Теоретические основы горения

По современным теоретическим представлениям горение – быстропротекающая химическая реакция окисления, сопровождающаяся интенсивным выделением тепловой энергии, резким повышением температуры и излучением. Видимое горение называют пламенем. Соответственно пламя – газообразная среда, в которой происходит горение. Обычно горение происходит в воздухе, и горючие компоненты топлива окисляются кислородом воздуха. Горение газов – гомогенный процесс, а жидкого и твердого топлива – гетерогенный. Для протекания процесса горения необходимы следующие условия:

– горючий газ и воздух должны вступить в физический контакт и смесеобразование;

– смесь воздуха и газа должна находиться в концентрационных границах (пределах) воспламенения;

– должен быть создан источник воспламенения и обеспечена стабилизация фронта горения.

Процесс горения сложный физико-химический процесс, скорость которого определяется интенсивностью физических и химических явлений и особенностями их взаимодействия. К физике горения имеет самое тесное отношение вопросы статистической физики, теплообмена, гидродинамики и газодинамики.

В процессе горения химия неразрывно соединена с аэро- и термодинамикой. Под горением в широком смысле следует понимать химические и аэротермодинамические процессы, происходящие в движущейся или неподвижной химически активной газовой смеси.

Горение – один из важнейших для природы и человеческой практики физико-химических процессов. Все явления горения тесно связаны с представлениями и законами химической кинетики. Горение – сложный многофакторный процесс, включающий химическую кинетику, термодинамику, тепломассоперенос, газо- и гидродинамику течений. Высвобождение химической энергии при горении порождает градиенты давления, температуры и плотности. Эти градиенты в свою очередь, являются источниками процессов, которые приводят к переносу массы, импульса и энергии.

Основной вклад в создании современных представлений о цепном механизме реакций горения внесли академик Н.Н. Семёнов и его школа. За разработку теории цепных реакций Н.Н. Семёнову и английскому учёному С.Н. Хиншелвуду была присуждена Нобелевская премия. Согласно теории цепных реакций горение протекает в виде разветвлённых и неразветвлённых цепей, состоящих из элементарных актов превращений. В цепной реакции участвуют радикалы, атомы и другие неустойчивые промежуточные соединения. (Радикалы частицы с неспаренными электронами на внешних атомных или молекулярных орбиталях.) В качестве активных центров цепной реакции выступают радикалы, обычно радикалы водорода. Зарождение цепи начинается с эндотермического процесса образования активных центров:

Н₂ + М = Н + Н + М.

Наиболее изученным является механизм горения водорода в кислороде, который состоит из следующих элементарных стадий (актов):

Н + О₂ → ОН + Н₂ → Н

Н₂О

О + Н₂ → Н

ОН + Н₂ → Н

Н₂О

Механизм горения метана представляет собой довольно сложную совокупность цепных реакций с образованием на отдельных стадиях стабильных и нестабильных промежуточных продуктов. Предполагаемый механизм цепного горения метана в кислороде при стехиометрическом соотношении следующий:

1. Н + О₂ → ОН + О

СН₄ + ОН → СН₃ + Н₂О

СН₄ + О → СН₃ + ОН→ СН₂ + Н₂О

2. СН₃ + О₂ → НСНО + ОН

СН₂ + О₂ → НСНО + О

3. НСНО + ОН → НСО + Н₂О

НСО + О₂ → СО + О + ОН

НСНО + О → СО + Н₂О

4. СО + О₂ → СО₂

СО + ОН → СО₂ + Н

Ещё более сложный механизм горения метана в воздухе, особенно при отклонении от стехиометрического соотношения.

На скорость химических реакций горения оказывают влияние температура, природа (химическое строение), соотношение воздуха и топлива, давление и катализаторы. Зависимость скорости горения от различных факторов описывается уравнением Аррениуса:

(1.1)

где k₀– предэкспоненциальный множитель (константа);

E – энергия активации, кДж/кмоль;

R – газовая постоянная, кДж/(кмоль· К);

Т – абсолютная температура, К;

С – концентрация реагирующих веществ.

На величину скорости горения существенное влияние оказывает температура. Повышение температуры примерно на 10 градусов приводит к увеличению скорости горения W в два раза.

Численное значение энергии активации Е для большинства газовых смесей лежит в пределах от 80 до 170 кДж/моль. Через величину Е проявляется влияние на скорость горения W природы реагирующих веществ.

С повышением давления скорость горения возрастает. В большинстве случаев сжигание газового топлива производится при атмосферном давлении, поэтому влияние давления на величину W не проявляется. В случае сжигания газового топлива в двигателях влияние давления существенно.

Воспламенение и горение топливовоздушных смесей происходит в определённых концентрационных границах. Наличие пределов горения (нижнего и верхнего) объясняется тепловыми потерями или тепловым балансом в зоне горения. Пределы воспламенения топливовоздушных смесей расширяются с повышением температуры. Влияние давления на пределы воспламенения носит сложный характер.

Возникшее пламя или фронт горения самопроизвольно распространяется в объёме газовоздушной смеси. Скорость нормального распространения пламени, т.е. в направлении перпендикулярном к поверхности фронта горения в каждой его точке, зависит от физико-химических характеристик смеси и от её гидравлического режима (неподвижный, ламинарный и турбулентный). Для расчета нормальной скорости распространения пламени, которая наблюдается в неподвижной смеси и в ламинарном потоке рекомендуется следующая приближённая формула:

(1.2)

где, а – коэффициент температуропроводности, а = l / r · с,

здесь l – коэффициент теплопроводности;

r – плотность;

с – теплоёмкость смеси.

Для заданного состава смеси U_н зависит только от температуры. Максимальные значения U_н наблюдается для составов смесей близких к стехиометрии (коэффициент избытка воздуха a = 0,95 ¸ 1,0). С уменьшением и с увеличением коэффициента a величина U_н снижается. На пределах горения наблюдаются минимальные значения U_н.

Распространение пламени в турбулентном потоке имеет очень сложный механизм. До сих пор нет единого мнения о процессах, протекающих в зоне турбулентного горения. Крайними точками зрения являются «поверхностная» и «объёмная» модели горения. Величина турбулентной скорости распространения пламени для мелкомасштабной и крупномасштабной турбулентности определяется соответственно по формулам:

(1.3)

где L – масштаб турбулентности;

ẃ – пульсационная скорость;

В – константа, зависящая от физико-химических свойств топлива.

Различают два предельных метода (принципа) сжигания: кинетический и диффузионный. При кинетическом методе однородная смесь с некоторым избытком воздуха (a > 1) приготавливается заранее. Скорость процесса кинетического горения определяется физическими и кинетическими свойствами топливовоздушной смеси. При диффузионном методе процесс смесеобразования совмещается с процессом горения, поэтому скорость диффузионного горения определяется аэродинамическими, диффузионными факторами.

В теплотехнической практике широко используется промежуточный или смешанный метод сжигания газа. В этом случае газ предварительно смешивается с частью воздуха, необходимого для горения (a = 0,4 ÷ 0,8), а остальное количество воздуха (a > 1) поступает непосредственно в зону горения. Таким образом, процесс горения происходит в две стадии. На первой стадии по кинетическому принципу за счёт первичного воздуха и на второй стадии по диффузионному принципу за счёт вторичного воздуха.

Все стадии процесса горения (смесеобразование, подогрев и горение) осуществляются в горелке и камере горения (топочной камере). Основные функции горелки:

▪ подача газа и воздуха в топку;

▪ смесеобразование:

▪ стабилизация фронта воспламенения:

▪ обеспечение минимальной эмиссии токсичных веществ.

В горелках, реализующих кинетический и промежуточный метод сжигания газа, смесеобразование происходит обычно в эжекторе (инжекторе). Стабилизация фронта горения необходима для предотвращения проскока и отрыва пламени.

Для снижения эмиссии токсичных веществ используются различные способы и устройства организации горения, разработанные на основе теоретических и экспериментальных исследований. Некоторые из них рассмотрены ниже.