Горюча і робоча суміші, коефіцієнт надлишку повітря

Горінням називають швидкоплинну реакцію, яка супроводжу­ється виділенням теплоти і випромінюванням світла. Як прави­ло, це процес окислення, сполучення палива з киснем повітря (іноді з чистим киснем) або з іншим окислювачем. Характерною особливістю цього процесу є велика швидкість реакції, при якій тепло, що виділяється, не встигає розсіюватися, внаслідок чого різко підвищується температура. Цим відрізняється процес го­ріння від дуже повільних окислювальних процесів — гниття і ржавіння, а також від дуже швидкого, майже раптового окислю­вального процесу — вибуху.

Горіння — складний процес, при якому хімічні реакції су­проводжуються фізичними явищами: перемішуванням палива і повітря, дифузією, теплообміном тощо. Розрізняють гомогенне горіння, коли паливо і окислювач знаходяться в газоподібному стані; гетерогенне, коли речовини перебувають в різному агрегат­ному стані, наприклад, рідкі та газоподібні.

Для процесу горіння необхідно, щоб горючі речовини і окис­лювач мали певну (для кожної речовини) температуру, при якій порівняно швидко відбувається їх взаємодія. Температура, при якій хімічний процес різко прискорюється і при зіткненні з від­критим вогнем речовина займається, називається температурою займання. Якщо займання речовини відбувається без стикання з відкритим вогнем, матимемо температуру самозаймання. Далі го­ріння продовжується внаслідок безперервного виділення тепла, необхідного для підтримування температури на достатньо високо­му рівні.

Швидкість процесу горіння залежить в основному від умов сумішоутворення. У такому разі горіння розділяють на кінетичне і дифузійне. Якщо процес утворення суміші палива і повітря передує горінню, то горіння називають кінетичним; якщо про­цеси відбуваються одночасно — дифузійним. На практиці, зде­більшого, спостерігається змішане горіння, яке називають ди­фузійно-кінетичним.

За температуру горіння приймають температуру, до якої нагріваються газоподібні продукти згоряння внаслідок горіння палива. Розрізняють теоретичну і дійсну температуру горіння.

Теоретичною температурою горіння називається максимальна температура, яка може бути досягнута при відсутності втрат від теплообміну. Для рідких палив вона становить 1800-2000 °С, а для твердих – 1450-1800 °С.

У реальних умовах процес горіння супроводжується тепло­обміном і тепловими втратами, тому продукти згоряння мають, як правило, температуру, яка нижче теоретичної.

Вид палива, його властивості визначають особливості проце­су горіння. Згоряння твердого палива (вугілля) може відбува­тись у товщині шару (шарові камери згоряння), а також у пилоподібному стані (факельні камери згоряння).

Горіння твердого палива (не тільки вугілля) в шаровій камері згоряння (топці) складається з таких стадій: випаровування вологи (підсушка палива), виділення та горіння горючих лет­ких речовин у топковому просторі і горіння безпосередньо на колосниковій решітці. Таким чином, частина твердого

палива згоряє в топковому просторі, а частина — на колос­никовій решітці.

Згоряння палива у товщині шару широко використовуєть­ся в народному господарстві (топки котельних установок, про­мислових печей, газогенераторів) і в побуті, для опалення приміщень у сільській місцевості.

Суть процесу спалювання пиловидного палива полягає тому, що попередньо подрібнене паливо, за допомогою повітря, через пальник вдувається в топкову камеру, де згоряє у завислому стані. Спалювання палива у пилоподібному стані економічно вигідно, оскільки при цьому може використовуватись паливо з високим вмістом вологи і золи (буре вугілля, горючі сланці тощо), а також відходи вугільної промисловості.

Пилоподібне паливо широко застосовується в топках котель­них установок ТЕЦ, крім того ведуться дослідження щодо вико­аливо р його у двигунах внутрішнього згоряння.

Рідке паливо спалюється різними способами. Один з них полягає в тому, що рідке паливо попередньо переводиться у га­аливо розд стан, пари палива перемішуються з повітрям і спалю­ються (кінетичний процес горіння). Цей спосіб застосовується для спалювання рідких палив легкого фракційного складу в бен­зинових двигунах.

Другим поширеним способом є спалювання рідкого палива в крапельному вигляді. Для прискорення горіння попередньо роз­пилюють паливо на дрібні краплі з наступним спалюванням у фа­келі. Розпилюється воно спеціальними пристроями — форсунками.

Спалюється газоподібне паливо з допомогою спеціальних при­строїв, які називають газовими пальниками. Газ і повітря, необхідне для горіння, подаються через пальник у топкову камеру, де утворю­ється струмінь газу, що горить (факел).

Співвідношення палива і окислювача, яке відповідає хімічній реакції повного окислення горючих елементів (повне згоряння) називається стехіометричним.

Кількість кисню, теоретично необхідна для спалювання 1 кг твердого або рідкого палива, можна визначити на основі стехіометричного відношення для реакцій горіння елементів горючої маси палива (С, Н, S).

З рівнянь повного згоряння цих елементів: С+О₂=СО₂ (12+32=44), 2Н+О₂=2Н₂О (4+32=36), S+O₂=SO₂ (32+32=64), враховуючи їх атомну масу, знаходимо, що для спалювання 12 кг

вуглецю потрібно 32 кг кисню, а для спалювання 1 кг вуглецю потрібно 32/12=2,67 кг кисню. Аналогічно, для спалювання 1 кг водню потрібно 8 кг кисню, а для спалювання 1 кг сірки — 1 кг кисню.

Тоді формула для підрахунку теоретично необхідної кількості кисню (кг) для спалювання 1 кг палива буде мати вигляд:

О_т = (2,67С+8Н + S – О)/100,

де С, Н, S, О — хімічні елементи горючої частини палива в % за масою.

Для спалювання палива, як правило, подається повітря, в якому кисень становить 23,2 % за масою. Тоді теоретично необхідну кількість повітря (кг) для спалювання 1 кг палива визначають за формулою:

L_r=(2,67C+8H+S-O)/23,2

Кількість повітря зручніше визначати в м³/кг. Тоді формула матиме вигляд:

L_T= (2,67С+8Н + S – О)/23,2 -1,29 = (2,67C+8H +S-O)/30,

де 1,29 — маса 1 м³ повітря.

Для газоподібного палива кількість повітря (м³/м³) визначають за формулою:

L_T= [0,5(H₂+CO)+(n+m/4) C_nH_m-O₂]/21,

де n — число атомів вуглецю; m — число атомів водню; 21 — вміст кисню у повітрі, % за об’ємом.

Склад газу у формулі даний у відсотках за об’ємом. Для деяких видів палив кількість теоретично необхідного по­вітря для повного згоряння палива (в кілограмах) наведено нижче:

Авіаційний бензин......................... 14,9

Автомобільний бензин..................... 14,8

Дизельне паливо............................... 14,4

Етиловий спирт.................................. 9,0

Метиловий спирт............................... 6,5

Бензол............................................... 13,2

У виробничих умовах здійснити повне спалювання палива з теоретично необхідною (розрахунковою) кількістю повітря практично неможливо. Тому для цього, як правило, подають надлишок повітря, тобто процес відбувається не з розрахун­ковою, а з фактичною (дійсною) кількістю повітря L _д.

Відношення дійсної витрати повітря до теоретично необхідної для спалювання 1 кг (1 м³) палива називають коефіцієнтом над­лишку повітря (а):

а = L_Д/L_T.

Суміш палива і повітря називають горючою сумішшю. Залеж­но від співвідношення кількості палива і повітря горюча суміш може бути: нормальна а =1, бідна а >1, багата а < 1. При зна­ченнях, близьких до одиниці — збіднена або збагачена.

Робота двигуна як на бідній, так і на багатій горючій суміші економічно невигідна. У першому випадку суміш розбавляєть­ся великою кількістю інертного азоту і надлишкового кисню, швидкість і температура горіння знижується, двигун не розви­ває потрібної потужності. У другому — нестача кисню призво­дить до утворення продуктів неповного згоряння палива, дви­гун димить, витрата палива збільшується, а потужність зни­жується. Тому необхідно забезпечити повне згоряння палива з якомога меншим коефіцієнтом надлишку повітря

Коефіцієнт надлишку повітря визначають за формулами: при повному згорянні

а = 1/(1 – 3,76 O₂/N₂);

при неповному

а = 1/[1- 3,76 (О₂ – 0,5CO)/N₂ ];

де О₂, CO, N₂ — процентний вміст за об’ємом у продуктах згоряння відповідно кисню, оксиду вуглецю (визначають з допо­могою спеціальних приладів-газоаналізаторів) і азоту (підраховують за різницею N₂ =100 – (СО₂ +О₂ +СО).

Теплота згоряння горючої суміші (Q_re) залежить від кількості теплоти, виділеної паливом і об’єму повітря

Q_rс⁼Q_H/(1+аL_T)

Для різних видів палива теплота згоряння нормальних горю­чих сумішей приблизно однакова — 2770 кДж/кг.

Горюча суміш, яка змішалась із залишковими газами від попе­реднього циклу, називають робочою сумішшю. Якщо потрібно визначити теплоту її згоряння, то вносять поправку на коефіцієнт надлишкових газів. На практиці теплоту згоряння горючої і робо­чої суміші прирівнюють.

Характер процесу горіння можна визначити за складом продуктів згоряння палива. Для цього існують різні газоаналі­затори: хімічні, електричні, магнітні, механічні. Більш точні — хімічні, більш зручні — автоматичні і електричні. Найбільш поширені — прості хімічні газоаналізатори, які дозволяють визна­чати у відпрацьованих газах вміст вуглекислого газу, кисню і оксиду вуглецю. Принцип дії газоаналізатора полягає в погли­нанні розчинами певних складових елементів відпрацьованого газу, який послідовно пропускають через ці розчини. За відпо­відним збільшенням об’єму знаходять процентний вміст кожно­го окремо поглиненого компонента. Так, відсутність оксиду вуг­лецю свідчить про повне згоряння палива, а наявність СН, CO і Н₂ — про неповне.

Дата добавления: 2014-01-04