Теоретические аспекты процессов горения в потоке

В технике горение, как правило, используется в проточных системах. Горючее и окислитель непрерывно подаются в камеру сгорания (реактивного двигателя, топки, энергетической установки и т. п.), а из нее отводятся продукты горения — горячий газ, являющийся основным рабочим телом в техническом устройстве.

Существуют два способа осуществления химической экзотермической реакции в потоке заранее перемешанных газов. Первый из них заключается в том, что, скажем, в цилиндрическую камеру сгорания с торца подастся смесь горючего и кислорода или воздуха таким образом, что она движется параллельными слоями, т. е. скорость всех частиц газа в данном сечении, кроме тех, которые находятся непосредственно у стенки камеры, практически одинакова. Если скорость потока достаточно велика, так что диффузия и теплопередача в направлении, обратном потоку, не играют роли, то каждый элемент газа ведет себя так же, как и в реагирующей покоящейся среде, находящейся при постоянном давлении. По мере движения газа вдоль трубы, если теплоотдача мала, его температура все время повышается за счет выделяющегося в ходе реакции тепла. Зависимости температуры и концентрации реагирующего вещества от координаты вдоль движения потока газа соответствуют зависимостям температуры и концентрации от времени при протекании реакции в покоящейся среде.

Переход от производных по времени в уравнениях адиабатической химической реакции (уравнения (3.62), (3.63)) к производным по координате связан с переходом от лагранжевой координаты, характеризующей поведение отдельной частицы газа, к эйлеровой координате, которая употребляется для описания характеристик движения газа в фиксированных точках пространства. В случае, когда движение зависит только от одной пространственной координаты, связь между лагранжевой и эйлеровой координатами наиболее проста.

Производная по времени в лагранжевых координатах совпадает с субстанциональной производной d/dt, которая в эйлеровых координатах для плоского одномерного течения имеет вид.

(3.100).

где и — скорость движения частицы газа; х — пространственная координата.

Поэтому при стационарном режиме горения основные уравнения получаются из уравнений адиабатического теплового взрыва заменой d/dt на ид/дх. Начальное условие при t = 0 переходит в граничное условие при х = 0 — сечении, начиная с которого мы следим за протеканием химической реакции в потоке. В этом сечении в поток непрерывно подается реагирующая смесь с исходными физико-химическими свойствами (температурой, концентрацией реагирующего вещества и др.).

Отметим, что для интегрирования системы уравнений рассматриваемого режима горения в потоке надо знать изменение скорости газа в пространстве или скорость как функцию температуры. Последняя может быть получена из рассмотрения уравнения неразрывности.

(3.101).

где индекс 0 относится к сечению х = 0, и уравнения состояния газа при постоянном давлении (реактор, обычно, — широкая труба, и при малых дозвуковых скоростях потока давление успевает выравниваться по всей камере сгорания).

(3.102).

(молекулярные веса исходного вещества и продуктов реакции для простоты считаем одинаковыми), т. е.

(3.103).

При первом способе организации горения в потоке выгорание большей части реагирующего вещества происходит практически мгновенно, спустя время tia (периода индукции) после начала реакции в данной частице. Поэтому зона химического превращения находится на расстоянии от торца камеры сгорания.

Такой режим горения в потоке, при котором воспламенение горючего происходит за счет теплового саморазогрева, получил название индукционного•, он осуществляется в газовой фазе горения ряда порохов и конденсированных взрывчатых веществ, в некоторых химических технологических процессах (реакторы «идеального вытеснения»), в некоторых типах камер сгорания реактивных двигателей. Важным вопросом в теории индукционного горения является его взаимосвязь с тепловым распространением ламинарного фронта пламени, в частности теория критических условий перехода одного режима горения в другой.

Использование индукционного режима горения в химических реакторах и технологических устройствах, требующих максимальной интенсификации процесса, невыгодно, так как большая часть трубы используется неэффективно — только для того, чтобы повысить температуру смеси при очень маленькой скорости реакции.

Вполне естественным является стремление использовать возникающее в ходе реакции тепло для подогрева свежей смеси. Если мы прибавим к поступающей смеси горячие продукты реакции, то из-за разбавления смеси скорость реакции понизится, но так как одновременно повысится температура, которая ускоряет реакцию чрезвычайно сильно, то суммарный эффект может оказаться положительным, т. е. скорость реакции возрастет.

Таким образом, для интенсификации процесса надо стремиться не к движению газа параллельными слоями, а, наоборот, к возможно более полному перемешиванию газа. Это и есть второй способ организации горения в потоке. Практически этот способ можно осуществить, например, в аппарате такой конструкции: смесь подается по периферии цилиндра, а отводится от центра по оси цилиндра (рис. 3.18). В таком аппарате может быть достигнута следующая ситуация: на входе мы имеем исходную концентрацию реагирующего вещества a0 и температуру T0, а во всем сосуде ввиду практически полного и быстрого перемешивания концентрация а и температура Г постоянны. Состав и температура газа на выходе из аппарата такие же, как и внутри его.

Рис. 3.18. Химический реактор, в котором осуществляется перемешивание исходной горючей смеси и горячих продуктов горения.

Первое рассмотрение кинетических закономерностей изотермического протекания реакции в реакционном сосуде, в котором перемешивание протекает настолько энергично, что внутри сосуда не образуются заметные разности концентраций, было дано М. Боденштейном и К. Вольгастом. Химические реакторы, в которых обеспечиваются однородность состава реагирующей смеси и однородность ее свойств по всему объему реактора, называются химическими реакторами идеального смешения или гомогенными химическими реакторам.

Здесь мы рассмотрим закономерности протекания экзотермической химической реакции в условиях полного перемешивания с учетом повышения температуры за счет реакции.