829

сти ветровой энергии дают предпочтение в ее использовании для относительно мелких (мощностью до 1000кВт) ее потребителей, удаленных от централизованных систем энергоснабжения и рассосредоточенных по территориям районов. Основные проблемы в использовании ветра, как энергетического источника – это непостоянство его скорости и направления, что усложняет системы автоматического регулирования режимов работы.

2.5. Ветроэлектрическая установка

21

2.2.3 Энергия движения вод в реках и морях Энергия, которой располагает водный поток, определяется двумя вели-

чинами: количеством протекающей воды и высотой ее створа от поверхности условного отсчета. Перепад высот при использовании энергии воды может быть природным (горные реки, приливы), либо создается искусственно в виде гидротехнических сооружений.

На 2011 г. гидроэнергетика обеспечивает 19% всей мировой электроэнергии, а установленная гидротехническая мощность составляет 715 ГВт. Суммарная мощность гидроэлектростанций России составляет 38,7 ГВт (пятое место после Китая, Канады, Бразилии, США). В выработке электроэнергии доля ГЭС составляет 15%. Степень освоения экономических гидроресурсов в России составляет всего 21% (в Германии – 95%).

На рис. 2.6 показан схематичный разрез устройства одной из гидроэлектростанций. Здесь указана высота створа, она равна 6 м.

Доступный потенциал энергии приливов составляет около 200 ГВт. Так высота приливов на востоке России в районе Охотского моря достигает 13 м, у берегов Кольского полуострова в Баренцевом море она составляет 7 м. Достигнуты существенные сдвиги в использовании энергии морских приливов, в России построены и проходят испытания приливные электроагрегаты.

22

Глава 3 Основы воспламенения и горения химических топлив

3.1. Кинетика процессов горения

Кинетика горения – это учение о скорости и механизме химических реакций при сгорании топлив.

Под горением понимают быстропротекающее химическое превращение, сопровождающееся выделением значительного количества тепла

иобычно ярким свечением (пламенем).

Вобщем случае при горении происходит образование новых молекул или перераспределение химических связей между молекулами, участвующими в реакции. Такой процесс возможен, если топливо имеет состав, несущественно отличающийся от стехиометрического и реагирующие элементы находятся в непосредственном соприкосновении. Следовательно, необходимым условием осуществления окислительно-восстановительной реакции является столкновение реагирующих молекул. Согласно молекулярно-

кинетической теории газов, каждая молекула за счет хаотического теплового движения испытывает 109 столкновений в секунду. Если бы при каждом соударении молекулы реагировали между собой, то любая реакция протекала бы мгновенно. Этого мы не наблюдаем на практике.

Для того, чтобы произошла реакция, т.е. образовались новые молекулы, необходимо сначала разорвать или ослабить связи между атомами в молекулах исходных веществ. На это надо затратить определенную энергию. Если сталкивающиеся молекулы не обладают такой энергией, столкновение будет неэффективным. В качестве примера

над Еисх обозначают Е0, измеряют в Дж/кг и называют э н е р г и е й а к т и – в а ц и и.

23

Для моля энергия активации обозначается Е0 и измеряется в Дж/моль

Э н е р г и я а к т и в а ц и и , э т о избыточная энергия, которой должны обладать молекулы для того, чтобы их столкновение могло привести к началу химической реакции.

Величина энергии активации зависит от структуры молекул, температуры реагирующих компонентов. Определяют ее экспериментально. Молекулы, обладающие энергией Е1 = Еисх + Е0, называют активными молекулами или активными комплексами. Активный комплекс – это неустойчивое промежуточное состояние химических элементов (связи разорваны) с большим запасом энергии. Чем больше активных молекул в реагирующей смеси, тем более интенсивно, с большей скоростью будут протекать химические реакции.

Под скоростью химической реакции понимают количество молей вещества, прореагировавшее в единице объема в единицу времени.

Весьма сильное влияние на скорость реакции оказывает температура смеси. С ростом температуры увеличивается интенсивность взаимных соударений реагирующих молекул, что способствует росту скорости реакции. Например, для некоторых реакций увеличение температуры всего на 10 приводит к возрастанию скорости в 2…4 раза.

В связи с этим скорость химической реакции будет определяться концентрацией молекул, их температурой и энергией активации.

Согласно теории Вант - Гоффа и Аррениуса, формула скорости химической реакции имеет вид:

где W – скорость химической реакции;

к0 – характерная для исследуемой реакции константа; cB, cD – концентрации исходных продуктов реакции; – энергия активации; – универсальная газовая постоянная; Т – температура.

Выражение (3.1) показывает, что зависимость скорости химической реакции от температуры носит экспоненциональный характер.

Химическая реакция горения в большинстве случаев является сложной, т.е. состоит из большего числа элементарных химических процессов. Кроме того, химические превращения при горении связаны с рядом физических процессов (переносом тепла и масс) и характеризуются соответствующими гидро и газодинамическими закономерностями. В силу комплексной природы горения суммарная скорость горения практически никогда не тождественная скорости чисто химического взаимодействия.

Характерная черта горения – способность к пространственному распространению. Это объясняется либо диффузией активных частиц в топливной смеси, либо образованием новых активных центров вследствие подвода энергии в форме теплоты из зон химических реакций. В первом случае гово-

24

рят о диффузионном, а во втором – о тепловом механизме распространения пламени.

Для любого вида горения характерны две типичные стадии – воспламенение и последующее сгорание (догорание) топлива. Время, затраченное на обе стадии, составляет общее время горения. Обеспечение минимального суммарного времени горения при максимальном тепловыделении является основной задачей техники сжигания.

Различают гомогенное и гетерогенное горение. При гомогенном горении горючее и окислитель подаются в одинаковых агрегатных состояниях, при гетерогенном – в разных.

3.2. Воспламенение топлив

Горению предшествует процесс воспламенения топливной смеси. Процесс воспламенения может быть либо в ы н у ж д е н н ы м, либо а в т о - н о м н ы м (самовоспламенение).

При вынужденном воспламенении для начала реакций горения используется внешний источник энергии (искра электрической свечи, раскаленные продукты сгорания какого-либо топлива и т.д.). В топливной смеси, находящейся в непосредственной близости от источника зажигания, создается местное повышение температуры и накопление активных частиц. Если этого активизирующего воздействия будет достаточно для увеличения скорости реакции в смеси, то смесь в этом месте воспламеняется, и далее пламя будет распространяться от источника воспламенения по всему объему.

При автономном воспламенении необходимость в постороннем источнике энергии отпадает. Здесь реакции горения начинаются за счет химической активности при соединении компонентов даже при низких температурах. Это приводит к повышению температуры и накоплению активных частиц, и если смесь горючего и окислителя будет однородна, то воспламенение произойдет во всем объеме. В реальных случаях вследствие неидеальности перемешивания компонентов топлива смесь по объему является неоднородной: в одних областях отсутствует окислитель, в других – горючее. Есть и области, в которых состав смеси оказывается наиболее благоприятным для самовоспламенения. Здесь и появляются первые очаги горения. По мере увеличения температуры и накопления активных частиц вокруг этих очагов пламя распространяется на весь объем.

Сам процесс воспламенения в зависимости от причины увеличения скорости реакции может носить характер т е п л о в о г о или ц е п н о г о в о с п л а м е н е н и я .

Если основной причиной резкого возрастания скорости реакции является разогрев смеси, то воспламенение называется т е п л о в ы м . Если же заметного роста температуры не наблюдается, а основной причиной резкого увеличения скорости реакции является накопление активных радикалов и атомов, то воспламенение называется ц е п н ы м.

25

В случае воспламенения должно пройти некоторое время с момента впуска смеси в сосуд до резкого повышения температуры и давления. За это время происходит подготовка смеси к сгоранию: повышается температура, накапливаются активные промежуточные продукты сгорания.

температуры, давления смеси, размеров сосуда. Величина τi может составлять от 10 3 с до нескольких секунд.

Наиболее благоприятным для воспламенения является стехиометрическое соотношение горючего и окислителя. Если состав смеси далек от стехиометрического, то воспламенение затруднено. Максимальная и минимальная величины соотношений компонентов, при которых еще возможно воспламенение, называются в е р х н и м и н и ж н и м к о н ц е н т р а - ц и о н н ы м и п р е д е л а м и в о с п л а м е н е н и я .

Температурой воспламенения называется минимальная температура смеси при стехиометрическом соотношении, когда возможно тепловое или цепное воспламенение.

Таким образом, для реакции воспламенения в рассматриваемом пространстве, смесь должна представлять собой гомогенную газообразную фазу, состоящую из элементов горючего и окислителя с достаточной энергией активации и в соотношении между нижним и верхним концентрационными пределами.

3.2.1. Тепловое воспламенение

Сущность воспламенения состоит в том, что за счет источника тепла или за счет экзотермических реакций, протекающих в самой горючей смеси, смесь разогревается до некоторой температуры, и далее происходит ее воспламенение во всем объеме одновременно.

Рассмотрим воспламенение горючей смеси, находящейся в некотором сосуде, за счет экзотермической реакции. Количество тепла, выделяющегося

В случае высокой температуры стенки (например ) воспламенение устойчиво.

Явление самовоспламенения горючей смеси при критическом состоянии носит название теплового воспламенения. Теория теплового воспламенения разработана академиком Н.Н. Семеновым. В этой теории доказано, что температура самовоспламенения не является физической константой горючей смеси, а зависит от свойств смеси, характера теплообмена между горючей смесью и внешней средой, от теплопроводности материала стенок сосуда, температуры внешней среды и ряда других факторов.

27

3.2.2. Цепное воспламенение Сущность цепного воспламенения заключается в том, что при опреде-

ленных условиях в топливной смеси образуются активные центры, вызывающие цепной механизм протекания химической реакции. Теория цепного воспламенения разработана отечественными учеными.

Согласно этой теории, химический процесс протекает с несколькими промежуточными стадиями. Активная частица при каждом элементарном химическом взаимодействии порождает одну или даже две другие активные частицы, которые при следующих столкновениях порождают, в свою очередь, новые активные частицы.

Активной частицей служит не молекула, обладающая большой кинетической энергией, а частица с ненасыщенной валентностью. Такими частицами являются свободные радикалы (например, гидроксильная группа) или атомы. Продукты промежуточных стадий (активные частицы) неустойчивы, и их реакция с исходными веществами и между собой происходит легче и быстрее. Реакции, имеющие такой механизм, называются цепными. Если в результате соударения активной частицы образуется только одна новая активная частица, то цепная реакция называется неразветвленной; при образовании двух новых активных частиц цепная реакция будет разветвленной, лавинообразной.

Примером неразветвленной цепной реакции может служить процесс образования хлористого водорода. Процесс осуществляется путем последовательных чередований реакций атомарных хлора и водорода, регенерирующих друг друга:

Cl2 + H → HCl + Cl или H2 + Cl → HCl + H.

В результате этих взаимодействий образуется не только конечный продукт реакции – хлористый водород, но и новая активная частица – атом водорода или хлора. При следующем столкновении атома одного вещества с молекулой другого вещества процесс повторяется.

Реакция продолжается до гибели самого активного центра или до так называемого обрыва цепи. Обрыв цепи может произойти в результате рекомбинации атомов, соединения их с инертными примесями и по другим причинам.

Скорость неразветвленной реакции сначала резко возрастает до некоторой максимально возможной величины при данной температуре, а затем уменьшается, приближаясь к нулю. Первоначальный рост скорости связан с увеличением концентрации активных центров, последующее ее уменьшение обусловлено обрывом цепи.

Ярким примером разветвленной цепной реакции служит горение водородо – кислородного топлива. Схема развития разветвленной цепи реакций для таких компонентов имеет вид:

28

Поверхность, отделяющая горящую зону от свежей топливной смеси, называется ф р о н т о м пламени.

Позади фронта пламени будут находиться продукты сгорания, а впереди – свежая топливная смесь.

Пламя при благоприятных условиях распространяется с некоторой скоростью во все стороны. Распространение пламени происходит вследствие того, что из зоны реакции теплота передается в сторону холодной смеси, температура ее повышается, и она воспламеняется, затем происходит подогрев и воспламенение следующих слоев свежей смеси и т.д.

Скорость, с которой распространяется пламя, зависит не только от характера химических реакций (т.е. от скорости химических реакций), но и от физических процессов – процессов теплопередачи и диффузии.

Д и ф ф у з и я при горении представляет собой процесс выравнивания концентраций компонентов в смеси.

Если время образования топливной смеси меньше времени протекания собственно химических реакций, то процесс горения в целом будет лимитироваться скоростью (кинетикой) реакций. Горение в этом случае называется к и н е т и ч е с к и м.

Если же скорость горения определяется скоростью процессов тепло – и массопереноса (временем образования смеси способной гореть), то такое го-

з о н н ы й характер, так как оно будет протекать в узкой области, распространяющейся по топливу. Если же топливо самовоспламеняющееся, то его горение будет наблюдаться во всем рассматриваемом объеме. Такое горение называют о б ъ е м н ы м.

Скорость распространения фронта пламени относительно неподвижной топливной смеси или относительно потока смеси по нормали к поверхности фронта пламени называется н о р м а л ь н о й скоростью распространения пламени, которая обозначается uн.

Величина uн зависит от химической природы, состава и состояния топливной смеси.

Существует несколько методов экспериментального определения нормальной скорости горения. Достаточно простым и точным является метод стационарного пламени, разработанный русским ученым В.А. Михельсоном,

30