Гасспояние от mSesdoa поберхноспи

Рнс. 4-24. Распределение концентраций и температур у поаорхно-сти (прп поверхностном горении).

в топках паровых котлов и других нагревательных устройствах было предложено Боном (Вопе, 1918). Механизм поверхностного горения состоит в том, что топливо и окислитель диффундируют нз движущейся смеси к твердой поверхности, на которой они и реагируют; продукты сгорания диффундируют обратно в поток. Тепло, выделяющееся при реакции, или отводится в поток газа и излучается твердой поверхностью, или отводится внутрь тела.

Если твердое тело представляет собой катализатор, например платиновый или палладиевый, то реакция может протекать прп низкой температуре поверхности. Следовательно, таким путем можно заставить реагировать смеси вне обычных пределов воспламенен/гя. Если твердая поверхность

обладает очень слабыми каталитическими свойствами, то температура поверхности должна быть высокой; для этого необходимо, во-первых, чтобы твердое тело было огнеупорным и, во-вторых, чтобы концентрация топлива и кислорода в смеси была достаточной для получения высокой температуры, т. е. состав смеси должен лежать внутри обычных пределов воспламенения.

Рассмотрим случай горения смеси на столь активной поверхности (или вследствие ее каталитических свойств, или высокой температуры), что топливо реагирует с кислородом, как только они достигают поверхности. Это означает, что концентрация топлива иа поверхности (для бедной смеси) или кислорода (для богатой смеси) равна ну-JHo. На рис. 4-24 показано распределение концентраций в пограничном слое (по нормали к поверхности) для бедной смеси.

Предположим, что коэффициент теплоотдачи для тела, погруженного в жидкость, равен а. Тогда из аналогии между тепло- и массообменом можно записать выражение для скорости реакций (по топливу) [zJcm сек] в виде

Так как в рассматриваемом случае перенос вещества из газового потока равен переносу в поток, то удобнее пользоваться движущими силами т и [ш - os)> параметрами переиг.са. Нормальная к поверхности составляющая скорости равна, следовательно, нулю (гопливо и кислород двил<утся в одном направлении, но равная им масса про-дуктов сгорания движется в противоположном направлении). Аналогично запишем выражение для теплового потока:

9 = (r~-rj. (4-86)

Из рассмотрения баланса тепла па твердой поверхности имеем;

g ={M~Q)m:. (4-87)

Найдем температуру поверхности

T,-T:={M-Q) . (4-88)

Уравнения (4-85) и (4-88) справедливы, если коэффициент диффузии равен коэфф;!Циенгу темнератсропровод-ности; = а. На основании аналогии Чклтона-Кольбарна можно получить более точное выраясение для температуры поверхности;

.-Г = (Я-С) f- , (4-1

ГП/, (D:

(H-Q) { ае - о ) for

T-T = -i-=ir.[) . (4-90)

Еслп коэффициенты диффузии для топлива п кислорода ие равны между собой, например DjD (это имеет место для водорода), то смесь более бедная, чем стехиоме-трпческая, может гореть на поверхности огнеупора как богатая. Это происходит потому, что топливо диффундирует к поверхности значительно быстрее кислорода.

Прямые экспериментальные но.цтверждения изложенной теории нам неизвестны, ио, например, повышение температуры платиновой проволоки используется для измерения содержания горючих компонентов в газе. Однако эта теория, по-видимому, может служить для определения порядка величины скорости реакции при поверхностном горении. 186

пример 4-7. По трубе движется воздух со скоростью 6,1 м/сек (при атмосферных температуре и давлении), содержащий 1% водорода по объему. Поперек трубы натянута сетка из раскаленных платиновых просолок диаметром 0,01 см с интервалом между проволоками О,] см. Найти долю сгорающего водорода.

Решение. Предположим, что скорость горения водорода определяется его переносов к поверхности проволок, иа которой конненг-рация водорода равна нулю.

Так как UG,1 м/сек, d = 0,01 см, м= 0,151 см-/сек (значение м берем при атмосферной температуре), то критерий Рейнольдеа для единичной проволоки ранен:

Коэффициент диффузии водорода в воздух при 0°С равен Ofi\cM/ce>c. Тогда (D/n)--(0,61/0,187) = 2,2 (для воздуха приО°С U = 0.187 см/сен).

По Гнльп12рту {Hilpert, 1933} для поперечного обтекания цилиндров воздухом в рассматривае-мом диапазон: значений критерия Рейнольдеа H.ieeM!

Nu=0,G15Re -*

Из уравнэнин (4-85), дополненного ввгдением Ч[1лтон-Кольбар-новского множителя ID/a), найдем выражение для массы водорода т, cropaiojj,ero на единлцу длины прово.шки;

>,..0 3K.R. . (f.

\2/3

Тогда доля сгоргв1игго водорода в потоке, прохотящем через промежуток шириной 0,1 СП мслду двумя проволоками, равна:

7.X-0.6]5Re / д 2/3 cin pt/-0,l \Tj 7i.0,2l2.0,6l5-40,4

610.0,1 -.=-.oo

[для воздуха прп атмосферных условиях - = Q,2\1 см/сек).

Таким образом, па поверхчости проволок сгорает только около 8% водорода. Этот результат, по крайней мере для очень бедных cMiceft, не ззв!!:;ит от концентрации водорода в потоке, так как и скоро.:ть горения и скорость продольного переноса пропорциональны концентрацш! водорода.

Обозначения к главе 4

Л- площадь.

а - коэффициент температуропроводности.