Физические представления о горении топлива

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 6Следующая ⇒

Горение топлива - это быстро протекающий физико-химический процесс взаимодействия горючей его части с окислителем, сопровождающийся выделением теплоты и света.

В результате полного горения получаются газообразные негорючие продукты окисления (С0₂, Н₂О и др.) и твердый негорючий остаток (зола или шлак). При неполном горении газообразные продукты и твердый остаток содержат некоторое количество горючих веществ (СО, Н₂, С и др.), и при этом выделяется меньше теплоты, чем при полном горении. Процессы горения можно разделить на две группы:

1) горение газообразных горючих - гомогенное горение (характеризуется системой «газ + газ»);

2) горение твердых и жидких горючих - гетерогенное горение (характеризуется системой «твердое +газ» или «жидкость+газ»).

Горение — это прежде всего химический процесс, так как в

результате его протекания происходят качественные изменения состава реагирующих масс.

В общем случае время горения топлива складывается из времени протекания физических t_физ и химических t_хим процессов, т. е.

t_ГОР = t_физ + t_хим

Горение газообразного топлива. Процесс горения газообразного топлива гомогенный, т. е. и топливо, и окислитель находятся в одном агрегатном состоянии и граница раздела фаз отсутствует.

Для того чтобы началось горение, газ должен соприкасаться с окислителем. При наличии окислителя для начала горения необходимо создать оп­ределенные условия. Окисление горючих составляющих возможно и при относительно низких температурах. В этих условиях скорости химических реакций имеют незначительную величину. С повышением температуры скорость реакций возрастает. При достижении некоторой температуры газовоздушная смесь воспламеняется, скорости реакций резко возрастают и количество теплоты становится достаточным для самопроизвольного поддержания горения.

Минимальная температура, при которой происходит воспламенение смеси, называется темпе­ратурой воспламенения. Значение этой температуры для различных газов неодинаково и зависит от теплофизических свойств горючих газов, содержания горючего в смеси, условий зажигания, условий отвода теплоты в каждом конкретном устройстве и т. д. На­пример, температура воспламенения водорода находится в пределах 820—870 К, а окиси углерода и метана — соответственно 870—930 и 1020—1070 К.

Горючий газ в смеси с окислителем сгорает в факеле. Факел — не­который определенный объем движущихся газов, в котором протека­ют процессы горения. В соответствии с общими положениями теории горения различают два принципиально различных метода сжигания газа в факеле — кинетический и диффузионный.

Для кинетического сжигания характерно предварительное (до начала горения) смеши­вание газа с окислителем. Газ и окислитель подаются сначала в смещнвающее устройство горелки. Горение смеси осуществляется вне пре­делов смесителя. В этом случае скорость процесса будет лимитиро­ваться скоростью химических реакций горения.

Диффузионное горение происходит в процессе смешивания горючего таза с воздухом. Газ поступает в рабочий объем отдельно от воздуха. Скорость процесса в данном случае будет ограничена скоростью сме­шивания газа с воздухом.

Разновидностью диффузионного горения является смешанное(диффузионно-кинетическое) горение. Газ предварительно смешива­ется с некоторым (недостаточным для полного горения) количеством воздуха. Этот воздух называется первичным. Образовавшаяся смесь подается в рабочий объем. Туда же отдельно от нее поступает осталь­ная часть воздуха (вторичный воздух).

В топках котельных агрегатов чаще используются кинетический и смешанный принципы сжигания топлива. Диффузионный способ чаще всего используется в технологических промышленных печах.

Горение твердого топлива. Процесс горения твердого топлива сос­тоит из ряда последовательных стадий (иногда накладывающихся час­тично одна на другую):

1) подсушка топлива и нагревание до темпе­ратуры начала выхода летучих веществ;

2) воспламенение летучих веществ и их выгорание;

3) нагревание кокса до воспламенения;

4) выгорание горючих веществ из кокса.

Скорость горения частицы зависит от интенсивности химической реакции горючего с окислителем и от скорости подвода (диффузии) окислителя к топливу. Результирующая скорость горения будет оп­ределяться скоростью наиболее медленного процесса. При этом раз­личают три области горения: кинетическую, промежуточную, диффу­зионную.

В кинетической области скорость горения зависит только от температуры процесса, т. е. определяется скоростью химической реакции. С ростом температуры скорость реакции возрастает. Скорость реакции будет увеличиваться до тех пор, пока она не станет равной скорости подвода окислителя.

В промежуточной области скорость химической реакции и скорость диффузии имеют соизмеримые значения. Подведенный к топливу окислитель целиком расходуется на горение.

В диффузионной области скорость диффузии становится лимитирующей, так как скорость химической реакции при достаточ­ном количестве окислителя достигает несоизмеримо более высоких значений.

Горение жидкого топлива. Ос­новным жидким топливом, ис­пользуемым в теплоэнергетике и промышленной теплотехнике, яв­ляется мазут. В настоящее время в установках небольшой мощности используется также печное топ­ливо, представляющее собой смесь технического керосина со смолами.

Наибольшее практическое применение имеет метод сжигания жид­кого топлива в распыленном состоянии. Распыление топлива позво­ляет значительно ускорить его сгорание и получить высокие тепловые напряжения объемов топочных камер вследствие увеличения площади поверхности контакта топлива с окислителем.

Температура кипения жидких топлив всегда ниже температуры их самовоспламенения, т. е. той минимальной температуры среды, начи­ная с которой топливо воспламеняется и в дальнейшем горит без по­стороннего теплового источника. Эта температура выше, чем темпера­тура воспламенения, при которой топливо горит только в присутствии постороннего источника зажигания (искры, раскаленной спирали и т. п.). Вследствие этого при наличии окислителя горение жидких топ­лив возможно только в парообразном состоянии. Это обстоятельство является важнейшим для понимания механизма процесса горения жидкого топлива.

 Процесс этот можно разделить на следующие ста­дии:

1) нагревание и испарение топлива;

2) образование горючей смеси (перемешивание паров топлива с окислителем);

3) воспламе­нение горючей смеси;

4) собственно горение смеси.

Капля жидкого топлива, попавшая в нагретый объем, температура которого выше температуры самовоспламенения, начинает частично испаряться. Пары топлива смешиваются с воздухом, и образуется паровоздушная смесь. Воспламенение происходит в тот момент, когда концентрация паров в смеси достигнет величины, превышающей ее значение на нижнем концентрационном пределе воспламенения. Горе­ние затем поддерживается самопроизвольно за счет теплоты, получае­мой каплей от сжигания горючей смеси. Начиная с момента воспла­менения скорость процесса испарения возрастает, так как температу­ра горения горючей паровоздушной смеси значительно превышает на­чальную температуру объема, куда вводится распыленное топливо,

Таким образом, горение жидкого топлива характеризуется двумя взаимосвязанными процессами: испарением топлива вследствие вы­деления теплоты от горящей паровоздушной смеси и собственно горе­нием этой смеси около поверхности капли.

Гомогенное горение паровоздушной смеси - это химический процесс, а процесс испарения является по своей природе физическим. Результирующая скорость и время горения жидкого топлива будут определяться интенсивностью протекания физического или химического процесса.

Испарение капли — наиболее длительная стадия горения жидкого топлива. Поэтому для успешного и экономичного сжигания жидкого топлива необходимо увеличивать дисперсность распыления.

Познавательные статьи:



Как правильно слушать собеседника

Типичные ошибки при выполнении бросков в баскетболе

Принятие христианства на Руси и его значение

Средства массовой информации США