Плотность r для простоты считаем постоянной (учет ее переменности не меняет качественную картину процесса). Баланс массы продукта реакции (в установившемся режиме) имеет вид

m₊* = m_-*, m₊* = VW(a), m* = am* (34)

Конкретный вид W(a) можно получить, выразив Т из (31) и подставив в (33). Графическое представление баланса (34) см. на рис. 13. Различные режимы и переходы между ними проще всего представить себе, если считать, что изображенный на рис. 12 кран на входе в реактор вначале закрыт и мы открываем его все сильнее, увеличивая этим величину m*. Согласно (34) m* есть тангенс угла наклона линии m_* на рис. 13. При малых m* эта линия имеет единственное пересечение с линией m₊*. Это пересечение соответствует стационарному режиму с высокой температурой, так как здесь величина a близка к единице. С увеличением m* такой режим становится невозможным и происходит “перескок” на низкотемпературный режим с малым значением степени a превращения исходного вещества. Такой перескок называют потуханием реактора. При достаточно широком интервале изменения m* туда и обратно возможен гистерезис.

Рис. 13. Баланс продукта в проточном реакторе

 

ЗАДАНИЕ: объясните ход кривых на рис. 13, считая E/RT >> 1. Докажите неустойчивость среднего стационарного режима (для случая трех режимов). Объясните вид петли гистерезиса 1-2-3-4-1. Рассмотрите аналитически условие зажигания аналогично тому, как это делалось в п. 2.4.3.6. Вернитесь к переменной Т (вместо a). Докажите, что и в проточном реакторе на границе зажигания выполняется соотношение (18) для предвзрывного разогрева. Используя разложение Франк-Каменецкого при T®T₀ (или при a® 0), получите по аналогии с п.2.4.3.6 условия на границе зажигания и предложите способ нахождения неизвестных заранее величин E, k₁ из эксперимента с проточным реактором. Используйте для упрощения условие a << 1.

 

2.7.2. Частный случай - канал горящей пороховой шашки [5].

Рассмотрим цилиндрическую шашку твердого ракетного топлива (рис. 14), горящую со скоростью u см/c по поверхности внутреннего канала. Остальные поверхности предполагаются бронированными (защищенными от горения). Нижний выход из канала закрыт. Шашка находится в сосуде при постоянном давлении, достаточном для нормального горения. Для некоторых топлив, используемых в системах залпового огня, можно принять, что от поверхности канала отходят продукты неполного сгорания с температурой около 1500⁰С, в которых по закону типа (33) идет реакция догорания, повышающая температуру еще на 30-40%.

Рис.14. Шашка с разгорающимся каналом

 

Докажем, что горящий канал в данном случае можно считать проточным реактором идеального перемешивания. Видимое отличие от изображенного на рис.12 реактора состоит в том, что там исходное вещество подается в объем реактора локально (в одном месте) и затем перемешивается, а на рис. 14 исходное вещество – продукты неполного сгорания – подается равномерно сквозь всю поверхность канала и потом в продольном направлении не перемешивается. Однако если удастся доказать одинаковость термодинамических параметров вещества (концентрации исходного вещества и однозначно зависящей от него температуры), то горящий канал можно считать реактором идеального перемешивания, поскольку упомянутая одинаковость соответствует определению такого реактора (см. начало п. 2.7.1).

Прежде всего докажем независимость параметров от радиальной координаты внутри канала. Эта независимость обеспечивается хорошим поперечным перемешиванием в канале. Известно, что в трубе диаметра d хорошее поперечное перемешивание посредством турбулентности реализуется при достаточно больших значениях числа Рейнольдса Re = rvd/m, где r - плотность текучей среды, v – средняя по сечению скорость в трубе, m - вязкость среды. Для оценки Re входящую в него скорость потока следует найти из баланса массы. Через произвольное сечение x < L канала за единицу времени проходит масса газа rv pd²/4, которая должна быть равна массе твердого топлива, выгоревшей за единицу времени на боковой поверхности канала от 0 до х, а это r_тu xpd.

, rvd = 4ur_т x, Re = 4ur_т x/m (35)

Обратите внимание на первое равенство (35), из которого следует v/u >> 1, так как для большей части обычного вытянутого канала выполняется x/d >> 1 и для отношения плотностей твердой и газовой фазы тоже r_т/r >> 1. Достоин внимания также тот факт, что в горящем канале число Рейнольдса не зависит от диаметра канала, в то время как в простой трубе оно этому диаметру пропорционально. Обычно используются канальные шашки длиной не менее нескольких десятков сантиметров. Оценим Re при х = 1 см (и далее для любой длины нужно только умножить на число сантиметров). Типичная плотность топлива r_т = 1.6 г/см³, скорость горения u = 0.5 см/с, вязкость горячих пороховых газов m = 10^-3 г / (см с), тогда Re > 3000. Течение в трубах становится турбулентным уже при Re = 2000. Таким образом, показано, что начиная с координаты х = 1 см в горящем пороховом канале есть эффективное поперечное перемешивание.

Докажем теперь одинаковость в разных сечениях потока концентрации исходного вещества. Для этого обратим внимание на то, что через выходное сечение канала (как и через любое другое) проходят газовые частицы разного возраста, успевшие по этой причине до разной степени прореагировать и выделить при этом тепло. Частицы, поступившие в поток со стенки канала вблизи выходного сечения, имели мало времени для реакций догорания и почти не выделилии тепла. Напротив, частицы, поступившие в поток вблизи его начала (х = 0), имели достаточно времени и выделили все тепло. Средний интегральный (по массовому потоку) возраст газовых частиц в этом потоке определяет собой, сколько всего выделено этими частицами тепла и, следовательно, какова их общая температура.

В момент выхода из канала возраст частицы, поступившей в канал в сечении х, есть

(36)

Теперь учтем, что при заданной скорости u выгорания канала массовый поток m(x) в сечении x есть r_тu pd x (см. вывод (35)), тогда средний интегральный по всему массовому потоку возраст частиц

(37)

Этот возраст (а значит, и определяемая им температура) не зависит от длины L канала! Получается, что если изображенную на рис. 14 шашку в поперечном направлении распилить в любом сечении х и убрать верхнюю часть, то (естественно, после зажигания) из укороченной шашки будет бить струя газа той же температуры, что из исходной необрезанной. Ясно, что и без отпиливания в этом сечении реализуется та же самая температура. Таким образом, доказано, что в горящем канале пороховой шашки температура всюду одинакова и, следовательно, его можно считать проточным реактором идеального перемешивания.

Применим к горящему каналу результаты п. 2.7.1. Входящие в (34) объем реактора V и полный поток массы сквозь него m* в случае горящего канала выражаются через его параметры

V = Lpd²/4, m* = Lpd r_Tu (38)

Видно, что оба эти параметра изменяются в процессе разгорания канала (увеличения d). Согласно (34) это означает на рис. 13 одновременную деформацию обеих пересекающихся кривых, что усложняет анализ. Для сохранения наглядности поделим обе части (34) на VW_a=1

(39)

Множитель при a (см. среднюю часть (39)) показывает, во сколько раз полный массовый расход через реактор меньше наибольшей возможной скорости потребления реакцией исходного вещества, то есть поступающих с поверхности канала продуктов неполного сгорания. Если изобразить левую и правую части (39) как функции от a, то получится схема совпадающая по внешнему виду с рис. 13. К ней применимы те же рассуждения о числе режимов и возможности перескоков - с той только разницей, что угол наклона прямой теперь меняется не открыванием крана в установке типа рис. 12 с последующим изменением m* при V = const, а разгоранием канала шашки рис. 14. Увеличение диаметра канала d уменьшает множитель при a в правой части (39), наклон прямой со временем уменьшается. Если в начале процесса наклон был достаточно велик (начальный диаметр канала достаточно мал), то можно ожидать вначале реализации «низкотемпературного» режима, когда из канала выходят практически те же продукты неполного сгорания с температурой около 1500⁰С, которые в него поступают от горящей поверхности. С разгоранием канала наклон прямой уменьшается и (см. рис. 13) происходит перескок на «высокотемпературный» режим, после чего из канала выходят продукты практически прореагировавшие до конца.

Для проверки этих выводов в 1979 г. были поставлены специальные эксперименты [5]. В частности, сжигали при P = const = 14 атм шашку пороха типа Н с начальным диаметром канала 5 мм. Горел только канал, на выходе из него температуру потока измеряли вольфрам-рениевой термопарой. Типичный вид осциллограммы показан на рис. 15.

Рис. 15. Температура газа на выходе из горящего канала

 

 

III. ГОРЕНИЕ

 

Диффузионное горение.

 

Горение пыли.

3.1.1.1. Угольная пыль. При нагревании угольной частицы в окислительной атмосфере вначале из частицы выходят и сгорают летучие компоненты. Однако основную массу частицы составляет углерод, который не плавится и начинает испаряться только при температуре выше 3000 К. Так как в топках реализуется температура не выше 2000 К, ясно, что уголь окисляется на поверхности угольных частиц. В п. 2.4.3.4 для гетерогенной химической реакции (например, окисление куска каменного угля кислородом воздуха) было введено понятие высокотемпературного диффузионного режима. Диффузионным он назван потому, что в нем реакции на поверхности проходят чрезвычайно быстро благодаря высокой температуре (и резкой положительной зависимости скорости реакций от нее). При этом скорость потребления вещества и выделения тепла лимитируется и в конце концов определяется скоростью диффузионного подвода окислителя к реагирующей поверхности, на которой концентрация окислителя почти равна нулю. Такой режим называют диффузионным горением частицы. Оно реализуется, например, в топках теплоэлектростанций при сжигании угольной пыли в струе воздуха. Выделяющееся на поверхности угольных пылинок тепло отводится в окружающий газ (смесь воздуха и продуктов сгорания) теплопроводностью, конвекцией и излучением (пылинки ярко светятся потому, что при одинаковой температуре плотное твердое вещество излучает гораздо эффективнее, чем газ). Следует отметить, что на поверхности частицы (и под поверхностью, куда по порам проникает окислитель) уголь окисляется только до СО, догорание до СО₂ происходит в газовой фазе. Окислителем может служить не только кислород, но и углекислый газ (диффундирующий к поверхности частицы из зоны продуктов сгорания) и вода, если топливо подается в виде водоугольной суспензии. Обширный список литературы по горению угля через Интернет может выдать, например, Виртуальная справочная служба Российской национальной библиотеки.

3.1.1.2. Горение углеводородной капли. Углеводородное топливо (бензин, соляр и т.д.) кипит и испаряется при температуре значительно меньшей чем в окружающих продуктах сгорания. Поэтому высокотемпературная (горячее окружающей среды) зона пламени образует сферу на некотором расстоянии от поверхности капли.

Рис. 16. Характер распределений температуры, концентраций окислителя и пара около угольной частицы (а), углеводородной и алюминиевой капли (b). Прокомментируйте ход кривых.

3.1.1.3. Алюминиевая пыль. Нечто подобное происходит и в ракетном двигателе на алюминизированном твердом топливе, где горячий поток газообразных продуктов сгорания уносит с горящей поверхности топлива мелкие (от долей мкм до нескольких мкм) частицы алюминия. Алюминий с очень большим тепловым эффектом окисляется (отбирая кислород у присутствующих в газовой смеси H₂O, CO₂). Температура в зоне реакции около 3500⁰С, но эта реакция реализуется не на поверхности частицы, потому что, например, при атмосферном давлении алюминий уже кипит при 2000⁰С. Пар алюминия движется радиально от поверхности жидкой частицы и на некотором расстоянии встречается с «окислителем» (H₂O, CO₂). Реакция на этой сферической «поверхности встречи» успевает переработать все подводимые с обеих сторон компоненты (Al, H₂O, CO₂), так что их концентрация здесь равна нулю. Радиус сферы автоматически подстраивается к изменениям внешней газовой среды. Например, если около рассматриваемой горящей алюминиевой частицы улучшились условия подвода окислителя, сфера реакций начинает сжиматься, «окислитель наступает». Но с приближением к поверхности жидкой частицы горячего фронта реакции растет тепловой поток от него на жидкую поверхность. Соответственно растет количество испаряемого за единицу времени алюминия. Когда оно станет достаточным для переработки усилившегося потока окислителя, приближение зоны реакций к частице прекратится.

Горение алюминиевой капли отличается от горения углеводородной тем, что продукт сгорания (Al₂O₃) в зоне пламени – жидкий.

Рис. 17. Фото из [6].

На теневых фотографиях горящих при атмосферном давлении алюминиевых частиц с размером d порядка 100 мкм [6] вокруг каждой частицы виден «ореол», который представляет собой, по-видимому, зону реакции с интенсивным выделением конденсированного Al₂O₃. От каждого «ореола» тянется «хвост» в направлении обтекающего частицу потока. На оси «хвоста» расположен отходящий от частицы непрозрачный «жгутик». По-видимому, это струя мелкодисперсной конденсированной фазы. Замечено, что она всегда выходит из-под оксидного «колпачка» на поверхности частицы[1]. «Колпачок» перегрет относительно частицы: к его наружной поверхности приближена зона пламени, поскольку здесь нет отталкивающего ее потока алюминиевого пара (а оксид при температуре кипения алюминия практически не испаряется). В некоторых случаях на фотографиях удавалось зафиксировать резкий прогиб (примыкание) границы «ореола» к поверхности частицы в районе оксидного «колпачка».

Теперь можно предложить два варианта эволюции горящей частицы.

Вариант 1. Частица имеет сплошной «ореол», то есть «колпачок» окисла на поверхности тоже находится под пламенем и, как отмечено выше, перегрет относительно частицы. Все тепло, которое поступает к нему из пламени, он отдает на испарение находящегося под ним алюминия (имеющего температуру кипения). Равномерный выход образующегося пара вдоль всей кромки «колпачка» не может быть устойчивым: случайное локальное уменьшение гидравлического сопротивления в паровой прослойке под «колпачком» приводит к тому, что в это место устремляется весь поток пара. Таким образом, из-под «колпачка» должна выходить одна струя. Поскольку она формируется между двумя разнородными жидкостями, на границах струи (и особенно на выходе) неизбежны механические возмущения, приводящие к образованию аэрозоля. Эффективность этого «пульверизатора» и состав аэрозоля зависят от величин вязкости, поверхностного натяжения и плотности алюминия и оксида. Так как соответствующие значения всех этих величин у оксида выше, есть основания полагать, что струя несет главным образом алюминий, который из нее постепенно испаряется и окисляется. Если не произойдет изменение режима с переходом на вариант 2, весь окисел окажется в мелкодисперсном виде за исключением единственной капли, в которую свернется «колпачок», возникший сразу после воспламенения (и, может быть, немного «общипанный» выходившей из-под него струей). О связи аэрозольной струи и «хвоста»: струя создает около частицы гидродинамическую неоднородность (и даже небольшую реактивную силу), которая при наличии обтекания частицы внешним потоком вызывает локальную неоднородность сопротивления. Последняя в конце концов разворачивает частицу так, что струя оказывается в «хвосте ореола».

Вариант2. Пламени над «колпачком» нет, «ореол» примыкает к поверхности капли на кромке «колпачка». Та часть окисла, которая не уходит в «хвост», а сносится по «ореолу» к «колпачку», частично на нем и остается. Таким образом, к концу горения «колпачок» может собрать значительную часть окисла, созданного частицей. Поскольку окисел приходит на «колпачок» из горячего пламени, имеет место, как и в варианте 1, перегрев «колпачка», причем по более эффективному механизму (не теплопроводностью, а конвективным переносом плотной конденсированной фазы). Поэтому струя из-под «колпачка» выходит и в варианте 2.

 

3.1.2. Диффузионное горение газа. Фактически вокруг алюминиевой частицы происходит диффузионное горение газа. В наиболее простом виде оно реализуется в коаксиальной газовой горелке, см. рис. 18.

Рис. 18. Пламя коаксиальной горелки.

 

По соосным трубам подаются горючий и окислительный газы. В районе среза труб, где газовые потоки вступают в контакт, при поджигании возникает пламя. В случае избыточной подачи компонента по внутренней трубе пламя принимает вид раструба, нависающего над струей недостающего «периферийного компонента». При избыточной подаче компонента по внешней трубе пламя принимает вид колпака, нависающего над струей недостающего «центрального» компонента.

Картина с центральным колпачком пламени реализуется при горении керосиновой лампы, где осевая струя горючего (паров керосина) образуется при испарении керосина из фитиля под действием теплового потока от близкого колпака диффузионного пламени. При этом в периферийную струю окислитель (воздух) подается снизу за счет небольшого вакуума, который за защитным стеклянным ограждением создает архимедова сила (естественная конвекция). Те же процессы происходят при горении свечи, только нет стекла и вместо керосина испаряется расплавленный воск. Множество интересных и актуальных сегодня сведений о процессах при горении свечи (имеющих отношение не только к свече) можно получить из популярных лекций, прочитанных для широкой публики в 1860 г. одним их основателей теории электричества М. Фарадеем [7].

Наконец, обычные язычки пламени в костре или при горении дров в печи – это тоже язычки диффузионного пламени. Ответьте самостоятельно на вопрос: что и куда диффундирует в таком пламени?

Горение в кипящем слое.

Понятие о кипящем слое.

Рис. 19. Схема кипящего слоя

Проще всего можно получить понятие о «кипящем» слое, представив себе эксперимент, изображенный на рис. 19. Расположенный на сетке (решетке) сыпучий материал (например, песок) продувается снизу воздушным потоком. Скоростью продувки u принято называть объемный расход продуваемого вещества через единицу площади поперечного сечения слоя. Это полный массовый поток (который задается интенсивностью работы воздуходувки и одинаков в любом поперечном сечении аппарата), деленный на плотность продуваемого вещества и на площадь поперечного сечения слоя (аппарата). Поэтому скорость движения микрообъемов воздуха совпадает с u над слоем всегда, а под сеткой – если в слое нет тепловыделения. В самом слое она больше, чем u, из-за уменьшения реального проходного сечения (а при тепловыделении в слое – и за счет уменьшения плотности газа). При малой скорости продувки воздух фильтруется сквозь песок, который всюду остается неподвижным (сохраняются контакты между песчинками). При достаточно большой скорости продувки u = u* начинается хаотическое движение песчинок (что дает основание называть слой «кипящим»)[2]. При этом падает палочка, воткнутая ранее в песок; всплывает палочка, засыпанная ранее песком; тонет камень, лежавший ранее на поверхности песка, и выравнивается поверхность песка (исчезает горка, которая ранее была на его поверхности). Другими словами, песок приобретает свойства жидкости, и поэтому «кипящий» слой называют также псевдоожиженным (псевдо означает якобы). Скорость u* принято называть критической. Если скорость продувки увеличивать u > u*, то увеличивается толщина кипящего слоя, и после достижения «скорости витания» u > u_вит он полностью выносится потоком из аппарата.

Рис. 20. Перепад давления в кипящем слое.

Перепад давления в слое (от сетки до поверхности) зависит от скорости продувки согласно рис. 20. При u < u* (пока сохраняются межчастичные контакты, так что слой ведет себя как твердое тело) выполняется обычная для фильтрации через пористое твердое тело зависимость: чем больше скорость продувки, тем больше перепад давления. После псевдоожижения u > u* исчезают постоянные контакты частиц не только между собой, но и с сеткой (решеткой), и как в обычной жидкости вес слоя rgSh уравновешивается перепадом давления SDp[3]. Здесь r - средняя плотность слоя, h – его толщина, S – площадь поперечного сечения аппарата. При увеличении скорости продувки вес слоя не изменяется (см. на рис. 20 горизон тальный участок кривой), пока не начнется вылет частиц при u = u_вит, и совпадает с весом до начала продувки

rh = r_с (1-e) h = const = r_с (1-e₀) h₀ (40)

Нижний индекс с относится к зернистому материалу, 0 - к неподвижному (насыпному) слою, e - объемная доля продуваемого вещества в слое (соответственно 1-e - объемная доля зернистого материала). Величину e для сплошной пористой среды принято называть пористостью, а для дисперсных (зернистых) материалов – порозностью. Для насыпного слоя зернистого материала обычно e₀» 0.4-0.48.

Для практических применений важно знать величины u*, u_вит. Чтобы понять, от каких аргументов они зависят, рассмотрим равновесие отдельной частицы. В режиме псевдоожижения сумма силы воздействия потока на частицу (равная ее гидравлическому сопротивлению) и силы Архимеда (веса вытесненной ею среды) равна весу частицы.

C(Re, e) pd²/4 r_au²/2 + pd³/6 r_аg = pd³/6 r_cg

Здесь индекс а относится к продуваемому веществу. Из приведенного баланса следует Ar º (gd³/n²) (r_c/r_a - 1) = 1.5 Re² C(Re, e), так что в режиме псевдоожижения Ar = Ar(Re, e) или Re = Re(Ar, e). Здесь Ar – число Архимеда, n º m/r_а - кинематическая вязкость воздуха (или иного газообразного или жидкого продуваемого вещества – псевдоожижающего агента), m - его динамическая вязкость, Re º ud / n, d – размер частицы. Обработкой большого числа экспериментов получена эмпирическая зависимость

(41)

Она справедлива для псевдоожиженного слоя во всей области его существования, а именно: при 1 > e > e₀. Соответственно на границах (41) дает выражения для условия начала псевдоожижения Re* = Re(Ar, e₀) и для условия начала уноса Re_вит = Re(Ar, 1). Приведем также эмпирическое соотношение для скорости потока, оптимальной по теплообмену[4]

(42)

и для порозности

(43)

Формула (43) приближенно, но достаточно хорошо аппроксимирует громоздкое выражение, которое можно получить, извлекая e из (41).

Зависимости (41-43) справедливы и для формы частиц радикально отличающейся от сферической, при этом используется некоторый «эффективный» диаметр d_eff, см. [8].

Изображенное на рис. 19 всплытие палочки и погружение камня демонстрирует возможность применения кипящего слоя для обогащения (отделения от «пустой породы») полезных ископаемых, например каменного угля или железной руды. Уголь легче «пустой породы», а железная руда тяжелее. В обоих случаях было бы выгодно использовать в качестве продувающего вещество с промежуточным значением плотности, во всяком случае – вещество значительно тяжелее воздуха. Иногда применяют воду, но это создает свои экологические проблемы (огромные ядовитые озера - отстойники). Более прогрессивен «сухой» способ, когда вместо воды используется псевдоожиженная песчано-воздушная смесь, плотность которой в зависимости от скорости продувки может изменяться в широких пределах, см. (40).

 

3.2.2. Применение кипящего слоя для сжигания горючих материалов.

³

Рис. 21 (фрагмент рис. 19)

 

В отличие от схемы рис. 19 здесь присутствует бункер, из которого в кипящий слой непрерывно поступает угольная крошка (размер несколько мм, расход около 1/17 массового расхода воздуха), и змеевик (теплообменник). В него подается вода, а выходит из него пар для паровой турбины ТЭЦ. В стационарном режиме угольная крошка составляет 3-5% всей массы слоя. Каждая частица, попадая в слой, зажигается от контактов с горячими песчинками и путешествует в слое, уменьшаясь в размерах и отдавая тепло сгорания обдувающему воздуху и контактирующим песчинкам. Зола и недогоревшие угольные частицы размером менее 1 мм выносятся из слоя потоком газообразных продуктов сгорания. Выполняется тепловой баланс

Q_coM*_co = (M*_co+M*_a)c(T-T₀) + asV(T-T_b) (44)

Здесь Q_co – тепловой эффект сгорания угля, кДж/кг; M*_co, M*_a – полные массовые расходы угля и воздуха, кг/c; c – средняя теплоемкость газовой смеси, Дж/гК; T, T₀, T_b – температура слоя, подаваемого воздуха и кипящей воды в трубах; a - коэффициент теплообмена, кВт/мК, V –объем слоя, м³; s – поверхность труб в единице объема, м²/ м³.

Интересно сравнить это устройство и топку с пылеугольным факелом (см. соседний фрагмент на рис. 1).

Она тоже может быть использована для получения пара, но для этого из нее горячие продукты сгорания нужно направить в отдельно стоящий теплообменник, общую длину труб которого (при одинаковой мощности устройства) придется взять значительно большей длины изображенного на рис. 21 змеевика. Таким образом, топка с кипящим слоем имеет преимущество: компактность. Теперь поясним, почему в отличие от топки с кипящим слоем топку с пылеугольным факелом нельзя применять с компактным теплообменником, который входил бы в ее конструкцию. Причина кроется в радикальном различии коэффициентов теплообмена в этих топках. В обоих случаях имеет место конвективный перенос тепла турбулентными пульсациями. Разница – в плотности теплоносителя. В пылеугольной камере сгорания вблизи форсунок смесь содержит 1/17 по массе долю угля, а ближе к выходу это почти чистый газ. В кипящем слое, если скорость продувки не на много превышает необходимую для псевдоожижения, средняя плотность имеет порядок плотности воды. Удельная теплоемкость на единицу массы с_р для продуктов сгорания и для песка – одного порядка, а теплоемкость на единицу объема rс_р отличается в сотни раз. Перенос тепла турбулентными пульсациями пропорционален объемной теплоемкости, и поэтому в кипящем слое он на два порядка эффективнее, чем в пылеугольной камере сгорания или в присоединенном к ней теплообменнике. Это относится и к теплообмену с поверхностью (труб), который обычно описывают соотношением Ньютона q = aS(T - T_п), где q – тепловой поток, S – поверхность теплообменника, Т_п – его температура (обычно близкая к температуре кипения воды в трубах теплообменника). Если в установке с кипящим слоем a на два порядка больше, это значит, что при одинаковом теплосъеме q можно в кипящем слое использовать теплообменник с поверхностью во столько же раз меньшей, чем в паровом котле с пылеугольной горелкой.

Еще два преимущества топок с кипящим слоем связаны с возможностью «безболезненного» снижения в них температуры до интервала 800-900 ^оС по сравнению с используемой в пылеугольных горелках температурой 1300 ^оС.

«Технологическое» преимущество:

При температуре около 1050 ^оС плавится зола. В пылеугольных горелках расплавленная зола в виде мелких капелек выносится потоком продуктов сгорания в теплообменник и там при контакте с трубами при температуре Т_п застывает на них, создавая очень прочное и все более толстое теплоизоляционное покрытие, а с ним и серьезные проблемы по его периодическому удалению. В топках с кипящим слоем сухая зола без вреда для змеевика выносится из слоя потоком газа и далее может быть легко отделена от газа в циклоне.

«Экологическое» преимущество:

Известно, что при нагреве воздуха до высокой температуры азот и кислород начинают взаимодействовать, образуются окислы азота, которые при больших масштабах сжигания топлива могут вызвать кислотные дожди. При температуре около 850 ^оС образуется минимальное количество окислов азота

Рис. 22. Схема зависимости выхода вредных газов от температуры

 

Теперь поясним, почему в кипящем слое можно снизить температуру до оптимальных значений 800-900 ^оС, а в пылеугольной топке нельзя. Причина – в огромном различии времен пребывания угольной частицы в этих топках. В кипящем слое независимо от его температуры частица циркулирует пока не сгорит почти полностью (типичная ситуация: из бункера поступают частицы размером 5 мм, а не удерживаются в слое и уносятся частицы выгоревшие до размера около 1 мм, что составляет долю (1/5)³ = 1/125). В случае снижения температуры слоя уменьшится скорость реакций, возрастет время пребывания частицы в слое, а массовая доля выносимого угля останется прежней (на самом деле даже немного уменьшится). Иная ситуация в пылеугольной топке. Здесь время пребывания угольной пылинки в камере сгорания мало, и нужна только высокая температура (около 1300 ^оС) чтобы пылинка успела сгореть в камере. В случае снижения температуры из-за очень сильной зависимости скорости реакций от температуры горение не успевает завершиться в камере.

 

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: