4.2.2. Объем продуктов сгорания. Уравнения полного и неполного сгорания

При полном сжигании топлива (α = 1, СО = 0) образуются продукты сго-рания, состоящие из диоксида углерода , диоксида серы , водяных паров , а также кислорода , вносимых соответствующим избыточным количеством воздуха

, м³/кг, (4.13)

где - количество сухих газов; - количество кислорода в продуктах сгорания; - коли-чество азота в продуктах сгорания, не участвующего в горении; - количество водяных паров в продуктах сгорания; кг/м³ и кг/м³ – соответственно плотность азота и водяных паров при нормальных условиях; d – влажность воздуха, г/кг.

После подстановок и преобразований (при α = 1) минимальный объем сухих газов определится по формуле

. (4.14)

Тогда, с учетом объема избыточного воздуха (при α > 1), действительный объем сухих газов составит

. (4.15)

Основным показателем совершенства процесса горения является полное сжигание топлива при наименьшем расходе воздуха. При этом в продуктах сгорания, кроме , , , будет находиться избыточный кислород . Расход кислорода, пошедшего на сжигание 1 кг топлива, определяется по формуле

(4.16)

Обозначим , , , под-ставим их в уравнение (4.1) и после преобразований получаем:

_. (4.17)

Обозначив и используя известные соотношения , а также , получаем уравнение полного горения топлива:

, (4.18)

где - коэффициент характеристики топлива. Таким образом, каждому значению концентрации кислорода О₂ в продуктах сгорания соответствует определенное значение концентрации сухих газов RO₂ в этих продуктах. Тогда уравнение полного горения запишется в виде

. (4.19)

Если процесс горения топлива происходит при α = 1, то содержание кис-лорода в дымовых газах равно нулю. Тогда величина RO₂ будет максимальной и зависит от состава топлива, т.е. . Если в топливе отсутствует водо-род ( ), а присутствуют углерод С^р и сера , то β = 0 и соответственно в продуктах сгорания RO₂ = 21.

Значения β и для некоторых топлив приводится в справочной литературе [5].

В случае несовершенного процесса горения топлива образуются продукты неполного горения СО, Н₂, СН₄, С₂Н₄ и др., из них наиболее вероятным продуктом является оксид углерода СО. Более подробно этот вопрос рассмотрен в работе [1].

4.2.3. Физико-химические процессы воспламенения и горения топлива

Горение топлива представляет собой процесс окисления кислородом воздуха углеводородов, находящихся в газовой или паровой фазе, который сопрово-ждается тепловыделением и свечением продуктов сгорания.

Теория горения топлива - это наука о тепловых эффектах, механизме и скоро-сти процессов горения. Она базируется на методах термодинамики, химической кинетики, газодинамики, теории тепломассообмена и др. Процесс горения топлива представляет собой сложный физико-химический процесс, в котором химическая реакция протекает одновременно с рядом физических процессов: перемешивание топлива с кислородом, образование горючей смеси, разогрев этой смеси за счет теплоты, выделяющейся при окислении, отвод продуктов сгорания из зоны реакции.

В зависимости от агрегатного состояния топлива различают горение газо-образных горючих, образующих систему «газовое топливо + газ-окислитель» - это так называемое гомогенное горение, и горение жидких или твердых горючих, образующих систему «жидкое или твердое топливо + газ-окислитель» - это гетерогенное горение.

При гомогенном горений топливо и окислитель находятся в газообразном состоянии, заранее перемешаны, и процесс сгорания протекает одновременно во всем объеме, заполненном горючей смесью. При гетерогенном горении жидкое или твердое топливо и окислитель подаются в зону воспламенения и горения раздельно, а процесс горения протекает на границе раздела фаз (пары или летучие и газ-окислитель), например, на поверхности капли мазута, дизельного топлива, частички угля и т.д. Таким образом, гетерогенное горение содержит элементы гомогенного горения. Значит, закономерности гомогенного горения свойственны в той или иной степени горению всех видов топлива.

Поэтому основы теории горения излагаются на примере горение гомогенной химически однородной газовой смеси.

Кинетика химических реакций горения рассматривает вопросы, связанные с материальной и энергетической стороной реакций горения. Определяются коли-чества веществ, необходимые для протекания процесса сгорания, их соотно-шения, состав продуктов реакции и ее тепловой эффект.

Такая химическая реакция соединения двух компонентов А и В с образо-ванием продуктов реакции М и N, с учетом теплового эффекта реакции Q, можно описывается следующим уравнением:

, (4.20)

где α, β, µ, η – количество молей компонентов А, B, М, N, участвующих в реакции. Знак ↔ обозначает прямую и обратную реакции. Знак «плюс» перед Q указывает, что реакция протекает с выделением теплоты (экзотермическая реак-ция), а знак «минус» означает, что в ходе реакции теплота поглощается (эндо-термическая реакция).

При изучении реакций горения используются следующие основные пара-метры, законы физической химии и химической кинетики.

В теории горения принимается, что все компоненты газовой смеси являются идеальными газами. Поэтому можно использовать: уравнение состояния i-го газа, устанавливающее связь между парциальным давлением р_i, молярной массой М_i и температурой Т. Скорость химической реакции зависит от концентрации реаги-рующих веществ. С ростом концентрации увеличивается число столкновений молекул реагирующих веществ. Тогда скорости прямой W₁ и обратной W₂ реак-ций, при Т = const, пропорциональны произведениям концентраций реагентов:

; , (4.21)

где К₁. К₂ – константы скоростей реакции, зависящие от температуры и химических свойств реагирующих веществ.

Выражение (4.28) – это кинетический закон действующих масс.

Скорость реакции растет с увеличением температуры, так как при этом молекулам передается некоторое количество энергии и внутримолекулярные связи становятся менее прочными, т.е. более доступными для химической реакции с другой молекулой. Для химической реакции необходима энергия активации, превосходящая среднюю энергию столкновения молекул на величину Q_о. Энергетическая схема химической реакции представлена на рис. 4.3. Согласно схеме, для того, чтобы атом молекулы исходного вещества смог перейти к молекуле продукта реакции, необходимо ему сообщить избыточную энергию Е. В результате атом преодолеет энергетический барьер, произойдет столкновение молекул и они вступают в химическую реакцию.

Энергия активации является основным фактором, определяющим скорость реакции: чем меньше энергия активации, тем быстрее протекает реакция. Эта зависимость скорости реакции от константы скорости описывается уравнением Аррениуса

, (4.22)

где К – константа скорости реакции, - коэффициент, учитывающий число столкновений реагирующих молекул; R – универсальная газовая посто-янная (8314 Дж/кмоль·К); Т – температура реакции, К; Е – энергия активации, кДж/кмоль.

Рис. 4.3. Энергетическая схема химической реакции: Е – энергия активации; Q – тепловой эффект реакции

Более подробно зависимости скорости реакции от давления, от состава смеси, от времени и других факторов рассмотрены в работах [1, 5].

В основе современных представлений о процессе окисления углеводородов (процессы воспламенения) и горения топлива лежит теория цепной реакции, разработанная академиком Н.Н. Семеновым. Согласно этой теории, окисление идет через промежуточные реакции с образованием на начальном этапе атомов водорода и кислорода, свободных радикалов ОН, СН, СН₂ и других «осколков» реакции. Наиболее химически активные из них вступают в химические взаимодействия между собой и исходными реагентами, образуя активные центры реакций. В результате появляются конечные продукты и регенерируются новые активные частицы, способны в дальнейшем взаимодействовать с реагирующими веществами. Этот начальный процесс называется зарождением цепи и идет с поглощением энергии (эндотермическая реакция).

В зависимости от условий в зоне реакции может развиваться неразвет-вленная или разветвленная цепная реакция. В первом случае вместо одного активного центра образуется один новый и реакция идет до тех пор пока не израсходуются исходные реагенты или цепь не оборвется из-за уменьшения числа содержаний активных частиц между собой и со стенками камеры.

Во втором случае в результате реагирования одной молекулы активного центра образуются два или больше новых активных центров, как следствие реакция окисления саморазгоняется. Процесс ускоряется, так как увеличивается число соударений и число центров реакций. Достигнув максимальной величины, скорость реакции начнет уменьшаться, вследствие обрыва ответвлений цепи около стенок камеры сгорания и уменьшения числа реагирующих частиц. Из-за расходования смеси.

После того как в реакцию вступит достаточно большое число молекул, отвод теплоты от заряда в стенки и на испарение топлива будет компенсироваться выделяющейся теплотой окисления (момент теплового равновесия) и в камере сгорания установится критическая температура или температура воспламенения смеси, по достижении которой начинается быстрое повышение температуры и давления. Количество теплоты увеличивается, что приводит к саморазогреванию смеси и самоускорению реакции. А в конечном итоге к самовоспламенению и горению смеси.

Возникновение и распространение пламени. Для того, чтобы началось горение, необходимо создать определенные начальные условия – воспламенить смесь. Горючую смесь можно воспламенить двумя способами. Первый способ – самовоспламенение, при котором какой-либо объем горючей смесью постепенно нагревать до такой температуры, при которой она самостоятельно воспла-меняется. При втором способе горючая смесь зажигается в какой-либо одной точке объема от постороннего высокотемпературного источника (например, искры, постороннего пламени, раскаленного тела и др.)

При самовоспламенении по мере разогрева смеси активизируются экзотер-мические реакции, повышается тепловыделение. При достижении температуры самовоспламенения скорость реакции изменяется скачкообразно до большой конечной величины, что сопровождается появлением пламени. Температура само-воспламенения является важнейшим начальным условием процесса самовос-пламенения. Процесс теплообмена, происходящий в смеси при ее разогреве и ее взаимодействии с окружающей средой, описываются следующими уравнениями.

Уравнение тепловыделения (теплоподвода) в результате химической реакции

, (4.23)

где Q – количество теплоты, выделившейся при сгорании каждого моля смеси, кДж/кмоль; - скорость химической реакции, кмоль/(с·м³); V – объем горючей смеси, м³.

Уравнение теплоотдачи от реагирующей смеси через стенки сосуда в окружающую среду (формула Ньютона-Рихмана)

, (4.24)

где α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·К); F – общая поверхность стенок, м²; Т – температура смеси, К; Тw – температура стенки, К.

Решая совместно эти уравнения (аналитически или графически), можно определить температуру самовоспламенения, которая для условия самовос-пламенения q_п=q_о рассчитывается из соотношения

. (4.25)

Температура самовоспламенения зависит от многих факторов, поэтому существуют верхний и нижний пределы воспламенения, например, у водорода – 510…590 ^оС, у оксида углерода – 610-658 ^оС, у метана – 545…850 ^оС и т.д.

Зажигание. При зажигании холодная горючая смесь разогревается в течение небольшого периода и воспламеняется запальником, например, электрической искрой, дежурным факелом или раскаленным телом (прут, шар, керамическая плитка и др.). Механизм возникновения горения способом зажигания ничем не отличается от самовоспламенения, только переход от химической реакции к бурному реагированию ограничен небольшим объемом горючей смеси. При этом способе воспламенения смеси важное значение приобретает тепловая мощность и материал, из которого изготовлен запальник. При зажигании неподвижной смеси характерный размер запальника определится по формуле

, (4.26)

где λ – коэффициент теплопроводности смеси, Вт/(м·К).

Анализ уравнения (4.33) показывает, что при заданной температуре запаль-ника Т_w его размер должен быть тем больше, чем меньше теплота сгорания топлива и чем ниже начальная температура горючей смеси.

Распространение пламени. Сгорание горючей смеси происходит во фронте пламени. Перед фронтом пламени располагается свежая горючая смесь с темпе-ратурой Т_о и плотностью ρ_о . За фронтом расположены продукты сгорания с температурой Т_к , большей , чем Т_о , и плотностью ρ_сг , меньшей, чем ρ_о. По толщине зона подогрева δ_п, расположенная со стороны свежей смеси, занимает около 90 % общей толщины фронта пламени. Зона химической реакции имеет толщину δ_х. В зоне подогрева смесь нагревается от температуры Т_о до температуры воспламенения Т_в, в зоне химической реакции температура изменяется от Т_в до конечной температуры горения Т_к.

Схема фронта пламени в смеси, движущейся со скоростью W = u_н навстречу фронту, представлена на рис. 4.4.

Распространение пламени представляет собой процесс воспламенения новых слоев свежей смеси. Различают три механизма распространения пламени: норма-льное, турбулентное и детонационное.

Рис. 4.4. Структура фронта пламени при ламинарном горении

В настоящее время наибольшее признание получила тепловая теория распро-странения пламени, которая использует три основных уравнения: теплопровод-ности, диффузии и химического реагирования.

Нормальное распространение пламени наблюдается при горении непод-вижной горючей смеси или ламинарного потока этой смеси. При этом скорость нормального распространения пламени определится из совместного решения уравнений:

количество теплоты q₁, затраченное на нагревание свежей смеси от Т_о до Т_в :

, (4.27)

количество теплоты q₂, полученное от зоны химической реакции за счет теп-лопроводности:

, (4.28)

где с_р, ρ_о, λ – соответственно теплоемкость, плотность, коэффициент теплопроводности свежей смеси, l – длина рассматриваемого участка.

После совместного решения и подстановки основных параметров смеси скорость нормального распространения пламени определится по формуле

, (4.36)

где n – порядок химической реакции, К – константа скорости реакции, Е – энергия активации, - коэффициент температуропроводности, τ_х - время течения реакции.

Турбулентное распространение пламени наблюдается в турбулентных пото-ках, в которых перенос теплоты происходит за счет теплопроводности (молеку-лярный перенос) и турбулентных пульсаций (молярный перенос). Чем интен-сивней турбулентные пульсации, тем сильнее влияние турбулентного механизма распространение пламени, т.е. законов гидромеханики и газодинамики, и меньше влияние физико-химических свойств горючей смеси. Более подробно механизм турбулентного распространения пламени рассмотрен в работе [5].

Детонационное распространение пламени не зависит от состава смеси и скорость распространения пламени равна скорости ударной волны. При этом скорость фронта пламени равна скорости ударной волны - 1000…2300 м/с, имеет место значительный перепад давления во фронте. Отражаясь от стенок камеры сгорания, ударная волна образует новые волны и новые очаги воспламенения, что приводит к образованию оксида углерода, атомарных углерода, водорода, кислорода и поглощению большого количества теплоты. Более подробно эти вопросы рассмотрены в работе [5].

Вопросы для самопроверки по теме 4.2

1. Как рассчитывается теоретическое количество воздуха, необходимое для сжигания одного килограмма топлива?

2. Что такое полное и неполное сгорание топлива?

3. Что такое гомогенное и гетерогенное горение?

4. В чем состоит сущность теории цепной реакции?

5. Опишите основные стадии воспламенения и распространения пламени.

6. Что такое турбулентное и детонационное распространение пламени?