Процесс горения топлива

        Здравствуйте! Основной качественной характеристикой процесса горения является химическая его полнота при минимальном избытке воздуха, которому соответствует наибольшая температура горения. Горение представляет собой быстро протекающее химическое превращение, сопровождающееся выделением теплоты. К процессам горения относят не только окислительные реакции горения, но и все химические процессы, связанные с быстрым превращением исходных продуктов и тепловым и диффузионным ускорением (разложение взрывчатых веществ, озона, соединение ряда веществ с хлором и фтором и др.).

      Химическая реакция горения в большинстве случаев является сложной, то есть состоит из нескольких элементарных химических процессов, в которых образуются промежуточные продукты реакции. Кроме того, при горении происходят различные физические процессы (перенос теплоты, диффузия, движение и смесеобразование реагирующих веществ, испарение топлива и т. д.), интенсивность протекания которых влияет на скорость горения.

     Реакция горения обладает свойством самоускорения вследствие накопления в системе теплоты, а также активных продуктов реакции. При этом увеличение скорости реакции w = —dC/dτ, характеризующей изменение концентрации реагирующего вещества С во времени τ , будет происходить до тех пор, пока в системе не установятся определенные значения параметров (температура, давление, состав смеси).

       В зависимости от факторов, замедляющих скорость реакции, различают кинетическое и диффузионное горение. Если скорость горения газовой смеси лимитируется факторами, влияющими на кинетику химической реакции {концентрацией, температурой, давлением), то такое горение называют кинетическим. При раздельной подаче топлива и окислителя скорость горения ограничивается факторами, которые определяют интенсивность перемешивания (скорость и турбулизация потоков, конфигурация и взаимное расположение каналов, по которым подводятся топлива и окислитель и др.). В этом случае горение называют диффузионным. При этом для увеличения скорости смесеобразования применяют меры по турбулизации потока.

      Скорость реакции горения смеси газов, согласно закону действующих масс, пропорциональна произведению концентраций СА и СВ реагирующих веществ А и В:

Формула 1                 (1)

Коэффициент пропорциональности k называется константой скорости реакции. Согласно уравнению, приведенному выше, вероятность столкновения молекул реагирующих веществ пропорциональна произведению их концентраций. Константа скорости реакции зависит от температуры Т и определяется из уравнения Аррениуса

Формула 2                 (2)

где k0 — коэффициент, определяемый экспериментально; Rμ — универсальная газовая постоянная. Величина Е характеризует наименьшую избыточную энергию (по сравнению со средним значением кинетической энергии), которой должны обладать сталкивающиеся частицы, для того, чтобы разрушились внутримолекулярные связи и произошло химическое превращение.

      Эта величина, зависящая от природы реагирующих веществ, называется энергией активации (измеряется в кДж/кммоль). Из выражений (1) и (2) следует, что с увеличением энергии активации константа скорости и скорость реакции уменьшаются. С увеличением температуры скорость реакции возрастает, что объясняется увеличением кинетической энергии реагирующих молекул и вероятности их столкновений с ростом температуры. Вероятность столкновения и скорость реакции возрастают также с увеличением давления в системе.

       Экспериментальные исследования показывают, что энергия активации значительно меньше, чем по классическим законам химической кинетики (закон действующих масс, уравнение Аррениуса). Это отклонение объясняется на основе теории цепных реакций. Согласно этой теории, процесс горения протекает через промежуточные стадии с непрерывным образованием активных центров реакции. Например, при горении водорода активными центрами являются свободные атомы Н и О и радикалы ОН, которые относительно легко вступают в дальнейшие взаимодействия. При этом энергия активации для реакций с участием активных центров меньше, чем для молекул реагирующих веществ. Цепные реакции являются разветвленными процессами, в которых каждое взаимодействие одного активного центра приводит к образованию нескольких активных центров.

       Процессу горения всегда предшествует воспламенение топлива. Окислительные процессы в смеси газов могут происходить и при низких температурах, но в этом случае количество выделяемой теплоты невелико. Теплота успевает перейти из системы в окружающую среду, и реакция не ускоряется. При увеличении температуры смеси, согласно уравнению Аррениуса (2), увеличивается скорость реакции, и при некоторой температуре количество выделяемой теплоты превысит тепловые потери в окружающую среду, что приведет к воспламению топлива. Минимальная температура, при которой смесь воспламеняется, называется температурой воспламенения.

       Температура воспламенения не является физико-химической константой вещества. Она зависит как от рода газа, так И от концентрации газа и окислителя, а также от интенсивности теплообмена между газом и окружающей средой. Из горючих газов наибольшую температуру воспламенения имеет метан CH4 (650—750° С) и наименьшую — ацетилен С2Н2 (400—440° С). Существуют верхний и нижний пределы концентрации газа и окислителя, и вне этих пределов смеси не воспламеняются. Например, для смеси метана и воздуха при температуре 20° С и давлении 0,1 МПа нижний предел равен 5 — 6% и верхний-12 — 15%, для смеси водорода с воздухом эти пределы соответственно равны 4 — 9% и 65-75%. С увеличением температуры смеси пределы воспламенения значительно расширяются.

      Смеси, концентрация которых находится в пределах воспламенения, взрывоопасны , такт как при постоянном объеме они сгорают практически мгновенно (детонируют). Если при горении смесь может беспрепятственно расширяться (горение при потсоянном давлении), то пламя обычно распространяется с небольшой скоростью (менее 30 м/с). Такое горение принято называть нормальным горением. Скорость распространения пламени в этом случае зависит от природы и температуры смеси, а также от концентрации реагирующих и инертных компонентов смеси.

       При нормальном горении в зависимости от характера движения горючего газа и окислителя пламя может быть ламинарным и турбулентным. Ламинарное пламя встречается в малопроизводительных атмосферных горелках. В технике чаще всего сжигание газообразного топлива производят в турбулентном потоке. При турбулентном горении длина и конфигурация пламени существенно зависят от конструкции горелочного устройства. Исп. литература: 1) Хзмалян Д.М., Каган Я.А. Теория горения и топочные устройства, Москва, «Энергия», 1976; 2)Теплотехника, Бондарев В.А., Процкий А.Е., Гринкевич Р.Н. Минск, изд. 2-е,"Вышейшая школа", 1976.


2 комментарий на «Процесс горения топлива»

  1. Юрий пишет:

    Что за коэффициент h, в формуле его нет?

    Ответить
    • Денис пишет:

      Подправил, спасибо.

      Ответить

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *