Общая характеристика процессов горения топлива

 

Горением называется процесс взаимодействия топлива с окислителем, сопровождающийся выделением тепла. Роль окислителя в большинстве случаев выполняет кислород воздуха.

Для того, чтобы происходило горение, необходимо обеспечить тесный контакт между молекулами топлива и окислителя, т.е необходимо смешать топливо с воздухом.

Следовательно, процесс горения складывается из двух стадий:

1. смешение топлива с воздухом;

2. горение топлива.

Во время протекания второй стадии происходят сначала воспламенение, а затем уже и горение топлива.

В процессе горения образуется пламя, в котором протекают реакции горения составляющих топлива, и происходит выделение тепла. В технике при сжигании газообразного, жидкого и твердого пылевидного топлива применяют так называемый факельный метод сжигания. Факел – это частный вид пламени, образующего при подаче топлива и воздуха в рабочее пространство печи в виде струй, постепенно перемешивающихся друг с другом.

При факельном сжигании топлива аэродинамическую основу процесса составляют струйные течения. Поскольку при факельном сжигании характер движения струй может быть ламинарным и турбулентным, в процессах смешения большая роль принадлежит молекулярной и турбулентной диффузии.

Ламинарным называют такое движение, когда струйки газа протекают параллельно одна другой, не пересекаясь. При турбулентном режиме в потоке возникает множество вихрей, что приводит к интенсивному перемешиванию газа.

На практике при создании устройств для сжигания топлива (горелок, форсунок) применяют различные конструктивные средства (устройства, направляющие струи под углом друг к другу, устройства для закручивания струй и др.) с тем, чтобы организовать смешение топлива с воздухом так, как это необходимо для каждого конкретного случая.

Различают гомогенное и гетерогенное горение. При гомогенном горении тепло – и массообмен происходят между телами, находящимися в одинаковом агрегатном состоянии. Гомогенное горение свойственно газообразному топливу и происходит в объеме.

При гетерогенном горении тепло – и массообмен происходят между телами, находящимися в разных агрегатных состояниях (обмен происходит между газом и поверхностью частиц топлива). Такое горение свойственно жидкому и твердому топливам.

Гомогенное горение может протекать в кинетической и диффузионной областях.

При кинетическом горении полное перемешивание топлива с воздухом осуществляют предварительно, и в зону горения подают заранее подготовленную топливо – воздушную смесь. При диффузионном гомогенном горении поцессы горения и смешения не разделены и совершаются практически одновременно.

 

Возникновение пламени

 

Возникновение пламени (воспламенение топлива) может произойти только после того, как будет достигнут необходимый контакт молекул топлива и окислителя. Любая реакция окисления протекает с выделением тепла. Вначале реакция окисления идет медленно с выделением малого количества тепла. Однако выделяющееся тепло способствует повышению температуры и ускорению реакции, что в свою очередь приводит к более энергичному выделению тепла, которое опять–таки оказывает благоприятное влияние на развитие реакции. Таким образом, происходит постепенное нарастание скорости реакции до момента воспламенения, после чего реакция идет с очень большой скоростью и носит лавинный характер. В реакциях окисления неразрывно связаны друг с другом механизм химической реакции и тепловые характеристики процесса окисления. Первичным фактором является химическая реакция и вторичным – выделение тепла. Оба эти явления тесно связаны между собой и влияют друг на друга.

В практических условиях обычно прибегают к искусственному поджиганию топлива, вводя в зону горения определенное количество тепла, что приводит к резкому ускорению момента достижения воспламенения.

В большинстве случаев выделение тепла при горении сопровождается потерями тепла в окружающую среду. Соотношения между выделяемым количеством тепла и теплом, передаваемым в окружающую среду, имеет большое значение для развития процесса воспламенения топлива. При стационарном состоянии процесса количество выделяющегося в единицу времени тепла должно быть равно количеству теряемого тепла. По мере окисления топлива значение температуры будет возрастать. И температура достигнет своего наибольшего значения, когда тепловыделение еще равно теплоотдаче. При дальнейшем увеличении тепловыделения начинается переход к резкому нестационарному выгоранию смеси, проходящему с бурным нарастанием температуры и скорости реакции, т. е. происходит тепловой взрыв.

Температура, при которой начинается нестационарный процесс выгорания смеси, называется температурой воспламенения.

Таким образом, температура воспламенения не является физико-химической константой, определяемой только свойствами смеси, она определяется условиями протекания процесса, т. е. характером теплообмена с окружающей средой (температурой, формой сосуда и др.). Температуры воспламенения различных топлив приведены в таблице 2.

 

Таблица 2 – Температуры воспламенения в воздухе при атмосферном давлении

Вещество	Температура воспламенения, К	Вещество	Температура воспламенения, К
минимальная	максимальная	минимальная	максимальная
Водород			Ацетилен
Окись углерода			Бензин
Метан			Керосин
Этан			Нефть	--
Пропан			Бурый уголь	--
Бутан			Кокс

 

Кроме температуры, большое влияние на процесс зажигания топлива оказывает концентрация горючей составляющей в смеси. Существуют такие минимальная и максимальная концентрации горючей составляющей, ниже и выше которых вынужденное воспламенение произойти не может. Такие предельные концентрации называются концентрационными пределами воспламенения, значения их для некоторых газов приведены в таблице 3. Чтобы установить пределы воспламенения промышленных газов, которые являются смесью различных горючих компонентов, пользуются правилом Ле-Шателье, по которому

 

,

где Z - искомый нижний или верхний предел воспламенения,

Z₁, Z₂, Z₃ - соответствующие пределы воспламенения для горючих компонентов

топлива,

P₁, P₂, P₃ – процентное содержание отдельных горючих компонентов в топливе.

 

Таблица 3 – Концентрационные пределы воспламенения, %

Вещество	Газо-воздушная смесь	Газо-кислородная смесь
нижний предел	верхний предел	нижний предел	верхний предел
Водород	9,5	65,2	9,2	91,6
Окись углерода	15,6	70,9	16,7	93,5
Метан	6,3	11,9	6,5	51,9

 

Негорючие составляющие газообразного топлива влияют на границы воспламенения, они повышают нижний и понижают верхний пределы воспламенения.