Общие положения теории горения

Горением называется процесс взаимодействия топлива с окислителем, сопровождающийся выделением тепла, а иногда и света. Роль окислителя в большинстве случаев выполняет кислород воздуха. Всякое горение предполагает, прежде всего, тесный контакт между молекулами топлива и окислителя. Чтобы происходило горение, необходимо обеспечить этот кон­такт, т. е. необходимо смешать топливо с воздухом. Следова­тельно, процесс горения складывается из двух стадий: смешение топлива с воздухом и воспламенение, и горение топлива.

Процесс воспламенения характеризует собой предваритель­ный период, когда в результате медленного окисления в систе­ме происходит накопление тепла с соответствующим постепен­ным повышением температуры. При достижении определенной температуры, называемой температурой воспламенения, реак­ции окисления резко ускоряются и процесс переходит непосред­ственно в горение.

Температура воспламенения зависит от природы топлива и характером теплообмена с окружающей средой.

Температуру воспламенения можно определить по уравнению:

К,

где – энергия активации, ; R – газовая постоянная, ; – температура среды, окружающей сосуд, в котором происходит горение, К.

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

Чтобы установить пределы воспламенения промышленных газов, являющихся смесью различных горючих компонентов используют правило Ле-Шателье:

,

где Z – искомый нижний или верхний предел воспламенения; , , – процентное содержание отдельных горючих компонентов в топливе; , , – соответствующие пределы воспламенения для горючих компонентов топлива.

В процессе горения образуется пламя, в котором протекают реакция горения составляющих топлива и выделяется тепло. В технике при сжигании газообразного, жидкого и твердого пы­левидного топлив применяют факельный метод сжигания. Фа­кел – это частный случай пламени, когда топливо и воздух поступают в рабочее пространство печи в виде струй, которые постепенно перемешиваются друг с другом. Поэтому форма и длина факела обычно определенные.

На практике при создании устройств для сжигания топлива (горелок, форсунок) применяют различные конструктивные приемы (направляют струи под углом друг к другу, создают закручивание струй и др.) с тем, чтобы организовать смешение так, как это необходимо для конкретного случая сжигания топлива.

Различают гомогенное и гетерогенное горения.

При гомоген­ном горении тепло- и массообмен происходят между телами, находящимися в одинаковом агрегатном состоянии. Гомогенное горение протекает в объеме топлива и свойственно газообразно­му топливу.

При гетерогенном горении тепло- и массообмен происходят между телами, находящимися в разных агрегатных состояниях (в состоянии обмена находятся газ и поверхность 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. В этом случае основную роль играют химические процессы, связанные с протеканием реакций окисления топлива.

При диффузионном гомогенном горении процессы смешения и горения не разделе­ны и совершаются практически одновременно. В этом случае процесс горения определяется перемешиванием, так как время смешения больше времени, необходимого для протекания хими­ческой реакции.

При горении газа и углерода полученные на основе химиче­ских реакций количества кислорода и воздуха представляют со­бой те наименьшие количества, которые необходимы для полного окисления единицы горючего вещества. Такое наименьшее необходимое количество воздуха (кислорода) называют теоре­тическим. На практике, однако, для полного сжигания требует­ся подавать количество воздуха, несколько превышающее тео­ретическое. Величину n отношения действительного расхода воз­духа к теоретическому называют коэффициен­том расхода воздуха. Работать при коэффициенте расхода воздуха, большем единицы, приходится для достижения полного сгорания топлива.

Изменение коэффициента расхода (избытка) воздуха влечет за собой изменение количества воздуха, подаваемого для го­рения.

Всякое топливо представляет собой смесь горючих и него­рючих элементов, поэтому общий расход воздуха (кислорода) определяют суммированием расходов дутья, потребных для сжигания каждого из горючих элементов топлива.

При горении топлива развивается определенная температу­ра горения. Под температурой горения понимают ту температу­ру, которую приобретают продукты сгорания в результате со­общения им тепла, выделенного при сжигании. Различают тео­ретическую и калориметрическую температуры горения.

Теоретиче­скую температуру горения определяют с учетом процессов диссоциации, протекающих при образовании продуктов сго­рания:

К,

где – тепло, израсходованное на процессы диссоциации, или ; – объем продуктов сгорания, образующихся при сгора­нии единицы топлива, или ; c – объемная теплоемкость продуктов сгорания, .

Калориметрическую температуру определяют из условия полного сгорания топлива и использования всего выделившего­ся при горении тепла только на повышение температуры продук­тов сгорания при адиабатных условиях (отсутствие теплообме­на с внешней средой) и . Следовательно,

К.

При подогретом воздухе (или топливе) калориметрическую температуру определяют по выражению:

К,

где – физическое тепло подогретых воздуха и топлива, , .

Калориметрическая температура горения служит одной из характеристик топлива.