IB0		=V 0 (ct)B						(2,41)
								α		α						(2,42)
								IH2 O =VH2O (ct)H2O
где VRO	,	VN		и т. д. - объемы составляющих продуктов сгорания топлива и воздуха, мэ/кг;
2				2	и т.д. ~ энтальпии 1 мэ составляющих продуктов сгорания и воздуха, кДж
(ct)CO		2	, (ct)N
					2										Таблица 2.1
													Энтальпия кДж/м3
Темпера-						Энтальпия кДж/м3					Темпера-
				CO2		N2	H2O	O2				CO2	N2	H2O	O2
тура										B	тура					B
t0C				(ct)		(ct)	(ct)	(ct)		(ct)	t0C	(ct)	(ct)	(ct)	(ct)	(ct)
100				169		130	151	132		132	1200	2717	1696	2131	1800	1754
200				357		260	304	267		266	1300	2976	1850	2344	1963	1913
300				559		392	463	407		403	1400	3240	2009	2558	2127	2076
400				772		527	626	552		542	1500	3504	2164	2779	2294	2239
500				996		664	794	699		684	1600	3767	2323	3001	2461	2403
600			1222			804	967	850		830	1700	4035	2482	3227	2629	2566
700			1461			946	1147	1005		979	1800	4303	2642	3458	2796	2729
800			1704			1093	1335	1160		1130	1900	4571	2805	3688	2968	2897
900			1951			1243	1524	1319		1281	2000	4843	2964	3926	3139	3064
1000			2202			1394	1725	1478		1436	2100	5115	3127	4161	3307	3232
1100			2457			1545	1926	1637		1595	2200	5387	3290	4399	3483	3399

Значения энтальпий 1 м3 газов и влажного воздуха (d = 10 г/кг) при различных температурах приведены в табл. 2.1, что упрощает поиск информации и расчеты, по результатам которых строится диграмма I – t - графическая интерпретация зависимости (2.39).

2.4.ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТОПОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ

Вобласти изучения теории процессов горения в самой широкой сфере их применения проводились и проводятся большие исследования в нашей стране и за рубежом. В отечественной науке широко известны работы Н. Н. Семенова, Я. Б. Зельдовича, Г. Ф. Кнорре, В. И. Николаева, М. Ф. Струнникова, А. С. Предводителева, Л. н. Хитрина и др.

Процесс горения топлива состоит из сложных явлений, в которых участвуют как реагирующие вещества, так и окружающая их среда в виде топочной камеры и отдельных элементов ее оборудования. В топке котла протекает сложный физико-химический процесс, характеризующийся закономерностями смесеобразования (паров жидкого топлива и окислителя) и реакций горения, относящихся к химически обратимым реакциям вида,

mA + nB ↔ pD + qF	(2,43)

где m, n, p, q - число молей реагирующих веществ; А, В — исходные реагирующие вещества;

D, F —продукты реакции.

В гомогенной системе (системе, состоящей из веществ одинакового агрегатного состояния) взаимодействие горючих компонентов топлива с окислителем подчиняется закону действующих масс, в соответствии с которым при постоянной температуре скорость реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. В соответствии с этим законом скорости прямой и обратной реакций:

WП = KПCAmCBn Wоб = KобCDpCFq

где KП, Коб - константы скоростей прямой и обратной решений;

СA, CB, CD, CF — концентрации реагирующих веществ соответственно А, В, D, F.

Согласно закону сохранения массы, скорость реакции можно вычислить по скорости изменения концентрации любого из участвующих в реакции веществ, что в общем виде записывается, например, для вещества D (продукта реакции):

dCD	p q	(2,44)
	= KCDCF
dτ

При этом сумма р + q (или m + п для прямой реакции) называется порядком реакции.

Опытом установлено, что для большинства сложных химических реакций (в том числе реакций горения) фактический порядок реакции всегда ниже порядка, найденного из стехиометрического уравнения. Объяснение этому следует искать в особенностях кинетики механизма реагирования.

Если реакции вида (2.43) протекают в установившихся условиях достаточно длительное время, то наступает динамическое равновесие, при котором наблюдается равенство скоростей прямой и обратной реакций. Это состояние характеризуется константой равновесия

	KC =	KП	(2,45)
		Kоб

которая в гомогенных газовых системах может быть выражена также через парциальные давления реа-

гирующих веществ, что значительно удобнее при изучении реакций горения газообразных и жидких органических топлив. По константе равновесия можно определять состав равновесной смеси при данной температуре.

При сжигании жидких топлив равновесие обычно не наступает, так как его предел сильно сдвинут в сторону продуктов сгорания (т. е. все реакции горения обычно считают необратимыми). Однако при высоких температурах водяные пары и углекислота частично (всего несколько процентов) диссоциируют с образованием молекул водорода и окиси углерода. По своему эффекту диссоциация, на которую затрачивается часть выделяющейся при горении теплоты, эквивалентна процессу неполного сгорания и потому нежелательна, что следует учитывать при расчетах теплового баланса котла (особенно при сжи-

	гании обводненных мазутов).
	Зависимость константы скорости реакции от температуры имеет вид (закон Аррениуса)
	K = K0 exp(−	E	)	(2,46)
		RT

где KO — эмпирическая константа;

Е — энергия активации, кДж/моль;

R — универсальная газовая постоянная, равная 8,32 кДж|(моль·К); Т — абсолютная температура, К.

Как следует из формулы (2.46), скорость реакции быстро растет с повышением температуры, т. е. с подводом к системе реагирующих веществ дополнительной энергии.

Во всех реакциях горения для образования продуктов сгорания требуется, по крайней мере, расщепление молекул исходных веществ, т. е. преодоление внутримолекулярных сил сцепления атомов, входящих в молекулу. На преодоление этих сил (своеобразного "энергетического барьера") требуются затраты энергии, которая носит название энергии активации, а значение ее зависит только от природы реагирующих веществ. Определяют ее опытным путем по скоростям реакций при разных температурах. Для большинства горючих веществ она постоянна.

В экзотермических реакциях подводимая дополнительная энергия, расходуемая на активацию исходных веществ, обычно меньше выделяющейся при реагировании энергии, и тепловой эффект реакции положителен.

Разрушение межатомных связей в молекулах реагирующих веществ в процессе активации приводит к появлению весьма активных промежуточных продуктов: атомов, радикалов, окислов, перекисей, которые тут же вступают в реакции между собой. При этом реакции протекают таким образом, что наряду с конечными продуктами вновь образуются активные промежуточные продукты, способные поддерживать непрерывный ход реакции. Такие реакции принято называть цепными. Теория их разработана Н. Н. Семеновым.

Принято различать неразветвленные и разветвленные цепные реакции. В неразветвленных цепных реакциях число активных промежуточных продуктов (активных центров) остается постоянным, а в разветвленных - увеличивается.

Реакции горения топлива относятся к разветвленным цепным реакциям, что хорошо иллюстрируется схемой развития реакции горения водорода (рис. 2.2). При этом зарождение цепи начинается с активации молекулы водорода за счет энергии столкновения ее с любой другой молекулой: Н2 + М = 2Н + М. Далее идет последовательная цепь реакций, результатом которой являются две молекулы воды и три активных атома водорода, являющихся активными центрами зарождения новых ветвей реакции, т. е. цепная реакция горения Н является разветвленной, самоускоряющейся.

Рис. 2.2. Схема цикла цепной разветвленной реакции горения водорода.

Однако при столкновении со стенками, ограничивающими объем, или с твердыми частицами атомы водорода теряют избыточную энергию (и способность вступать в реакцию), что приводит к обрыву цепи. Поэтому цепные разветвленные реакции в ограниченных объемах разгоняются до какой-то определенной скорости. При этом число активных центров в данном объеме является максимальным. Время, в течение которого происходит разгон реакции до максимальной скорости, называется периодом индукции.

Аналогичным образом происходит горение и других горючих газов - метана, окиси углерода. Механизм горения высокомолекулярных углеводородов более сложен, так как наряду с окислением

происходит их термическое разложение с образованием углерода (сажи), водорода и метана. Вследствие этого скорость горения углеводородов меньше, чем Н и СО, а период индукции достигает иногда нескольких минут.

В рассмотренных цепных реакциях активным центром начала цепи является промежуточный продукт реакции - атом, радикал и т. д. Однако центром зарождения цепи может стать и конечный продукт реакции, который в момент своего образования обладает повышенной энергией, равной сумме теплоты реакции и теплоты активации.

Эти молекулы при столкновении с молекулами исходных веществ активируют их, обусловливая зарождение цепей, называемых энергетическими. В энергетических цепях образуются и активные промежуточные продукты, дающие начало цепным разветвленным реакциям. В настоящее время считают, что тепловой механизм возбуждения быстрых реакций горения является определяющим.

Сгореть может только готовая горючая смесь, в которой возможны физические контакты между молекулами горючих компонентов топлива и окислителя. Поэтому если даже оба рабочих вещества находятся в газообразном состоянии, то необходимо какое-то время τф на образование их смеси. Реакция окисления (горения) также не мгновенна, а протекает в течение времени τх поэтому полное время сгорания любого топлива τП = τФ+τХ.

В связи с этим различают два вида горения:

если τф « тх (например, смесь составлена вне топки), то горение кинетическое, когда скорость процесса определяется скоростью химических реакций;

если тх « τф( то горение диффузионное, когда скорость процесса определяется скоростью смесеобразования.

При тх = τф горение топлива происходит в промежуточной области, в которой скорость процесса зависит от скорости как смесеобразования, так и химической реакции.

Кинетическое горение характерно при сжигании газообразного топлива, смесь которого с воздухом образуется вне топки. По этому же принципу сгорает жидкое легкое топливо (бензин, керосин) в карбюраторном двигателе, где смесеобразование происходит в карбюраторе.

Реальные топочные процессы в котле протекают в значительно более сложных условиях, так как

Рис. 2.3. Зависимость тепловыде-.

ления и теплоотвода при горении топлива от времени (а) и температуры (б)

процессу истинного молекулярного смесеобразорания здесь предшествуют процессы испарения жидкого топлива и термического разложения (пирогенные процессы) молекул его паров. Следовательно, при сжигании жидкого топлива полное время горения определяется главным образом временем испарения и смешения паров топлива с воздухом, так как пирогенные процессы протекают параллельно с процессом смешения и скорость их достаточно высока.

Топливо (распыленное) и воздух подаются в топку раздельно. Перемешивание топлива с воздухом происхо дит в топке одновременно с горением. При этом хорошее смесеобразование наблюдается, если скорость капелек топлива относительно воздуха достаточно высока, что возможно обеспечить только при вихревом движении смеси.

Процесс смесеобразования в этом случае обусловливается турбулентной (молярной) диффузией, которая хара ктеризуется средней пульсационной скоростью и длиной пути смешения.

При этом по аналогии с молекулярной диффузией вводится понятие коэффициента турбулентной диффузии, во много раз большего коэффициента молекулярной диффузии.

Уже в период смесеобразования начинается реакция окисления с выделением теплоты, которой, однако, недостаточно для активации молекул. Необходимо подвести к смеси некоторое количество теплоты Q1 (рис. 2.3, а), чтобы активировать молекулы реагирующих веществ.

При этом температура смеси медленно возрастает от начальной tн до температуры t0, при которой начинается само

разгон цепной реакции.

Начиная с этой температуры в соответствии с кинетическим уравнением (2.46), скорость горения нарастает по

экспоненте и так же увеличивается тепловыделение Q2 что

вызывает дальнейшее повышение температуры смеси. При некоторой температуре tСВ происходят самовоспламенение топлива и дальнейшее увеличение тепловыделения и температуры. Так как после этого скорость химической реакции превышает скорость подготовительных процессов, то кривая тепловыделения отклоняется от экспоненты и постепенно приближается к некоторому пределу, где температура равна температуре горения tГ.

В реальных топочных процессах часть выделившейся при реакции теплоты идет на активацию реагирующих веществ, а часть отводится (в основном в виде излучения) к экранам и стенам топки. На графиках в координатах t - Q тепловыделение (QТВ имеет вид кривой S-образной формы, а теплоотвод Qn изображается параболой четвертого порядка, которая быстро выпрямляется при удалении от начала координат (рис. 2.3, б). Взаимное расположение кривых определяется площадью поверхностей топки и количеством сжигаемого топлива. При увеличении площади стен топки и постоянном количестве сжигаемого топлива кривая Qn смещается влево от кривой QТВ и наоборот. Очевидно, что при постоянной площади стен топки изменение количества сжигаемого топлива может изменять начальную температуру топливно-воздушной смеси tН от которой зависит ход реакции окисления топлива.

Предположим, что начальная температура смеси равна tН1, а тепловыделение и теплоотвод соответственно QТВ1, 1 и QЛ1 Тогда устойчивым будет процесс медленного окисления (точка 1 на рис. 2.3, б), так как любые изменения QТВ и QЛ возвращают процесс в точку 1.

Если подвести теплоту Q1 (см.рис. 2.3, а) и повысить начальную температуру топливно-воздушной смеси до tН2 то получим второй устойчивый процесс окисления (точка 2, рис. 2.3, б) при жестком соблюдении условия QТВ2 = QЛ2. В реальном процессе это условие выполнить невозможно, так как QТВ изменяется по экспоненте, a QЛ - по параболе четвертого порядка. Поэтому любые малые изменения QТВ и QЛ вызывают переход процесса либо в точку 1, либо в точку 3, которая соответствует процессу устойчивого горения при температуре tГ.

Если повысить начальную температуру смеси (путем предварительного подогрева) до tН = tСВ (см. рис. 2.3, б), то кривая теплоотвода сдвинется вправо до положения Q’Л так, что с кривой QТВ будет толь-

ко одна точка касания А. Как следует из графика, при таком положении кривых тепловыделение всегда больше (а в точке А - равно) теплоотвода, и реакция развивается до устойчивого горения (точка 3’) благодаря саморазогреву. Поэтому температуру tСВ принято называть температурой воспламенения смеси.

Таким образом, при любом значении начальной температуры смеси tН > tСВ будет наблюдаться устойчивый процесс горения.

Аналогично рассуждая, можно переместить кривую теплоотвода до положения Q”Г, когда условие QТВ = Q”Г выполняется только для точки В (см. рис. 2.3, б). Здесь теплоотвод всегда больше тепловыдения, и процесс горения стремится к устойчивому медленному окислению (точка 1"), т. е. происходит потухание факела. Температура, соответствующая точке В, называется температурой потухания tГР и если процесс организован так, что tН < tГР, то поддерживать горение невозможно.

Таким образом, для устойчивого горения в топке котла необходимо обеспечить такие условия, когда начальная температура смеси на всех эксплуатационных режимах превышает температуру потухания.

Отметим, что это только качественное описание физико-химических особенностей процесса горения в топках судовых котлов с позиций идеализированной стационарной тепловой теории самовоспламенения. Реальные процессы горения намного сложнее.

Рассмотрим еще две характеристики процесса горения.

Пусть, например, в каком-то объеме находится горючая смесь при условии tН < tСВ. С помощью постороннего источника теплоты производится точечное воспламенение смеси. Выделившаяся здесь теплота передается прилежащим слоям смеси, вызывая их последовательное воспламенение. Визуально это воспринимается как движение фронта пламени (толщиной в доли миллиметра). Линейная скорость перемещения элемента фронта пламени в направлении, перпендикулярном к поверхности фронта, называется нормальной скоростью распространения пламени uН. Она зависит только от физико-химических свойств смеси, т. е. для заданной смеси uН = const.

Практически более удобной характеристикой процесса горения является массовая скорость горения uпр, г/(см2·с), представляющая собой количество смеси, которая сгорает в единицу времени на единице площади фронта пламени.

Контрольные вопросы и задания

1.Дать определение условного градуса вязкости.

2.Назвать элементарный состав (в процентах) жидкого котельного топлива.

3.Указать отличия в определениях "рабочей", "сухой" и "горючей" масс топлива.

4.Определить физическую сущность связи между QBP и QHP .

5.Раскрыл, сущность закона Гесса.

6.С какой целью составляется материальный баланс сгорания 1 кг топлива?

7.Чему равен полный объем продуктов сгорания 1 кг топлива?

8.Перечислить слагаемые суммарного объема водяных паров в дымовых газах.

9.Дать определение понятия коэффициента избытка воздуха и пояснить физическую сущность "кислородной" формулы для его определения.

10.Назвать цель и порядок построения I - t -диаграммы продуктов сгорания.

11.Пояснить сущность закона Аррениуса применительно к процессу сжигания топлива.

12.Раскрыть сущность разветвленной цепной реакции в процессе сжигания топлива.

13.Какое горение - кинетическое или диффузионное - характерно для топочных процессов котлов?

14.Пояснить физическую сущность понятий "температура вспышки" и "температура воспламене ния" топлива.

15.Дать определение нормальной скорости распространения пламени.