1.2. Горение топлива.
Под горением понимается процесс взаимодействия топлива и окислителя, сопровождающиеся интенсивным выделением тепла, а иногда и света.
Роль окислителя в подавляющем большинстве случаев выполняет кислород воздуха.
Для горения необходим контакт между молекулами топлива и окислителя.
Поэтому первой стадией горения является смешивание топлива и воздуха.
Второй стадией является окисление топлива с выделением тепла.
При горении образуется пламя, в котором протекают реакции горения, выделяется тепло. При сжигании топлива применяется факельный способ.
Факел – частный случай пламени, когда топливо и воздух поступают в рабочее пространство печи в виде струи, которые перемешиваются одна с другой.
Различают гомогенное и гетерогенное горение. В случае гомогенного горения топливо и окислитель находятся в одинаковых агрегатных состояниях.
Такой вид горения имеет место при сжигании газообразного топлива в струе воздуха. Гомогенное горение происходит в объеме.
При гетерогенном горении топливо и воздух находятся в разных агрегатных состояниях. Это имеет место при сжигании жидкого и твердого топлива. При гетерогенном горении в основном процесс окисления происходит не в объеме, а на поверхности.
Гомогенное горение может быть кинетическим и диффузионным.
Если процесс смешивания газа и воздуха осуществляется предварительно и в зону горения поступает готовая топливовоздушная смесь, то процесс горения в основном определяется химическими реакциями окисления, то есть скоростью окисления. Скорость горения определяется скоростью протекания этих химических реакций.
Если процессы смешивания и горения не разделены, то процесс горения определяется взаимной диффузией топлива и воздуха, а так как скорость диффузии значительно меньше скорости химических реакций, то интенсивность процесса определяется процессом диффузии, горение – диффузионное.
При гетерогенном горении различают кинетическую и диффузионную области горения. При сжигании жидкого топлива смешиванию топлива и воздуха предшествует распыливание топлива до частичек диаметром 0.04 мм.
Распыливание производится струей воздуха или перегретого пкра, направленной под углом к струе топлива. Окисление капель жидкости идет по поверхности их, и горение имеет диффузионный характер.
Процесс горения любого топлива включает воспламенение и собственно горение.
Процесс воспламенения – есть предварительный период, когда в результате окисления происходит накопление тепла и повышение температуры.
При достижении температуры смеси определенной температуры воспламенения, реакции окисления резко ускоряются, и происходит процесс непосредственно в горение.
После воспламенения
возникает фронт
горения –
тонкая оболочка
,
в которой происходит процесс горения.
Этот фронт движется в направлении
несгоревшей горючей смеси.
Позади фронта горения находятся продукты горения. Возникает разность температур между продуктами сгорания и горючей смеси, что приводит к передаче тепла теплопроводностью, подогревается горючая смесь до температуры воспламенения, фронт пламени движется.
Скорость движения фронта пламени – есть скорость горения. Определяют скорость горения – состав горючей смеси, предварительная температура подогрева и давление.
Существует оптимальное соотношение (свое для каждого газа) газа и воздуха, определяющее наибольшую скорость горения (рис. 1).
Пламя может быть бесцветным и светящимся.
Бесцветное пламя образуется в случае горения газообразного топлива, если смешивание его с воздухом производится предварительно, перед сжиганием.
Если смешивание производится в зоне горения (диффузионное горение), а топливо содержит термически нестойкие углеводороды, то пламя образуется светящееся.
Связано это с тем, что при температурах, близких к температурам воспламенения происходит разложение углеводородов, образуются частицы углерода, излучающие световую энергию.
При горении жидкого и твердого топлива пламя всегда светящееся.
Рис. 1. Оптимальное соотношение скорости движения фронта пламени
Вопросы для самоподготовки:
Перечислите основные виды и характеристики топлива?
Как определяется теплота сгорания топлива?
Что понимается под горением топлива?
Лекция №2
Расчет горения топлива
Расчет ведется на 1 кг или 1 м3 влажного (рабочего) состава. При расчете горения топлива определяют: объем воздуха, необходимого для горения; состав и объем продуктов горения; температуру горения.
Мы проведем подробный расчет горения газообразного топлива.
При расчете применяются химические реакции окисления
1.
2.
3.
4.
2.1 Количество воздуха, необходимого для полного горения топлива.
Исходным является влажный состав топлива. Если задан сухой состав, то предварительно делается его перерасчет на влажный.
Итак:
- есть процентное
содержание
в газообразном топливе.
Поскольку расчет
ведется на 1 м3топлива,
то 0.01
есть объем
в 1 м3
топлива. Определяется объем воздуха,
необходимый для горения каждого газа,
входящего в состав 1 м3
топлива
.
Из уравнения видно,
что для сжигания 1 моля
требуется 0.5 моля
.
Учитывая, что моль любого газа при НФУ
занимает объем 22.4м3
можно сделать вывод, что содержащийся
в 1 м3
газа 0.01
м3
требуют для горения
.
Так как в сухом воздухе содержится 21%
кислорода (остальное азот), то теоретически
необходимое количество сухого воздуха
для сжигания
составит:
воздуха =
Аналогично рассуждая, имеем для сжигания водорода:
Так как
,
то
воздуха.
Для сжигания углеводородов:
Так как
,
то
воздуха
Для сжигания сероводорода:
Так как
,
то
воздуха.
Если в горючем
газе содержится
,
то он естественно будет участвовать в
горении. И теоретическое количество
воздуха должно быть уменьшено на тот
объем его, в котором содержится
,
т.е. на
.
Если воздух влажный, то в расчеты его объема должна быть внесена поправка на влажность:
(8)
Тогда
,
где
- влажность воздуха, выраженная в
.
При сжигании топлива расход топлива несколько выше теоретического, что учитывается коэффициентом расхода воздуха
Таким образом, практический объем воздуха
Пример № 5. Расчет объема воздуха для полного горения топлива.
Задан состав природного газа
;
;
;
.
Влажность газа
Влажность воздуха
Коэффициент расхода
воздуха
Перерасчет на влажный состав – см. пример №4.
;
;
;
;
Теоретически необходимый объем воздуха:
Практический расход воздуха:
