Лекция 14 Скорость выгорания жидкостей, влияющие факторы.

При определённой температуре, выше t_{вс ,} раз подожжённая жидкость продолжает гореть после удаления источника зажигания. Такая минимальная температура называется температурой воспламенения (t_вос). Для ЛВЖ она выше t_вс на 1-5 ^оС, для ГЖ - на 30-35 ^оС.

Линейная скорость выгорания - высота столба жидкости, выгорающая в единицу времени :

Массовая скорость выгорания - масса жидкости, выгорающая в единицу времени с единицы площади поверхности :

W_г =

М

W _г=   G_г

(следует следить за размерностями величин и при необходимости вводить поправочный коэффициент).

Прогрев жидкости по глубине. Нагрев поверхности жидкости лучистым потоком от пламени сопровождается передачей тепла вглубь ее. Этот теплоперенос осуществляется в основном тепло­проводностью и ламинарной конвекцией за счет движения нагре­тых и холодных слоев жидкости. Прогрев жидкости теплопровод­ностью осуществляется на небольшую глубину (2-5 см) и может быть описан уравнением вида

где Т_х — температура слоя жидкости на глубине х, К;

Т_к — температура поверхности (температура кипения), К; к — коэффициент пропорциональности, м—К

Этот тип температурного поля называется распределением тем­пературы первого рода .

Ламинарная конвекция возникает в результате различной тем­пературы жидкости у стенок резервуара и в его центре, а также вследствие фракционной разгонки в верхнем слое при горении смесей. Дополнительная передача тепла от нагретых стенок ре­зервуара к жидкости приводит к прогреву ее слоев у стенок до более высокой температуры, чем в центре. Более нагретая у стенок жидкость (или даже пузырьки пара в случае ее перегрева у сте­нок выше температуры кипения) поднимается вверх, что способ­ствует интенсивному перемешиванию и быстрому прогреву слоя жидкости на большую глубину. Образуется так называемый гомотермический слой, т. е. слой с практически постоянной темпе­ратурой, толщина которого растет во времени горения. Такое температурное поле называют распределением температуры второго рода (рис. 7.7). Образование гомотермического слоя воз­можно также и в результате фракционной перегонки приповерх­ностных слоев смесей жидкостей, имеющих различную температу­ру кипения. По мере выгорания таких жидкостей приповерхност­ный слой обогащается более плотными высококипящими фракциями, которые опускаются вниз, способствуя тем самым конвек­тивному прогреву жидкости.

Определяющее влияние перегрева жидкости у стенок резервуа­ра на формирование гомотермического слоя подтверждают сле­дующие экспериментальные данные. При горении бензина в ре­зервуаре диаметром 2,64 мм без охлаждения стенок приводило к достаточно быстрому образованию гомотермического слоя. При интенсивном охлаждении стенок прогрев жидкости на глубину осуществлялся главным образом теплопроводностью и в процес­се всего времени горения имело место распределение температу­ры первого рода. Установлено, что чем выше температура кипе­ния жидкости (дизельное топливо, трансформаторное масло), тем труднее образуется гомотермический слой. При их горении темпе­ратура стенок резервуара редко превышает температуру кипения. Однако при горении влажных высококипящих нефтепродуктов вероятность образования гомотермического слоя также высока. При прогреве стенок резервуара до 100°С и выше образуются пу­зырьки водяного пара, которые, устремляясь вверх, вызывают интенсивное перемешивание всей жидкости и быстрый прогрев вглубину. Возможность образования достаточно толстого гомотермического слоя при горении влажных нефтепродуктов чревата явле­ниями вскипания и выброса жидкости.

Исходя из рассмотренных выше представлений о механизме выгорания жидкости, проанализируем влияние некоторых факто­ров на массовую скорость.

Скорость выгорания зависит от : рода жидкости, температуры, диаметра резервуара, уровня жидкости, скорости ветра .

Для горелок малых диаметров скорость сгорания сравнительно велика. При увеличении диаметра скорость сначала снижается из-за нагрева от стенок, затем возрастает, т.к. ламинарное горение переходит в турбулентное и остаётся постоянным при диаметрах  2 м.

При турбулентном горении ниже полнота горения (появляется копоть), увеличивается тепловой поток от пламени, быстрее отводятся пары, увеличивается скорость испарения.

При снижении уровня жидкости затрудняются процессы тепломассопереноса (отток продуктов горения, приток окислителя, пламя удаляется от поверхности жидкости), поэтому скорость горения падает и при определённом расстоянии жидкости от верхнего борта резервуара (критическая высота самотушения) горение становится невозможным. Критическая высота самотушения при  = 23 м равна 1 км (реальная высота резервуара= 12 м).

Оценив доли тепла от общего тепловыделения при горении жидкости, которая затрачивается на ее подготовку следует, что менее 2% от общего тепловыделения при горении жидкости затрачивается на поставку ее паров в зону горения. В момент установления процесса выгора­ния температура поверхности жидкости резко возрастает от тем­пературы воспламенения до температуры кипения, которая в дальнейшем по мере выгорания остается неизменной. Однако это справедливо только для индивидуальных жидкостей. В процессе горения смеси жидкостей, имеющих разную температуру кипения (бензины, нефть и т. д.), происходит как бы их фракционная перегонка. Вначале происходит выход легкокипящих фракций, затем всех более высококипящих. Этот процесс сопровождается постепенным (квазистациоиарным) повышением температуры на поверхности жидкости. Влажное горючее может быть представлено как смесь двух жидкостей (горючее + вода), в процессе горения которых проис­ходит их фракционная разгонка. Если температура кипения горю­чей жидкости меньше температуры кипения воды (100°С), то происходит преимущественное выгорание горючего, смесь обога­щается водой, скорость выгорания снижается и, наконец, горение прекращается. Если температура кипения жидкости больше 100°С, напротив, вначале преимущественно испаряется влага, концентрация ее снижается: скорость выгорания жидкости возрастает, вплоть до скорости горения чистого продукта (рис. 7.11).

Влияние скорости ветра. Как правило, с повышением скорости ветра скорость выгорания жидкости увеличивается. Ветер интенси­фицирует процесс смешения горючего с окислителем, повышая температуру пламени и приближая пламя к поверхно­сти горения.

Все это повышает интенсивность теплового потока, поступаю­щего на нагрев и испарение жидкости, следовательно, приводит к росту скорости выгорания. При большей скорости ветра пламя может срываться, что приведет к прекращению горения. Так,- на­пример, при горении тракторного керосина в резервуаре диамет­ром З'М наступал срыв пламени при достижении скорости ветра 22 м-с-¹.

Влияние концентрации кислорода в атмосфере. Большинство жидкостей не способны к горению в атмосфере с содержанием кислорода менее 15%. С повышением концентрации кислорода выше этого предела скорость выгорания возрастает (рис. 7.12). В атмосфере, обогащенной кислородом, горение жидкости проте­кает с выделением большого количества сажи в пламени и на­блюдается интенсивное кипение жидкой фазы. Для многокомпо­нентных жидкостей (бензин, керосин и т. п.) температура поверх­ности с увеличением содержания кислорода в окружающей среде возрастает (рис. 7.13).

Повышение скорости выгорания и температуры поверхности жидкости с ростом концентрации кислорода в атмосфере обусловлено увеличением излучающей способности пламени в результате роста температуры горения и высокого содержания сажи в нем.

10