ПРОЦЕССЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА
Лекция 2 Горение топлива
2.1 Сущность горения
2.2 Воспламенение
2.3 Виды горения и механизм распространения пламени.
2.4 Теплота сгорания топлива.
2.5 Энтальпия топлива и продуктов сгорания.
2.6 Преобразование тепловой энергии продуктов сгорания в механическую работу
2.7
2.8 ПОТРЕБНОЕ КОЛИЧЕСТВО ОКИСЛИТЕЛЯ
2.9 Стехиометрический коэффициент элементов
2.10 Стехиометрический коэффициент сложных горючих
2.11 Коэффициент избытка окислителя
2.1 Сущность горения
Горение представляет собой физико-химический процесс, при котором превращение реагирующих веществ сопровождается изменением их химического, а в ряде случаев и агрегатного строения и частичным переходом химической энергии межатомных или межмолекулярных связей в тепловую форму. Для протекания такой реакции необходимо наличие двух групп веществ: горючего и окислителя. По химической сути горение представляет окислительную реакцию, при которой внешние электроны атомов элемента-горючего переходят к атомам элемента-окислителя. Сущность окисления заключается в переходе валентных (внешних) электронов от атомов горючего элемента к атомам элемента-окислителя. Приобретая в результате этого положительный заряд, атомы горючего притягиваются к отрицательно заряженным атомам элемента-окислителя. Реакция данного типа способна протекать с прогрессирующим самоускорением обусловленным накоплением выделяющегося тепла или в следствии образования активных промежуточных продуктов. Она будет протекать вплоть до образования устойчивых при данных условиях химических соединений таких как, например, вода или углекислый газ. Непрерывное протекание реакции горения требует интенсивного тепломассобмена реагирующих веществ. Такие условия имеются только в газовой среде, их нет в жидких и твердых телах. Т.е. жидкое и твердое топливо сначала должно газифицироваться посредством испарения. сублимации или разложения и лишь после этого возможно горение.
2.2 Воспламенение
Воспламенение является начальной стадией горения, в течение которой энергия, подводимая к системе от внешнего источника, приводит к резкому ускорению химической реакции из-за прогрессивного накопления тепла (тепловое воспламенение.) или активных промежуточных веществ (цепное воспламенение). Возможны два предельных режима теплового воспламенения: самовоспламенение и зажигание.
Самовоспламенение обычно приводит к объемному горению, которое начинается в центре объема и распространяется к периферии. Характеризуется быстрым химическим превращением веществ и соответствующим тепловыделением.
Зажигание.Происходит в результате нагревания вещества от высокотемпературного источника тепла - накаленного тела, пламени, электрической. искры и др. При достаточной мощности источника воспламенения подводимое тепло не успевает равномерно распределиться по всему объему , что приводит к разогреву близлежащего слоя вещества до температуры начала реакции. Начало реакции сопровождается дальнейшим ростом температуры и выделением тепла, что в свою очередь инициирует разогрев и воспламенение все более удаленных слоев с образованием волны горения... При этом реакция горения может развиваться как по тепловому, так и по цепному механизму.
2.3 Виды горения и механизм распространения пламени.
. Горение, как физико-химическое превращение вещества, происходит в ограниченном пространстве (фронте пламени) с определенной скоростью (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Схема фронта пламени при ламинарном горении однородных смесей.
1 — изменение температуры;
2 — изменение концентрации исходных продуктов;
Твс — температура воспламенения;
Тгор — температура горения;
δхр — ширина зоны химической реакции;
δт — ширина зоны топлива;
δп, — ширина зоны пламени; Un — нормальная скорость распространения пламени.
Различают диффузионное и кинетическое горение.
Диффузионное горение имеет место тогда, когда скорость подачи реагирующих веществ в зону горения значительно ниже скорости химического превращения топлива. В этом случае скорость процесса определяется преимущественно гидродинамическими факторами и зависит от свойств топлива.
Кинетическое горение имеет место, когда скорость процесса горения в основном зависит от химических свойств топлива в зоне горения, а гидродинамические факторы подготовки топлива играют меньшую роль.
По механизму распространения зоны реакции различают:
нормальное распространение пламени (тихое);
цепное, путем умножения очагов само воспламенения:;
детонационное горение (взрывное).
Нормальное распространение фронта пламени является основным и практике применения топлив в ДВС. Скорость нормального распространения пламени составляет 0,4-0,5 м/с [ ]. Механизм нормального распространения пламени обусловлен передачей теплоты и активных промежуточных продуктов реакции из зоны горения в свежую горючую смесь.
Цепной механизм распространения пламени осуществляется в результате диффузии активных продуктов из зоны реакции в свежую смесь. Распространение зоны горения путем умножения очагов самовоспламенения можно представить как самовоспламенение частично прореагировавшей горючей смеси нагретыми продуктами сгорания в процессе турбулентного перемешивания.
Рис. 2.2. Схема фронта пламени при турбулентном горении однородных смесей, а) малая интенсивность турбулентности;
б) большая интенсивность турбулентности.
Турбулентность значительно увеличивает скорость горения, особенно в диффузионной области развития процесса.. Степень и интенсивность турбулентности улучшают качество распыливания, повышают скорость испарения топлива и смешения его паров с воздухом. Скорость горения может достигать значений 10-50 м/с.
Детонационное распространение пламенипроисходит при воспламенении горючей смеси вследствие сжатия ее в ударной волне. Ударная волна проходя по горючей смеси, вызывает ее нагрев. Степень нагрева ее зависит от скорости ударной волны, температуры и давления. Если степень сжатия достаточна для воспламенения смеси, то возникает детонационная волна Детонационная волна представляет собой совместное распространение механической ударной волны с фронтом пламени. Скорость распространения детонационных волн определяется скоростью звука в данной среде и составляет от 1200 до 3500 м/с.