Лекция № 2 Теория горения топлива

План

1. Общая характеристика процессов горения.

2. Горение газообразного топлива.

3. Горение жидкого топлива.

4. Горение твердого топлива.

1. Общая характеристика процессов горения.

Горением называют процессы взаимодействия топ­лива с окислителем, сопровождающиеся выделением теплоты и теплового излучения. В большинстве случаев окислителем яв­ляется кислород воздуха.

Процессы горения состоят из двух основных стадий: смешение топлива с воздухом (окислителем), горение топлива.

В процессе горения образуется пламя, в котором протекают реакции горения составляющих топлива, и выделяется теплота. В печной теплотехнике применяют факельный метод горения. Факел — это частный случай пламени, когда топливо и воздух поступают в топочное пространство или в рабочее пространство печи в виде постепенно перемешивающихся струй. При горении газообразного топлива возможна подача в топочное и рабочее пространство печи готовой газовоздушной смеси. Факельный метод является основным методом горения топлива в пламенных печах литейных цехов.

При факельном методе горения, аэродинамическую основу процессов составляют струйные течения. Характер движения струй может быть ламинарным и турбулентным; в процессах сме­шения большая роль принадлежит молекулярной и турбулентной диффузии. На практике при создании горелок и форсунок исполь­зуют различные конструктивные приемы: направляют струи под углом друг к другу, создают закручивание струй и т. д., чтобы получить факел нужной длины и формы.

Процессы горения подразделяют на гомогенные и гетерогенные. При гомогенном горении тепло - и массообмен про­текают между телами, находящимися в одинаковом агрегатном состоянии. Гомогенное горение происходит в объеме и характерно для газового топлива. При гетерогенном горении тепло - и массообмен происходят между телами, находящимися в разных агрегатных состояниях. Такое горение характерно для жидкого и твердого топлив.

Гомогенное горение может протекать в кинетической и диф­фузионной областях. При кинетическом горении полное перемешивание топлива с воздухом осуществляется пред­варительно, и в зону горения попадает заранее подготовленная топливно-воздушная смесь. При этом скорость реакции окисле­ния топлива определяет скорость горения. При диффузион­ном горении процессы перемешивания и горения не разде­лены и протекают практически одновременно. В этом случае определяющую роль играет скорость процесса перемешивания топлива с воздухом, так как время перемешивания значительно больше времени, необходимого для протекания химических реак­ций окисления. Таким образом, полное время протекания процесса при кинетическом горении практически равно времени собственно горения. При диффузионном горении полное время протекания процесса горения практически равно времени перемешивания.

При гетерогенном горении твердого топлива также различают кинетическую и диффузионную области. Кинетическая область имеет место, когда скорость диффузии в порах твердого топлива, т. е. скорость перемешивания, значительно больше скорости реакций собственного горения. Диффузионная область возникает, когда скорость диффузии значительно меньше скорос­ти реакции горения. Пла­мя возникает только после достижения необходимого контакта между молекулами топлива и окислителя. Реак­ция окисления топлива про­текает с выделением тепло­ты. Вначале реакция окис­ления идет медленно с выде­лением малого количества теплоты, которое способ­ствует повышению темпера­туры и ускорению реакции, что в свою очередь приводит к более энергичному выделению теп­лоты и также ускоряет реакцию окисления. Таким образом, проис­ходит нарастание скорости реакции до момента воспламенения, после чего реакция приобретает лавинный характер.

В практике применяют искусственное поджигание топлива, что приводит к резкому ускорению достижения момента воспла­менения. Выделение теплоты при горении сопровождается ее потерями в окружающую среду. Соотношение между количествами выделяемой теплоты и теряемой в окружающую среду имеет боль­шое значение для развития процесса воспламенения топлива. По мере окисления топлива температура возрастает. Воспламене­ние топлива наступает тогда, когда количество теплоты, выделя­ющейся при окислении топлива, равно количеству теплопотерь во внешнюю среду или больше его. Соответствующую этому моменту температуру называют температурой воспламене­ния топлива. После воспламенения начинается бурный процесс выгорания смеси топлива и кислорода. Таким образом, темпера­тура воспламенения определяется не только свойствами воспла­меняемой смеси, но и характером теплообмена с окружающей средой.

Кроме температуры, на процесс воспламенения топлива боль­шое влияние оказывает концентрация горючих составляющих в смеси. Существуют такие минимальная и максимальная кон­центрации горючих составляющих, ниже и выше которых воспла­менение произойти не может. Такие предельные концентрации называют концентрационными пределами вос­пламенения.

Негорючие составляющие газообразного топлива влияют на границы его воспламенения: повышают нижний и понижают верх­ний пределы воспламенения.