книги / Теплотехника (курс общей теплотехники)

повышение температуры в 2 раза (с 500 до* 1000°К), приводит к возра­ станию скорости химической реакции в 500* 106 раз.

Цепные реакции горения

Реакции горения газообразного топлива протекают очень быстро— практически мгновенно. Такой взрывной характер химических реакций объясняется не только сильным влиянием температуры, но и цепным ха­ рактером их протекания. Согласно теории цепных. реакций, разработан­ ной акад. Н. Н. Семеновым горение представляет собой цепную реакцию с разветвленными цепями, когда каждая активная молекула быстро по­ рождает ряд новых активных центров, быстро ускоряющих ход реакций. Для примера рассмотрим сгорание водорода, суммарную реакцию кото­ рого можно записать по уравнению (17-4). В действительности при сго­ рании молекула водорода Н2, сталкиваясь с какой-либо активной моле­ кулой М, распадается на два атома водорода по схеме

Атомный водород может реагировать с кислородом, образуя гидро­ ксил и атом кислорода:

Гидроксил ОН, сталкиваясь в свою очередь с молекулами водорода Н2, реагирует с ними, образуя молекулы водяного пара Н20 и свободные атомы водорода:

При горении водорода образуются, как видно из написанных реакдий, нестойкие промежуточные вещества—атомарные кислород и водо­ род и гидроксильный радикал ОН. Реакции между этими продуктами сами по себе идут гораздо быстрее обычных молекулярных реакций в си­

лу меньшей энергии активации.

Общий итог единичного цикла записывают по схеме

атома водорода и две конечные молекулы водяного пара. Образовавшие­ ся трй активных атома водорода начинают реагировать по той же цепи, в 3 раза ускоряя ход реакции, и т. д. При таком ходе реакция практи­ чески мгновенно распространяется по всему объему, т. е. носит взрывной

характер. В действительности скорость горения горючих газов лимити­ руется не скоростью химического реагирования, а определяется смесеоб­

разованием— физическим процессом смешения горючих газов с возду­

хом, о чем будет сказано ниже.

Горение окиси углерода СО протекает так же, как разветвленная цепная реакция. В пламени окиси углерода имеются атомарные кисло­ род и водород, а также гидроксил ОН, являющиеся возбудителями цепей..

227

Горение углеводородов происхо­ дит, как показывают исследования,

тоже с образованием промежуточных продуктов—гидроксила ОН и не­

стойких веществ—метилового спирта СН3ОН и формальдегида СНОН и, кроме того, связано с термическим разложением (крекингом) углеводо­ родов с выделением сажистого диспер­ сного углерода, придающего пламени светящийся характер.

Так как реакции горения водоро: да, окиси углерода и углеводородов идут по разветвленным цепям, а перечисленные газы являются основны­

ми горючими составляющими газообразного топлива, то и горение лю­ бого горючего газа носит в целом цепной характер.

Воспламенение горючей смеси

Процесс воспламенения всегда предшествует горению. Реакции окис­ ления горючей смеси, помещенной в сосуде, происходят и при невысоких температурах, но они протекают медленно и, например, горючая смесь при комнатной температуре и при атмосферном давлении может храг ниться в сосуде как угодно долго, так как тепло, выделяемое при реак­ циях, будет теряться в окружающую среду и смесь будет находиться в состоянии теплового равновесия. Если, начальную температуру смеси

и стенок сосуда каждый раз увеличи­ вать, то тепловыделение от реакций

будет возрастать по закону Аррениу-

__

резко (скачкообразно) возрастать, произойдет саморазгон реакции и смбЬь сгорит (практически мгновенно).

Проведем другой опыт. Будем смешивать струю горючего газа со струёй воздуха, подогревая раздельно эти струи. Постепенно повышая температуру подогрева, мы увидим, что при некоторой температуре про­ изойдет воспламенение смеси, а затем.смесь будет гореть. Минимальную температуру, при которой смесь воспламеняется, называют температурой воспламенения. Она не является физико-химической постоянной величи­ ной, так как зависит от условий опыта (от пропорции между газом и оки­ слителем и' от потерь в окружающую среду). Значения температуры вос­

пламенения для некоторых газов приведены1В' табл. 17-1’ Из таблицы видно, что наиболее высокой она является для метана. Не обязательно подогревать весь объем смеси; можно нагреть от постороннего высоко­

температурного источника (от небольшого .факела или от искры) не­ большой объем смеси. Произойдет вынужденноезажигание смеси, в рег зультатб чего реакциями будет охвачен весь объем благодаря распрост­ ранению пламени, но не мгновенно, а с некоторой объемной скоростью.

Не всякая смесь газа с окислителем способна воспламеняться. Как видно из опыта, существует нижний и верхний пределы концентрации горючих' газов в смеси с воздухом или с кислородом. Вне этих пределов смеси не воспламёняются. Пределы воспламенения некоторых газо-воз- дущных смесей приведены в табл. 17-2.

'Следует отметить, что, если содержание газа в смеси превышает верхний предел концентрации, газ не горит, *но .при истечении в .атмо-г сферу он способен гореть.

Для определения пределов воспламенения для газовых смесей поль­ зуются формулой Ле-Шателье, по которой предел воспламенения (верх­ ний и нижний) Ь определяется следующим образом:

смеси данного компонента, с воздухом.

_. В.составе технических газов имеются негорючие'составляющие (бал­ ласт) — азот Ы2, углекислота С02 и водяные пары, которые снижают тепловую ценность газа. Добавка балласта обедняет газ и* может сильно изменить пределы воспламенения и сделать газ невоспламеняющимся. Например, добавление к метану более шести объемов азота исключает воспламенение газо-воздушной смеси. Пределы воспламенения при уве­ личении температуры смеси значительно расширяются и если смесь не горит в холодном состоянии, то может легко загораться в случае ее предварительного нагрева..

Знание пределов воспламенения имеет практическое значение, так как позволяет судить о возможности взрывов газо-воздушных смесей и принимать меры к предотвращению взрывов, поскольку пределы вос­ пламенения и пределы взрываемости одни и те же.

Распространение нламени

Пламенем принято называть ту зону газового объема, в которой протекают реакции горения. Пламя может быть прозрачным или светя:

щймся*! О горючести газа судят по характеру горения.в трубках, напол­ ненных смесью газа с окислителем, или по горению газа в атмосфере.

Если смесь тщательно подготовить, то пламя имеет малую толщину,

22.9

составляющую от 0,003 до 0,6 мм, почему зону пламени и называют фронтом пламени. Вначале пламя в трубках движется с постоянной ско­ ростью, не превышающей для любой газо-воздушной смеси значения ад=30 м1сек, и скорость ад движения фронта пламени вдоль трубки на­ зывают скоростью равномерногораспространения пламени.

Скорость равномерного движения пламени в трубках не является точной характеристикой горючести газа, так как зависит от диаметра трубки (возрастая при ее увеличении) из-за относительного увеличе­ ния поверхности пламени, связанного с наклоном фронта пламени и его искривлениями. В очень длинных трубках, заполненных смесью, может образоваться при горении ударная волна (представляющая собой очень быстро движущийся слой газа), вызывающая температурный скачок, что

иприводит к самовоспламенению смеси. Спокойное горение переходит

вдетонацию газов, при котором фронт горения движется с огромной ско­

ростью, измеряемой в км/сек.

При сжигании газа в технических установках горение чаще явля­

ется стационарным и фронт пламени неподвижен. Для этого горючую смесь подают из горелки с такой же скоростью, с которой сам фронт пламени движется навстречу смеси. Выделим на поверхности пламени элементарную площадку йР (рис. 17-4). Скорость перемещения пламени в пространстве

где ади —проекция скорости движения газо-воздушной смеси ад/ на нор­ маль к поверхности пламени.

Когда скорость потока ад/==0, то пламя распространяется в непод­

вижной среде (этот случай рассмотрен выше).

Когда ад=0, т. е. пламя неподвижно, то ип=адн, это соответствует

случаю стационарного горения.

Нормальная скорость распространения пламени представляет собой скорость движения пламени, нормальную к фронту горения, она являет­ ся важной физико-химической характеристикой горючей смеси, так как она определяется кинетикой реакции горения и теплопроводностью смеси и может быть определена по формуле

и» = У ф „

где а— коэффициент температуропроводности смеси; тр—время реакции, включая время подогрева смеси до температу­

ры воспламенения вблизи фронта пламени.

Нормальная скорость распространения пламени для различных сме­

сей может быть найдена опытным путем с помощью лабораторной бунзеновской горелки (рис. 17-5). Из трубки горелки вытекает ламииарно

струя смеси из газа с 50—60% воздуха, необходимого для горения, кото­

рая после прогрева и воспламенения сгорает в тонком слое, образуя внутренний конус. Догорание протекает в зоне догорания за счет вторич­

ного воздуха из атмосферы. Можно написать условие неразрывности

где Р0 и Р— соответственно поперечное сечение трубки и боковая по­

верхность конуса, иг; ад^ — скорость смеси, м/сек.

Легко показать, чтовысота внутреннегоконуса

230

Зная диаметр трубки (I и скорость истечения смеси ад/, можно найти нормальную скорость распространения пламени ип.

Нормальная скорость распространения пламени зависит от природы газа, состава смеси, температуры предварительного подогрева смеси, за­ балластированное™ смеси инертными составляющими. Для «простых»

Рис. 17-6. Нормальная скорость горения в зависимости от со­ держания газа в воздухе:

1—водород; 2—окись у1лерода; 3 —метай

газов нормальная скорость распространения пламени ип м/сек в зави­ симости от содержания газа в воздухе показана на рис. 17-6.

Температура подогрева смеси резко повышает скорость пламени,

что видно из рис. 17-7. На практике этим свойством широко пользуются для увеличения скорости горения, подогревая воздух и газ перед сме­

шением. Скорость распространения пламенидля технических газов опре­ деляют по формуле

где Сь С2, С3,..—процентное содержание компонентов; «1, и2>«з,..—соответствующие нормальные скорости распростране­

ния пламени для компонентов.

231

литёля, то одновременно наблюдаются процессы смесеобразования в фа­ келе и горения. Хороший контакт горючего и окислителя и хорошее сме­ сеобразование из горючих газов и воздуха—вао/снейшее условие интен­

сивного и полного сгорания топлива. Чем лучше контакт между топли­ вом и воздухом и смесеобразование, тем быстрее и полнее протекает процесс горения, тем выше при оди­ наковых условиях температура, экономичнее и производительнее ра­ ботает агрегат.

Между кинетической и диффузионными областями имеется проме­ жуточная область, где процесс носит характер переходного режима.

В атмосферных горелках, представителем которых является горел-' ка Бунзена, осуществляется предварительное смешение с 50—60% .всего потребного для горения воздуха; смесь сначала горит в.кинетической об-

ласти, а затем догорание ее происходите диффузионной области.

ЛАМИНАРНОЕ И ТУРБУЛЕНТНОЕ ГОРЕНИЕ

В технических устройствах происходит горение струй газо-воздуш­ ной смеси и пламя называют факелом. Факел имеет ту или иную геомет­

рическую форму. На рис. 17-9 показан факел горелки с коаксиальными соплами (типа «труба в трубе») с раздельными струями газа, подавае­

мого через сопло диаметром йи и воздуха, подаваемого через сопло ди­ аметром д2. На рисунке показана эпюра скоростей и газа и воздуха, по­ ля концентраций С и температур /.

Втопочной технике встречаются: 1) горение неперемешанных газов,

2)горение однородной, заранее подготовленной смеси, 3) промежуточ­ ный случай, когда предварительное смешение осуществляется с 40—60% всего потребного для горения воздуха. В каждом из этих случаев факел может быть ламинарным или турбулентным и от характера'движения факела зависит интенсивность и устойчивость горения.

При ламинарном Движении перемешивание протекает медленно и осуществляется молекулярной диффузией, а длина факела будет боль­ шой. Наибольшая длина факела бывает при подаче газа и воздуха раз­ дельными, Отделенными друг от друга струями при ламинарном харак­ тере ихдвижения.

Повышая скорости истечения из сопел коаксиальной горелки, мож­ но обнаружить разрушение ламинарного пламени и образование турбу­ лентного (рис. 17-10), при котором процесс горения интенсифицируется в результате вихревой диффузии, появления пульсационной скорости, вызывающей перенос клочкообразных масс газа разного размера, дви­ жущихся с разной скоростью в разных направлениях, что и усиливает

233

смесеобразование. Ламинарный факел переходит в турбулентный, прой­ дя через переходную область. Горящий факел, как раскаленная струя, вызывает газодинамическиеэффекты: смешение газов на границах струй, подчиняющееся закону сохранения количества движения; смешение вследствие инжекции, т. е. вовлечение воздуха быстро движущимися струями газа или наоборот. Для горелок газодинамическими критерия­ ми являются отношение скорости воздуха и скорости газа и отношение

кинетических энергий ри2 воздушного потока и потока газа. Эти пара­

метры влияют на интенсивность горения и, следовательно, на длину факела.

В топочныхустройствах в большинствеслучаев пламя распространя­ ется в турбулентном потоке, причем турбулентность может быть увели­ чена при помощи завихривающих вставок в газовых горелках. Поток воздуха (или газа), проходя через такой завихритель, закручивается и принимает характер циклонного движения. В циклонных камерах бла­ годаря преимуществам закрученного потока обеспечивается очень хо­ рошее смесеобразование и очень интенсивное горение факела.

О скорости горения на практике судят по величине теплового на­

где (2— количество выделившегося тепла в секунду, Мет; Vх—топочный объем, м3.

Теоретически тепловые напряжения могут быть очень велики, достигая

50Мвт/м3.

Вдействительности эти напряжения в котельных камерных топках

составляют 0,2—0,4, а в печах до 0,35—1,2 Мвт/м3 и только в циклонных камерах они достигают 6,5—12 Мвт/м3. Это указывает на то, что топоч­

ные объемы используются в основном для подготовительных процессов, а для собственно горения не требуется таких больших объемов.

Длина факра при сжигании данного газа зависит от смесеобразу­ ющих свойств газогорелочного устройства, степени предварительного смешения, скорости вытекающего потока, диаметра сопла, коэффици­ ента избытка воздуха* и условий развития горящей струи.

* Отношения фактически подаваемого количества воздуха к теоретически потреб­ ному количеству (см. стр. 242).

234

ОСОБЕННОСТИ ГОРЕНИЯ ЖИДКОГО ТОПЛИВА

Процесс сжигания состоит из пульверизации (распыливания) при помощи форсунок, испарения и термического разложения жидкого топ­ лива, смешения полученных продуктов с воздухом, воспламенения смеси

и собственно горения (рис. 17-12).

Цель пульверизации заключается в увеличении поверхности сопри­ косновения жидкости с воздухом и газами. Поверхность при .этом воз­ растает в несколько тысяч раз..3а счет сильного излучения горящегофа­ кела капельки очень быстро испаряются и подвергаются термическому разложению (крекингу). На рис. 17-13 изображена схема факела с нане­ сением характерных зон: испарения, крекинга и горения. Эти зоны в не­ которой мере накладываются одна на другую.

При сжигании жидкого топлива факел состоит из трех фаз—жид­ кой, твердой (дисперсный углерод от разложения жидких углеводоро­ дов) и газообразной.

Скорость горения, как и при-сжигании горючих,газов, зависит од1ус­ ловий смесеобразования, степени предварительной аэрации, степени тур­ булентности факела, температуры камеры сгорания и условий развития факела. Факел получается светящимся в результате наличия в нем рас­ каленного дисперсного углерода. Высокомолекулярные углеводородные газы, разлагаясь при высоких температурах на простые соединения, вы-

мазуту

Термическое \ разложтожеение-

1Горение I

дёляют сажистый углерод, размеры частичек которого очень малы (~ 0,3 мкм). Эти частицы, раскаляясь, придают пламени светящийся характер. Можно, однёко, заставить пламя тяжелых углеводородов сни­ зить светимость; для этого следует осуществить частичное предваритель­ ное смешение, т. е. подать в форсунку некоторое количество воздуха. Кислород изменяет характер разложения органических молекул: углерод

выделяется не в твердом виде, а в виде окиси углерода, горящей ейнё- -ватым прозрачным пламенем.

ГОРЕНИЕ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА (ГЕТЕРОГЕННОЕ ГОРЕНИЕ)

Для окисления топлива требуется большое количество воздуха, пре­ вышающее в несколько раз по массе количество топлива. При продува­ нии слоя топлива воздухом сила аэродинамического давления потока Р может быть меньше веса кусочка топлива С или, наоборот, больше его.

Силу аэродинамического давления набегающего потока определяют по формуле

(неподвижный) слой (0>Р) или взвешенный слой, когда поток газов

несет с собой частицы топлива (0<Р).

Промежуточное состояние характерно для так называемого .«кипя­ щего» слоя (рис. 17-14), который наблюдается при.скоростяхпотока, вы­

236