СТОЯНИИ химического равновесия. Например, типичное почти прозрачное голубое пламя бунзеновской горелки можно превратить в коптящее желто-оранжевое пламя, изменяя только коэффициент избытка воздуха. Такое излучение светящегося п.ламени обычно предполагается связанным с присутствием горячих частиц углерода (сажи), образующихся вследствие неполного сгорания в углеводородных пламенах. Однако это предположение вызывает сомнения. Эчиго, Нишиваки, Хирата [9] и др. выдвинули предположение, подтвержденное экспериментальными результатами, что излучение некоторых светящихся шламен обусловлено излучением в колебательно-вращательных полосах химических смесей, которые появляются во время- сгорания до образования частиц сажи. Но так как излучение светящихся пламен чаще всего связывается с образованием сажи, излучение сажи будет рассмотрено в разделе, посвященном светящимся пламенам.

Горение в общем случае - очень сложный химический процесс, который часто состоит из ряда химических реакций, протекающих последовательно и одновременно. В процессе горения образуется ряд промежуточных химических компонентов. Состав и концентрацию этих промежуточных компонентов нельзя определить с достаточной точностью, если нет полных данных о кинетике реакций в пламени, а такими данными мы обычно не располагаем. Так как радиационные свойства пламени зависят от распределения химических компонентов и температуры в пламени, то подробный расчет излучения пламени часто бывает невозможным, если известны только исходные продукты горения и геометрия пламени. Из-за трудностей такого рода обычно приходится обращаться к эмпирическим методам расчета излучения систем, образующихся при горении.

Рассмотрим по отдельности две стадии расчета излучения пламени: 1) расчет теоретической температуры горения путем рассмотрения энергии, выделяемой при химических реакциях, без учета потерь тепла на излучение и 2) более сложный расчет из.лучения газа, содержащего твердые част1щы, которые изменяют теоретическую температуру горения.

21.4,1. Теоретическая температура горения

Характерным параметром эмпирических соотношений излучения пламени является средняя температура хорошо перемешанного пламени, приобретаемая им в результате выделения химической энергии. Существуют хорошо разработанные методы [10-12] расчета теоретической температуры горения для рассматриваемой системы, основанные на имеющихся термодинамических данных и позволяющие учесть влияние нагрева горючего и окислителя или того и другого одновременно. Такие расчеты предполагают

полное сгорание горючего и отсутствие потерь тепла. Расчет теоретической температуры горения удобно проиллюстрировать на примере.

ПРИМЕР 21,2. Ипользуя данные для средней теплоемкости, представленные на фиг. 21.5, и теплоты сгорания из табл. 21.2, вычислим теоретическую температуру горения этана, сжигаемого при 100%-ном избытке воздуха (по объему). Этан подается при

6,0 lof

1600 2000

Т. к

Фиг. 21.5. Средняя теплоемкость Ср различных газов в интервале температур

от Т до 298 К [10].

комнатной температуре 25° С (298 К), а подводимый воздух подогрет до температуры 500° С (773 К). Смесь сжигается в окружающей среде при давлении 0,101 МПа (1 атм).

Теоретическая температура горения Т определяется из баланса энергии в предположении отсутствия потерь тепла. Энергия исходных продуктов и энергия, выделяемая при горении, приравниваются энергии продуктов сгорания. В результате получаем

/Избыток энергии подводимого воздуха и топлива относительно m гр \энергип, соответствующей 7исх/

1 - 1 ИСХ - /гт , V ч, /<-.

Энергия, выделяемая ири горении

(Полная масса продуктов) X (Средняя теплоемкость)

(21.15)

Для этана химическая реакция в предположении полного сгорания записывается в виде

2СгН^-1- 702 4С02 + бНгО.

Пусть сгорает 2 кг-моля этана. При этом расходуется 7 молей кислорода. Так как избыток воздуха составляет 100%, то вместе с воздухом вводится 14 молей кислорода, а в процессе горения участвует кислород только из половины подводимого воздуха. Кислород в воздухе составляет 21 % (объемн.), и так как мольная доля равна части занимаемого объема, то число молей использованного воздуха будет равно .

wiE03fl = 0 = 66,67 моля.

Таким образом, всего в процессе горения расходуется 2 йоля этана и 66,67 моля воздуха. Избыточное теплосодержание подводимых компонентов топлива над теплосодержанием при исходной (комнатной) температуре составляет

Hi=j][mc{Ti-T)]u, k

где Ср - средняя теплоемкость в интервале между исходной температурой и температурой подводимых компонентов топлива Г,. При использовании данных фиг. 21.5, для которых исходная температура принята равной 298 К (25° С), получаем

Пi = [tncp {Ti - Гисх)]этан + [тс {Ti - ? сх)]возд =

= О -Ь 66,67.2,93.10 (773- 298) = 9,28 10 Дж, где вклад этана равен нулю, так как он подводится при Гисх-Тепло АЯ, выделяемое при горении, определяется по табл. 21.2 с учетом молеку.лярного веса этана, равного 30, т. е.

АН = 2 моля-30 кг/моль-4,74.10 Дж/кг = 28,4-10 Дж. Тогда числитель уравнения (21.15) равен Hi + АН = 37,7-108 Дж.

От той части воздуха, которая содержит кислород, потребляемый для горения, остается азот, составляющий около 79% (объемн.). Следовательно, количество азота в продуктах сгорания составляет

33,3-0,79 = 26,3 моля. Полное количество продуктов сгорания в молях равно

Для онределения знаменателя (21.5) суммируются отдельные составляющие

-прод= S rnfpj.

Однако Ср зависит.от конечной температуры Г, которая является теоретической температурой горения и еще неизвестна. Мы должны оценить Т, чтобы определить значения Cp,j и затем подставить эти значения в (21.15). Если вычисленная температура пламени совпадает с принятым значением, то решение заканчивается. В противном случае оценивается новая температура, пересчитываются значения Ядрод, которые подставляются затем в (21.15). Эта процедура продолжается до совпадения принятой и вычисленной температур горения. Результаты расчета сведены в следующую таблицу:

Так как изменение принятой температуры пламени на 400 К приводит к изменению вычисленной температуры горения лишь на 20 К, то можно считать, что значение 1853 К даст ошибку в несколько градусов.

В этом примере предполагалось полное сгорание при отсутствии диссоциации продуктов сгорания. Кроме того, не учитывались потери энергии на излучение, которые бы понизили температуру горения. Методы, включающие эти эффекты, рассматриваются в работе [12]. В табл. 21.2 приведены теоретические температуры горения различных углеводородных пламен (без учета излучения). Помимо данных для полного сгорания в сухом воздухе приведены результаты, включающие диссоциацию и ионизацию продуктов сгорания. Последние сравниваются с экспериментальными данными. Кроме того, приведены теплоты сгорания рассматриваемых веществ. Все данные заимствованы из работ [12, 13]. Обширные таблицы подобных данных более чем для двухсот углеводородов приведены в работах [10, 13].

Теперь, когда известна средняя температура горения, перейдем к рассмотрению излучения несветящихся пламен.

Таблица 21.2

Теплота сгорания и температура горения углеводородных горючих [12, 13

21.4.2. Р1злучение несветящихся пламен

Явления, происходящие при излучении несветящихся участков пламен, довольно хорошо изучены. Сложность химических реакций здесь не слишком важна, так как рассматриваются газообразные конечные продукты, расположенные выше зоны активного горения. В процессе горения при взаимодействии горючего и окислителя высвобождается потенциальная энергия химических связей. Это приводит к излучению в спектральных линиях и полосах, являющемуся результатом различного рода переходов между энергетическими состояниями. В большинстве случаев рассматривается горение углеводородов и излучение в полосах СО и HgO в инфракрасной области спектра. Для пламен толщиной около полуметра и более, как в промышленных топках, излучение в колебательно-вращательных полосах COj и HjO приближается к излучению черного тела.

Для расчета радиационного теплообмена пламен можно воспользоваться радиационными свойствами газов и методами гл. 17. Расчет существенно упрощается, если газ хорошо перемешан, так что его можно считать изотермическим. В неизотермических

условиях газ можно разделить приблизительно на изотермические зоны, а также учесть конвекцию газа, если известна циркуляция внутри камеры сгорания. Расчет в неизотермических условиях для цилиндрических факелов с учетом конвекции был выполнен в работе [14].

Ниже будет дан пример расчета излучения несветящихся пламен.

ПРИМЕР 21.3. В примере 21.2 продуктами сгорания были 4 моля СО2, 6 молей паров HgO, 33,3 моля воздуха и 26,3 моля Nj. Предположим, что эти газообразные продукты заключены в цилиндрической области диаметром 0,61 м, высотой 1,22 м и равномерно перемешаны при теоретической температуре горения 1853 К. Давление равно 0,101 МПа. Вычислим поток излучения, покидающий газообразную область, используя методы разд. 17.5 и 17.6.

Парциальное давление каждого компонента равно его мольной доле в смеси. В таком случае парциальные давления COj и HgO равны

Рсо^[щ^){\ОЛЛО Па) = 5800 Па, Рщо=(б^)(10,М04 Па) = 8690 Па.

Пренебрегая самопоглощением, вычислим с помощью уравнения (17.51) среднюю длину луча

/ 4[я(0,61у4)]1,22 ллос.

е.о- -(0,61я-1,22) + 2я (0,612/4)-*

Для учета самопоглощения вводится поправочный коэффициент 0,9, так что средняя длина луча равна

Le = 0,9-0,488 = 0,439 м.

Тогда

Рсо2Ье = 5800-0,439 = 2545 Па-м, №20 = 8690-0,439=3820 Па-м.

Используя данные для степени черноты (фиг. 17.11-17.15) при температуре горения (1853 К), получим

€со2 = 0,039 и ен20 = 0,029.1,08 = 0,031,

где 1,08 - поправочный коэффициент, учитывающий, что парциальное давление пара не равно нулю. Кроме того, надо ввести отрицательную поправку, учитывающую наложение полос излучения СО2 и Н2О. Она определяется по фиг. 17.15 при значении

51-0697

Н