Лекция 3

УСЛОВИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И РАЗВИТИЯ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ И ЕГО ПРОТЕКАНИЕ. ОРГАНИЗОВАННОЕ ГОРЕНИЕ. ВИДЫ ПЛАМЕНИ И СКОРОСТИ ЕГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ. ОЧАГ ГОРЕНИЯ. ЗОНА РАЗЛОЖЕНИЯ. ПРОЦЕСС ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ. ТЕПЛОВОЙ ПРОЦЕСС ГОРЕНИЯ

Горение — сложное, быстро протекающее химическое превращение, сопровождающееся выделением значительного количества тепла и ярким свечением. В большинстве случаев горение проис­ходит в результате экзотермического окисления вещества, спо­собного к горению (горючего), —окислителем (кислородом воз­ духа, хлором, закисью азота и др.). К горению относят и другие процессы, связанные с быстрым превращением и тепловым или цепным их ускорением: разложение взрывчатых веществ, озона; взаимодействие оксидов натрия и бария с диоксидом углерода; распад ацетилена и т.д. Горение представляет собой комплекс взаимосвязанных хи­мических и физических процессов. Важнейшие процессы при горении – тепло- и массоперенос. Наиболее общим свойством горения является способность возникшего очага пламени перемещаться по всей горючей смеси путем передачи тепла или диффузии активных частиц из зоны горения в свежую смесь. В первом случае реализуется тепловой, а во втором – диффузионный механизм распространения пла­мени. Как правило, горение протекает по комбинированному тепловому диффузионному механизму. Для процессов горения характерно наличие критических усло­вий (по составу смеси, давлению, температуре, геометрическим размерам системы) возникновения и распространения пламени. Во всех случаях для горения характерны три типичные ста­дии: возникновение, распространение и погасание пламени. В зависимости от агрегатного состояния горючего и окислителя различают три вида горения: гомогенное горение газов и парообразных горючих веществ в среде газообразного окислителя; гетерогенное горение жидких и твердых горючих веществ в среде газообразного окислителя (разновидность гетерогенного горения —горение жидких горючих в жидких окислителях); горение взрывчатых веществ и порохов. По скорости распространения пламени горение подразделяются на дефлаграционное, протекающее с дозвуковыми скоростями, и детонацию, распространяющуюся со сверхзвуковыми скоростями. Дозвуковое горение подразделяется на ламинарное и турбу­лентное. Скорость ламинарного горения зависит от состава смеси, начальных давления и температуры, а также от кинетики хими­ческих превращений в пламени. Скорость распространения турбулентного пламени помимо перечисленных факторов зависит от скорости потока, степени и масштаба турбулентности. Горючие — вещества (или смеси), способные к распростране­нию горения.

Основные типы пламен

При горении горючее и окислитель (обычно воздух) смешиваются и сгорают. В зависимости от того, смешиваются ли они перед тем как сгореть либо перемешивание и горение происходят одновременно, пла­мена подразделяют на пламена предварительно перемешанной и пред­варительно не перемешанной смесей, соответственно. В свою очередь, пламена, относящиеся к каждой из этих категорий, подразделяются на турбулентное и ламинарное пламя в зависимости от типа потока.

Ламинарные пламена предварительно перемешанной смеси. В ла­минарных пламенах предварительно перемешанной смеси горючее и окислитель смешиваются до начала горения и поток ламинарен. При­мерами такого пламени являются плоское ламинарное пламя и пламя бунзеновской горелки (в случае бедных смесей) (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схематическая иллюстрация плоского ламинарного пламени (а) и пламени бунзеновской горелки (б) предварительно перемешанной смеси

Пламя предварительно перемешанной смеси называют стехиомет­рическим, если горючее (углеводород) и окислитель (кислород - О₂) расходуют друг друга полностью, образуя двуокись углерода (СО₂) и воду (Н₂О). Если существует избыток горючего, говорят, что смесь богатая, а в случае избытка окислителя говорят, что смесь бедная. Рассмотрим простейшие примеры:

1) 2Н₂ + О₂→ 2Н₂О - стехиометрическая смесь,

2) 3Н₂ + О₂ → 2Н₂О + Н2 - богатая смесь (Н₂ в избытке),

3) СН₄ + 3О₂ → 2Н₂О + СО₂ + О₂ - бедная смесь (О₂ в избытке).

Каждый символ в таком уравнении химической реакции соответ­ствует одному молю вещества. Так, первое из этих уравнений озна­чает, что два моля Н₂ реагируют с одним молем О₂ с образованием двух молей Н₂О.

Если уравнение химической реакции записано таким образом, что оно описывает реакцию именно одного моля горючего, то мольная до­ля горючего в стехиометрической смеси может быть легко определена из соотношения

Хгор,стех = 1/(1 + v).

Здесь v обозначает число молей О₂ в уравнении реакции с образова­нием СО₂ и Н₂О. Примером служит реакция

Н₂ + 0,5О₂ → Н₂О, v = 0,5, Х_Н2,стех = 2/3.

Если окислителем является воздух, то следует принимать во вни­мание, что сухой воздух содержит только 21 % кислорода, а также78 % азота и 1 % благородных газов. Таким образом, для воздуха X_N2 = 3,762Х_О2. Отсюда мольные доли для стехиометрической сме­си с воздухом будут равны

Х_{гор,стех} = 1/(1 + v∙ 4,762), Х_О2,стех = v ∙ Х_{гор,стех},

Х_N2,cтex = 3,762 ∙ Х_О2,стех,

где v как и прежде означает количество молей О₂ в уравнении реак­ции полного превращения одного моля горючего в СО₂ и Н₂О. Ряд примеров значений v и мольных долей горючего для стехиометриче­ских смесей горючего с воздухом приведен в табл. 1.1.

Предварительно перемешанные смеси горючего и воздуха (в этом случае в уравнение реакции должно быть добавлено соответствующее количество N2, см. табл. 1.1) характеризуются величиной эквивалент­ного отношения для воздуха:

λ= (Хвоз/Хгор)/(Хвоз,стех/Хгор,стех) = (Wвоз/Wгор)/(Wвоз,стех/Wгор,стех),

либо обратной величиной - эквивалентным отношением для горюче­го Ф (Ф = 1/λ). Эту формулу можно преобразовать для того, чтобы можно было определить величины мольных долей смеси по значе­нию Ф:

Х_гор = 1/(1 + (4,762∙v)/Ф), Х_воз = 1 - Х_гор, Х_О2 = Х_воз/4,762, X_N2 = Х_О2 ∙3,762.

Таблица 1.1 – Примеры значений v и мольных долей горючего Хгор,стех для стехиомет­рических смесей горючего с воздухом

Реакция	v	Х
Н2 + 0,5О2 + 0,5 ∙ 3,762N2 →	0,5	29,6 моль-%
→Н20 + 0,5∙ 3,762N2
СН4 + 2,0О2 + 2,0 ∙ 3,762N2 →	2,0	9,50 моль-%
→СО2 + 2Н2О + 2,0 ∙ 3,762N2
СзН8 + 5,0О2 + 5,0 ∙ 3,762N2 →	5,0	4,03 моль-%
→3СО2 + 4Н2О + 5,0∙3,762N2
С7Н16 + 11,0О2 + 11,0∙3,762N2 →	11,0	1,87 моль-%
→7СО2 + 8Н2О + 11,0∙3,762N2
С8Н18 + 12,5О2 + 12,5∙3,762N2 →	12,5	1,65 моль-%
→8СО2 + 9Н2О+ 12,5∙3,762N2

Соответственно, процессы горения для пламен предварительно пе-­

ремешанных смесей можно подразделить на следующие три группы:

1) горение богатых смесей - Ф > 1, λ < 1,

2) горение стехиометрических смесей - Ф = 1, л = 1, 3) горение бедных смесей - Ф < 1, λ> 1.

Распространение свободного плоского ламинарного пламени в сто­рону свежей несгоревшей смеси можно охарактеризовать скоростью ламинарного горения V_лам (м/с).

Если скорость ламинарного горения плоского пламени меньше ско­рости потока V_и несгоревшей свежей смеси (см. рис. 1.1), пламя сду­вается. Поэтому неравенство V_лам > V_и для плоских пламен должно быть выполнено. Непосредственно перед сдувом пламени V_лам ≈ V_и. Таким образом, скорость потока газа к фронту плоского пламени яв­ляется мерой скорости ламинарного горения.

Более высокие скорости потока газа к фронту возможны, когда фронт пламени расположен под углом 8 к потоку газа. Так, в случае бунзеновского пламени предварительно перемешанной смеси, сосре­доточенного на срезе цилиндрического канала горелки, фронт пламе­ни - приблизительно плоский (толщина пламени мала по сравнению с кривизной фронта пламени). Очевидно, что

V_лам = V_и∙ sin(Ө).

Таким образом, измерение угла наклона фронта пламени, напри­мер, по фоторегистрации пламени, и скорости потока газа к фронту пламени дают возможность определить скорость горения ламинарно­го пламени предварительно перемешанной смеси.

Турбулентные пламена предварительно перемешанной смеси. Примером пламен предварительно пере­мешанной смеси является широко известное пламя двигателя внут­реннего сгорания с искровым зажиганием (двигателя Отто), в кото­ром поток редко бывает ламинарным. В этом случае фронт пламени предварительно перемешанной смеси распространяется в турбулент­ный поток. Если интенсивность турбулентности не слишком большая, формируются искривленные фронты ламинарного пламени. При этом турбулентное пламя можно рассматривать как ансамбль микролами­нарных пламен предварительно перемешанной смеси.

Преимуществом горения предварительно перемешанной смеси яв­ляется то обстоятельство, что в этом случае можно гораздо лучше управлять процессом горения. Предварительное перемешивание, даю­щее бедные смеси, позволяет избежать высоких температур при го­рении и, следовательно, снизить выброс вредной окиси азота (NO). Кроме того, в этих условиях образуется очень мало сажи, посколь­ку она возникает в больших количествах при горении богатых смесей.

Несмотря на определенные преимущества, горение предваритель­но, перемешанных смесей широко не используется из-за потенциаль­ной опасности хранения больших объемов предварительно переме­шанных реагентов, которые могут воспламениться, что приведет к неконтролируемому взрыву.

Рисунок – 1.2. Схематическая иллюстрация ламинарного пламени с противото­ком (а) и с параллельными потоками (б) предварительно не перемешанной смеси

Ламинарные пламена предварительно не перемешанной смеси. В случае ламинарных пламен предварительно не перемешанной сме­си (в литературе употребляется также термин ламинарное диффу­зионное пламя) горючее и окислитель перемешиваются во время про­цесса горения. Поток является ламинарным. Для исследований обычно используются две важные конфи­гурации ламинарных пламен: ламинарные пламена с противотоком и ламинарные пламена с предварительно не перемешанной смесью с параллельными потоками (рис. 1.2).

Пламена с предварительно не перемешанной смесью имеют бо­лее сложную химию, чем пламена с предварительно перемешанной смесью, так как эквивалентное отношение Ф изменяется у них от нуля (воздух) до бесконечности (чистое горючее). В области, обогащенной горючим, происходит горение богатой смеси, а в области, обогащенной воздухом, происходит горение бедной смеси. Фронт пламени, кото­рый обычно характеризуется интенсивным свечением, располагается в зоне стехиометрической смеси, поскольку, как будет показано ниже, в этой зоне температура максимальна. В отличие от пламен с пред­варительно перемешанной смесью, пламена с предварительно не пе­ремешанной смесью не распространяются самопроизвольно в сторону свежей непрореагировавшей смеси, и поэтому их нельзя охарактери­зовать скоростью распространения ламинарного пламени.

Турбулентные пламена с предварительно не перемешанной сме­сью. В этом случае пламена с предварительно не перемешанной сме­сью горят в турбулентном потоке, и для турбулентности слабой интен­сивности можно использовать концепцию микроламинарных пламен. По соображениям безопасности в промышленных горел­ках и установках используются главным образом пламена предва­рительно не перемешанной смеси. Несмотря на использование очень сложных и совершенных систем перемешивания горючей смеси, пла­мена предварительно не перемешанной смеси обладают желтым све­чением из-за излучения частиц сажи, образующихся в результате хи­мических реакций в зонах с богатой смесью.

Смешанные ламинарные пламена с предварительно перемешанной и не перемешанной смесью. Пламена данного типа часто исполь­зуются для обогрева жилища и нагрева воды. Горючее и воздух пред­варительно перемешиваются, давая богатую смесь с Ф = 1,4. Затем продукты горения богатой смеси, смешиваемые с окружающим воз­духом для уменьшения сажеобразования, сгорают в пламени предва­рительно не перемешанной смеси. Миллионы устройств с такого рода пламенами используются на практике; в них сгорает около 30 % всего природного газа.

Измерения скорости

Измерение скоростей газовых потоков обычно называют анемо­метрией. Простейшим устройством для измерения скорости потока является проволочный термоанемометр. В этом методе тонкая пла­тиновая проволочка располагается так, что ее ось перпендикулярна направлению потока. Температура проволочки поддерживается выше температуры газа путем нагрева электрическим током. Теплопереда­ча от проволочки в газовый поток связана со скоростью последнего. Недостатком метода проволочной термоанемометрии является то об­стоятельство, что изменения или флуктуации температуры или соста­ва газовой смеси интерпретируются как изменения скорости потока. При более высоких температурах про волочка действует каталитиче­ски на смесь горючего с воздухом. Несмотря на эти ограничения, ме­тод проволочной термоанемометрии был основным методом измере­ния скорости потока в пламенах. Он лежит в основе целой отрасли промышленности по производству электронных регуляторов массо­вых потоков горючего, воздуха и других газов.

В методе доплеровской лазерной анемометрии (называемом так­же лазерным доплеровским измерением скорости) в поток вводятся частицы. Как и в случае любых частиц, рассеивающих свет, сохране­ние количества движения (импульса) приводит к эффекту Доплера, т.е. к слабому сдвигу частоты рассеянного света.

При смешивании рассеянного света с опорным излучением лазе­ра небольшая разница в частотах может быть легко измерена, и эта разница, пропорциональна скорости частиц, введенных в поток. При использовании пересекающихся потоков лазерного излучения в зоне

Как и другие мето­ды, применяющие пробные частицы, лазерная доплеровская анемо­метрия измеряет скорости частиц. Скорости газа и пробных частиц почти равны друг другу до тех пор, пока отношение «сопротивление частиц / инерция частиц» (С_dd² / pd³) достаточно велико. Это требова­ние диктует необходимость введения субмикронных частиц. Соглас­но теории Ми при (d/λ) > 1 интенсивность рассеянного на частицах света пропорциональна d². Как показали эксперименты, частицы диа­метром в один микрон являются вполне приемлемым компромиссом для дозвуковых потоков.

В методе пробных частиц в поток вводятся частицы с размерами порядка 1 мкм. Следы от них регистрируются фотографически при достаточно длительной экспозиции. В этом случае можно измерить и скорость потока, и даже поле скоростей. На рис. 1.3 проведено срав­нение скоростей потока, измеренных методом пробных частиц, и рассчитанных скоростей потока в пламени с противотоком с предварительно не пе­ремешанной смесью. Несмотря на значительный разброс эксперимен­тальных точек, рисунок демонстрирует, что данный метод является вполне надежным для измерения скоростей потока. Его разновидно­стью является метод измерения скорости изображения частиц, в ко­тором для освещения частиц используется тонкий, плоский луч от импульсного лазера. Благодаря повторяющимся импульсам лазерно­го излучения изображения частицы представляют собой яркие точки, смешанные в пространстве.

Очаг горения

Возникновение горения и его протекание возможно только при определенных условиях.

Организованное горение протекает в различных устройствах – от простейшего светильника до мощной промышленной топки. Во всех этих устройствах или приспособлениях есть много общего – например, в любом устройстве (печь, топка котла, двигатель) имеется очаг горения.

Под очагом горения понимается такое место в топочном устройстве или горелке, к которому одновременно подается (или притекает): топливо, окислитель и тепло определенного температурного уровня, достаточного для воспламенения возникающей горючей смеси.

В качестве примера, иллюстрирующего процесс горения, как химической реакции при одновременном сочетании в пространстве трех перечисленных выше условий, рассмотрим горение парафиновой свечи.

Вещество свечи – парафин (воск, стеарин), практически чистый углеводород, - плавится, при этом испаряется, не меняя своего молекулярного состава.

Факел свечи в спокойном воздухе имеет строгую форму в течение длительного периода, практически до тех пор, пока имеется запас топлива. Процесс прогрева и разложения твердых углеводородов показан на рис1.

1 – твердые вещества свечи,

2 – расплав вещества,

3 – зона первичного разложения парообразного вещества,

4 – зона конечного разложения с выделением светящегося твердого углерода (сажа),

5 - зона горения углерода и водорода

Рисунок 1 - Зоны разложения в пламени свечи

Твердое вещество свечи, расплавленное в некотором количестве лучистым теплом от пламени, впитывается фитилем и подается в зону первичного разложения к корню факела, где оно (т.е. расплав) под воздействием высокой температуры испаряется и поступает снизу в самый факелок (4), подпитывая его топливом.

В пламени свечи различима темная зона 3, в которой углеводородное сырье и проходит первые стадии разложения.

Рисунок 2 – Процесс изменения температуры

В верхней зоне 4, внутренней зоне факела происходит окончательное расщепление углеводородов с образованием ярко светящейся зоны, в которой происходит выделение раскаленных твердых частиц углерода. Если мы поместим в зону 4 холодную стеклянную палочку, то обнаружим на ней копоть, а на части палочки, побывавшей в зоне внешней (5) могут быть капельки воды, образовавшиеся от водяных паров при сгорании водорода. Этот водород, как и сажа углерода, являются последней стадией сложного процесса разложения первоначальных молекул органического соединения.

Тепловой процесс горения

На втором рисунке показан общий ход всего теплового процесса, наблюдаемого при горении вещества свечи.

Первоначально тепло расходуется на нагревание твердого вещества и его температура растет до достижения температуры плавления (I). Затем рост t останавливается и проходит процесс плавления вещества при постоянной температуре (расход на скрытое тепло плавления).

Затем следует следующий этап подъема t и забор тепла на нагревание жидкости (расплава) (II).

Далее следует переход жидкости в парообразное состояние и тепло тратится на скрытую теплоту парообразования.

Далее следует этап повышения температуры (III) пара, т.е. на его перегрев и разложение и это продолжается до точки 0.

При дальнейшем притоке тепла к уже газообразному веществу (перегретому пару) температура растет медленно, углеводородные молекулы разрушаются с образованием более стойких осколков молекул, которые при соприкосновении с О воздуха вступают в процесс горения, т.е. быстрого окисления при встрече с кислородом.

Т.о. твердое вещество свечи, прежде чем загореться, должно пройти длительный процесс подготовки, состоящий из нескольких стадий.

Причем эта подготовка занимает довольно много времени, и это сдерживает процесс горения вещества. Сгорает только та часть топлива, которая прошла все стадии подготовки. Собственно, процесс горения является как бы последним, заключительным актом преобразований, а зона 5 (см. рис.) является лишь огневой, внешней оболочкой и составляет малую часть факела, которую называют фронтом горения – изнутри к нему подается топливо в газообразном состоянии, снаружи поступает окислитель – О₂.

Рисунок 3 - Общий ход всего теплового процесса

В месте встречи имеет место: фронт горения, постоянная температура, т.е. быстрая химическая реакция горения идет процесс окисления с образованием продуктов сгорания – СО₂ и Н₂О.

Если не обеспечить процесс отвода продуктов сгорания, то эти продукты сгорания вместе с азотом воздуха будут вытеснять частицы топлива и О₂ из зоны горения и процесс горения прекращается. В качестве доказательства этого: использование СО₂ и пара как средств пожаротушения  СО₂ вытесняет О из зоны горения; подача воды при тушении приводит к интенсивному парообразованию, что вытесняет кислород воздуха из зоны горения.

Для уяснения процесса горения и особенно объяснения непрерывности работы факела горения, следует вспомнить понятие молекулярной диффузии, которая обеспечивает выравнивание концентраций О₂ в пространстве.

У очага горения кислород вступает в химическую реакцию с образованием продуктов сгорания, при этом содержание О₂  к нулю, следовательно, равномерность содержания О₂ нарушена и тогда за счет молекулярной диффузии происходит восстановление первоначальной концентрации кислорода. Однако этот процесс достаточно медленный. Дополнительную доставку кислорода обеспечивает также естественная тяга – над очагом горения появляются горючие газы (продукты сгорания), они с меньшим удельным весом, поднимаются вверх под напором более тяжелого холодного воздуха с кислородом. Такой процесс подвода О₂ за счет естественной тяги будет продолжаться, пока действует очаг горения.

Скорость поступления кислорода в зону горения определяет скорость процесса горения и скорость выделения тепла, т.е. количество ккал. в единицу времени.

При достаточном количестве О₂ происходит полное окисление продуктов сгорания – такой процесс называют полной сгоранием, при этом выделяется максимальное количество тепла.

При недостаточном количестве О происходит частичное окисление продуктов сгорания, выделяется меньшее количество тепла, появляются продукты неполного сгорания топлива – сажа, СО, твердый остаток.