- •Содержание
- •Введение
- •1 Место и роль химмотологии в экономике страны
- •1.1 Химмотология как прикладная наука
- •1.2 Вопросы для самопроверки
- •2 Методические основы химмотологии
- •2.1 Квалификационные методы испытаний горюче-смазочных материалов
- •2.2 Стендовые испытания топлив и масел
- •2.3 Эксплуатационные испытания горюче-смазочных материалов
- •2.4 Классификационные испытания моторных масел
- •2.5 Вопросы для самопроверки
- •3 Основы теории окисления жидких углеводородов
- •3.1 Общие закономерности окисления углеводородов
- •3.2 Механизм образования возбужденных молекул при окислении газообразных углеводородов
- •3.3 Механизм зарождения цепей при окислении углеводородов
- •3.4 Особенности газофазного окисления углеводородов
- •3.5 Противоокислительная стабильность жидких углеводородов
- •3.6 Окисление капель распыленных жидких углеводородов
- •3.7 Особенности окисления сложных смесей жидких углеводородов
- •Особенности окисления топлив при хранении
- •3.9 Вопросы для самопроверки
- •4 Особенности окисления масел при хранении и применении
- •4.1 Влияние химического состава масел на их стабильность против окисления
- •4.2 Основные факторы, ускоряющие окисление масел
- •4.2.1 Влияние температуры на окисление моторных масел
- •4.2.2 Катализаторы и другие факторы, ускоряющие окисление
- •4.3 Вопросы для самопроверки
- •5 Общие теоретические представления о механизме действия противоокислительных присадок
- •5.1 Противоокислительные присадки и механизм их действия
- •5.2 Смеси противоокислителей и синергизм их действия
- •Вопросы для самопроверки
- •6 Основные закономерности испарения жидких топлив
- •6.1 Основные показатели и характеристика испаряемости жидких топлив
- •6.2 Вопросы для самопроверки
- •7 Общие закономерности горения жидких топлив
- •7.1 Краткая характеристика пламен
- •7.2 Ламинарные пламена
- •7.3 Теории распространения ламинарных пламен
- •7.4 Химические процессы в предпламенной зоне
- •7.5 Воспламенение (зажигание) горючей смеси
- •7.6 Самовоспламенение (взрывное горение) горючей смеси
- •7.7 Самовоспламенение углеводородо-воздушных смесей
- •7.8 Особенности самовоспламенения распыленных жидких топлив
- •7.9 Вопросы для самопроверки
- •8 Особенности горения жидких топлив в поршневых двигателях
- •8.1 Процессы, протекающие при горении топлив в двс
- •8.2 Вопросы для самопроверки
- •9 Основы теории поверхностных явлений
- •9.1 Характеристика поверхности и механизмы действия пав
- •9.2 Теоретические основы трения и износа
- •9.3 Вопросы для самопроверки
- •Основные термины
- •Условные обозначения
- •Литература
7.2 Ламинарные пламена
В хорошо перемешанной однородной газовой смеси горючего и окислителя, при воспламенении небольшого объема смеси, образуются ламинарные пламена, распространение которых по смеси можно представить в виде схемы, показанной на рисунке 20, с соответствующими изменениями температуры и скорости тепловыделения. Заштрихованная часть представляет собой зону пламени (светящуюся зону) или фронт пламени, которая образуется вблизи поверхности смеси. Слева от светящейся зоны находится свежая горючая смесь, где на глубине 5–10 мм от фронта пламени начинают протекать физико-химические процессы, сопровождающиеся повышением температуры смеси и выделением тепла. Эту зону называют зоной предпламенных превращений (реакций), а справа от светящейся зоны формируется зона продуктов сгорания. Фронт пламени, в зависимости от внешнего давления, представляет собой очень тонкий слой, обычно 2–3 мм, в котором протекают основные экзотермические реакции с максимальным тепловыделением.
Рисунок 20 – Распределение температуры Т и скорости тепловыделения Q(x) в пламени на примере пропано-воздушной смеси
Продолжительность пребывания смеси во фронте пламени составляет (4–6)10-3 с, за которую происходит ее превращение в продукты сгорания. Скорость перемещения фронта пламени в перпендикулярном направлении в свежую смесь называют нормальной скоростью распространения пламени (Uн), значение которой характеризует скорость горения смеси, вследствие распространения пламени, или скорость ламинарного горения. Большое количество методов определения Uн подразделяют на три группы: методы, основанные на регистрации скорости перемещения фронта пламени в трубе, открытой с одного конца, либо имеющей калиброванные отверстия с обоих концов; методы, основанные на регистрации скорости распространения пламени в бомбах постоянного давления (БПД) с эластичной оболочкой; методы стационарного пламени (метод горелки).
При близком к стехнометрическому соотношению или в более богатой смеси значение Uн в условиях нормального давления и комнатной температуре достигает максимума. В области богатых и бедных смесей, по мере смещения состава смеси от стехиометрического, значение Uн при нормальных условиях (P и t) уменьшается, вплоть до прекращения. Концентрации горючего в области богатых и бедных смесей, при которых прекращается горение, называют концентрационными пределами горения, а на величину Uн и концентрационные пределы горючей смеси влияет, как показано на рисунке 21, химический состав горючего.
Рисунок 21 – Зависимость нормальной скорости распространения пламени от состава смеси для различных горючих
Экспериментально определено, что наибольшую скорость горения при нормальных условиях имеет смесь водорода с воздухом (Uн(макс.) = 3,06 м/с), а для углеводородов различных гомологических рядов значения Uн(макс.) возрастают в следующем порядке: парафины<олефины<диены<ацетилены. Однако замещение в углеводородах водорода на метильный радикал снижает Uн(макс.), а циклопарафины с 3–4 углеродными атомами в кольце имеют более высокие значения Uн(макс.), чем соответствующие парафины (при большем числе атомов углерода в молекуле зависимость обратная). У олефинов и ацетиленов Uн(макс.) снижается с ростом числа атомов углерода (при содержании 2–7 атомов С) в молекуле, а углеводороды с числом атомов углерода более 10 мало различаются по значению Uн(макс.). Смеси горючего с кислородом имеют большие значения Uн(макс.), чем смеси горючего с воздухом, но для некоторых смесей наблюдается существенная зависимость Uн(макс.) от введения в смесь присадок.
Присадки, инициирующие самовоспламенение смеси (этилнитрат, этилпероксид), а также антидетонаторы (тетраэтилсвинец – ТЭС, пентакарбонилжелезо, диэтилолово, тетраметилолово) существенно не влияют на скорость распространения пламени. Это свидетельствует о существенном отличии механизмов химических реакций, протекающих в предпламенной зоне? от механизма предпламенных процессов при самовоспламенении (взрывном горении) смеси. С ростом начальной температуры смеси (Т0) скорость распространения пламени возрастает, но эта зависимость значительно слабее, чем аррениусовская, и удовлетворительно описывается уравнением
Uн = α·Т02, (7.1)
где α – постоянная.
В интервале давлений 0,05–0,4 МПа возрастает линейная Uн с понижением начального давления горючей смеси, а массовая скорость распространения пламени, равная m = Uн·ρ (где ρ – начальная плотность горючей смеси), с повышением давления возрастает. Акустические колебания в диапазоне частот 5–40 кГц влияют на устойчивость пламени (срыв пламени, проскок в горелку), но в ультразвуковом диапазоне частот (270–500 мГц) скорость распространения пламени увеличивается.