Теоретические основы теплотехники -УКР

17.ПАЛИВО І ПРОЦЕСИ ГОРІННЯ

Уданій лекції розглядаються наступні питання:

1.Хімічний склад і теплота згоряння палива. Поняття про умовне паливо.

2.Коротка характеристика природних і штучних палив.

3.Розрахунки процесів горіння палива.

4.Кінетика гомогенних реакцій горіння.

5.Самозапалювання і запалювання пальної суміші.

6.Масо- і теплообмін у полум'ї. Горіння газоподібних палив. Детонація.

Паливо – пальна речовина, що спалюється для одержання тепла.

По своєму агрегатному стані палива поділяються на тверді, рідкі і газоподібні. По походженню палива поділяються на природні і штучні. І ті, і інші можуть бути в будь-якому агрегатному стані.

17.1. Хімічний склад і теплота згоряння палива. Поняття про умовне паливо.

Властивості палива як пального матеріалу визначаються його пальною масою, що характеризують масовим змістом наступних елементів. Вона приводиться в таблицях

CГ НГ ОГ NГ SГ 100%

S летуча сірка, що входить до складу органічних і колчеданних з'єднань. Суха маса палива містить у собі також золу.

Б баласт

де Wp – волога.

Склад робочої маси можна одержати по формулі:

..............

Склад газоподібних палив звичайно задається в об'ємних частках.

Найважливішою енергетичною характеристикою палива є теплота згоряння. Іншими характеристиками є: зміст золи і вологи вихід летучих речовин, властивості нелетучого залишку (коксу).

Теплота згоряння палива – кількість теплоти, що виділяється при повному згоряння одиниці маси палива.

Розрізняють вищу і нижчу теплоту згоряння палива.

Вища теплота згоряння враховує теплоту конденсації водяних пар при охолодженні продуктів згоряння до початкової температури палива. Нижча теплота згоряння менше

O2 – “надлишковий” кисень повітря

прочие

VCO2 VSO2 0.0168(CP 0.375SopP k ) VH2O 0.111HP 0.0124WP

VГ VCO2 VSO2 0.79 BV0 0.21( B 1)V0

Для палив у довідковій і нормативній літературі приводять значення V 0,VRO2иVH2O .

Ці формули дозволяють розрахувати, теплоємність, ентальпію продуктів згоряння.

Ентальпія продуктів згоряння

Ентальпію прийнято відносити до 1кг палива, з якого вийшли продукти згоряння.

використовуються I – t діаграми.

Адибатна температура – температура, що мали би продукти згоряння при відсутності тепловтрат у навколишнє середовище в процесі згоряння.

Адіабатна температура максимальна для стехіометричної суміші ( У=1). Зі збільшенням коефіцієнта надлишку повітря на нагрівання “надлишкового” повітря затрачається зайва теплота, тому температура продуктів згоряння зменшується.

Теоретичні температури горіння.

Н2 – 2370 0С З – 2230 0С

СН4 – 2030 0С

Доменний – 1410 0С

При нагріванні повітря, подаваного в топку, чи збагаченні його киснем температура горіння збільшується.

Кінетика гомогенних реакцій горіння газу.

Гомогенної називається реакція, що протікає між компонентами, що знаходяться в одній фазі.

а, b, …, n – стехіометричні коефіцієнти; К – константа швидкості реакції.

Е – енергія активації; [E]=Дж/моль

Швидкість гомогенної реакції – кількість даного компонента, прореагувавшего в одиниці об'єму в одиницю часу.

Установлено, що імовірність реакції за схемою 2Н2 + ПРО2 = 2Н2Про мізерно мала. Теорії ланцюгових реакцій (Н. Н. Семенов) допускають існування вільних атомів водню і кисню.

АЛЕ + Н2 = Н2ПРО + Н Н + ПРО2 = АЛЕ + ПРО

ПРО + Н2 = ВІН + Н В міру нагромадження молекул води кількість вільних радикалів і атомів

зменшується і реакція сповільнюється.

У горінні З, очевидно, велике значення має наявність атомів водню. Суха З горить дуже повільно.

Самозапалювання і запалювання пальної суміші.

Самозапалювання – ініціювання горіння у всьому обсязі суміші.

Самозапалювання суміші відбувається лише в тому випадку, коли тепловиділення в реакції перевищує тепловтрати. Швидкість реакції експоненціально росте з температурою, тепловтрати внаслідок тепловіддачі залежать від температури лінійно.

Температури самозапалювання в суміші з повітрям

Звичайне горіння ініціюється за допомогою запалювання допоміжними пристроями (смолоскип, розпечений предмет, електрична іскра). Виникає фронт полум'я, що поширюється в обсязі суміші.

Тв – температура самозапалювання.

17.4. Масо- і теплообмін у полум'ї. Горіння газоподібних палив. Детонація.

Примусове запалення пальної суміші можливо лише у визначених межах по концентрації. Пальна суміш може подаватися в зону горіння в готовому виді. У цьому випадку швидкість поширення фронту полум'я визначається тільки кінетикою хімічних реакцій. Таке горіння називається кінетичним, а полум'я – нормальним.

Якщо паливо й окислювач подаються в зону горіння роздільно, то в цьому випадку має місце дифузійне горіння.

Горіння рідких палив протікає в парогазовій фазі. Інтенсивність випару палива визначається тонкістю його розпилювання. Для підвищення тонкості розпилювання необхідно знімати в'язкість палива.

Мазут перед подачею у форсунки підігрівають до 350 – 400 ДО.

Тверде паливо подається в зону горіння у виді твердих часток. У процесі прогріву випаровується волога і відбувається виділення летучих речовин. Ці летучі речовини запалюються першими. Вони прогрівають твердий залишок, що згоряє в останню чергу. Зола, що утвориться при цьому, перешкоджає горінню. Плавлення золи приводить до ошлаковуванню твердих часток і ще більш погіршує доступ кисню до палива.

Нормальне полум'я.

Нормальне полум'я – полум'я, що поширюється шляхом передачі тепла теплопровідністю з зони горіння, у свіжу суміш.

Ретельно перемішана суміш пального й окислювача згоряють звичайно у виді полум'я визначається тільки кінетикою реакцій (а не швидкістю змішання реагентів).

Процес горіння (хімічної взаємодії молекул пального й окислювача) протікає в зоні товщиною порядку 0.01 – 0.1 мм. зона догорання складає порядку 10 мм.

Чим вище температура в зоні полум'я, тим вище швидкість хімічної реакції і, відповідно швидкість поширення полум'я.

Існують концентраційні межі поширення полум'я. Водень < 4.1 % і > 75 % у суміші з повітрям неможливо запалити. Звичайно швидкості поширення полум'я лежать у межах порядку часткою м/с (0.3 – 0.5 м/с). Найбільші отримані для водню (13 м/с) і ацетилену

(15.4 м/с).

У вузьких щілинах товщиною менш ~1 мм полум'я поширюватися не може внаслідок інтенсивного охолодження (Лампа Г. Деві).

Турбулентне полум'я.

При переході від ламінарного режиму руху газу до турбулентного турбулентні пульсаціїї швидкості потоку викривляють фронт полум'я, збільшують його поверхню. Відповідно збільшується кількість суміші, що згоряє, без подовження смолоскипа.

Унаслідок турбулентного перемішування відбувається змішання свіжої суміші з продуктами згоряння у великому обсязі. Ніж інтенсивніше перемішування, тим інтенсивніше згоряння. У результаті довжина турбулентного смолоскипа мало залежить від швидкості витікання суміші.

Величина швидкості турбулентного згоряння суміші в циліндрах ДВЗ складає порядку

25 – 40 м/с.

Детонація

Детонація – підпалювання суміші палива ударною хвилею і поширення фронту полум'я з ударною хвилею.

Товщина фронту ударної хвилі порядку 0.1 мкм. Суміш згоряє значно швидше, ніж у нормальному полум'ї. Швидкість поширення фронту полум'я складає порядку 2000 м/с. У визначених умовах у детонацію здатно переходити і нормальне полум'я.

Для запобігання детонації в карбюраторних ДВЗ у паливо додають антидетонатори. Тетраетіл свинцю Рb(З2Н5)4 – найбільш розповсюджений антидетонатор. Дуже токсична речовина.

Схильність палива до детонації оцінюється октановим числом.

Дифузійне полум'я.

Дифузійне полум'я утвориться при дифузійному горінні, що здійснюється при роздільній подачі пального й окислювача. Фронт дифузійного полум'я розділяє потоки палива й окислювача. Положення фронту полум'я і швидкість згоряння в ньому (і відповідно довжина смолоскипа) визначаються інтенсивністю дифузії пального й окислювача і продуктів згоряння.

Дифузійний смолоскип довше, ніж смолоскип підготовленої суміші, але в техніку часто застосовують спалювання палива при розділеній подачі його з окислювачем причини цього:

1.Безпека з погляду можливості вибуху і пожежі.

2.Подовження зони нагрівання поверхні (у печах, казанових агрегатах і т.п.). Прикладом дифузійного полум'я може служити полум'я сірника, свічі.

Література і методичні вказівки:

Основна:

1.Теплотехника / А.И.Басков, Б.В.Берг, О.К.Витт и др.; Под ред. А.П.Баскова. – М.: Энергоатомиздат, 1991. –224 с.

2.Алабовский А.Н., Недужий И.А. Техническая термодинамика и теплопередача. – Киев:

Вища школа, 1990. –255 с.

3.Теплотехника / А.М.Архипов, С.И.Исаев, И.А.Кожинов и др.; Под ред. В.И.Крутова. – М.: Машиностроение, 1986. –432 с.

4.Теплотехника / Алабовский А.И., Константинов С.М., Недужий И.А.: Под ред. С.М.Константинова. Киев: Вища школа, 1986. –255с.

Допоміжна:

1.Техническая термодинамика В.И.Крутов, С.И.Исаев, И.А.Кожинов и др.: Под ред.

В.И.Крутова. –М.:Высш.шк., 1991. –384 с.

2.Алексеев Г.И. Общая теплотехника. –М.:Высшая школа, 1980. –552с.

3.Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. –М.:Энергия, 1977. –320с. Методические указания:

Методические указания к использованию ТСО в курсе «Теплотехника» (для студентов специальности ПТСМО) /Сост. С.А.Горожанкин. –Макеевка: МакИСИ, 1988. – 43с.