Выражения (78) и (79) показывают, что теплотворность горючей смеси зависит, с одной стороны, от элементарного состава топлива, а с другой - от коэффициента избытка воздуха а. Эти выражения применимы для расчетов теплотворности смеси при а > 1. В случае а < 1 и, следовательно, невозможности полного сгорания топлива в выражения (78) и (79) вместо теплотворности топлива Я„ должно входить количество теплоты, которое может выделиться при пол-•ном использовании кислорода в сме-•си, т. е Я„-АЯ„ (см. стр. 109).
В табл. 5 приведены значе-ния Hj для различных топлив при .а = 1. При сравнении этих значе-!ний с данными для обращает внимание то, что значения для .различных жидких топлив мало отличаются одно от другого и не пропорциональны значениям Я„ для соответствующих топлив. Это происходит потому, что теоретически не-•обходимое количество воздуха Lq за-
10плнв1)
С) г:
а: «
Бензин ........
20 030
Керосин ......
2U040
Дизельное топливо . . .
20 )00
Этиловый спирт (абсо
лютный)........
19 390
Моторный бензол ....
19 900
Бутан ... ....
19 150
Пропан .... ...
18 900
1 еператорный газ
из дров . ....
12 500
из антрацита ....
13 850
Природный газ.....
18200
ВИСИТ не только от тех же величин (С, Н и О), от которых зависит и теплотворность топлива но и приблизи-•тельно пропорционально теплотворности топлива. Чем больпле кислорода затрачивается иа сгорание топлива, тем больше теплоты выделяется при этом.
§ 3. СГОРАНИЕ
Горение является сложным процессом - его возникновение, развитие к полнота зависят от химических и гидродинамических факторов, а также ст условий теплообмена зоны реакций с окружающей средой.
Обычные стехиометрические уравнения реакций окисления отдельных элементов, входящих в состав топлива, не описывают действительного протекания процесса сгорания. Этот процесс является многостадийным процессом, в течение которого происходит ряд последовательных реакций с образованием различных промежуточных продуктов и химически активных частиц (атомов и радикалов). Появлению «горячего» пламени, сопровождающего быстрые экзотермические реакции, предшествует ряд предпламенных реакций, протекающих с меньшим тепловыделением («холодные» пламена). Последовательность отдельных реакций при сгорании углеводородов и состав продуктов промежуточных реакций до настоящего времени окончательно •не выяснены. Согласно одной из распространенных теорий сгорания, первоначально происходит внедрение активной молекулы кислорода в молекулу топлива и образование перекисей и гидроперекисей, которые в дальнейшем При достижении определенной концентрации распадаю1х:я с большим тепловыделением и образованием активных частиц, развертывающих цепь .реакций.
С повышением температуры быстро растет тепловая активация. Поэтому Скорость реакции le;, т. е. количество вещества, прореагировавшее в единицу времени, весьма сильно зависит от температуры:
--=Fe
(80)
где С - концентрация реагента;
Е и F - константы;
Т - абсолютная температура; т - время.
График этой зависимости (фиг. 22) показывает, что в области низких температур скорость реакции настолько мала, что реакция практически
не происходит; в области высоких температур скорость реакции быстро увеличивается и реакции протекают в очень короткий промежуток времени.
Скорость реакций зависит также от концентрации реагентов. При наличии в зоне реакции веществ, не участвующих в ней (например, азота при горении в воздухе), уменьшается скорость реакции, так как часть выделяющейся теплоты расходуется на нагрев, а активные частицы дезактивируются при столкновениях с молекулами этих веществ. Такое же действие оказывает наличие одного из реагентов в количестве, избыточном против необходимого по стехиометрическим соотношениям. В результате, если соотношения компонентов сильно отличаются от стехиометрического, скорость реакции настолько уменьшается, что реакция практически может прекратиться, и в такой однородной топливо-воздушной смеси пламя не сможет распространяться. Таким образом, существуют верхний и нижний концентрационные пределы, вне которых смесь не горит.
Фиг. 22. Зависимость скорости реакции от температуры.
Таблица 6-Концентрационные пределы распространения пламени в смесях с воздухом
Верхним пределом распространения пламени называют состав смеси, при котором дальнейшее увеличение количества топлива в смеси (обогащение смеси) делает смесь негорючей. Нижним пределом называют состав, при котором дальнейшее уменьшение количества топлива в смеси (обеднение смеси) также делает смесь негорючей. Эти пределы зависят как от свойств топлива и окислителя, так и от условий определения (температура и давление смеси, теплообмен и др.). Пределы распространения пламени характеризую1х:я или объемным содержанием паров топлива в смеси или коэффициентом избытка воздуха. В табл. 6 в качестве примера приведены данные о пределах распространения пламени в однородных смесях
некоторых топлив с воздухом (при атмосферном давлении и температуре при определении в лабораторном приборе). Для топлив различных видов эти пределы значительно разнятся между собой как по абсолютным значениям agjj и a„jn , так и по диапазону их изменения. С повышением температуры смеси пределы распространения пламени несколько расширяются,
Верхний
Нижний
предел
предел
Топливо
Водород .....
65,2
0,22
Окись углерода . .
70,9
0,17
15,5
Метан.....
11,9
0,78
Ацетилен ....
52,3
0,08
Светильный газ . .
19,1
Бензин ......
Бензол......
Этиловый спирт .
13,7
* Эти пределы называют также «пределами горючести» или «пределами воспламеняемости», что не вполне соответствует сущности явления, так как достаточно мощным источником зажигания можно сжечь смесь любого состава, но пламя не будет распространяться по смеси.
С увеличением содержания в смеси инертных газов (остаточные газы) эти пределы сближаются.
Верхний предел распространения пламени у большей части топлив неимеет практического значения, так как ему соответствуют весьма малые значения коэффициента избытка воздуха, не реализуемые в двигателях. Нижний предел распространения пламени в смесях для топлив, применяемых в двигателях, как можно видеть из табл. 6, ограничен также довольно низкими значениями (х.. Это обстоятельство не позволяет применять качественное регулирование в двигателях с внешним смесеобразованием, в которых сжигаются однородные смеси, так как при малых нагрузках двигателя смесь становится более бедной, чем нижний предел распространения пламени.
Для неоднородш.х (двухфазн]з1х) смесей понятие концентрационных пределов распрО: "странения пламени условно, так как вокруг капли жидкого топлива образуется
Горютя
Продуты сгорания-
Фиг.
23. Схема ламинарного-фронта пламени.
£аждои
ереский слрй (оболрчка) смеси, в котором п£и соответству1ощей температуре и упругости парв топлива 11меются зоны горючей смеси
Процесс горения однородной смеси при принудительном зажигании осуществляется путем распространения в горючей смеси от источника зажигания зоны реакции-фронта пламени. В пространстве достаточно большого объема фронт пламени в неподвижной смеси имеет форму сферической поверхности с центром в точке зажигания. Фронт в неподвижной или ламикарно движущейся смеси представляет собой относительно узкую зону (при атмосферном давлении шириной Ь порядка десятых или нескольких миллиметров), в которой происходит повышение температуры и протекают химические реакции; фронт пламени (фиг. 23) является границей, разделяющей области несгоревшей смеси и продуктов сгорания. Фронт пламени состоит из зоны прогрева в которой свежая горючая смесь разогревае1х:я вследствие передачи теплоты теплопроводностью до температуры начала реакций со значительным тепловыделением и из зоны химических реакций Ъ. Одновременно происходит диффузия активных продуктов промежуточных реакций из химической зоны в свежую смесь. В химической зоне Ьх концентрация топлива уменьшается от первоначальной почти до нуля, т. е. происходит превращение горючей смеси в продукты сгорания, состав которых при наличии диссоциации зависит от температуры. В этой зоне температура возрастает в результате экзотермичности реакций окисления. Максимальная температура горения может быть получена, если нет отвода теплоты из зоны горения. Значение максимальной температуры горения определяется тепловыделением при реакциях, зависящим от теплотворности горючей смеси и степени диссоциации, и теплосодержанием продуктов сгорания. Количество выделяющейся теплоты, температура горения и состав продуктов сгорания взаимосвязаны условиями равновесия прямых реакций окисления топлива и обратных реакций диссоциации продуктов сгорания. На фиг. 24 в качестве примера показано с учетом диссоциации изменение расчетной температуры горения окиси углерода и бензина при различных коэффициентах избытка воздуха.
В реальных условиях сгорания смесей в камере двигателя температуры горения не достигают максимального значения вследствие теплообмена со-стенками камеры и диссоциации. Следует, однако, отметить, что протекание-химических реакций горения возможно лишь при высоких температурах в относительно небольшом диапазоне их изменения. Усиленный теплоотвод
