Горение жидких топлив, имеющих свободную поверхность

При зажигании жидкого горючего, имеющего свободную поверхность, загорается его пар, содержащийся в пространстве над поверхностью, образуя горящий факел. За счет тепла, излучаемого факелом, испарение резко увеличивается. При установившемся режиме теплообмена между факелом и зеркалом жидкости количество испаряющегося, а следовательно, и сгорающего горючего достигает максимального значения и далее остается постоянным во времени.

Факел устанавливается на некотором удалении от поверхности жидкости. Интенсивность излучения зоны горения на зеркало испарения не зависит от его формы и величины, а зависит только от физико-химических свойств горючего и является характерной константой для каждого жидкого горючего.

Температура жидкого топлива, при которой пары над его поверхностью образуют с воздухом смесь, способную воспламениться от постороннего источника зажигания, называется температурой вспышки.

Поскольку жидкие горючие сгорают в паровой фазе, то при установившемся режиме скорость горения определяется скоростью испарения жидкости с ее зеркала. Тепло, излучаемое факелом на зеркало горючей жидкости, расходуется на подогрев жидкости до температуры кипения и на парообразование. Следовательно, уравнение теплового баланса для 1 м² зеркала испарения имеет вид:

q_л = W_г [c_ср(t_к – t_o) +λ_п],

где q_л – количество тепла, излучаемого факелом на зеркало жидкости, кВт/м²;

W_г – массовая скорость горения, отнесенная к единице поверхности испарения, кг/(м²∙с);

c_ср – средняя теплоемкость жидкости, кДж/(кг∙К);

t_к - температура кипения горючей жидкости, К;

t_{o -} температура горючей жидкости до опыта, К;

λ_п – теплота парообразования, кДж/кг.

Значения массовой скорости горения и интенсивности излучения факела для некоторых жидких горючих приведены в таблице 6.1.

Таблица 6.1

Массовая скорость горения и интенсивность излучения диффузионного факела на зеркало испарения

Процесс горения жидких горючих со свободной поверхностью происходит следующим образом. При установившемся режиме горения за счет тепла, излучаемого факелом, жидкое горючее испаряется. В восходящий поток горючего, находящегося в паровой фазе, посредством диффузии проникает воздух из окружающего пространства. Полученная таким образом смесь образует горящий факел в виде конуса, отстоящего от зеркала испарения на 0,5-1 мм. Устойчивое горение протекает на поверхности, где смесь достигает пропорции, соответствующей стехиометрическому соотношению горючего и воздуха. Длина факела тем больше, чем больше скорость испарения жидкого горючего.

Химическая реакция протекает в очень тонком слое фронта факела, толщина которого не превышает нескольких долей миллиметра. Объем, занимаемый факелом, делится зоной горения на две части: внутри факела находятся пары горючей жидкости и продукты сгорания, а вне зоны горения – смесь продуктов горения с воздухом.

Горение восходящих внутри факела паров жидких топлив можно представить состоящим из двух стадий: диффузионного подвода кислорода к зоне горения и самой химической реакции, протекающей во фронте пламени. Скорости этих двух стадий не одинаковы; химическая реакция при имеющих место высоких температурах протекает очень быстро, тогда как диффузионный подвод кислорода является медленным процессом, ограничивающим общую скорость горения. Следовательно, в данном случае горение протекает в диффузионной области, а скорость горения определяется скоростью диффузии кислорода в зону горения.

Важной особенностью горения жидких горючих со свободной поверхности является большой химический недожог. Появляется он вследствие того, что парообразные углеводороды при движении внутри конусообразного факела до фронта пламени при нахождении в области высоких температур при отсутствии кислорода, подвергаются термическому разложению вплоть до образования свободного углерода (сажи) и водорода по уравнению:

С_nH_m→ nC + mH₂ / 2.

Свечение пламени обусловливается нахождением в нем частиц свободного углерода. Часть свободного углерода не успевает сгорать и в виде сажи уносится продуктами сгорания, образуя коптящий факел. Следует отметить, что для жидких топлив интенсивность образования сажи значительно выше, чем для газообразных топлив. Это объясняется высоким значением отношения содержания углерода к водороду в составе топлива. Так, для мазута отношение С/Н = 7,5 – 8 против С/Н = 3,0 – 3,2 для природных газов.

Кроме того, наличие углерода благодаря высокой температуре и пониженному парциальному давлению СО и СО₂ приводит к образованию оксида углерода по уравнению:

С + СО₂ ↔ 2СО.

Присутствующие в продуктах сгорания количества углерода и СО обусловливают величину химического недожога. Чем больше содержание углерода в жидком топливе и чем меньше он насыщен водородом, тем больше образование чистого углерода, ярче факел, больше химический недожог.