Теоретические основы теплотехники. Ляшков В.И. - 135 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ТГТУ | Тамбов

Составители: 

Рубрика: 

Различают гомогенное и гетерогенное горение. При гомогенном горении топливо и окислитель подаются в
газообразном состоянии. При гетерогенном – реакции протекают между веществами, имеющими различное агрегатное
состояние.
Реакции окисления возможны только при столкновении молекул горючего с молекулами кислорода. Но не все
сталкивающиеся молекулы вступают в реакцию, а только те, которые обладают запасом энергии для нарушения
внутримолекулярных связей. При низких температурах энергия молекул намного ниже энергии активации, с повышением
температуры энергия молекул растет и все химические реакции происходят с большей скоростью, так как число
активированных молекул возрастает.
Основные особенности реакции горения объясняются теорией цепных реакций, разработанной лауреатом Нобелевской
премии академиком Н. Н. Семеновым. Согласно этой теории реакции горения протекают с образованием цепи непрерывно
восстанавливаемых активированных центров. На рис. 3.2 схематично отображен механизм образования цепной реакции при
горении. Возбудителем цепной реакции являются активные атомы и даже частицы со свободной валентностью (их называют
радикалами), которые легко соединяются с другими атомами, образуя промежуточные комплексы. Последующие
взаимодействия этих комплексов с другими атомами или группами приводят к образованию конечного продукта реакции и
выделению новых радикалов, число которых растет лавинообразно. Из рисунка видно, например, что единственный радикал
водорода при столкновении с молекулой кислорода уже после двух промежуточных превращений дает два радикала, затем
их становится уже четыре и т.д. Так что реакция вовсе не протекает по уравнению
2Н
2
+ О
2
= 2Н
2
О,
как это принято записывать, опираясь на массовые соотношения. Такие уравнения, отражающие лишь исходные продукты и
результат реакции, но не отражающие химизм и кинетику горения, называют стехиометрическими соотношениями. Цепные
реакции происходят с огромными скоростями.
Скорость химической реакции
w
х
зависит от концентрации реагирующих веществ, температуры и давления реагентов
b
B
a
Ax
CCkw = ,
где
C
A
и C
B
– концентрации; k – константа скорости реакции; a и b – опытные константы, характеризующие влияние каждой
из концентраций. Константа скорости реакции при росте температуры увеличивается по закону Аррениуса:
k = k
0
e
-E/(RT)
,
где Е – энергия активации (85 … 170 МДж/кг для газовых смесей).
Температура смеси, при которой цепные реакции происходят с разветвлением, называется температурой воспламенения
смеси. Для газов это 500 … 750
°С.
Время сгорания топлива складывается как бы из двух частей
τ = τ
физ
+ τ
хим
.
За τ
физ
достигается контакт топлива с окислителем, τ
хим
– время протекания непосредственно химической реакции. Если
τ
физ
<< τ
хим
, то горение называют кинетическим. Кинетическое горение характерно для газовой смеси, где кислорода больше,
чем теоретически необходимо для сгорания, Если же
τ
физ
>> τ
хим
, то горение называют диффузионным. Такое горение имеет
место, когда топливо и окислитель подаются раздельно, а перемешивание их осуществляется за счет взаимной диффузии.
Та зона, где происходит непосредственное горение называется пламенем. Если смесь газа тщательно подготовлена
(перемешана), то пламя имеет малую толщину от 0,003 до 0,6 мм – говорят о фронте пламени. Фронт пламени перемещается
со скоростью 6 … 30 м/с. При повышении давления скорость фронта пламени резко возрастает и сгорание переходит в
детонацию – это практически взрывное горение, когда скорость пламени достигает нескольких километров в секунду.
Скорость пламени зависит от процентного содержания горючего газа в смеси. Бедные (мало горючего) и очень богатые
смеси не зажигаются обычным способом и не горят (см. табл. 5). Скорость пламени заметно повышается с увеличением
температуры смеси. Присутствие балласта N
2
и СО
2
снижает скорость пламени почти пропорционально их процентному
содержанию.
Различают ламинарное (спокойное, струйчатое) сгорание смеси и турбулентное горение, которое на практике
встречается намного чаще (в большинстве технических устройств). Если скорость смеси
w
см
больше, чем скорость пламени
w
пл
, то возможен отрыв пламени от горелки, при w
см
< w
пл
– проскок пламени внутрь горелки. И то и другое – явления
нежелательные и опасные.
Гетерогенное горение сопровождается рядом особенностей.
5 Примерные значения концентраций и температур
воспламенения газо-воздушных смесей
при t = 20
°С и р = 0,1 МПа (по данным из [30])
Газ
Химическая
формула
Пределы концентраций,
нижний – верхний, %
Температура
воспламенения
Водород H
2
4,0 ... 9,5 65 ... 75 580 ... 590
Окись углерода CO 12 ... 15,6 71 ... 75 644 ... 658
Метан CH
4
4,9 ... 6,3 12 ... 15,4 650 ... 750
Этан C
2
H
6
3,1 12,5
Пропан C
3
H
6
2,4 9,5
H

Страницы