Тепломассообмен при испарении и горении капель жидких топлив (стр. 2 из 4)
, 
,то зависимость массовой скорости испарения (горения) от интенсивности конвекции (Nu), условий и физико-химических свойств, примет вид
, (1.10)Если температура газовой среды недостаточна для воспламенения, то в этом случае происходит испарение капли. Разность энтальпии окислителя для случая испарения определяется разностью температур среды Т∞ и капли тк
,так как концентрация окислителя всреде и на поверхности капли равны. Тогда, используя связь массовой скорости испарения со скоростью изменения радиуса и квадрата диаметра капли
получим выражение для константы скорости испарения
,Величина
называется константой скорости испарения, так как правая часть равенства слабо зависит от радиуса капли, который входит в Nu. Для неподвижной капли константа скорости испарения 
.То есть при температуре среды квадрат диаметра капли уменьшается в результате испарения со временем по линейной зависимости
где dк0 - диаметр капли вмомент времени t= 0. Закон линейного убывания поверхности капли с течением времени экспериментально был открыт Срезневским в 1982 году.
Для случая горения разность энтальпий
Принимая, что концентрация окислителя на поверхности капли
=0, получим из (1.8)формулы для массовойскорости и константы скорости горения 
, 
.При горении температура капли близка к температуре кипения. Используя определение температуры горения
, (1.11)получим формулы
, (1.12) 
, (1.13)позволяющие оценить J и
, проанализировать влияние условий и свойств на скорость горения капель. С ростом температуры среды увеличивается 
, больше 
, поэтому скорость испарения (горения) увеличивается. 
На рис.2 представлена характерная зависимость, наблюдаемая при горении изооктана в атмосфере, содержащей 34,9% кислорода. В табл.1 приведены экспериментальные и расчетные значения констант испарения при горении в воздухе, определенные Годсейвом. Хотя данные для ракетных топлив не были получены, можно ожидать, что константы испарения будутпорядка 10-4м2/сек (того же порядка, что и для керосина). Константы испарения для изооктана приведены в табл. 1.
Рис. 2
Таблица 1.
Константы испарения для различных топлив при горениив
воздухе 
1.3 Влияние влажности на горение капли углеводородных топлив
Большое количество работ посвящено исследованию горения водоэмульсионных топлив. Основной задачей является уменьшение токсичности отработанных газов и уменьшение загрязнения окружающей среды.
Теоретическими расчётами и экспериментально установлено, что эффективность использования воды для снижения концентрации загрязнений в выхлопных газах двигателей зависит от способа введения воды и от типа двигателя. В частности спрыск в камеру сгорания эмульсии вода - жидкое топливо, приводит к снижению на 95% концентрации NOx и выхлопных газов, существенному снижению количества выбрасываемой сажи и снижению температуры выхлопных газов, что позволяет повысить мощность двигателя на 20%. Найденная оптимальная концентрация воды в водно-топливных эмульсиях составляет 10-20%.
Экспериментально исследовано влияние дисперсности воды на процесс горения капель эмульсий. Показано различие в закономерностях горения капель и влияние дисперсности воды на время сгорания капель.
 |
Влияние воды имеет физическую, а не химическую природу: вода приводит к вторичному дроблению капель горючего в камере сгорания, способствуя значительному увеличению размера капель горючего и увеличению полноты сгорания. Обсуждался кинетический механизм воздействия воды и возможные пути улучшения смесеобразования и сгорания при использовании водно-топливных эмульсий.
Гораздо меньше работ посвящено исследованию горения углеводо-родных топлив во влажном окислителе. Разработана числовая модель для изучения переходного состояния процессов физического испарения капли, воспламенения и диффузионного горения. Считается, что капля состоит из водного ядра, окружённого жидкой топливной оболочкой. На стадиях физического испарения и диффузионного горения возможно рассмотрение квазистационарного процесса. На стадии диффузионного горения рассмотрены случаи, когда температура водного ядра превышает температуру кипения до тех пор, пока полностью не испарится топливо.
Изучено воздействие водяного пара на температуру пламени, скорость сгорания. Установлено, что введение водяного пара приводит к некоторому снижению температуры пламени и скорости сгорания топлив. Введение водяного пара приводит к значительному ингибированию образования C и CO при одновременном повышении тепловыделения, что связано с тем, что подача воды увеличивает концентрацию OH-радикалов, которые реагируют с CO и C, образуя CO2 и H2.
Изучен процесс сгорания тяжёлого нефтяного топлива с использованием впрыска в камеру сгорания водного пара. В зависимости от температуры и характера насыщения смеси водяным паром, определяющих соотношения влаги и воздуха в смеси, подаваемой в зону горения, рассмотрены 3 типа сгорания топлива: нормальное влажное, неполное влажное и переувлажнённое. Подчёркнуто, что для обеспечения максимальной эффективности от впрыска воды необходимо правильно устанавливать соотношение между водой и воздухом в смеси, поскольку от него зависит количество воздуха, необходимого для полного выжигания пористых коксовых остатков у зоны горения.
Как видно из обзора литературы, экспериментаторы в основном исследовали влияние воды на характеристики горения, непосредственно смешивая топливо с водой. Но существует и другой способ введения воды в зону химической реакции – горение топлива во влажном окислителе. Для построения модели горения совокупности капель в камере сгорания, необходимо горение одиночной капли.
Раздел 2
Критическое условие воспламенения капли.
2.1 Метод Зельдовича
Для вывода критического воспламенения воспользуемся методом Зельдовича Я.Б. Разделим область rк < r < rпл на две зоны: первая прилегает к поверхности приведенной пленки rв < r < rпл; вторая - rк < r < rв. Здесь rв - координата условной границы, на которой происходит воспламенение. Пренебрегая теплом, выделяющимся при химической реакции во второй зоне rк < r < rв, уравнение (1.2) запишем в виде
(2.1)решая которое получим
а с учётом
имеем выражение для теплового потока
(2.2)Для первой зоны rв < r < rпл, пренебрегая изменением температуры с координатой
, так какдействие химических источников способствует выравниванию температуры по зоне, получим 
(2.3)Сравнивая (2.1) и (2.3) видим, что на границе двух зон r = rв должна существовать область
,в которой 
(2.4)