Cтраница 3
Если же рассматриваемую систему подвергнуть небольшому возмущению, частично разделив газы, то она самопроизвольно вернется к равновесному состоянию с равномерным распределением газов по объему. Система с перемешанными газами удовлетворяет обоим критериям равновесных систем. [31]
Мы уже указывали, что с понятием энтропии S связывают функцию, которая в изолированной системе с постоянным объемом возрастает до максимально возможного значения. Следовательно, в системе с перемешанными газами энтропия должна была возрасти до значения, максимально возможного для данной системы. [32]
Теплообмен на черной стенке. Для проектирова-вания камера сгорания или химический реактор часто моделируются, за исключением пристеночного пограничного слоя, объемом, заполненным хорошо перемешанным газом с однородным составом и температурой. В данном случае предположим, что влиянием пограничного слоя можно пренебречь. [33]
Кроме того, светимость диффузионного пламени при горении углеводородов, которые обычно используются в качестве горючего, гораздо выше из-за наличия большего количества частиц сажи в зоне горения. Частицы сажи образуются внутри конуса пламени, там, где температура уже достаточно велика, а окислитель отсутствует: при этих условиях углеводороды разлагаются с образованием сажи. В случае горения смеси заранее перемешанных газов нагревание вблизи зоны интенсивной химической реакции происходит в присутствии окислителя и продукты разложения углеводородных молекул, которые могли бы стать центрами образования сажи, сразу же окисляются. Таким образом, тепловое излучение диффузионного пламени оказывается больше и соответственно его температура ниже, чем у пламени стехиометрической смеси заранее перемешанных газов, хотя идеальные теоретические температуры горения - в отсутствие тепловых потерь - в обоих случаях одинаковы. [34]
Для того чтобы правильно представить картину развития идей и наших современных знаний о турбулентных пламенах, дадим вначале обзор наиболее важных теоретических и экспериментальных работ в этой области; затем будет изложена теория турбулентного пламени. Эта теория, хотя и нуждается в дальнейшей экспериментальной проверке, по мнению автора, может объяснить наблюдаемые явления и находится в хорошем соответствии со всеми известными результатами измерений. Для уменьшения сложности стоящей перед нами задачи мы рассмотрим здесь только пламена в заранее перемешанных газах. [35]
Число работ, посвященных непосредственно расчету камер сгорания, весьма ограничено. Прежде всего необходимо обратить внимание на то, что в основу этой работы принята чрезвычайно идеализированная схема камеры: выгорание потока предварительно перемешанных газов в цилиндрической ( без отверстий) трубе при поджигании смеси в одной точке на оси трубы. Несмотря на стремление автора рассмотреть вопрос теоретически, в полной мере сделать это не удалось, так как чисто теоретическое решение вопроса о выгорании газа в камере при турбулентном режиме течения в настоящее время невозможно. Полученная расчетная зависимость по существу основана на опытной величине - пульсационной скорости потока воздуха. Необходимые коэффициенты получены по опытам с камерой сгорания простейшего типа диаметром 150 мм, длиною 720 мм с коническим стабилизатором диаметром 12 мм. В расчете использована двумерная схема, что дает возможность вычислить координаты границ факела, а следовательно, - и полноту выгорания в каждой точке. [36]
Распространение ламинарного пламени в потоке горючей газовой смеси происходит из-за теплопередачи от уже сгоревших объемов газа, имеющих Режимы протекания высокую температуру, к более холодным свежим порциям горючего, что вызывает интенсивную химическую реакцию. Однако в ряде современных технических устройств горючая смесь подается в камеру сгорания при достаточно высокой температуре, так что химическая реакция идет интенсивно уже в исходной смеси. Например, в реактивных камерах сгорания предварительно подогретые горючее и окислитель впрыскиваются из разных форсунок, расположенных на торце камеры сгорания, быстро перемешиваются и реагируют. Если реакция в перемешанном газе сразу протекает достаточно интенсивно, кондуктивная теплопроводность, за счет которой производится подогрев горючего газа в обычном пламени, становится несущественной. Можно считать, что реагирующая смесь просто переносится с потоком газа, и воспламенение возникает в результате саморазогрева. Здесь мы исследуем этот вопрос более подробно. [37]
Химическое превращение в технических процессах горения практически всегда осуществляется в условиях одновременно идущих процессов испарения и смешения реагирующих компонентов. Отсюда важнейшая роль, которую играют в описании таких процессов сгорания вопросы тепло - и массообмена. Но кинетические законы собственно химического превращения и особенно специфические кинетические отличия различных типов явлений сгорания выявляются только тогда, когда полностью элиминированы процессы смесеобразования. Посвященная именно кинетическим проблемам сгорания настоящая монография, естественно, ограничена ( за одним исключением) исследованием сгорания заранее перемешанных газов. Краткое рассмотрение дизельного процесса введено главным образом в качестве иллюстрации того, как общие кинетические законы многостадийного самовоспламенения проявляются на фоне одновременно идущего испарения жидкого топлива и смешения его паров с воздухом. [38]
Кроме того, светимость диффузионного пламени при горении углеводородов, которые обычно используются в качестве горючего, гораздо выше из-за наличия большего количества частиц сажи в зоне горения. Частицы сажи образуются внутри конуса пламени, там, где температура уже достаточно велика, а окислитель отсутствует: при этих условиях углеводороды разлагаются с образованием сажи. В случае горения смеси заранее перемешанных газов нагревание вблизи зоны интенсивной химической реакции происходит в присутствии окислителя и продукты разложения углеводородных молекул, которые могли бы стать центрами образования сажи, сразу же окисляются. Таким образом, тепловое излучение диффузионного пламени оказывается больше и соответственно его температура ниже, чем у пламени стехиометрической смеси заранее перемешанных газов, хотя идеальные теоретические температуры горения - в отсутствие тепловых потерь - в обоих случаях одинаковы. [39]
В практике сжигания сбрасываемых газов встречаются два вида горения: гомогенное и диффузионное. При сжигании газов на факельных установках наиболее распространены процессы диффузионного горения. В этих процессах все реагирующие вещества находятся в газовой фазе, но предварительно не перемешаны, и процесс смешения происходит одновременно с процессом горения. Скорость горения определяется скоростью смешения компонентов. Поэтому механизм горения газа удобнее рассмотреть для гомогенной системы, состоящей из предварительно перемешанных газов. [40]
Ввиду сильной вариации ( N г этот эффект всегда играет важную роль в начальных сечениях факела и приводит к тому, что диффузионное горение происходит по схеме, которая часто заметно отличается от традиционно рассматриваемой, так как по обе стороны зоны реакции могут находиться и топливо, и окислитель, а горючие компоненты переносятся к фронту пламени параллельно. Аналогичная особенность может быть следствием и самого способа организации процесса горения. Например, при распыливании жидкого топлива в потоке воздуха из-за скольжения фаз часть несгоревших капель может проникать в бедные области. Следовательно, воздух и испарившееся топливо будут параллельно диффундировать к зоне реакций. Таким образом, значительный практический интерес представляет исследование горения в потоке с сильно переменным составом при наличии несгоревшего топлива во всем факеле, т.е. горения частично перемешанных газов. Этому вопросу и посвящен данный параграф. [41]
Еще два фактора заслуживают того, чтобы быть здесь отмеченными, потому что они приводят к заметному расхождению между теорией и экспериментом. Во-первых, в зоне пламени, где температура выше, а плотность меньше, действуют выталкивающие силы, которые деформируют пламя. Следовательно, предположение ( 1) § 4 главы 1 оказывается не вполне справедливым. Во-вторых, течение в горелках рассматриваемого типа почти всегда характеризуется сильной крупномасштабной турбулентностью. Турбулентность вызывает расширение и быстрые флуктуации пламени, и таким образом приводит к качественному расхождению с развиваемой ламинарной теорией. Однако поскольку скорость турбулентного горения предварительно перемешанных газов обычно регулируется интенсивностью турбулентного перемешивания, полученные результаты можно с разумной точностью применить к средним характеристикам турбулентных систем, если заменить коэффициенты диффузии в ламинарном потоке коэффициентами турбулентной диффузии. [42]
Рассмотрим теперь, каким образом развитые выше представления оформляются в расчетных схемах факела. Общим для всех них является допущение об отсутствии во всем пространстве, занятом факелом ( кроме фронта пламени), химических реакций. Наличие фронта горения приводит к необходимости раздельного решения задачи для областей, расположенных по обе стороны фронта. Это не относится к уравнению переноса импульса, поскольку плотность потока импульса ра2 не претерпевает слабого разрыва на фронте. Зато решения уравнений энергии и диффузии, записанные для разных областей, должны стыковаться на фронте. Практическое осуществление этой общей схемы приобретает специфический характер для различного типа горения - предварительно не перемешанных газов или однородной газовой смеси. [43]
Для того чтобы проникнуть в сущность процесса горения, целесообразно рассмотреть небольшое количество относительно простых и ясных, в смысле условий протекания, случаев. Наиболее изученным из них является горение газообразной химически однородной смеси топлива с кислородом или воздухом при ламинарном течении. Здесь также скорость горения определяется смешением, в частности, смешением газообразных продуктов сгорания со свежей горючей смесью. В этом случае смешение обусловлено диффузией некоторых продуктов сгорания из фронта пламени в направлении, обратном течению горючей смеси; проникнув на некоторое расстояние в горючую смесь, они затем вновь выносятся газовым потоком вместе с основной массой продуктов сгорания. Этот процесс сопровождается передачей тепла теплопроводностью. В результате протекания обоих этих процессов в одномерном потоке может возникнуть стационарное пламя. Крупномасштабная турбулентность не вносит, по-видимому, заметных возмущений в процесс, протекающий в непосредственной близости от фронта пламени; рассмотрение влияния, которое она оказывает на пламена предварительно перемешанных газов, выходит за рамки данного обзора. [44]