Полнота сгорания топлив

Полнота сгорания является важной характеристикой химических топлив, так как от нее зависит эффективность действия тех или иных устройств, принцип действия которых основан на использовании выделяющегося при горении тепла. Например, снижение полноты сгорания топлива для воздушно-реактивного двигателя на 5, 10 и 15% уменьшает дальность полета соответственно на 5,11 и 18%. В нормальных условиях работы двигателей полнота сгорания достигает 94-98%, но в неблагоприятных условиях она может снижаться до 75-80%, что эквивалентно потере 20-25% топлива.

Для полного сгорания топлива необходимо, чтобы давление воздуха на входе в камеру сгорания двигателя было более 0,15 МПа. При уменьшении давления ниже этого значения наблюдается снижение полноты сгорания. Это объясняется тем, что с уменьшением давления снижается скорость химических реакций окисления, уменьшается турбулентность потока, что понижает скорость сгорания. Кроме того, с уменьшением давления воздуха ухудшается качество распыления и распределения топлива в камере сгорания.

В работе [38] представлена зависимость полноты сгорания топлива от давления воздуха на входе в камеру сгорания; горение проходило при коэффициенте избытка воздуха, равном 6. С уменьшением давления воздуха с 0,12 до 0,08 МПа полнота сгорания снижается с 0,98 до 0,7. Вследствие того что с уменьшением давления воздуха на входе ухудшаются условия смесеобразования и сгорания, область устойчивого горения в условиях понижения давления сужается. Особенно сильно это проявляется в области бедных углеводородами смесей.

Для каждой камеры сгорания существует оптимальное значение коэффициента избытка воздуха, при котором полнота сгорания топлива наибольшая. Отклонение от этого значения в любую сторону вызывает уменьшение полноты сгорания. При обогащении смеси углеводородами горение происходит с недостатком кислорода и не создаются требуемые условия для полного смесеобразования, необходимого для нормального сгорания. Причиной снижения полноты сгорания с обеднением смеси углеводородами является снижение скорости горения. Часть топливо-воздушной смеси фактически не сгорает вследствие понижения температуры за счет охлаждения большим количеством воздуха, поступающим в зону смешения и выравнивания температур. При значительном отклонении состава смеси от оптимального значения коэффициента избытка воздуха скорость сгорания настолько падает, что происходит срыв пламени.

С уменьшением температуры воздуха уменьшается скорость испарения жидкого углеводородного топлива и скорость процессов, приводящих к воспламенению. Все это уменьшает скорость горения. Процесс сгорания не успевает полностью закончиться в зоне горения, и часть несгоревшего топлива уносится в зону смешения, где нет условий для осуществления полного сгорания. Резкое снижение полноты сгорания топлива наблюдается при температурах воздуха на входе в камеру сгорания ниже 80°С. Так, по данным [38], с уменьшением температуры воздуха с 80 до 0°С полнота сгорания исследованного топлива уменьшилась с 0,97 до 0,7.

Увеличение скорости воздуха па входе в камеру сгорания увеличивает степень турбулентности и улучшает условия смесеобразования и сгорания. Однако при очень большой скорости газового потока в камере сгорания может сильно уменьшиться время пребывания топливо-воздушной смеси в зоне горения, что приводит к снижению полноты сгорания, а при дальнейшем увеличении скорости – к срыву пламени.

С изменением режима работы двигателя меняются давление подачи топлива, а также давление и скорость газового потока в камере сгорания. Это приводит, в свою очередь, к изменению качества распыления топлива. С ухудшением распыления и распределения топлива в камере сгорания заметно снижается полнота сгорания.

При сгорании испаренных топлив исключается влияние таких физических факторов, как распыление и испарение, и более заметна роль химической структуры. В табл. 1.21 приводятся сравнительные данные о полноте сгорания индивидуальных углеводородов. Полнота сгорания испаренных топлив несколько выше, чем распыленных. Это различие можно наблюдать в камере сгорания определенной конструкции, так как при хорошо организованном сгорании с полнотой 97-98% это различие заметить невозможно.

Таблица 1.21

Полнота сгорания углеводородов в распыленном и испаренном состояниях в лабораторной камере сгорания [41]

Углеводород	Полнота сгорания, %
	распыленное топливо	испаренное топливо
Гептан	80	82,5
Циклогексан	78	81,5
Циклогексен	76	79,3
Бензол	70	73,8
Изопропилбензол	72,5	74,3
Тетралин	71	74,0
Метилнафталин	66	68,3
Декалин	76	79,8

Результаты исследований позволили расположить углеводороды в ряд по мере возрастания полноты сгорания: ароматические бициклические < ароматические моноциклические < ароматические моноциклические с боковыми цепями << бициклические парафины < циклоолефины < моноциклические парафины < парафины. Парафиновое топливо по сравнению с циклопарафиновым и ароматическим имеет лучшую полноту сгорания при более низких значениях отношения расхода воздуха и топлива.

Горение углеводородов в двигателе внутреннего сгорания также может быть неполным. По данным, приведенным в работе [36], в дизельных двигателях в качестве продуктов неполного сгорания обнаружены угольный осадок в отверстии форсунки, сажа на стенках, смолистые и угольные отложения, сажа в газовой смеси (черные выхлопные газы), не полностью сгоревшее топливо (сине-серые выхлопные газы) и альдегиды (едкие выхлопные газы).

Неизбежный продукт сгорания в открытых углеводородных пламенах – сажа. Она обычно получается в довольно значительном количестве и свидетельствует о неполноте сгорания. Даже в небольших лабораторных пламенах дым составляет в среднем 10% от массы сгоревших ароматических соединений (бензола, нафталина, антрацена).

Для определения количества тепла, выделившегося при сгорании и конденсации образующихся паров (при охлаждении продуктов сгорания до температуры, близкой к нормальной), в калориметрах переменной температуры с диатермическим методом измерения навеску исследуемого вещества сжигают под давлением при неизменном объеме. Этот метод был использован для исследования факторов, влияющих на полноту сгорания индивидуальных горючих и смесей. Экспериментально теплоту сгорания определяли в самоуплотняющейся калориметрической бомбе емкостью 300 мл. При определении теплоты сгорания образцов, обладающих заметной летучестью, проводили герметизацию тигля калориметрической бомбы кружком из нитропленки, смоченным по краям ацетоном. Теплоту сгорания нитропленки каждой новой партии определяли в условиях опыта и учитывали при вычислении теплоты сгорания исследуемого горючего. Следы ацетона практически не оказывали влияния на результат эксперимента. Полноту сгорания определяли по отношению экспериментально полученного значения тепловыделения к высшей теплотворной способности НВ. Исследованные смеси содержали собственный окислитель, металлическое и органическое горючее и добавки. Расчет теплотворной способности НВ и стехиометрического коэффициента смесей производился исходя из условия полного окисления горючих элементов.

Коэффициент избытка окислителя среды а рассчитывали по формуле

(1.91)

где и тг – масса кислорода в бомбе в нормальных условиях и масса горючего; Р и Рнорм – рабочее и нормальное давления в бомбе; аст – стехиометрический коэффициент.

Таким образом, коэффициент избытка окислителя а определен как отношение количества кислорода в бомбе к количеству кислорода, рассчитанному при условии полного сгорания вещества.

Полнота сгорания индивидуальных горючих и смесей зависит от условий осуществления процесса горения. Экспериментальные данные показывают, что на характеристики и полноту сгорания в калориметрической бомбе в общем случае оказывают влияние условия диспергирования и диффузии (глубина тигля); относительные потери тепла (зависящие от массы испытуемого образца); давление и коэффициента; концентрация окислителя в окружающей среде.

С ухудшением диффузии в процессе горения (в частности, с увеличением глубины тигля в калориметрической бомбе) полнота сгорания уменьшается. Это объясняется тем, что индивидуальные горючие и смеси с большим ОГЛАВЛЕНИЕм органических соединений сгорают в калориметрической бомбе за счет окислителя среды в диффузионном режиме. Их характеристики горения определяются процессами диффузии горючего в реакционную зону горения и факторами, влияющими па эти процессы. При удалении горючего от реакционной зоны (при увеличении глубины тигля) уменьшаются диффузионный поток в реакционную зону, скорость тепловыделения и горения. Вследствие этого уменьшается полнота химических превращений и процесс горения становится неустойчивым.

Изменение давления в калориметрической бомбе по-разному влияет на полноту сгорания. Изменение давления влияет на термодинамическое равновесие, размеры зон горения, коэффициент диффузии, концентрацию веществ и энергии в единице объема газовой фазы. Увеличение плотности среды при диффузионном режиме горения практически нс изменяет концентрацию реагирующих веществ и вследствие этого скорость химических реакций, так как изменение коэффициента диффузии обратно пропорционально изменению давления, т.е. при диффузионном горении давление слабо влияет на характеристики горения. Наоборот, увеличение плотности среды при кинетическом режиме горения пропорционально увеличению концентрации реагирующих веществ и влечет за собой увеличение скорости химических реакций и зависимости характеристик горения от давления.

Для исследования влияния концентрации окислителя среды на полноту сгорания проводились испытания в среде кислорода, смеси кислорода с воздухом и в воздухе. С уменьшением концентрации кислорода в окружающей среде, где происходит горение, тепловыделение как индивидуальных горючих, так и исследованных смесей с отрицательным кислородным балансом уменьшается. Тепловыделение в воздухе по отношению к тепловыделению в кислороде составляет, например, 80% для гексазадекалина; 40% и менее для ферроцена; 90% для металлизированной смеси на основе натриевой селитры. Уменьшение концентрации окислителя среды ведет к уменьшению скорости химических реакций и тепловыделения при обоих режимах горения. Кроме того, при переходе от кислорода к воздуху возможно образование различных побочных продуктов окисления металлических горючих (нитридов).

С увеличением коэффициента избытка окислителя среды а полнота сгорания алифатических и ароматических соединений сначала увеличивается, а затем при достижении некоторого значения а остается постоянной (в исследованном диапазоне а). Значение а равно 2–2,5 для исследованных алифатических соединений (гептана, пентадекана, парафина) и 3–3,5 для исследованных ароматических соединений (бензола, нафталина, антрацена). В табл. 1.22 приведена полнота сгорания углеводородов в среде кислорода при Р = 1 МПа.

Таблица 1.22

Полнота сгорания углеводородов, %

α	Горючее
	гептан	нентадекан	бензол	парафин	нафталин	антрацен
2	96	96	86	95	86	86
3,5	100	100	100	96	96	96

Как следует из анализа полученных данных, жидкие углеводороды (гептан, нентадекан, бензол) в среде кислорода при а ≥ а' сгорают полностью. Полнота сгорания твердых углеводородов (парафина, нафталина, антрацена) в этих же условиях не достигает единицы и составляет 95-96%, что, очевидно, является следствием дополнительных затрат тепла на их плавление и испарение. Следует отметить более низкую полноту сгорания ароматических соединений по сравнению с алифатическими. Увеличение полноты сгорания с увеличением а (в области малых значений а) можно объяснить увеличением диффузионного потока окислителя на единицу массы горючего, что до некоторого предела (а') способствует более полному протеканию процесса и законченности реакций окисления.

В табл. 1.23 приведена полнота сгорания некоторых металлов и их сплавов в среде кислорода и воздуха при Р = 3 МПа.

Таблица 1.23

Полнота сгорания металлов

Среда	Горючее
	Zr	Mg	Ti	А1 и Mg	Si и Mg	В	Si
O2	98	96	86	87	90	27	20
Воздух	84		39	38	37

Металлы и сплавы исследовали в виде технических продуктов в порошкообразном виде. Как видно, наибольшей полнотой сгорания обладают цирконий и магний. Наименьшей полнотой сгорания обладают бор и кремний, образующие при горении вязкие оксиды. Полнота сгорания в воздухе значительно ниже, чем в кислороде.

Элементоорганические соединения обладают более высокой реакционной способностью и имеют большую полноту сгорания, чем металлы. Так, полнота сгорания исследованного борорганического соединения (75% В) в кислороде при давлении 3 МПа составляет 98%.

С увеличением размера частиц алюминия полнота сгорания смесей уменьшается. Так, при замене порошка (20 мкм) на алюминиевые порошки с частицами более крупных размеров (30, 100, 160, 250 и 450 мкм) полнота сгорания последовательно уменьшается с 90,6 до 86% в среде кислорода и с 53 до 32% в среде воздуха (Р = 3 МПа) (рис. 1.26).

Рис. 1.26. Зависимость полноты сгорания в смеси NaNO.t + Al + органическая составляющая от среднего размера частиц А1 в среде кислорода (1) и воздуха (2) (Р = 3 МПа)

Значительное количество горючего при горении в воздухе не используется для создания теплового эффекта, а для ряда смесей величина теплоты сгорания, экспериментально определенная в среде кислорода, не достигает величины теплоты сгорания, рассчитанной для условия полного окисления. Недогорание смесей подтверждается данными химического анализа шлакового остатка. Так, значительная часть алюминия в исследованных смесях не сгорает и обнаружена в шлаковом остатке как при сжигании смесей на открытом воздухе, так и в калориметрической бомбе (рис. 1.27). С увеличением массы сжигаемого образца смеси от 0,5 до 3 -10 3 кг ОГЛАВЛЕНИЕ алюминия в шлаковом остатке уменьшается в среднем с 17-18 до 9-10%. При дальнейшем увеличении массы образца ОГЛАВЛЕНИЕ алюминия в шлаковом остатке остается примерно постоянным, однако составляет все же значительную величину.

Рис. 1.27. ОГЛАВЛЕНИЕ алюминия в шлаковом остатке в зависимости от массы т сжигаемого образца

Полученные результаты свидетельствуют о том, что характеристики горения и полнота сгорания зависят как от условий горения, так и от природы горючего. В общем случае недогорание могут вызывать следующие причины: неблагоприятные условия диспергирования и диффузии при осуществлении процесса горения; неблагоприятный режим теплоотвода в окружающую среду; неблагоприятные давление, коэффициент избытка и концентрация окислителя среды; низкая реакционная способность горючих элементов (недостаточная продолжительность пребывания исходных и образующихся при горении частиц в высокотемпературной зоне пламени); образование на реакционноспособных частицах горючего оксидной пленки металла; образование побочных продуктов (нитридов, карбидов и т.п.); образование трудносгораемых полимерных продуктов (смол, кокса) в процессе разложения и горения исходных соединений; образование дымообразующих углеродистых частиц.