Физические представления о горении топлив

Процесс горения и его расчет.Горение сопровождается смесеобразова­нием, диффузией, воспламенением, тепло­обменом и другими процессами, протекающими в условиях тесной взаимосвя­зи. Поэтому организация процесса горе­ния в топочных устройствах требует изучения не только свойств топлив и кинетики реакций горения, но и особен­ностей всех физических процессов при горении.

Детонация - быстро приближающийся к взрыву процесс горе­ния горючей смеси в цилиндре карбюраторного двигателя, при котором резко (в сто раз) увеличивается скорость рас­пространения пламени.

Горение - химический процесс соединения топлива с окисли­телем, сопровождающийся интенсивным тепловыделением и резким повышением температуры продуктов сгорания.

Различают гомогенное и гетерогенное горение. При гомогенном горении тепло- и массообмен идут между веществами, находящимися в одинаковом агрегатном состоянии (обычно газообразном).

Гетерогенное горение свойственно жидкому и твердому топливам.

Кинетика реакций горения. Скорость химической реакции зависит от кон­центрации реагирующих веществ, темпе­ратуры и давления и определяется произведением концентраций реагирую­щих веществ

,

где k - константа скорости реакции; С_А и C_В - концентрации реагирующих веществ.

Скорость реакции при росте темпе­ратуры существенно увеличивается, что определяется законом Аррениуса

k =k_oe^-E/(RpT) , (4)

где k_o - эмпирическая константа.

Энергия активации Е - наименьшая энергия (для газовых смесей 85 - 170 МДж/кмоль), которой должны об­ладать молекулы в момент столкновения, чтобы быть способными к химическому взаимодействию. Разность энергий акти­вации прямой и обратной реакции составляет тепловой эффект химической реакции.

Реакции характеризуются сильной экзотермичностью, обусловливающей рост температуры. Влияние темпера­туры на скорость реакции значительно сильнее влияния концентрации реаги­рующих веществ. Поэтому, несмотря на уменьшение концентрации реагирующих веществ при горении, скорость реакции горения увеличивается и достигает мак­симума после выгорания 80 - 90% горючих веществ. Реакции горения газо­образного топлива протекают практи­чески мгновенно, что объясняется не только сильным влиянием температуры, но и цепным характером их протека­ния.

Скорость реакции зависит также от давления: w~p^n-1 (n - порядок реак­ции).

Процесс горения топлива имеет две области: кинетическую, в которой ско­рость горения топлива определяется скоростью химической реакции, и диф­фузионную, в которой регулятором ско­рости выгорания является скорость смесеобразования. Примером кинетиче­ской области горения является горение однородной газовоздушной смеси. Диф­фузионно горит газообразное топливо, вводимое в реакционную камеру от­дельно от окислителя.

Кинетическая область I (рис. 5.1) хи­мического воздействия на скорость горе­ния наиболее сильно ощущается при низких концентрациях, температурах и давлениях в смеси. В этих условиях химическая реакция может настолько замедлиться, что сама станет тормозить горение. Диффузионная область II воз­действия на скорость выгорания топлива проявляется при высоких концентрациях и температурах. Химическая реакция протекает очень быстро, и задержка в горении может быть вызвана недоста­точно высокой скоростью смесеобразо­вания.

Рис. 1. Зависимость скорости горения от температуры

при разных скоростях смесеобразования (w₁ < w₂ < w₃):

1 - химическая реакция; 2 - смесеобразование

Процесс смесеобразования практи­чески не зависит от температуры.

Кинетическое горение готовой горю­чей смеси при турбулентном режиме дви­жения очень неустойчиво. Поэтому в высокопроизводительных промышлен­ных топочных устройствах при турбу­лентном режиме движения газовоздуш­ных потоков горение является в основ­ном диффузионным.

Процесс горения горючей смеси может начаться путем самовоспламенения или принудительного воспламенения (элект­рическая искра, факел и т. п.). Темпе­ратура самовоспламенения определяется соотношением количеств теплоты, вы­деляющейся при горении и отдаваемой во внешнюю среду. Количество теплоты, выделяющейся при горении, зависит от температуры и изменяется по экспо­ненте 1 (рис. 2):

q_в = Q_wV= QVk₀Cⁿe^-E/(RpT) (5)

где Q - тепловой эффект реакции; w - скорость реакции; V - объем; Т - тем­пература среды. Зависимость отвода теплоты q_от от температуры Т линейная (прямые 2, рис. 5.2),

q _от = aA(T-T_c), (6)

где a - коэффициент теплоотдачи; А - площадь поверхности; Т_с - температура

охлаждаемой стенки.

При небольшом отводе теплоты (пря­мая 2"') количество выделяемой тепло­ты q_в > q_от, поэтому реакция сопро­вождается повышением температуры системы, приводящим к самовоспламе­нению.

При большем отводе теплоты (пря­мая 2") в точке В q_в = q_от. Температура Т_В в этой точке называется температурой воспламенения горючей смеси. Она зависит от условий отвода теплоты и не является физико-химической констан­той, характеризующей данную горячую смесь. При увеличении отвода теплоты (прямая 2') самовоспламенение невоз­можно. Точка А соответствует стабили­зированному окислению в области низ­ких температур, а точка Б - неустой­чивому равновесию в области высоких температур.

Рис.2. Условия самовоспламенения при разном отводе теплоты

Температура воспламенения может быть найдена из условий

q_B = q_oт и dq_B/dT = dq_от/dT,

определяемых точкой В (рис. 2). С учетом уравнений (5) и (6)

Т_в = Т_с+ RT ²_в /E. (7)

Температура воспламенения Т_в для некоторых газов приведена в табл. 3.

Минимальная и максимальная кон­центрации горючей составляющей, ниже и выше которых не происходит при­нудительное воспламенение смеси, на­зываются концентрационными предела­ми воспламенения (табл. 2); они зави­сят от количества и состава негорю­чих составляющих газообразного топлива, повышающих нижний и понижаю­щих верхний пределы воспламенения.

Таблица 2

Устойчивый непрерывный процесс го­рения в топочном устройстве требует стабилизации фронта воспламенения го­товой (кинетическое горение) или обра­зующейся (диффузионное горение) горю­чей смеси. Для этого с помощью местного торможения создаются зоны со скоростью потока, меньшей скорости распространения пламени; осуществляет­ся непрерывное воспламенение смеси от постороннего источника; на пути потока устанавливаются плохо обтекаемые тела, обеспечивающие обратную циркуляцию продуктов сгорания, поджигающих смесь.

Горение жидкого топлива протекает в основном в парогазовой фазе, так как температура его кипения значительно ниже температуры воспламенения. Ин­тенсивность испарения горючих веществ увеличивается с ростом поверхности контакта с воздухом и количества под­водимой теплоты. Таким образом, ско­рость горения определяется тонкостью его распыливания. Улучшению распыливания способствует понижение вяз­кости, что достигается предварительным подогревом топлива до 340 - 390 К перед подачей в форсунки.

Твердое топливо претерпевает пред­варительную тепловую подготовку, в процессе которой происходит прогрев частиц, испарение влаги и выделение ле­тучих веществ. Наиболее бурное выде­ление летучих веществ, воспламеняющихся первыми, происходит в интер­вале температур 470 - 720 К. Время горения их вблизи твердого остатка составляет незначительную часть общего времени горения топлива и способствует его прогреву и воспламенению. После выгорания значительной части летучих веществ начинается выгорание коксово­го остатка. На процесс горения твер­дого топлива заметно влияет зола, за­трудняющая диффузию кислорода к го­рючему. При температуре горения, пре­вышающей температуру плавления золы, частицы горючих веществ ошлаковы­ваются, что еще больше затрудняет к ним доступ кислорода.