Расчет горения капли жидкого топлива

Факельное сжигание газообразного, жидкого и твердого пылевидного топлива осуществляют в различных камерных топочных устройствах: топках котлов, обжиговых печах и др. Распыл жидкого топлива, для получения факела, производят с помощью форсунок, в которых происходит подготовка и выброс из них жидкого топлива в виде мелких капель (примером может служить головка бытового распылителя). Капли, перемешиваясь с воздухом, создают факел горения.

Для сжигания жидкого топлива в виде мелких дисперсных капель используются различные типы форсунок, в основу которых положены характерные принципы распыла: механические центробежные; паровые; воздушные и другие.

Распыление позволяет создать большое количество мелких капель, за счет чего резко увеличивается площадь поверхности горения. Это ускоряет прогрев капли и интенсивность испарения, а также нагрев паров жидкости до температуры воспламенения, улучшает перемешивание топлива с воздухом, интенсифицирует сам процесс горения. Углеводороды жидкого топлива теплонеустойчивы, поэтому при его нагреве с недостатком окислителя они разлагаются на легкие и тяжелые углеводороды. Такая среда создается при горении внутри крупных капель, и тогда кислороду воздуха трудно попасть внутрь капли.

Тонкость распыления жидкого топлива определяется скоростью подаваемого распылительного агента, которым обычно служат горячий воздух или пар, т. е. кинетической энергией, сообщаемой топливу от распылительного агента. Сама тонкость распыления должна быть обоснована расчетами. Это делается для оптимизации процесса горения. Капля жидкого топлива, вылетевшая из форсунки, должна во время полета испариться и сгореть, не достигнув задней стенки топочной камеры.

Особенность горения горючих жидкостей состоит в том, что сама жидкость гореть не может, а горит только ее пар при смешении с воздухом. Скорость испарения и количество пара над жидкостью зависит от природы жидкости и ее температуры. Пар, образовавшийся над поверхностью жидкости, называют насыщен­ным. Поэтому перед сжиганием жидкое топливо обычно подогревают для уменьшения его вязкости и лучшего дальнейшего испарения, и в топочной камере через форсунку производят распыл, т. е. дробление на мелкие капли для увеличения площади поверхности горения.

Схему горения капли жидкого топлива в топочной камере можно условно показать на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Горение капли жидкого топлива: 1 – жидкость; 2 – паровая область; 3 – область горения

Капля горючей жидкости 1, попадая в топочную камеру, имеет температуру ниже температуры кипения, и гореть сразу не может. Поэтому сначала происходит нагрев поверхностных слоев капли до температуры кипения, и с ее поверхности начинается интенсивное испарение. Вокруг капли создается фронт парогазовой среды 2, который расширяется с ее дальнейшим прогревом. Пар за счет диффузии перемешивается с кислородом воздуха и воспламеняется, создается область горения 3. Капля интенсивно прогревается, и начинается пиролиз (при температуре 500-600 ^оС) сложных углеводородов на простейшие.

В процессе горения диаметр зоны 3 получается в 1–5 раз больше диаметра капли. При этом кислород воздуха поступает к фронту горения, а продукты сгорания отводятся от нее. Скорость горения лимитируется наиболее медленным процессом – процессом испарения капли. В самой области горения соблюдается тепловой баланс между теплотой, подводимой к поверхности испарения из окружающей среды с максимальной температурой , теплотой, выделяющейся при горении, и теплотой, пошедшей на нагрев капли до температуры кипения и затем испарения жидкости. Этот тепловой баланс можно записать в виде:

,

(4.20)

где – плотность, кг/м³, и теплоемкость жидкости, Дж/(кг∙ К); , – температура кипения жидкости и ее начальная температура, при которой она поступает в топочное устройство, К; – изменение объема капли в единицу времени, м³/с; – теплота парообразования жидкости, Дж/кг; – массовая скорость испарения жидкости на поверхности капли, кг/c; – коэффициент теплопроводности паровоздушной сред, Вт/(м∙ K); – толщина тёмной (мёртвой) зоны горения, м; – температура продуктов сгорания в топочном объеме, К; – площадь поверхности капли, м²; – массовая скорость выгорания жидкости на поверхности капли, кг/c, которая может быть принята равной скорости испарения .

Так как скорость горения капли жидкого горючего определяется наиболее медленной стадией процесса – скоростью испарения жидкости, то время её выгорания можно рассчитать на основе уравнения теплового баланса для поверхности капли. Этот баланс складывается из теплового потока, падающего излучением на поверхность капли, и теплового потока идущего на нагрев и испарение капли:

, (4.21)

где: – плотность теплового потока излучением от факела на поверхность капли, Вт/м²; – площадь поверхности капли в рассматриваемый момент времени, м²; – время, с; – объем капли, м³.

Если предположить, что теплофизические свойства жидкости капли слабо зависят от температуры, то с учетом соотношений площади поверхности капли и ее объема , из последнего уравнения (4.21) после интегрирования получим соотношение для нахождения времени полного выгорания капли радиусом , с:

. (4.22)

Как видно из уравнения (4.22), продолжительность выгорания капли при подводе к ее поверхности теплоты от факела и стен топки излучением пропорциональна её начальному радиусу.

Интенсивность испарения жидкости увеличивается с ростом поверхности контакта с воздухом, т. к. при этом будет больше подводиться теплоты к поверхности капли. Следовательно, скорость горения будет определяться тонкостью распыла горючей жидкости (диаметром капли). Представленная выше модель сгорания капли горючей жидкости является наиболее упрощенной, но она позволяет представить и оценить протекающие при этом основные процессы.

Пример. Определить время выгорания капли этилового спирта радиусом 0, 2 мм в топочной камере. Тепловой поток излучением = 80 кВт/м². Начальная температура спирта 20 ^оС. На каком расстоянии от форсунки капля выгорит полностью, если средняя скорость полета капли = 6 м/с.

Сделать выводы по задаче.

Решение. Для этилового спирта из прил. 9 выпишем ее теплофизические свойства: К; кДж/кг; кДж/(кг∙ К); кг/м³.

Найдем по формуле (4.21) время полного выгорания капли, с, учитывая при этом требуемую размерность каждой величины:

=

.

Длина полета капли, м, при ее полном сгорании будет составлять:

.

Вывод. Для заданных условий сгорания жидкого топлива в топочной камере время полета каждой капли этилового спирта, пока она не сгорит полностью, составит около 2 с. Длина полета капли составит 11, 6 м. Поэтому при проектировании длина топочной камеры должна превышать 11, 6 м, чтобы после вылета из форсунки и в полете все капли успели сгореть, и не ударять о заднюю стенку камеры. В противном случае горящее топливо может прожечь эту стенку.