Кинетика испарения капель жидких топлив

УДК 543.57

КИНЕТИКА ИСПАРЕНИЯ КАПЕЛЬ ЖИДКИХ ТОПЛИВ

С.Е. Селиванов, профессор, д.т.н., М.И. Кулик, доцент, к.т.н.,

ХНУ имени В.Н. Каразина

Аннотация. Проведено исследование кинетики испарения отдельных капель жидкостей, используемых в качестве котельных топлив, в потоке нагретого воздуха. Показано, что для всех исследуемых жидкостей имеет место выполнение закона Срезневского, определена объемная скорость испарения исследуемых топлив.

Ключевые слова: кинетика, испарение, котельные топлива, поток воздуха, объемная скорость.

КІНЕТИКА ВИПАРОВУВАННЯ КРАПЕЛЬ РІДКИХ ПАЛИВ

С.Є. Селіванов, професор, д.т.н., М.І. Кулик, доцент, к.т.н.,

ХНУ імені В.Н. Каразина

Анотація. Проведено дослідження кінетики випаровування окремих крапель рідин, які використовуються як котельні палива, у потоці нагрітого повітря. Показано, що для всіх досліджуваних рідин, має місце виконання закону Срезневського, визначено об’ємну швидкість випаровування досліджуваних палив.

Ключові слова: кінетика, випаровування, котельні палива, потік повітря, об ’ємна швидкість.

EVAPORATION KINETICS OF LIQUID FUEL DROPS

S. Selivanov, Professor, Doctor of Technical Science, M. Kulik, Associate Professor, Candidate of Technical Science, V.N. Karazin Kharkiv National University

Abstract. The research on evaporation kinetics of separate liquid drops applied as fuel oils is carried out. It is shown that the law of Sreznevskiy occurs for all liquids researched. The volume velocity of researched fuels evaporation is determined.

Key words: kinetics, evaporation, fuel oil, heated air flow, volume velocity.

Введение

В связи с повышенной необходимостью экономии энергии в Украине и, в частности, топлива, получаемого из нефти, ведутся исследования в области поиска новых видов топлив не нефтяного происхождения, или так называемых альтернативных топлив; при этом желательно, чтобы эти топлива были из возобновляемых источников, для всех видов энергетических установок.

Предлагая разные горючие жидкости для использования в энергетике, перед исследователями стоит задача необходимости повышения эффективности их сжигания, а это, в

свою очередь, требует глубокого изучения механизмов воспламенения и горения таких горючих жидкостей, используемых как топлива.

В топочных камерах используется распыление топлив на мельчайшие капли для ускорения процесса смесеобразования, осуществляемое в горелке, которое предшествует возникновению фронта воспламенения. Горение факела распыленного жидкого топлива определяется в значительной мере движением и горением отдельных капель и условиями их взаимодействия. Поэтому очень большое внимание уделяется простейшему случаю -сжиганию единичной капли жидкого топлива.

Горению жидких топлив предшествует испарение топлив, и для расчета процесса горения необходимо иметь данные по их испарению.

Анализ публикаций

Испарение капель жидкости в сфероидальном состоянии впервые изучалось экспериментально Б.И. Срезневским [1], а теоретически Д. С. Максвеллом [2] и И. Ленгмюром [3]. Затем появилось значительное число работ, посвященных описанию процессов тепло- и массообмена, сопровождающих испарение капли [4-6].

Цель и постановка задачи

Целью работы является исследование испарения отдельных капель горючих жидкостей в потоке нагретого воздуха, которые возможно использовать в качестве котельных топлив.

Достижение поставленной цели требовало решения следующей задачи: экспериментально исследовать кинетические закономерности испарения, отдельных горючих капель рапсового масла, его продуктов и нефтяных топлив, а также их различных смесей.

Экспериментальное исследование испарения капель горючих топлив

В основу исследования положены горючие жидкости растительного происхождения (рапсовое масло - РМ, метиловый эфир рапсового масла - МЭРМ), дизельное топливо -ДТ, смесь ДТ с различным процентным содержанием МЭРМ, мазут М40.

Экспериментальное исследование испарения капель горючих жидкостей в потоке нагретого воздуха сводится к определению скорости испарения капель при разных температурах потока воздуха.

Для проведения эксперимента воспользуемся разработанной методикой и созданной установкой [7]. Эксперимент начинается с измерения начального диаметра капли топлива на подвесе с помощью микроскопа (диаметр капли составил (2,5 ± 0,1) -10-3 м на подвесе

диаметром шарика 1,4 -10-3 м) и проводится при разных температурах и постоянной скорости потока нагретого воздуха

и = (0,75 ± 0,08) м/с. В потоке нагретого воздуха происходит уменьшение диаметра капли топлива во времени, до полного испарения на подвесе. Процесс полного испарения капли фотографируется цифровой фотокамерой, в объектив которой встроена прозрачная масштабная шкала.

Определив изменения диаметров капель, строится график зависимости й 2((), который представлен на рис. 1.

йР-106 м2

Рис. 1. Зависимость квадрата диаметра капли горючих жидкостей от времени испарения при температуре Т = 523 К и скорости потока воздуха и = 0,75 м/с: 1 - ДТ; 2 - 80 % ДТ и 20 % МЭРМ; 3 -70 % ДТ и 30 % МЭРМ; 4 - МЭРМ

Как видно из графика, зависимость изменения квадрата диаметра капли й2 от времени ^ можно считать линейной при температуре 523 К для ДТ, 80 % ДТ и 20 % МЭРМ, 70 % ДТ и 30 % МЭРМ, не соблюдается линейная зависимость для МЭРМ при исследуемой температуре.

При температуре 723 К линейная зависимость изменения квадрата диаметра капли от времени наблюдается для всех исследуемых горючих жидкостей, т.е. и для топлив РМ и М40 (рис. 2).

Таким образом, исследование кинетики испарения капель горючих жидкостей при повышенных температурах (выше 723 К) показало, что зависимость й2 от ^ в потоке воздуха для всех исследуемых жидкостей оказалась линейной, т.е. имеет место закон Срез-

невского

;)

&

= Кисп = СОП8І [1]. Это свиде-

тельствует о том, что каждая горючая жидкость испаряется как индивидуальная жидкость, сохраняя свой состав в процессе испарения постоянным.

&2-106 їм2

с

Рис. 2. Зависимость квадрата диаметра капли горючих жидкостей от времени испарения при температуре Т = 723 К и скорости потока и = 0,75 м/с: 1 - ДТ; 2 - 80 % ДТ и 20 % МЭРМ; 3 - 70 % ДТ и 30 % МЭРМ; 4 - МЭРМ; 5 - РМ; 6 -М40

при скоростях потока 0,5 - 1,5 м/с эта зависимость нелинейная, а при скоростях больше 1,5 м/с указанная зависимость приближается к линейной. Скорость испарения горю-чих жидкостей - разная.

.106,

м2/с

от скорости потока воздуха при температуре потока 723 К: 1 - ДТ; 2 - 80 % ДТ и 20 % МЭРМ; 3 - 70 % ДТ и 30 % МЭРМ; 4 - МЭРМ; 5 - РМ; 6 - М40

По построенным графикам изменения величины квадрата диаметра капли с течением времени, по методу средних, определили тангенс угла наклона полученных прямых,

т.е. -

;)

&

для исследуемых горючих жид-

костей. Результаты вычислений позволили сделать заключение о характере влияния на скорость испарения скорости и температуры потока воздуха.

Получив значения -

&

&

, строятся графи-

ки зависимости -

&

&

горючих жидкостей

от скорости потока воздуха при температуре потока Т = 723 К (рис. 3).

Ход кривых на рис. 3 показывает, что с увеличением скорости потока, при постоянной заданной температуре воздуха, растет скорость испарения. Вид зависимости скорости испарения от скорости потока для горючих жидкостей имеет одинаковый характер, но

На рис. 4 представлена зависимость -

&

горючих жидкостей от скорости потока воздуха при разных температурах.

Как видно из рис. 4, получены кривые второго порядка - параболы, ход которых показывает, что скорости испарения исследованных горючих жидкостей при постоянной скорости потока увеличиваются по мере повышения температуры. Этот вывод имеет существенное значение, т.к. позволяет понять, почему при высоких температурах не сказывается разгонка таких горючих жидкостей, и они испаряются аналогично испарению индивидуальных жидкостей. Характер процесса испарения капли жидкости при изменении температуры среды не меняется - остается справедливым закон Срезневского.

Отдельно представляет интерес построить й

зависимость -

&

рапсового масла

от скорости потока воздуха при разных температурах (рис. 5).

_ &(&2).іоб м2/с Л

Рис. 4. Зависимость -

&

&

от температуры

потока воздуха при скорости потока и = 0,75 м/с для горючих жидкостей: 1 - ДТ; 2 - 80 % ДТ и 20 % МЭРМ; 3 -70 % ДТ и 30 % МЭРМ; 4 - МЭРМ; 5 -РМ; 6 - М40

. 106, м2/с Л '

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,5 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50 2,75

и, і /й

Рис. 5. Зависимость -

&

рапсового мас-

ла от скорости потока воздуха при разных температурах: 1 - Т = 723 К; 2 -Т = 773 К

Как показывает ход кривых на рис. 5, изменение температуры потока не изменяет характера зависимости скорости испарения от скорости потока для данной жидкости.

Таким образом, анализируя полученные графики для исследованных топлив, можно сделать вывод, что изменение скорости и температуры потока воздуха не изменяет характер изменения скорости испарения при разных условиях.

Объемная скорость испарения капель горючих жидкостей

Для определения объемной скорости испарения капли жидкости в относительно покоящемся воздухе, а также в различных потоках воздуха воспользуемся формулой 1 из работы [9]

и

• Ґ .

Как видно из формулы, объемная скорость испарения капли зависит от начальной поверхности капли S0 и численного значения константы Кисп для данной жидкости.

Для определения объемной скорости испарения капли разных горючих жидкостей возьмем начальный радиус капли г0 = (1,25 ± 0,05) -10-3 м, с учетом жидкостей разных плотностей, тогда поверхность капли получим £0 =(19,64± 1,6)-10-6м2. Таким образом, зная начальную поверхность капли, числовые значения Кисп для исследуемых горючих жидкостей, при температуре Т = 723 К и скорости потока и = 0,75 м/с можно по формуле определить объемную скорость испарения для каждого исследуемого момента времени и установить зависимость объемной скорости испарения капли от времени.

По полученным расчетам построим график зависимости и от ^ (рис. 6).

- и, м3/с

^ с

Рис. 6. Зависимость объемной скорости испарения горючих жидкостей от времени при температуре потока воздуха Т = 723 К и скорости и = 0,75 м/с: 1 - ДТ; 2 - 80 % ДТ и 20 % МЭРМ; 3 - 70 % ДТ и 30 % МЭРМ; 4 - МЭРМ; 5 - РМ; 6 - М40

Из рис. 6 видно, как изменяется зависимость объемной скорости испарения разных горючих жидкостей от времени при температуре потока воздуха Т = 723 К и скорости и = 0,75 м/с. Объемная скорость испарения для разных жидкостей от времени испарения, при постоянной температуре и скорости потока воздуха, разная. Наибольшая объемная скорость испарения в момент времени испарения t = 1,5 с наблюдается для дизельного топлива

- для мазута М40, а для рапсового масла она составляет 0,287 м3/с при равных условиях нахождения капли горючей жидкости в потоке воздуха и одинаковом начальном диаметре капли.

Выводы

Проведенные экспериментальные исследования при разных температурах показали, что при невысоких температурах зависимость изменения квадрата диаметра капли от времени не подчиняется линейной зависимости. Очевидно, это происходит потому, что испарение капель топлив, состоящих из нескольких фракций, имеющих разную температуру кипения, и следовательно, имеющих разную испаряемость, однако, по мере повышения температуры, при которой происходит испарение, это различие в скорости испарения разных горючих жидкостей сглаживается.

Выполнимость закона Срезневского для исследуемых горючих жидкостей свидетельствует о том, что каждая горючая жидкость испаряется как индивидуальная жидкость, сохраняя свой состав в процессе испарения постоянным, что находит подтверждение в работе [8].

Полученные экспериментальные данные по испарению капли в потоке воздуха позволили рассчитать скорость испарения капли, а по формуле определить объемную скорость испарения исследуемых топлив и построить зависимость объемной скорости испарения

от времени при температуре 723 К и скорости потока и = 0,75 м/с.

Литература

1. Срезневский Б.И. Об испарении жидкостей

/ Б.И. Срезневский // ЖРФХО. - 1882. -Т. 14, Вып. 8. - С. 420-442.

2. Maxwell J.C. Collected Scientific Papers

Cambridge / J.C. Maxwell. - 1890. -Vol. 11. - 625 p.

3. Langmuir I.J. Evaporation of small spheres /

I.J. Langmuir // Phys. Rev. - 1918. -Vol. 12. - P. 368-370.

4. Spalding D.B. Combustion of Single Droplet and

of a Fuel Spray Selected Combustion Problems AGARD. Butterworths / D.B. Spalding. - London : Priem R.S. Ph. D., 1954. -279 р.

5. Федосеев В. А. Кинетика испарения капель

жидкости / В.А. Федосеев //Труды ОГУ. -1960. - Т. 150. Сер. физ. наук. - Вып. 7.

- С. 27.

6. Селиванов Е.Д. О применимости закона

Срезневского к испарению горящих капель жидкого топлива / Е. Д. Селиванов // Тр. ОГУ. - 1960. - Т. 150, сер. физ. -Вып. 7. - С. 215.

7. Патент 2035728 РФ, С1 6 G 01 № 25/ 50,

Способ определения показателей пожароопасности материалов и устройство для его осуществления / С.Е. Селиванов; заявитель и патентообладатель Харьковский инженерно-строительный институт - № 4758019; заявл. 15.08.89; опубл. 20.05.95, Бюл. № 14.

8. Селіванов Є. Д. Нормальна швидкість го-

ріння крапель рідкого палива / Є.Д. Се-ліванов // Наукові записки Херсонського державного педагогічного інституту. -1957. - Вип. 8. - С. 325-333.

Рецензент: А.В. Бажинов, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 8 ноября 2010 г.