2.2 Воспламеняемость и взрываемость горючих газов

Для начала горения газовоздушной смеси ее необходимо воспламенить. Воспламенение смеси может быть осуществлено двумя способами:

• Первый способ: вся смесь доводится до такой температуры, при которой она сама воспламеняется. Такой процесс называется самовоспламенением. Если газовоздушную смесь постепенно нагревать, то при температуре воспламенения произойдет воспламенение всего объема газа (взрыв).

• Второй способ: характеризуется тем, что холодную газовоздушную смесь поджигают в одном месте (искрой, раскаленным телом) и возникшее пламя распространяется по всему объему, вовлекая в процесс горения все новые массы газовоздушной смеси, такой процесс называется вынужденным зажиганием.

В технике применяются оба способа, но в газогорелочных и топочных устройствах зажигание осуществляется вынужденным зажиганием. Горение и взрыв газов могут происходить только при определенных концентрационных соотношениях газа и воздуха. Очень бедная и очень богатая смеси не горят.

Нижний предел воспламенения – минимальная концентрация газа в смеси с воздухом, при которой пламя способно распространяться на весь объем смеси.

Верхний предел воспламенения – максимальная концентрация горючего газа в смеси с воздухом, при которой она еще может воспламениться и пламя распространяется на весь объем смеси. Если газовоздушную смесь предварительно подогревают, указанные пределы расширяются.

2.3 Распространение пламени

При вынужденном зажигании возникшее пламя распространяется по всему объему, с определенной скоростью, вовлекая в процесс горения все новые массы газовоздушной смеси.

Пламя - зона, в которой протекает реакция горения. Эта зона отделяет газовоздушную смесь от продуктов сгорания.

Существует два случая распространения пламени:

• Нормальное (медленное) горение. Фронт пламени распространяется по газовоздушной смеси со скоростью (W=2,67 м/с), перпендикулярной фронту пламени. Средняя скорость поступательного движения пламени постепенно возрастает. При очень сильных бросках пламя или гаснет, или возникает детонационное горение.

• Детонационное горение или взрыв. Детонация обусловлена поджиганием газовоздушной смеси при ее адиабатическом сжатии в ударной волне. Фронт пламени движется сначала равномерно, но через некоторое время начинается пульсация, амплитуда возрастает, газовоздушная смесь (ГВС) сжимается адиабатно и при критической (максимальной) амплитуде происходит поджигание и взрыв. Скорость распространения пламени 3 км/с. В результате взрыва выделяется большое количество энергии.

3 Теоретический объем воздуха и дымовых газов

Если известен состав рабочей массы топлива, можно теоретически определить количество воздуха, необходимого для горения топлива, и количество образующихся дымовых газов. Количество воздуха, необходимое для горения, вычисляют в кубических метрах при нормальных условиях (0 ºС и 101 325 Па) (обозначают нм³) для 1 кг твердого или для 1 м³ газообразного.

Теоретический объем сухого воздуха:

Для полного сгорания 1 кг жидкого и твердого топлива теоретически необходимый объем воздуха, нм³/кг, находят делением массы израсходованного кислорода на его плотность при нормальных условиях =1,429 кг/м³ и на 0,21, так как в воздухе содержится 21% кислорода

(10)

Или . (11)

Для полного сгорания 1 м³ сухого газообразного топлива необходимый объем воздуха, нм³/м³, составляет

(12)

В приведенных формулах содержание элементов топлива выражается в процентах по массе, а состав горючих газов СО, Н₂, СН₄ и др. – в процентах по объему; С_mH_n – углеводороды, входящие в состав газа, например метан СН₄ (m = 1, n = 4), этан С₂Н₆ (m = 2, n = 6) и т.д. Эти цифровые значения составляют коэффициент .

Теоретический объем дымовых газов

При полном сгорании топлива дымовые газы, уходящие из топки, содержат: двуокись углерода СО₂, пары Н₂О (образующиеся при сгорании водорода топлива), сернистый ангидрид SO₂, азот N₂ – нейтральный газ, поступивший в топку с кислородом воздуха, азот из состава топлива, а также избыточный кислород воздуха О_2.

При неполном сгорании к указанным элементам добавляются еще окись углерода СО, водород Н₂ и метан СН₄. Для удобства подсчетов продукты сгорания разделяют на сухие газы и водяные пары.

Объем сухих газов принимают за 100%. При полном сгорании топлива состав сухих продуктов сгорания (в процентах по объему) следующий:

. (13)

Газообразные продукты сгорания состоят из трехатомных газов СО₂, SO₂, сумму которых принято обозначать символом RO₂, и двухатомных газов О₂ и N₂.

Тогда равенство будет иметь вид:

При полном сгорании , (14)

При неполном сгорании . (15)

Объем сухих трехатомных газов определяется по формуле

. (16)

Теоретический объем азота, м³/кг, находящегося в воздухе и топливе

. (17)

Теоретический объем водяных паров твердого или жидкого топлива состоит из:

• Объема водяных паров, м³/кг, полученных в результате сжигания водорода и испарения влаги из топлива ;

• Объема водяных паров, поступающих с воздухом ;

• Объема форсуночного пара, м³/кг, при сжигании мазута и его распылении с помощью паровых форсунок , где - расход форсуночного пара для распыливания 1 кг мазута ( = 0,3 – 0,4 кг).

Полный теоретический объем водяных паров, м³/кг

, (18)

При избытке воздуха полный объем водяных паров, м³/кг, будет равен

,

Тогда полный объем дымовых газов, м³/кг, . (19)

При сжигании газообразного топлива теоретический объем азота, м³/м³,

, (20)

Объем сухих трехатомных газов, м³/м³

. (21)

Теоретический объем водяных паров, м³/м³

. (22)

Где d = 10 г/м³ – влагосодержание газообразного топлива, отнесенное к 1 м³ сухого газа.