения бензина: V= 6,67·10-5 м/с (~ 4 мм/мин); Т ≈ 1400 К составляет 40 %. Таким образом, при горении бензина на излучение расходуется до половины тепла, выделяемого в ходе химической реакции горения.

Глубина проникновения тепловой волны вглубь жидкости огра­ничивается величиной 30 - 40 мм. Неизменность размера зоны прогре­ва означает, что после того, как эта зона сформировалась, все подводимое тепло идет на испарение жидкости с поверхности, т.е. весь процесс полностью регулируется процессом испарения.

Рассматривая общую схему горения с открытой поверх­ности жидкости, можно отметить следующее. Устойчивое горение протекает на поверхности, где паровоздушная смесь имеет стехиометрический состав. Химическая реакция, в этом случае, протекает в очень тонком слое фронта факела, не превышающего нескольких долей миллиметра.

Объем, занимаемый факелом, зоной горения делится на две части: внутри факела находятся пары горючей жидкости и продукты сгорания, а вне зоны - смесь продуктов горения с воздухом. Горение восходящих внутрь факела паров можно представить состоящим из двух стадий: диффузный подвод кислорода к зоне горения; химическая реакция протекающая во фронте пламе­ни.

Скорость этих стадий не одинакова: химическая реакция при высоких температурах протекает очень быстро, тогда как диффуз­ный подвод кислорода является медленным процессом, ограничивающим общую скорость горения. Следовательно горение про­текает в диффузной области, а скорость горения определяется скоростью диффузии кислорода в зону горения.

Данные о скорости горения, отнесенные к фронту пламени (к боковой поверхности факела), показывают, что массовая скорость горения для одного и того же горючего не зависит от величины и формы зеркала испарения, как об этом уже упомина­лось, и является постоянной величиной.

Для различных горючих жидкостей с увеличением теплоты сгорания: массовая скорость горения уменьшается; скорость вы­деления тепла, отнесенная к единице фронта пламени, т.е. теплонапряжение зоны горения, остается примерно одинаковой. Следовательно, теплонапряжение боковой поверхности факе­ла, устанавливающегося над свободной поверхностью жидкого го­рючего, практически не зависит от диаметра и рода горючего.

Форма и размеры пламени Форма и размеры факела пламени горящих жидкостей сущест­венно меняются при изменении диаметра. При малых диаметрах пламя имеет резко очерченную коническую форму, не меняющуюся со временем. При увеличении диаметра пламя, оставаясь коническим, начи­нает совершать продольные пульсации, и высота его периодически меняется.

Высота пламени растет с увеличением диаметра d, а относитель­ная высота сначала быстро убывает, а в области больших значений d почти не меняется при увеличении диаметра, т.е. H/d ~ const. При малых диаметрах пламя носит ламинарный характер, при больших диаметрах - турбулентный.

Химический недожог. Специфической особенностью горения жидких горючих со сво­бодной поверхности является большой химический недожог, как следствие значительного содержания в этих горючих (особенно углеводородах) углерода. Общую схему химического недожога можно представить в сле­дующем виде: пары углеводородного горючего при движении внутри конусообразного факела до фронта пламени находятся в области высоких температур и в отсутствии кислорода подвергаются термическому разложению.

Свечение пламени, в этом случае, будет обусловлено нали­чием в нем частиц свободного углерода, которые сильно нагреты. Часть свободного углерода не успевает сгореть и в виде сажи уносится с продуктами сгорания, образуя коптящий факел. Процент недожога для некоторых горючих жидкостей : спирт - 5,3 %; бензин - 12,7 %; керосин - 17,7 %; бензол - 18,5 %.