Сгорание топлив
Углеводородные топлива отличаются высокой скоростью и полнотой сгорания.
Благодаря этому двигатель получает для своей работы тепловой заряд большой плотности в весьма короткий отрезок времени. При хорошо организованном процессе полнота сгорания углеводородных топлив достигает 98% и более. Количество выделяющегося при сгорании углеводородных топлив тепла намного больше, чем при сгорании равного количества такого «классического» топлива, как уголь.
Из-за скоротечности процесса организация сгорания углеводородных топлив с лучшим отбором и использованием выделяющегося тепла представляет трудную задачу.
Изучение теории и практики горения различных топлив позволило достигнуть значительных успехов. Выяснены и подвергнуты математической обработке некоторые закономерности горения. Однако до настоящего времени все еще практически невозможно полностью моделировать или расчленить на более простые составляющие столь сложное явление, как горение топлив.
Процесс горения углеводородов представляет собою их окисление кислородом воздуха, протекающее с очень большой скоростью, до конечных продуктов реакции — в основном воды и углекислого газа. Среди продуктов неполного сгорания могут быть очень малые количества СО, Н2, СН4 и твердые частицы, состоящие почти нацело из углерода. Температура горения углеводородо-воздушных смесей превышает 2000 °С.
Начальное воспламенение рабочей смеси происходит за счет постороннего источника (электрическая искра, раскаленные детали двигателя). Температура источника может достигать 1000 °С.
Различают диффузионно-цепное и тепловое распространение пламени в условиях стационарного горения. В зоне горения, где температура достигает нескольких тысяч градусов, основную роль приобретают процессы передачи тепла из зоны горения к свежей порции рабочей смеси путем теплопроводности и диффузии. Поскольку такой механизм распространения пламени имеет преимущественно тепловой характер, главным фактором, ускоряющим реакцию, является температура.
Началу горения впрыскиваемого и распыленного топлива предшествует его испарение с поверхности капель. Лишь после этого образовавшиеся пары топлива смешиваются с воздухом и сгорают. Таким образом сгорают гомогенные газовые смеси.
Как и во всякой химической реакции скорость горения определяется изменением во времени концентрации реагирующих веществ или образующихся продуктов реакции. Она зависит от химических и физических свойств реагирующих веществ, а также от условий протекания реакции (теплота сгорания, теплота парообразования, удельная теплоемкость паров топлива, температура, объем и поверхность реакционного пространства, давление и др.).
Радикалы являются первичными активными частицами, вызывающими развитие разветвленных цепных реакций в зоне горения. Они легко вступают в соединение с кислородом, а также с исходными или промежуточными продуктами без какой-либо дополнительной активации. Саморазогрев реагирующей смеси приводит к прогрессивному самоускорению реакции горения. Самовоспламенение и воспламенение рабочей смеси характеризуются переходом от относительно медленного развития предпламенных реакций окисления к весьма быстрому химическому процессу, сопровождающемуся возникновением пламени и сгоранием углеводородов почти полностью до конечных продуктов их окисления.
В двигателях с воспламенением от сжатия (дизелях) саморазогрев и воспламенение рабочей смеси происходят за счет нарушения равновесия между скоростью тепловыделения при реакциях окисления и теплоотводом из реагирующей системы в окружающую среду. Воспламенение, происходящее из-за нарушения теплового баланса, иногда называют тепловым взрывом или тепловым самовоспламенением. Для дизельных топлив, самовоспламенение которых имеет тепловой характер, важнейшей характеристикой является длительность задержки воспламенения или воспламеняемость (цетановые числа).
Воспламенение от накаленной поверхности или постороннего источника (искры) имеет много общего с цепочечно-тепловым самовоспламенением в объеме. Оно также происходит в результате прогрессивного самоускорения предпламенных реакций, хотя реакции развиваются в основном в наиболее нагретых слоях вблизи горячей поверхности. При этом характер воспламенения точечный,, а не ударной волны.
Максимальные значения нормальной скорости распространения пламени, используемые в двигателях с углеводородными топлива- ми в смеси с воздухом, колеблются в пределах 35—55 см/сек при атмосферном давлении и температуре 20 °С. Наименьшими значениями скорости сгорания в сравнимых условиях характеризуются алканы, наивысшими — диолефины и ацетиленовые углеводороды. Цикланы и ароматические углеводороды занимают промежуточное место. С увеличением числа углеродных атомов в молекуле это различие в известной мере нивелируется.
Горепие и распространение ламинарного потока пламени для углеводородно-воздушной смеси возможно лишь в следующих известных концентрационных пределах (при атмосферном давлении и температуре 20 °С):
Скорость сгорания топлива сильно возрастает, если горючая смесь находится в интенсивно вихревом (турбулентном) движении. Соответственно интенсивность турбулентного теплообмена может быть значительно выше, чем при молекулярной диффузии.
Скорость распространения турбулентного пламени возрастает прямо пропорционально увеличению скорости реакции окисления углеводородов, а следовательно, температуре горения. Предпринимаются многочисленные попытки повлиять на скорость горения подбором топлива определенного химического состава, а также введением инициирующих горение присадок.
В случае организации процесса горения методом распыливания топлива при помощи форсунок, скорость сгорания будет определяться в значительной мере скоростями испарения капель и диффузионного смешения образующихся паров топлива с воздухом.
Итак, на скорость и полноту сгорания влияют многие факторы, из которых весьма важными являются: химическая природа топлива, равномерность состава и распределения в камере сгорания рабочей смеси (топливо—воздух). Для двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия не менее важное значение имеет акт самовоспламенения жидких распыленных топлив в цилиндре. Между началом впрыска дизельного топлива и началом его горения имеется всегда известный разрыв во времени, что рассматривается как запаздывание самовоспламенения, характеризующее качество топлива с точки зрения воспламеняемости, а следовательно, запуска и процесса горения.
Скорость сгорания распыленного жидкого топлива в двигателе зависит не только от химической реакции окисления, но и от чисто физических процессов, к которым в первую очередь относятся испарение и диффузия. Франк-Каменецкий считает, что при гетерогенном процессе горения жидкого распыленного топлива всегда могут быть выделены две предельные области: кинетическая и диффузионная. Области же высоких температур, где скорость химической реакции чрезвычайно велика, суммарная скорость гетерогенной реакции, будет определяться только скоростью диффузии паров топлива и кислорода воздуха. Диффузия осложняется конвекционными потоками, вызванными разностью температур в различных участках камеры сгорания и вихревыми движениями воздуха.
После испарения капелек топлива на дальнейшее нагревание ларов топлива и скорость химических реакций влияют температура, концентрация, физические и химические свойства реагирующих веществ — топлива и кислорода. При впрыске топлива через форсунку в нагретый воздух капельки топлива успевают при большой величине запаздывания самовоспламенения полностью испариться. Сгорает лишь испарившееся топливо.
Скорость испарения капель топлива при прочих равных условиях прямо пропорциональна, а длительность испарения обратно пропорциональна давлению его насыщенных паров. Отсюда период задержки самовоспламенения в области высоких температур будет также обратно пропорционален давлению насыщенного пара. Таким образом, запаздывание самовоспламенения топлива как бы полностью зависит от физических характеристик. Однако имеются и другие взгляды. При сгорании газойля и тяжелого топлива, несмотря на значительное различие их фракционного состава, получаются примерно одинаковые периоды задержки самовоспламенения. У керосина, несмотря на большое содержание легких фракций, наблюдается значительное увеличение периода задержки самовоспламенения, а затем резко выраженное взрывное сгорание. Это позволяет утверждать, что продолжительность периода задержки воспламенения при начальных температурах и давлениях, которые наблюдаются в дизельных двигателях с самовоспламенением от сжатия, определяется не только физическими процессами испарения и смесеобразования, но и химическими процессами, отражающими начальное развитие цепи реакций. Топлива С большим цетановым числом имеют меньший период задержки самовоспламенения. Это подтверждает значительную роль химического состава топлива в организации процесса горения.
Соколик полагает, что при сгорании топлив имеются области, где лимитирует не только испарение, но и химическая реакция, а температурный коэффициент химической реакции может совпадать с температурным коэффициентом процесса испарения.
В отличие от двигателя с искровым зажиганием, где образуется один фронт (очаг) пламени, в двигателе с воспламенением от сжатия образуется много фронтов (очагов) пламени от нескольких точек воспламенения в ограниченных объемах.
В диффузионной области горение лимитируется периодом испарения топлива. На рис. 67 показана длительность полного сгорания капель керосина при константе скорости сгорания распыленного керосина в турбулентном потоке К = 0,0059 см2/сек (начальная температура 20 °С, давление атмосферное). Как видно из рисунка, при достаточно мелких каплях длительность их сгорания соизмерима с длительностью горения гомогенной смеси в турбулентном факеле пламени и может быть даже меньше. В турбулентном потоке скорость испарения таких капель может быть больше скорости сгорания паров.
Однородность распыливания топлива влияет не только на период задержки воспламенения, но и на последующие процессы горения в двигателе.
Считают, что эффективные присадки сокращают период задержки воспламенения, т. е. влияют лишь на начальную фазу сгорания, имеющую подготовительный характер. Присадки как бы активизируют процесс сгорания топлива.
В области низких температур рождению горячего пламени предшествуют несколько подготовительных стадий, в том числе образование холодного пламени. В области высоких температур горячее пламя возникает как результат непрерывного самоускорения реакции посредством вырожденных цепных разветвлений, перерастающих в тепловой взрыв. Для развития этих процессов необходимо соблюдение соответствующих концентрационных пределов реагирующих веществ, в том числе кислорода воздуха.
Многие исследователи изучали процессы окисления топлив в двигателе в период, предшествующий холоднопламенному горению и затем их самовоспламенению. Установлено, что при окислении топлива в двигателе с выключенным зажиганием, т. е. в отсутствие пламени, образуется весь ассортимент продуктов окисления углеводородов, в том числе значительное количество перекисей, альдегидов, кетонов, кислот. Цетановые числа косвенно характеризуют окислительную деструкцию углеводородов и скорость их окисления. В предпламенных реакциях первичным является окислительная деструкция углеводородов, протекающая под влиянием тепла сжатого воздушного заряда. Температура в зоне сгорания определяется не только сжатием, но и экзотермичностью окислительных реакций.
Горению предшествует глубокое деструктивное окисление углеводородов и других органических составляющих топлива преимущественно в паровой фазе, как естественный подготовительный этап к последующему окислению, развивающемуся с несравненно большими скоростями, характерными для горения.
Для эффективной организации процесса горения топлив весьма большую роль играет подготовка топливо-воздушной смеси. Это особенно важно для воздушнореактивных двигателей. Сюда относятся правильные распыл и каплеобразование топлива в первичной зоне сгорания. Весьма важно найти пути для увеличения скорости сгорания и облегчения воспламенения топливных смесей, особенно .в . высотных системах, работающих в атмосфере с пониженным давлением. Использование для этой цели присадок затруднено. Их эффективность зависит от условий испытаний и от состава рабочей смеси (наличия бедной или богатой смеси). Эффективными промоторами, облегчающими воспламенение керосина при пониженном давлении, оказались производные бора, в частности (ВН4)3Аl и В(С2Н5)3.
Для создания лучших условий процесса сгорания в двигателе необходимо тщательное распыливание топлива.
Углеводородная капля диаметром до 45 мк будет оставаться устойчивой в воздушном потоке до значительной относительной скорости~60 м/сек. Слияние капель может произойти в том случае, если расстояние между ними окажется менее 10 диаметров капли. Вязкость, поверхностное натяжение, плотность топлива и воздушного потока оказывают большое влияние на характер каплеобразования в зоне сгорания двигателя.
Испарение капель и перемешивание паров топлива с воздухом завершаются молекулярной и турбулентной диффузией. Молекулярная диффузия происходит достаточно быстро лишь на коротких расстояниях. Более быстрое образование равномерного топливо-воздушного потока обеспечивает турбулентная диффузия. В реактивном двигателе топливо впрыскивается в воздушный поток, турбулентный характер которого определяет хорошее перемешивание. При этом для нормального горения весьма важно сохранить оптимальное соотношение топливо : воздух. Трудно организовать горение, если до загорания с топливом перемещается более чем двойное стехиометрическое количество воздуха. Оптимальный состав рабочей смеси достигается при хорошем перемешивании воздуха с топливом.
В реактивных двигателях длительность испарения и горения топлива составляет менее 0,01 сек. Испарение капель топлива заканчивается при температуре до 370 °С. Окружающее каплю топлива пламя, в зависимости от концентрации кислорода, химического состава топлива и размера капли, может быть бесцветным или светящимся. Ароматические углеводороды и смолы дают более светящееся пламя, чем алканы.
Интересно, что в сравнимых условиях наибольшей температурой газа в момент воспламенения характеризовался бензол (583 °С); для изоалканов (2,2- и 2,3-диметилбутана) эта температура намного ниже (443,—446 °С).
Интенсивность свечения пламени оценивается как радиирующая способность топлива. Повышенная радиирующая способность топлива представляет известную опасность для нормальной эксплуатации двигателя. В зоне усиленной радиации пламени возникают повышенные температуры, местный перегрев, коробление и, наконец, возможен прогар стенки камеры сгорания. Радиирующая способность топлива в значительной степени зависит от его химического состава. Замечено, что при постоянной мощности, двигателя температура стенки камеры сгорания снижается пропорционально увеличению в составе топлива содержания водорода. Эта особенность обнаруживается тем резче, чем больше мощность двигателя. При сгорании наивысшую температуру стенкам газотурбинного двигателя за счет радиации будут сообщать ароматические углеводороды, имеющие наименьшее относительное содержание водорода. Самыми благоприятными в этом отношении будут алканы, характеризующиеся наибольшим относительным содержанием водорода. Цикланы займут промежуточное место.
Считают, что в реактивном двигателе источником радиирующего пламени, повышающего температуру стенки камеры сгорания, является горение не непосредственно углеводородов, а продуктов их глубокой деструкции — микрочастиц углерода. Степень радиации пламени углеводородов определяется их химической структурой и отношением в рабочей смеси топлива к воздуху.
Радиирующая способность топлива оценивается либо высотой некоптящего пламени, либо числом излучения. В 1960 г. в США в спецификации на реактивные топлива внесен показатель излучения— люминометрическое число (метод АSТМ Д 1740—60). Это число определяется по температуре пламени при постоянной интенсивности его излучения в зелено-желтой полосе видимого спектра (2800—7000 А), фиксируемого фотоэлементом люминометра. Люминометрическое число, или число излучения (ЧИ), находят из уравнения:
где t — температура пламени соответственно испытуемого топлива, тетралина, изооктана при постоянной интенсивности излучения пламени тетралина в точке дымления.
Для товарных сортов реактивных топлив США типа керосина число излучения колеблется в пределах 45—58, а для топлива широкого фракционного состава JР-4 достигает 70—80.
Люминометрическое число, характеризующее радиирующую способность пламени при сгорании топливной смеси, является усовершенствованием показателя «высота некоптящего пламени». Устройство люминометра описано в работе. Между максимальной высотой некоптящего пламени и числом излучения для углеводородов существует линейная зависимость. По высоте некоптящего пламени и числу излучения на первом месте стоят нормальные алканы, затем алканы изомерного строения, моно- и бицикланы, алкены и ароматические углеводороды.
В гомологическом ряду углеводородов число излучения убывает с увеличением числа углеродных атомов в молекуле. Люминометрическое число циклопентанов ниже, чем соответствующих циклогексанов. Так, люминометрическое число циклогексана 130 этилциклогексана 104, этилциклопентана 91, пропилциклопентана 87, изопропилциклопентана 74, 2-циклопентилбутана 75, 2-циклопентилгептана 90.
Ниже приведены значения люминометрического числа для углеводородов различного строения:
На рис. 68 показано изменение температуры стенки камеры сгорания газотурбинных двигателей мощностью 160 и 20 л. с. (к. п. д. соответственно 7,9—9,8 и 17—18,7%), установленное после испытания 16 топлив различного состава, которые выкипали в пределах от 26—195 до 137—357 °С и содержали ароматических углеводородов 0,4—40,5 объемы. %; алкенов 0—39,6 объем. %, углерода 85,7—87,6 вес. %; водорода 12—14,6 вес. %; серы 0,002—0,63 вес. %.
На рис. 69 приведена люминометрическая характеристика этих топлив в зависимости от содержания в них водорода.
Совершенно очевидна связь люминометрического числа топлива, отражающего радиирующую активность пламени, с химическим строением углеводородов топлива. Местный перегрев стенки камеры сгорания, ее коробление и даже прогар возможны не только под влиянием повышенной радиации пламени, но и под влиянием отложения нагаров,теплопроводность которых мала и приближается по значению к теплопроводности окислов железа, алюминия и других металлов.
В зонах горения, где устанавливается пониженная концентрация кислорода или скапливается переобогащенная топливом смесь, часть топлива будет подвергаться термическому распаду с образованием продуктов неполного сгорания. Эти продукты представляют собою сильно обуглероженные вещества (95— 98% углерода). К ним относятся нагары и сажистые отложения. В зависимости от скорости, давления и турбулентности газового потока в зоне образования нагаров они могут иметь рыхлую, пористую и весьма уплотненную структуру, быть сажистыми или иметь блестящую твердую поверхность. Конструкция огневой системы двигателя существенно влияет на количество и характер нагаров, а также на место их скопления.
Как было указано выше, нагары, отлагаясь на стенках камеры сгорания, вследствие своей низкой теплопроводности приводят к недопустимому местному перегреву поверхности; отлагаясь на топливной форсунке, они изменяют характер подачи и распределения топлива в зоне сгорания. Частицы нагара могут устремляться вместе с газовым потоком со стенок жаровых труб реактивного двигателя на лопатки турбины, вызывая их эрозию. Все это сильно усложняет работу двигателя.
В табл. 95 приведены данные об относительном количестве нагара, образующегося в сравнимых условиях в двигателе с впрыском и с испарением. При этом количество нагара, полученное при испытании топлива JP-1 (типа Т-1), условно принято равным единице.
Характеристика испытанных топлив приведена в табл. 96. Данные табл. 96 показывают, что количество нагара увеличивается с увеличением содержания в топливе ароматических углеводородов.
Однако речь идет не о всех ароматических углеводородах, а лишь о выкипающих при температуре выше 200 °С, что подтверждается данными, приведенными в табл. 97.
Однако содержание ароматических углеводородов во фракции, кипящей выше 204°С, по-видимому, также не может служить окончательным критерием для оценки нагарообразующей способности топлива. Следует считать, что кроме теплового режима двигателя в первую очередь на нагарообразование влияют, особенно в начальный период работы, полициклические углеводороды с наименьшим количеством боковых цепей, а также смолы, являющиеся наиболее высокомолекулярными соединениями, содержащими в углеводородном радикале ароматические кольца и кольца гетероциклической структуры.
Термический распад топлива протекает через стадию образования продуктов пиролиза (полициклических ароматических структур) и последующего их окисления. Это подтверждается присутствием в составе нагаров и сажистых отложений некоторого количества кислорода, которого обычно больше, чем водорода.
Саже- и нагарообразование происходят, по-видимому, за счет агрегирования образовавшихся в газовом потоке элементарных частиц углерода.
Следует упомянуть, что процесс непосредственного сажеобразования в углеводородных пламенах некоторые исследователи объясняют капельной теорией сгорания. Свободные углеводородные радикалы в процессе гидрогенизации и конденсации образуют вначале простые, затем более сложные высокомолекулярные 'полициклические ароматические соединения с низким давлением насыщенных паров даже в условиях пламени. Такие полициклические соединения формируются внутри капли топлива в виде ядра, которое по мере испарения оболочки дегидрируется с образованием сажевой частицы.
С увеличением ресурса работы авиационного двигателя проблема нагарообразования приобретает более острый характер.
Был исследован состав нагаров, снятых с форсунки и завихрителя двигателя после 100 ч работы на топливе ТС-1, с форсунки и стенок жаровой трубы камеры сгорания двигателя после 200 ч работы на топливе Т-2 и с жаровой трубы камеры сгорания двигателя после 300 ч работы па топливе Т-1. Все двигатели работали в течение гарантийного ресурса в эксплуатационных условиях на самолетах. Топливные форсунки и завихрители нагревались при рабочем режиме в среднем до 250—340 °С, температура стенок камеры сгорания в зоне отложения нагара составляла 250—400 °С, а температура газов перед турбиной для этих двигателей 500—720 СС. Характер нагаров по твердости был различным. На 72—92% нагары состояли из углерода. Зольных элементов, главным образом железа, кремния и алюминия, оказалось 0,25—2,8%. Наибольшее их количество (а также других металлов) содержалось в топливах, полученных из восточных сернистых нефтей. С увеличением содержания серы в топливах зольность нагаров возрастала. Кислорода в нагарах содержалось 4,5—22,5%; содержание его перед турбиной увеличивалось с повышением температуры.
Экстрагированием хлороформом из нагаров выделена беззольная органическая часть (6—7,5%), содержавшая 80—84% углерода, 9,9—10,0% водорода, 2—6% кислорода, 0,6—1,43% серы (при максимальном содержании ее в топливах 0,16%), 0,6—1,44% азота. Содержание в нагарах кислорода и состав извлеченных из них смол дают основание считать, что нагары представляют собою продукты пиролиза, н затем обуглероживания глубоко окисленных органических компонентов, составляющих топливо. Зола и зольные элементы, находящиеся в составе нагаров, являются продуктами высокотемпературной коррозии металлов и почвенной пыли. Все это подтверждает, что процессы глубокого окислительного уплотнения органических соединений топлива при 250—400°С являются важным источником образования нагара. По-видимому, по такому же механизму образуются нагары и возникает дымление в дизельных двигателях.
При помощи бумажной хроматографии было обнаружено присутствие в атмосфере, загрязненной продуктами неполного сгорания дизельных топлив, более 90 соединений, среди которых оказались полициклические ароматические углеводороды, фенол- и карбоксилпроизводные.
Главная причина падения мощности дизельных двигателей и появления дымления — нагарообразование на распылителях форсунок. Мощность двигателя восстанавливается после очистки распылителей. Применение дизельных топлив, имеющих высокую термическую стабильность, позволяет избежать нагароотложения на распылителях форсунок. Таким образом, термическая стабильность дизельных топлив при их эксплуатации также приобретает большое значение, как и для реактивных топлив, хотя в несколько ином аспекте.
Термическая стабильность дизельных топлив может быть оценена методом № 3462 АSТМ (Федерального стандарта США), по которому испытуемый продукт распыливают на алюминиевую пластинку, нагретую до 260°С. Испытание длится три дня по 7,5 ч с ежедневной сменой топлива. Термическую стабильность оценивают по привесу (в г) пластинок за счет накопления на них отложений. Гидроочищенное дизельное топливо характеризуется более высокой термической стабильностью, чем топлива прямой перегонки. Срок службы форсунок при работе на гидроочищенном топливе в 2—3 раза больше, чем при работе на топливе прямой перегонки. Кроме того, в первом случае уменьшается дымление и увеличивается мощность двигателя, а следовательно, снижаются эксплуатационные расходы.
Для газотурбинных двигателей, работающих на дистиллятных дизельных топливах, образование нагара обусловлено не только присутствием ароматических углеводородов, но и повышенным содержанием сернистых соединений. Исследования на лабораторной камере сгорания показали, что содержание серы в дизельном топливе до 0,77% оказывает небольшое влияние на количество нагара, образующегося в конце сгорания, намного меньшее, чем изменение содержания ароматических углеводородов с 6,45 до 23,6%. Однако дальнейшее увеличение содержания сернистых соединений ведет к увеличению плотности нагара и содержания в нем серы. В целом же испытание промышленных газовых турбин позволило сделать вывод о том, что изменение в дизельном топливе серы до 0,9% и ароматических углеводродов до 25% не вызывает значительного увеличения отложений нагара на форсунках и в камере сгорания.
Большое внимание уделяется изысканию присадок к топливам, предотвращающих дымление, нагаро- и сажеобразование в зоне сгорания двигателя. Обычно к числу таких присадок относятся металлоорганические соединения, содержащие тяжелые металлы переменной валентности (Сu, Fе, Сг и др.), которые увеличивают скорость и глубину окисления углеводородов при их сгорании. Несмотря на ведущиеся работы, такие присадки пока не получили практического применения.
|