Горение жидкого топлива в окислителе, находящемся в газообразном состоянии, протекает всегда в паровой фазе. Жидкое топливо предварительно испаряется, а затем по мере перемешивания паров топлива с окислителем и подогрева смеси воспламеняется и сгорает. Таким образом, капли жидкого топлива, взвешенные в потоке окислителя, представляют собой по существу источники горючего вещества, мощность и продолжительность действия которых определяются скоростью испарения. Учитывая существующую в настоящее время технологию сжигания жидкого топлива в распыленном состоянии, процесс испарения капель жидкого топлива представляет существенный интерес.
Испарение капель жидкого топлива при различных внешних условиях рассматривалось во многих работах.
Наиболее полное отражение этот вопрос нашел в работах Б. И. Срезневского, Г. А. Варшавского, Д. Б. Сполдинга, И, И. Палеева, В. В. Померанцева и др.
В реальных условиях при сжигании жидкого топлива, как правило, приходится иметь дело с полифракционным топливом. Поэтому в первые моменты времени происходит испарение наиболее легких фракций, и на поверхности капли образуется слой с преобладанием в ней более тяжелых топливных фракций. В связи с этим при расчете констант испарения рекомендуется температуру кипения принимать по температуре кипения наиболее тяжелой фракции.
Для учета влияния изменения состава топлива на температуру его кипения при испарении капли можно использовать зависимость
где tK — температура кипения в процессе испарения, °С; tнач — начальная температура кипения, °С; kф — коэффициент изменения состава, °С.
Значения начальной температуры кипения и коэффициента изменения состава для различного топлива приведены в табл. 5.
Из табл. 5 видно, что температура кипения капли после испарения для большинства топлив увеличивается более чем в два раза. Однако температурный перепад Δtκ уменьшается незначительно, и только для мазута М-100 уменьшение ∆tK составляет существенную величину, способную оказать заметное воздействие на увеличение времени испарения. Это обстоятельство отчетливо наблюдается на практике при переводе топочных устройств жидкого топлива, в том числе с мазута М-40 на мазут М-100. В этом случае, как правило, резко и значительно увеличивается длина факела вследствие уменьшения скорости испарения.
Таблица 5
Топливо |
Плотность, Кг/м* | Начальная температура кипения, С | Коэффициент изменения состава топлива , °С |
Дизельное | 810 | 200 | 150 |
Газотурбинное | 910 | 220 | 160 |
Сланцевое масло | 960 | 165 | 200 |
Мазут М-40 | 950 | 250 | 350 |
Мазут М-100 | 1020 | 250 | 720 |
В рассмотренной схеме расчета времени испарения капли имеется ряд серьезных допущений. Так, например, в этой схеме учитывается только конвективный теплообмен при начальных значениях критерия Рейнольдса Re≤100. В действительности большое значение имеет также теплообмен излучением, а при больших размерах и относительных скоростях движения капли критерий Нуссельта может быть существенно больше двух, что соответствует более высоким значениям коэффициента теплоотдачи. Существенное влияние на процесс испарения оказывает также диффузия паров испаряющегося топлива от поверхности капли в зоне реакции и диффузия продукции в окружающее пространство.
В связи с этим в ряде работ процесс испарения единичной капли или группы капель рассматривается с различных точек зрения. Однако следует заметить, что качественный вид всех полученных зависимостей фактически имеет вид приведенного выше закона Срезневского. Существенно отличаются у разных авторов только значения константы испарения.
Константа испарения для наиболее характерных условий испарения капель различного топлива в реальном факеле при различных температурах приведена в табл. 6.
Таблица 6
Топливо | Константа испарения, с/мм2, при температуре, °С, факела, равной | ||||
1000 | 1200 | 1400 | 1600 | 1800 | |
Керосин | 0,35 | 0,30 | 0,25 | 0,22 | 0,19 |
Дизельное топливо | 0,35 | 0,30 | 0,25 | 0,22 | 0,19 |
Сланцевое масло | 0,40 | 0,35 | 0,30 | 0,25 | 0,22 |
Мазут М-40 | 0,50 | 0,40 | 0,35 | 0,30 | 0,25 |
Мазут М-100 | 1,00 | 0,80 | 0,70 | 0,60 | 0,50 |
В работе [22] приводятся результаты исследования влияния давления на время испарения капель различного топлива. Было получено, что влияние давления на испарение и горение капли незначительно. По этим данным до 2,5—3,0 МПа можно принять следующую эмпирическую зависимость увеличения времени испарения капли от давления среды
(9)
где Δτ — увеличение времени испарения, %; ∆РС — разность давлений среды при определяемых и исходных условиях испарения, Па.
Из формулы (9) следует, например, что при увеличении давления на 1,0 МПа время испарения капли увеличится примерно на 25—30%.
В практических случаях основной интерес представляет не испарение отдельной капли, а испарение всей массы капель, введенных в огневое пространство, при полидисперсном характере распыления. При распылении топлива форсунками известных типов фракционный состав капель может быть выражен зависимостью вида
(10)
где N — общее число капель при распылении заданной массы жидкости; n — число капель, диаметр которых больше текущего диаметра δ; а и b — коэффициенты распределения.
В большинстве случаев с достаточной степенью точности можно принять b=2. Так, например, это значение вполне удовлетворяет экспериментальным данным по распределению капель при распылении жидкостей механическими форсунками. При b=2 зависимость (10) принимает вид нормального закона распределения вероятностей Гаусса.
(11)
Графически зависимость (11) представлена на рис. 3. Из рис. 3 видно, что распределение капель по размеру при распылении очень неравномерно и что каждой определенной массе распыленной жидкости соответствует совокупность капель, размер которых изменяется от некоторого минимального размера до максимального. Между максимальным и минимальным размером капель находится наиболее вероятный размер капель. Относительное количество капель наиболее вероятного размера в общей массе распыленной жидкости максимально. С увеличением и уменьшением размера капель относительное количество их уменьшается и в итоге капель максимального и минимального размера должно быть по одной штуке. Такой характер распределения капель по размерам в факеле распыленной жидкости хорошо подтверждается экспериментальными данными.
Из вышеизложенного следует, что максимальный и минимальный размеры капли при всех прочих равных условиях связаны определенной зависимостью с количеством или общей массой капель, используемых для расчета или анализа.
Выражение (15) дает однозначную связь между количеством распыленной жидкости и соответствующим ему максимальным диаметром капли δм для распыливающего устройства, качество распыливания которого определяется максимальным диаметром. Так, например, из расчета можно получить, что для форсунки, у которой δ100 = 630 мкм, массе распыленной жидкости 0,1 кг соответствует максимальный диаметр бм=1150 мкм. Такая зависимость максимального диаметра от массы или количества капель подтверждается экспериментальными данными. Эту зависимость необходимо учитывать как при анализе процессов распыления, так и при расчетах испарения или процессов выгорания топлива в полидисперсном факеле. При этом следует отметить, что наиболее резко эта зависимость проявляется при небольших массах и малом количестве капель. Так, при увеличении количества принятых для расчета капель от 10 до 100 соответствующий максимальный диаметр капли увеличится на 40%. При увеличении количества капель от 10 до 1000 — на 73%, а при увеличении от 10 до 10 000 — на 100%.
По формуле (15) можно также определить массу капель диаметром, большим любого представляющего интерес для расчета диаметра 6о. Для этого в формуле (15) необходимо выполнить интегрирование в пределах от δ0 до δм.
Общее количество капель в заданной массе может определяться по формуле
а количество капель диаметром, большим δ, — по формуле
После интегрирования эта зависимость может быть приведена к виду
Приведенные выше зависимости, вытекающие из закона распределения капель по размеру [см. формулу (10)], позволяют определить скорость испарения любой группы капель с общей массой. Расчеты показывают, что в начальный момент времени вследствие испарения большого количества мелких капель, образование паров жидкости протекает очень интенсивно и за период, необходимый для уменьшения диаметра максимальной капли в два ра· за, в парообразное состояние переходит более 99% массы жидкости.
Большая скорость испарения распыленной жидкости начальный момент времени обеспечивает надежное воспламенение и повышение температуры в корне факела Кроме этого, видно, что для испарения подавляющей массы капель требуется значительно меньше времени, чем для испарения капли максимального диаметра.
