Кинетические параметры процесса горения
Кинетика процессов горения
Кинетика горения – это учение о скорости и механизме химических реакций при сгорании топлив.
Под горением понимают быстропротекающее химическое превращение, сопровождающееся выделением значительного количества тепла и обычно ярким свечением (пламенем).
В общем случае при горении происходит образование новых молекул или перераспределение химических связей между молекулами, участвующими в реакции. Такой процесс возможен, если топливо имеет состав, несущественно отличающийся от стехиометрического и реагирующие элементы находятся в непосредственном соприкосновении. Следовательно, необходимым условием осуществления окислительно-восстановительной реакции является столкновение реагирующих молекул. Согласно молекулярно-кинетической теории газов, каждая молекула за счет хаотического теплового движения испытывает 10 9 столкновений в секунду. Если бы при каждом соударении молекулы реагировали между собой, то любая реакция протекала бы мгновенно. Этого мы не наблюдаем на практике.
| E1 |
| E2 |
| E |
| E0 |
| Еисх |
| Q |
 |
| 2СО + О2=2СО2+ Q |
| 3.1. Изменение энергии при горении окиси углерода |
Для того, чтобы произошла реакция, т.е. образовались новые молекулы, необходимо сначала разорвать или ослабить связи между атомами в молекулах исходных веществ. На это надо затратить определенную энергию. Если сталкивающиеся молекулы не обладают такой энергией, столкновение будет неэффективным. В качестве примера на рис.3.1 схематично показано изменение энергии по времени при догорании угарного газа в среде кислорода
В исходном состоянии средняя энергия всех частиц, находящаяся в реагирующей системе, – Eисх. При подведении энергии в каком-либо объеме системы и доведение ее до уровня Е1 начнется химическая реакция, которая затем пойдет самопроизвольно с выделением теплоты, при этом энергетический уровень продуктов реакции понизится до Е2. Здесь количество выделенной теплоты Q = Eисх – Е2. Превышение энергии Е1 над Еисх обозначают Е0, измеряют в Дж/кг и называют э н е р г и е й а к т и –
Для моля энергия активации обозначается 
и измеряется в Дж/моль
Энергия активации, это избыточная энергия, которой должны обладать молекулы для того, чтобы их столкновение могло привести к началу химической реакции.
Величина энергии активации зависит от структуры молекул, температуры реагирующих компонентов. Определяют ее экспериментально. Молекулы, обладающие энергией Е1 = Еисх + Е0, называют активными молекулами или активными комплексами. Активный комплекс – это неустойчивое промежуточное состояние химических элементов (связи разорваны) с большим запасом энергии. Чем больше активных молекул в реагирующей смеси, тем более интенсивно, с большей скоростью будут протекать химические реакции.
Под скоростью химической реакции понимают количество молей вещества, прореагировавшее в единице объема в единицу времени.
Весьма сильное влияние на скорость реакции оказывает температура смеси. С ростом температуры увеличивается интенсивность взаимных соударений реагирующих молекул, что способствует росту скорости реакции. Например, для некоторых реакций увеличение температуры всего на 10° приводит к возрастанию скорости в 2…4 раза.
В связи с этим скорость химической реакции будет определяться концентрацией молекул, их температурой и энергией активации.
W = к0 
(3.1)
где W – скорость химической реакции;
к0 – характерная для исследуемой реакции константа;
cB, cD – концентрации исходных продуктов реакции;
– энергия активации;
– универсальная газовая постоянная;
Выражение (3.1) показывает, что зависимость скорости химической реакции от температуры носит экспоненциональный характер.
Химическая реакция горения в большинстве случаев является сложной, т.е. состоит из большего числа элементарных химических процессов. Кроме того, химические превращения при горении связаны с рядом физических процессов (переносом тепла и масс) и характеризуются соответствующими гидро и газодинамическими закономерностями. В силу комплексной природы горения суммарная скорость горения практически никогда не тождественная скорости чисто химического взаимодействия.
Характерная черта горения – способность к пространственному распространению. Это объясняется либо диффузией активных частиц в топливной смеси, либо образованием новых активных центров вследствие подвода энергии в форме теплоты из зон химических реакций. В первом случае говорят о диффузионном, а во втором – о тепловом механизме распространения пламени.
Для любого вида горения характерны две типичные стадии – воспламенение и последующее сгорание (догорание) топлива. Время, затраченное на обе стадии, составляет общее время горения. Обеспечение минимального суммарного времени горения при максимальном тепловыделении является основной задачей техники сжигания.
Различают гомогенное и гетерогенное горение. При гомогенном горении горючее и окислитель подаются в одинаковых агрегатных состояниях, при гетерогенном – в разных.
Кинетические параметры процесса горения
Факельный вид горения. Диффузионный, кинетический режимы горения.Кинетическое ламинарное пламя. Форма пламени. Уравнение поверхности пламени. Устойчивость пламени. Проскок и отрыв пламени. Критерий устойчивости. Диффузионное ламинарное пламя. Форма пламени. Решение Бурке-Шумана. Смешанное диффузионно-кинетическое пламя.
1.Факельный вид горения.
Это наиболее старый способ сжигания топлива.
Используется в котельных установках, технологических печах и аппаратах, в быту, а также в ПВРД.
Таким образом, факел представляет собой стационарное пламя правильной формы, возникающее в струе горючей смеси (механизм образования не имеет значения)
Рис.1. Простейшая схема факела.
Внешне воспринимается как совокупность темного конуса и светящейся эллипсоидальной области.
Эффективность горения определяет LФ
2. Диффузионный и кинетический режимы горения.
      Для первого типа главную роль играет явление диффузии, смешения (молекулярной, турбулентной).
      Для второго типа главную роль играет кинетика химических реакций (тепловой и цепной механизмы распространения пламени).
       Горение – это процесс преобразования смеси одних химических соединений в смесь других химических соединений (продуктов горения), текущий в режиме самоорганизации и сопровождающийся (обычно) выделением тепла и света.
При диффузионном режиме горения tпреобр определяется гидродинамикой геометрической области преобразования, т.е. определяется интенсивностью процесса смешения, а также родом горючего и окислителя.
3.“Кинетическое” ламинарное пламя.
       Кинетическое пламя – это горение однородной газовой смеси, которое происходит благодаря распространению пламени в горючей смеси, непрерывно поступающей в топочную камеру.
      Ламинарное “кинетическое” пламя – имеет место при ламинарном движении горючей смеси.
      Пусть в горелку, расположенную вертикально, во избежании искривления факела подаётся однородная смесь. При ламинарном движении смеси скорость её движения распределяется в горелке по параболе. Аналогичное распределение скорости сохраняется и на выходе из горелки: у стенок горелки скорость очень мала, далее она возрастает, достигая максимального значения на оси горелки.
Рис.2. Распределение по скоростям в пламени горелки
      Кольцевая зона зажигания образуется естественно в результате замедленного движения на периферии горелки и диффузии горючего газа из потока наружу.
      Пламя в процессе распространения от периферии к центру одновременно относится потоком, и в результате этого достигает оси струи на некотором расстоянии от устья горелки, образуя конусообразный факел. Тонкая зона горения, образующая фронт пламени, обычно имеет ярко-голубой цвет, благодаря чему в пространстве факел чётко выделяется.
      Время, необходимое для распространения пламени от периметра горелки до центра струи
       
    ,где R – радиус горелки.
которое соответствует длине факела. Получаем, что длина ламинарного факела равняется
      Таким образом, горение протекает по поверхности конусообразного факела, причём глубина зоны горения составляет десятые доли миллиметра, основной же объём факела остаётся инертным.
4.Уравнение поверхности. Устойчивость пламени.
      Фронт пламени однородной смеси принимает устойчивое положение по конусообразной поверхности, в каждой точке которой нормальная к ней составляющая Wn скорости движения газа равняется нормальной скорости распространения пламени, т.е.
– уравнение фронта пламени
,где W – местная скорость потока.
φ – угол между направлением внешней нормали к фронту пламени и местной скоростью потока.
      Кроме области вблизи горелки или кромки стабилизатора W намного больше нормальной скорости распространения пламени.
      В открытом факеле при ламинарном горении однородной смеси с зажиганием по периферии устья круглой горелки фронт пламени принимает устойчивое положение по конусообразной поверхности.
      Метод сжигания однородной газо-воздушной смеси в ламинарном потоке не имеет промышленного распространения и применяется лишь в небольших нагревательных приборах.
5.Проскок и отрыв пламени.
   
Риc.3 Распределения скорости пламени и потока (по абсол.величине, без учета направления) в случае отрыва (а) и проскока (б).
6. Диффузионное ламинарное пламя.
Пламя, которое образуется при истечении топлива в среду окислителя, называется диффузионным.
Рис.4 Форма диффузионного пламени а) при избытке окислителя, б) при избытке горючего.
Ламинарное диффузионное пламя наблюдается при ламинарном истечении горючего и окислителя.
Ученые предложили следующую модель пламени рассматривали пламя как процесс изотермического смешения в однородном газе. Предположение Бурке и Шумана сводятся к следующему:
Пункты 4 и 5 означают, что горение протекает при = const
    
  ,где
– высота пламени при низкой скорости течения.
Ω – объем расхода газа через горелку.
Режимы горения
Диффузионное и кинетическое горение
Рис. 1.2. Диффузионное горение метана
Отношение ΔmCH4/ тд по сути дела есть скорость диффузии, а это означает. что скорость горения в этом опыте определяется скоростью диффузии. т. е. скоростью смесеобразования.
Такое горение называют диффузионным.
При таком горении зона горения размыта, пламя имеет желтый оттенок. Из-за наличия в зоне химических реакций областей с низким содержанием окислителя в процессе горения образуются продукты неполного окисления, пламя коптит.
Рис. 1.3. Кинетическое горение метана
В зону химических реакций будет попадать уже готовая к горению горючая смесь. Это означает, что тД= 0. смесеобразование происходит как бы мгновенно. Тогда из формулы (1.12) следует:
Величина ΔmCH4/ тхр пропорциональна скорости химической реакции, поэтому скорость горения в этом случае зависит только от скорости химической реакции, которая значительно выше скорости диффузии.
Экспериментально это сразу будет заметно, в таком опыте придется увеличить скорость подачи газа, иначе пламя резко опустится и уйдет в трубку. Зона горения в этом опыте резко очерчена, пламя имеет голубой цвет.
Такое горение называется кинетическим.
Кинетическое горение газа можно наблюдать на горелках кухонной газовой плиты. Горелки устроены так. что в них при прохождении газа подсасывается воздух и в зону горения попадает уже газовоздушная смесь.
Кинетическому горению свойственно более полное сгорание, более высокая скорость горения и. как следствие, высокая скорость тепловыделения (Дж/с) и высокая температура пламени.
При кинетическом горении зона горения, т. е. зона химических реакций. представляет собой четко выраженную светящуюся область определенной толщины, называемую фронтом пламени, который отделяет свежую горючую смесь от продуктов горения.
На газовой горелке фронт пламени кажется неподвижным, так как его положение не меняется во времени относительно самой горелки. Однако на самом деле он движется по горючей газовой смеси со скоростью, равной скорости движения этой смеси относительно горелки. В этом можно легко убедиться, если уменьшить или прекратить подачу горючей газовой смеси, пламя в этом случае уйдет в горелку до места смешения горючего и окислителя.
Итак, если смесь горючего и окислителя заранее перемешана, то по такой смеси пламя может перемешаться. Возникнув в одной какой-то точке пространства, горение будет распространяться во все стороны на всю горючую газовую смесь.
Пример диффузионного и кинетического горения можно посмотреть на видео:
Дефлаграционное и детонационное горение
Скорость распространения фронта пламени по газовоздушным смесям может изменяться в пределах от 0.5 до 50 м/с в зависимости от горючего вещества. Скорость распространения пламени зависит не только от скорости химической реакции между горючим и окислителем, но и от скорости передачи тепла от зоны горения в холодную свежую смесь, так как процесс горения представляет собой непрерывное последовательное воспламенение и сгорание все новых и новых порций горючей смеси.
Распространение пламени со скоростью движения тепловой волны называется нормальным или дефлаграционным.
Таким образом, по механизму распространения пламени и соответственно по скорости распространения пламени различают дефлаграционное и детонационное горение.
Дефлаграционному (нормальному) горению свойственны скорости распространения пламени 0.5—50 м/с, а детонационному (взрывному) горению 500-3000 м/с.
Детонационное горение обладает большой разрушительной силой. Однако встречается этот вид горения достаточно редко. Для возникновения детонационного горения даже в системах, склонных к детонации необходимы специальные условия. Детонация, как правило, возникает в закрытых объемах и длинных трубах, когда создаются условия для ускорения пламени.
Пример детонационного горения Вы можете просмотреть на видео.
Гомогенное и гетерогенное горение
Гомогенным горением является не только горение газов, но и горение жидкостей, а также большинства твердых горючих материалов. Объясняется это тем. что при горении жидкостей горит не сама жидкость, а ее пары. В результате испарения с поверхности жидкости непрерывно в газовую фазу поступают пары горючего вещества, которые, смешиваясь с окружающим воздухом, образуют горючую паровоздушную смесь. Именно здесь в паровоздушной смеси, а не на поверхности жидкости будут происходить химические реакции горения. Визуально можно наблюдать, что пламя (зона горения) как бы немного оторвано от поверхности жидкости.
Похожая картина наблюдается и при горении большинства твердых горючих материалов: парафина, оргстекла, полиэтилена, древесины, торфа. хлопка, резины, различных пластмасс. На их поверхности под воздействием тепловых потоков могут происходить различные физико-химические процессы (плавление, испарение, термическое разложение). В результате образуются газообразные горючие вещества, которые и вступают в химическую реакцию горения с кислородом воздуха. Таким образом, и в случае твердых горючих материалов горючее вещество и окислитель в зоне горения оказываются в одной фазе, в одном агрегатном состоянии. Поскольку химические реакции горения происходят в газовой фазе, то над поверхностью твердого горючего материала наблюдается пламя. Наличие пламени является отличительным признаком гомогенного горения.
Примером гетерогенного горения может служить горение углерода (графит или углистый остаток после термического разложения древесины), который даже при высоких температурах остается в твердом состоянии. Кислород воздуха диффундирует к твердой поверхности и при достаточно высокой температуре (700-800 °C) на поверхности будет происходить химическая реакция между твердым углеродом и газообразным кислородом. Пламя в этом случае отсутствует, а признаком гетерогенного горения углерода будет являться ярко красное свечение поверхности углерода. Такое горение называется тлением. Некоторые твердые горючие материалы, способные к гомогенному горению, такие, как древесина, бумага, хлопок и др., могут тлеть в случае, если количество теплоты, поступающее к поверхности этого материала, мало для обеспечения интенсивного термического разложения материала с образованием газообразных горючих веществ. При гетерогенном горении существует поверхность раздела фаз (твердой и газовой), именно на поверхности раздела фаз и происходят химические реакции. Гетерогенное горение является диффузионным, так как прежде чем произойдет химическая реакция между горючим и окислителем необходимо, чтобы кислород продиффундировал к поверхности раздела фаз. которая в данном случае и является зоной горения.
Гомогенное горение бывает как диффузионным, так и кинетическим. Если имеется готовая горючая газовая смесь, т. е. горючее и окислитель в ней заранее перемешаны, то в ней будет наблюдаться кинетическое горение. при котором пламя распространяется по горючей смеси. Если же смешение горючего и окислителя происходит непосредственно в зоне горения, как это имеет место при истечении горючего газа в окислительную среду, то горение будет диффузионным. Из этого можно сделать вывод, что горение жидкостей и большинства твердых горючих материалов является гомогенным и диффузионным. Диффузионное пламя будет располагаться там. где при смешении образуется горючая газовая смесь.
Ламинарное и турбулентное горение
Гомогенное, диффузионное горение образовано потоком горючего газа, втекающим в окислительную среду. В зависимости от скорости потока. его диаметра и вязкости среды движение может быть ламинарным или турбулентным. Также и возникающее диффузионное пламя может быть ламинарным или турбулентным. Ламинарное пламя образуется при низких скоростях потока горючего и небольшом его диаметре. Ламинарное горение воспринимается как спокойное горение, когда пламя неподвижно относительно окружающей среды. Такое пламя можно наблюдать при горении свечи, при горении газа в горелке, если скорость истечения небольшая, а также при горении жидкости в небольших тиглях.
С увеличением скорости и диаметра потока газообразного горючего вещества происходит его турбулизация, появляются завихрения, пламя становится неустойчивым. Турбулизация пламени приводит к увеличению скорости смесеобразования и. как следствие, к увеличению скорости горения.
Развитый турбулентный режим горения наблюдается на пожарах газовых фонтанов, крупных резервуаров с горючими жидкостями, больших штабелей древесины.
Ламинарный и турбулентный режимы горения характерны как для диффузионного, так и для кинетического пламени. При ламинарном кинетическом горении фронт пламени гладкий, движение его спокойное. При турбулизации кинетического горения происходит искривление фронта, образуются вихри и фронт разбивается на отдельные очаги. При этом скорость горения увеличивается, увеличивается и скорость движения зоны горения. Турбулизации кинетического горения и его ускорению способствует наличие препятствий на пути движения фронта. Так. кинети-ческое пламя хорошо турбулизуется и ускоряется в загроможденных помещениях. Турбулизация и ускорение китентического пламени может способствовать переходы дефлаграционного горения в детонацию.
Пример турбулентного горения в видео:
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ
Основными характеристиками, определяющими вид процесса горения, являются:
Режимы горения зависит от агрегатного состояния горючего вещества и окислителя.
Концентрация кислорода в объеме (Су) значительно больше концентрации его вблизи зоны горения (Со). В отсутствие достаточного количества кислорода в зоне горения химическая реакция горения тормозится.
Область горения, в которой время горения зависит только от скорости химической реакции называется кинетической, т. е. в ней тх»тк. Так горят однородные горючие смеси, в которых молекулы окислителя хорошо перемешаны с молекулами горючего вещества (чаще всего это газо- и паровоздушные смеси).
Область горения, в которой скорость процесса зависит только от времени, необходимого для контакта кислорода и горючего (скорости диффузии кислорода к горючему веществу), называется диффузионной, т. е. в ней тк»тх.
Например, при горении твердых горючих веществ, время необходимое для проникновения (диффузии) кислорода к поверхности вещества, гораздо больше времени химической реакции.
Газодинамические параметры режима горения определяются в зависимости от газодинамического состояния горючей смеси (интенсивности и характера поступления горючей смеси в зону реакции).
На рисунке 6 показаны режимы ламинарного и турбулентного горения газовоздушной горючей смеси. Зона горения при ламинарном режиме имеет четкую границу (8 лам); при турбулентном режиме зона горения размыта (81).