Основные характеристики процесса горения

К этим характеристикам относятся температуры воспламенения и горения, скорость распространения пламени.

Температура воспламенения

Это такая температура, до которой необходимо нагреть газовоздушную смесь, чтобы начался процесс горения. Она зависит от химического состава газа, наличия в нем балласта, коэффициента избытка воздуха и качества перемешивания его с газом. Для многих горючих газов она лежит в пределах 500 - 600^оС.

В технике применяется 2 метода воспламенения смеси: самовоспламенение и зажигание.

Самовоспламенение производится путем подогрева всего объема смеси до требуемой температуры, после чего смесь воспламеняется одновременно во всех точках объема. Данный метод применяется очень редко, в частности, в дизельных ДВС.

Наибольшее распространение в технике получил метод зажигания, при котором за счет высокотемпературного источника (искры, раскаленного тела, небольшого факела) смесь воспламеняется сначала в одной точке объема, а затем, по мере перемещения фронта пламени, воспламеняется весь объем смеси.

Температура горения

Это температура продуктов сгорания горючих газов. Различают следующие температуры горения:

1. Калориметрическая – это воображаемая температура продуктов сгорания газа, которая могла бы развиваться при полном сгорании газа, при отсутствии теплообмена в топке и потерь теплоты, с учетом физической теплоты газа и воздуха, подаваемых на горение. Она определяется по формуле:

t_k = ^оС где:

Q - кДж/м³ – низшая теплота сгорания горючего газа,

h_г, h_в - кДж/м³ – энтальпии горючего газа и воздуха, подаваемых на горение (физическая теплота).

Энтальпия определяется по формуле h = с t .

C _дг - кДж/м³ К – теплоемкость дымовых газов.

V _дг - м³/м³ – объем дымовых газов, образующихся при сгорании 1 м³ горючего газа.

2. Теоретическая температура горения

t_т= ^оС , где:

h_д- кДж/м³ - теплота диссоциации (разложения) молекул СО₂ и Н₂О.

Теоретическая температура учитывает потери теплоты от химического недожога, возникающего при очень высоких температурах дымовых газов (1800 – 2000^оС) в результате диссоциации (разложения) молекул СО₂ и Н₂О. При высоких температурах продукты полного сгорания, т.е. углекислый газ и водяные пары начинают разлагаться на составные части (С, О₂, Н₂) и образуют продукты неполного горения. Эти реакции идут с поглощением теплоты и понижают температуру горения. В дымовых газах при этом можно обнаружить продукты неполного горения: СО, С, Н₂.

3. Действительная температура горения учитывает потери теплоты в окружающую среду

t = ^оС, где:

h_п- кДж/м³ – потери теплоты в окружающую среду.

Анализ формул температуры горения

Калориметрическая температура – это воображаемая температура, которая показывает предел температуры горения для данного вида горючего газа. Как видно из формул, температура горения зависит от теплоты сгорания газа, температур воздуха и газа, подаваемых на горение, коэффициента избытка воздуха и потерь теплоты. С увеличением теплоты сгорания температура горения увеличивается. Подогрев воздуха и газа, подаваемых в топку, увеличивает температуру горения и особенно подогрев воздуха, т.к. объем воздуха в 10-20 раз превышает объем газа. Небольшой избыток воздуха повышает температуру горения. Чрезмерное увеличение  выше 1,5 способствует уменьшению температуры горения. Увеличение потерь теплоты от химического недожога и в окружающую среду снижает температура горения.

Таким образом, увеличение температуры горения до определенного значения способствует полному сжиганию газа с минимальными тепловыми потерями. Однако при очень высоких температурах наблюдается процесс диссоциации СО₂ и Н₂О, что ведет к увеличению потерь от химического недожога и уменьшению КПД установки, кроме этого при температуре дымовых газов выше 1600^оС начинается интенсивное образование окислов азота. При этом избыточный кислород соединяется с азотом воздуха. Окислы азота очень токсичны, загрязняют атмосферу и вызывают кислотные дожди.

В настоящее время разработаны методы полного сжигания горючих газов при низких температурах горения, в частности, 2-х или 3-х ступенчатое сжигание газов. Сначала в основной камере газ сжигается с небольшим недостатком воздуха (<1), а затем в следующей камере продукты неполного горения дожигаются. В результате процесс горения растягивается в пространстве и по времени, что ведет к снижению температуры горения.