Температура воспламенения и пределы воспламеняемости горючих газов. 5 страница

Date: 2014-03-11; view: 1754.

Ламинарлы ағыстану Re – ның кішкентай шамасы кезінде ғана мүмкін. Re > Re_кp кезінде ағыстау тұрақтылығы бұзылады жіне аз көлемдердің қозғалысы реттелмеген, пультенген болады. Мұндай шарттарда алаудың ламинарды таралуы заңдары өз күшін жоғалтады. Шешуші фактор болып турбулентті пустену және онымен байланысқан аралассу интенсивтілігі саналады.

Бунзен оттықтарры жұмысы мысалымен алау құрылысының (сурет 3.15) өзгерісін қарастырамыз. Ламинарлы ағыс кезінде алаудың тегіс және жұқа фронты байқалады. Rе шамасы критикалық мәнге ие жеткенде алау қысқарады, ұлғаяды және қатты сиретілген болып көрінеді. Алаудың қысқаруы турбуленттікпен түсіндірілетін, алаудың таралу жылдамдығының өсуімен байланысты.

Турбулентті алауды химиялық реакция турбулентті диффузия және турбулентті жылу өткізгіштік есебінен жылдамдатылады. Сондықтан турбулетті орын ауыстыру процесстері жылдамдық функциясы (Rе) болып келеді, алаудың турбулентті таралу жылдамдығы U_т сол сияқты жыдамдық функциясы болып келеді (немесе Rе санының). Алаудың турбулентті таралуының екі теориясы бар:

Сурет 3.15. Ламинарлы режимнен турбуленттіге көшкенде алау құрылысынң өзгерісі	Сурет 3.16. Кіші масштабты турбуленттік кезіндегі алау схемасы

1. Беттік жану теориясы.

Турбуленттілік әсерінен алау фронты бұрылады, оның беттік жағы сиректенеді және қатты ұлғаяды (сурет 3.13). Алау өркендеген бет бойымен U_n тұрақты жылдамдығымен таралады, ал алау таралу жылдамдығының өсуі жану фронты бетінің ауданынң өсуіне пропорционал болады .

Турбулентті жану фронтыбетінің ауданын конус ауданы ретінде қарастыра отырып, беттер қатынасының өсуі -ге пропорционал екенін аламыз, онда екенін аламыз. Бұл теория кіші масштабты тублуленттілік кезінде жақсы анықталады.

2. Көлемдік жану теориясы.

Үлкен масштабты турбуленттілік қарастырылған кезде қолданылады. Жанғыш қоспа мен жану өнімдерінің элементарлы көлемдері жаңа қоспаға орын ауыстыра отырып, жандыру ошақтарын тударады (сурет 3.17). Жаңа қоспа жану алаңына тие отырып фронтты бөлек бөлек жану ошақтарына бөледі. Жану алаудың нормалды таралу заңдылығы бойынша жүреді. Алау фонты бөлек мольдер бетінің қосындысы болып келеді. Бұл жағдайда және шырақ биіктігі, тәжірибе көрсететіндей, қоспаның ағыстау жылдамдығынан тәуелді болмайды .

Жану камерасына оттықтар арқылы берілетін қоспа, өзімен жану өнімдерінің жоғары қыздырылған ортасында таралатын изотермиялық емес ағысты береді. Ағыстың турбулентті ұлғаю процессінде жанғыш қоспа қыздырылады және бір уақытта жану өнімдерімен араласады. Қыздыру ағыс шегімен интенсивті өтеді және оттық сағасынан алыстауымен ағыс ішіне таралады. Температура және концентрация таралуы қисықтары сурет 3.18 көрсетілген. Сыртқы шектерге жақындаған сайын температура көтеріледі, ал жану қоспасының концентрациясы төмендейді. Ағыстың жандырылуы оның сыртқы қабаттарында конустық беттерінде болады, онда алаудың таралу жылдамдығы максималды шамаға ие. Шекті қабаттардың жандырылуынан турбулентті жылу өькізгіштікпен жылу көрші қабаттарға беріледі, сонысымен олардың реттік жандырылуын тудырады. Жану ең алдымен шырақ осіне жететін нүктемен жану алаңы шектеледі және формуласымен есептеледі, мұнда U_т – алаудың турбулетті таралу жылдамдығы. Жанудың көрінетін фронты шырақтың () бөлігі болып келеді, мұнда - жану фронтының қалыңдығы. Онда ағыстың жандырылуы және жанғыштардың негізгі жанып шығуы (90 % - ға дейін) жүреді. Жану көрінетін фронт алдында аяқталады, шырақтың жалпы ұзындығын анықтайды. бөлігі толық жануға дейін жанып бітк алаңы ұзынды деп алайды.

3. Газдардың диффузиялық жануы

Оттық арқылы құрамына оттек кірмейтін газды берген жағдайда, диффузия арқылы жіберілетін қоршаған ауа оттегісін қолдану есебінен оны жандыруы нәтижесінде жануы жүреді. Сондықтан тотықтырғаш пен жындырғыштың өзара диффузиясы процессі кезінде жануы жүреді, сонда жану жылдамдығы араласу процессі интенсивтілігімен анықталады, мұндай жану диффузиялық деп аталады. Араласу сипатынан байланысты ламинарлы және турбулетті диффузиялық жану түрлерін ажыратады.

Ламинарлы диффузиялық жану оттықтан ағып өтетін газдың ламинарлы қозғалу режимінде жүреді. Тұрақты жану алаңы бет бойынша анықталады, мұнда жындырғыш және тотықтырғыш стехиометриялық қатынаста болады. Түзілетін жану өнімдері шырақ ішінде де қоршаған ортада да диффузияланады. Диффузиялық ламинарлы шырақ құрылысы 3.19 суретінде көрсетілген. Жындырғыш концентрациясы ағыс осіндегі ең үлкен мәнінен алау фронтында нолге дейін төмендейді, ал оттегі концентрациясы нолден алау фронтында оның қоршаған ағыстағы мәніне дейін өзгереді. Өнімдер концентрациясы фронтта максималды.

Диффузиялық ломинарлы алауда температура жану алаңында максималды мәнге ие. Жану алаңына жетер алдында оттықтан шығатын газ диффузия мен жылу өткізгіштікпен берілетін жылу есебінен қыздырылады. Көмірсутектерді жандыру кезінде оларды қыздыру күл мен сутектің түзілуімен жүретін термиялық бұзылуға әкеледі. Алаудағы бос көміртек пен күлдің кіші дисперсті бөліктері жану кезіндегң жылу есебінен қыздырылып, алаудың жалтырауын шақырады. Күл бөліктерінің диффузиялық жануы салыстырмалы баяу жүреді, соның нәтижесінде отынның толық жанбауы болуы мүмкін.

Ламинарлы диффузиялық алау биіктігі мына формуламен анықталады

, (3.15)

мұнда W – газдың ағыстау жылдамдығы; R – қақпа тесігінің радиусы; D – молекулалық диффузия коэффициенті.

Диффузиялық жандыру интенсивтілігі қоспа түзілу интенсивтілігінен тәуелді. Алаудың турбулентті ағыстау кезінде масса алмасу интенсивті, ал ламинарлыда, өндірістік шарттар үшін турбуленттік диффузиялық жану әдісіболып келеді. Жылдамдықтың артуымен бірталай максимумға жетіп шырақ мөлшері өседі. Бір уақытта өз кескінін және шыңының тұрақтылығын жоғалта бастайды. Шырақтың турбулизациясы басталады, ол оның ұзындығының көп бөлігін алып жатады. Шырақ тамырына турбулентті фронттың жақындауынан оның биіктігі бірталай азаяды, ал әрі қарай азды-көпті тұрақты болып қалады. Газ ағысының жылдамдығы біршама критикалық мәндерге жеткенде барлық шырақ турбулентті болады, және әрі қарай жылдамдық артқанда биіктігі өзгеріссіз қалады. Турбулентті диффузиялық шырақтың қатыстық биіктігі келесі формуламен есептеледі

, (3.16)

мұнда h – шырақ ұзындығы; d – оттық сағасының диаметрі; V⁰ – жану өнімдерінің теориялық көлемі; r_в және r_г – газ және ауа тығыздығы. Диффузиялық шырақтың ламинарлы жану режимінен турбуленттіге көшкенде әр түрлі газдарда Re –нің әр түрлі критерийлері кезінде байқалады, сутек үшін ол 2200 тең, кокстық газ үшін 3700-4000, көміртек оксиді үшін – 4750, пропан жіне ацетилен үшін – 8900-10400.

Көлденең ағындағы газ ағыстары

Әдетте энергетикалық отын ретінде жоғары жану жылуына ие табиғи газды қолданады. Жану жылуы жоғары газдарды жағуға тән ерекшеліктері аз көлемдегі газбен көп көлемдегі ауаны араластыру болып келеді. Аралстыру процессін интенсивтендіру ауа ағысына газды үлкен жылдамдықпен (~100 м/с) жұқа ағыспен (сурет 3.21) беру болып келеді, беру жылдамдығы 15-40м/с.

Газдың турбулентті ағысының ағыстау кезінде ауаның көлденең ағыны (сурет 3.21) ағыс ақырындап бұрылады және нормаль бойынша ағыстайтын ағынға қарай h ара қашықтықта ағын оған серік бола бастайды. h шамасы ағысты бұзатын ағысқа ағыстың ену тереңдігі болып келеді және [13] формуласы бойынша есептеледі

, (3.17) , (3.17)

мұнда k – ағыстар арасындағы қадамға байланысты болатын коэффициент; b - ауа ағыны пен газ ағысының бағыттағышы арасындағы бұрыш. Кеңейтілген газ ағысының диаметрі D = 0,75h құрады. Мұнда S/d=4; 8; 16; ¥ k коэффициенті сәйкесінше 1,6; 1,7; 1,9; 2,2.

Бақылау сұрақтары:

1. Жану процессінде қандай тұрақтандырғыштар қолданылады?

2. Ламинарлы жану турбулентті жануға ауысқанда не болады?

3. Беттік жану теориясын қандай турбуленттілікте қарастырады?

4. Газдың диффузиялық жану интенсивтілігі неге байланысты?

10 дәріс– Жалынның турбулентті таралуы – 1 сағат

2. Сұйық жанармайдың жануы

Сұйық жанармай алаулауға дейін буланады, сондықтан ол бу фазасында жанады. Булану қабатын үлкейту үшін, мазутты тамшы күйінде жағады;сонымен бірге екі үрдіс жүреді:Сұйықтан газдық фазаның қалыптасу-булануы және – газоауалық қоспаның жануы. Жылу алмасу және жылу берудің мөлшерінен тәуелді жанармайдың булану жылдамдығымен жану жылдамдығы анықталады.

Булану кезінде тамшы айналасында бу бұлттары пайда болады, олар қоршаған ортаға таралады (сур.7-5).Сонымен бірге газдар оттегімен бірге қоршаған ортадан жанармайдың буланатын бөлшегіне қосылады. Нәтижесінде тамшыдан кейбір қашықтықта реакция аймағында оттегі мен жаңғыш газ арасында стехиометрлік қатынас пайда болады(а=1).

Шырақ жылуының әсерінен бұл аймақта қоспа алаулап, буланатын тамшы айналасында жану қабаты пайда болады.

Сур. 5. Сұйық жанармай тамшысының жану механизмі мен мінездемесі.

Бұл қабат тамшыдан біршама алыс орналасқан (асады) және шекаралық ламинарлық қабаттың өлшемдерінен асып түседі.

Бұл қоспа түзу негізінен турбулентті масса алмасу салдарынан жүзеге асады.

Қоспаның жануы екі үрдіспен анықталады: Реакция аймағына диффузиямен оттегі берілу (жану), жанармай буларының бұл оттекпен химиялық қабылдауы. Жаңғыш булардың жануы тізбекті реакциямен жүзеге асады. Жанармай буының жану шартында химиялық үрдіс жоғары температурада өтеді де, үрдіс жылдам әрі оттегіні көп жұтумен өтеді, ал оның диффузиямен берілуі керекті мөлшерден аз, сондықтан жану үрдісінің жылдамдығын оттегі диффузиясының жылдамдығы алмастырады.

Осыдан сұйық жанармай буының жануы диффузиялық аймақта өтетінін аңғартады. Ол жанып жатқан тамшы айналасындағы температура өзгеруімен және оттегі концентроциясымен суреттеледі (. 7-5сур, мұнда обцисса осі геометриялық параметрлерді білдірсе, ординат осі үрдіс температурасын және оттегі концентрациясын білдіреді). Булану кезінде тамшы өлшемдері азаяды, сонымен бірге жану аймағы да азаяды, ал тамшының толық булануы кезінде мүдем жойылады.Егер сұйық жанармай буларының жануы оттегі жетіспеушілігі жағдайында өтсе, онда ауыр көміртегі және көміртегі бөлшектері пайда болады. Мұндай үрдіс- термиялық крекинг- жанармайдың толық әрі жылдам жануына кедергі келтіреді. Егер бастапқы үрдіс оттегі жетуімен өтсе, онда бұл үрдіс-қышқылдатқыш крекинг жанармайдың толық әрі жылдам жануын қамтамасыз етіп, біраз күл түзеді.

Сұйық жанармай жану интенсификациясының негізгі шарттары:алдын-ала қыздыру және жанармайдың тозандануы, шырақтағы ауаның жануына керектіні жеткізу, қыздыру, энергетикалық қоспа түзу, жану ядросында температураны жоғары деңгейде ұстап тұру, шамамен-.

Сұйық отынды жағу кезінде оның жануы бугазды фазада жүреді. Сұйық отынның қайнау температурасы оның жалындау температурасына байланысты. Оттық кеңістікке түскен сұйық жанғыш жылуоттық газдар есебінен қыздырылады, буланады. Бірінші кезекте, отынның жеңіл фракцияларына буланады. Сұйық отынның булануының қарқындылығы оның беті мен жылу берілуінің кемуімен өседі. Сұйық отынның жану жылдамдығы беттен булануымен анықталады. Бұл бет отынның жеке тамшыларына ыдырайды, ол үшін арнайы заттар – форсункалар қолданылады. М: А=1мм тамшыдан 10⁶ тамшы алынады, А=10мкм булану беті 600 есе өседі. Қатысты төмен температурада 500-600°C күрделі көміртегі ыдырауы қарапайым көміртегімен симметриялы жүреді. Соңғылары СО₂ мен Н₂О қышқылданады. Өте жоғары температурада симметриялы қарапайым жоғарымолекулалы көміртегілік кешен күрделі жанады. Сондықтан мазут шырағының ыстық бөлігі жеңіл бу және газтәрізді көміртегі, ауыр сұйық көміртегі және ауыр бөліктерден тұрады. Сұйық отынды жағу процесі келесі кезеңдерден тұрады:

1) отын ыдырауы

2) көміртегі мен қышқылтермиялық ыдырау мен булану өнімдерінен тұратын ыстық қоспа пайда болуы

3) ыстық қоспа жалындауы

4) ыстық қоспа жануы

Аэродинамикалық қатынаста мазутты шырақ изотермикалық ағын ретінде көрінеді. Ағын дамуы бойынша турбулентті диффузия есебінен таралған сұйық отын қыздыру, булану мен жалындауды қамтамасыз ететін жоғарытемпературалы жану өнімдері қосылады.

Сұйық отын жануының қарқындылығы ауа мен отынның буларының ауысуымен таралған тамшы булануы процесі негізінде анықталады. Г.Н.Абрамович жасаған теория бойынша сұйықтың секундтық шығыны ортадантепкіш форсунка келесі формуламен анықталады:

т – соплоның шығу қимасының алаңы

- шығынның теориялық коэффициенті

н – су арыны

Идеал сұйық үшін ортадан тепкіш форсунка шығынының теориялық коэффициенті оның өлшеусіз геометриялы параметрлер А анықталған қатынаспен байланысты

және тірі қима коэффициентімен

осында

- құйындалу радиусы

n – каналдар саны

- құйындалушы камера саны

- форсунканың шығу каналдары саны

Ч_с – сопло радиусы

ч_в – құйын саны

Форсункадан сұйықтық шыққан кезде оның осіне сұйықтың максималды шығыны кететін өлшемді құйын орнатылады. Осында:

Шығын коэффициенті тірі қима коэффициенті арқылы беріледі.

Таралу бұрышы анықталғанда жақындатылады

Бірақ ВТИ қолданған берілген байланыстың эксперименталды тексеруі көрсетуінше: теория мен тәжірибенің ұқсас келуі тар шектерде келіседі. Қуатты ортадантепкіш форсунка үшін болғанда, теориялық бұзылады.