Воспламенение топлива, температура воспламенения
Лекция № 9 Воспламенение топлива, температура воспламенения
Окисление топлива и горение представляют собой один и тот же химический процесс, физическое проявление которого совершенно различно. Постепенное нарастание количественной стороны процесса окисления способствует возникновению качественно нового процесса - горения. Критический момент перехода от спокойного окисления к бурному горению называют воспламенением топлива. Часто бывает достаточным появления лишь искры, чтобы началась цепная реакция и произошло воспламенение всего горючего, переходящее в бурно развивающийся процесс горения топлива или даже взрыв.
Минимальная температура реагентов, при достижении которой происходит развитие бурного самоускоряющегося процесса горения, называется температурой воспламенения топлива.
Температура воспламенения топлива зависит от состава, физической структуры топлива и от условий, в которых происходит процесс зажигания. В основе процесса зажигания и воспламенение лежит повышение температуры топлива и кислорода. Источник тепла может быть внешним, когда топливо и воздух подогреваются извне, или внутренним, когда реагенты получают тепло вследствие медленно идущего процесса окисления горючего.
Повышение температуры реагентов ускоряет процесс окисления топлива, ход которого зависит от соотношения процессов прихода тепла в очаге реакции окисления топлива и расхода тепла из очага по условиям теплопередачи. С увеличением температуры интенсивность обоих процессов возрастает. Таким образом, изучение процессов воспламенения сводится к рассмотрению процессов окисления и теплопередачи в какой-то конкретной обстановке. Процесс окисления в адиабатических условиях (при абсолютной теплоизоляции) всегда приведет к самовоспламенению топлива. С другой стороны, если все тепло химической реакции окисления уходит из очага и температура реагентов не повышается, то воспламенение произойти не может.
Воспламенение топлива от внешнего источника надежно и более быстро обеспечивает подъем температуры реагентов хотя бы в каком-либо месте. Далее по закону цепных реакций воспламенение и горение может распространяться по всему объему, занятому топливом и кислородом.
Более полно изучено воспламенение газообразного топлива в виде смеси горючего газа с воздухом или кислородом. Когда концентрация горючего в смеси равна начальной и является самой высокой, то температура смеси является минимальной. По мере уменьшения концентрации горючего, вследствие реакции, температура системы реагентов повышается. Когда концентрация горючего будет равна нулю, температура поднимается до максимальной, равной калориметрической.
Адиабатный процесс самовоспламенения и горения рассматривается при условии постоянного давления или при условии постоянного объема.
В последнем случае отсутствует расширение газов при их нагревании. Работа расширения газов равна нулю и вся тепловая энергия, выделенная реакцией, идет только на повышение температуры газовой смеси. Теплоемкость при постоянном объеме Сv , меньше теплоемкости при постоянном давлении на величину Ср - Сv = R кдж/(кмоль×К); поэтому температура реагентов поднимается быстрее и конечная - максимальная - калориметрическая температура будет выше.
Рекомендуемые материалы
Вопрос о воспламенении горючей смеси усложняется, если рассматривать процесс при наличии тепловых потерь (qп , кВт), когда часть тепла будет уходить из очага реакции и только остаток тепла пойдет на разогрев реагентов. Рассмотрим возможности воспламенения при наличии тепловых потерь. С повышением температуры ускоряется реакция, увеличивается приход тепла (qр , кВт), но усиливается теплопередача (qп , кВт). Таким образом, оба противоречивых процесса являются функцией температуры реагентов.
Скорость нагрева (охлаждения) 
газовой горючей смеси, находящейся в какой-то оболочке, через которую тепло теряется во внешнее пространство, согласно теории нагрева, можно записать так:
=
,
где Mc - теплоемкость смеси, кдж/К;
имеет смысл скорости нагрева смеси вследствие прихода тепла реакции, К/с;
имеет смысл скорости охлаждения смеси вследствие тепловых потерь, К/с.
Из этого дифференциального уравнения можно сделать следующие выводы:
1. Если qп = 0, то мы имеем случай адиабатического процесса.
2. Если qр > qп , то > 0 - будет иметь место разогрев системы и подъем температуры, хотя более медленный, до полного исчезновения концентраций. Максимальная температура продуктов реакции Тр будет ниже калориметрической из-за тепловых потерь.
3. Если qр - qп = const > 0 (dT/dt = const), то температура газов будет подниматься по закону прямой линии. Это будет возможным при предположении, что тепловые потери qп и скорость реакции wp развиваются во времени по аналогичному закону, что маловероятно, так как законы химической реакции и теплопередачи различные по характеру.
4. Если qр - qп = const = 0, тогда dT/dt = 0, T = const. Величину этой температуры можно изменять лишь путем внешнего воздействия. Такое температурное и тепловое равновесие можно представить в математическом описании, но физически и практически оно почти невыполнимо из-за трудности регулирования тепловых потерь. Данный случай является примером изотермических реакций.
5. Если qp < qn , то dT/dt < 0 - система будет охлаждаться и реакция постепенно замрет.
6. Теплопередача (потери тепла) пропорциональна температуре газов Т, чем выше тепловые потери, тем ниже конечная действительная максимальная температура Тд . Чем интенсивнее теплопередача (k) и быстрее нарастают тепловые потери, тем позднее наступает воспламенение и тем выше температура воспламенения Тв .
Продолжение лекции № 9
В действительных природных условиях самовоспламенение довольно редко случается, хотя вполне возможно. В технике топливо приходится зажигать принудительно, пользуясь посторонними источниками тепла или огня.
В газовой горючей смеси искра весьма быстро воспламеняет весь объем и вызывает взрыв. Это говорит о большой скорости распространения огня от одной точки по всему объему смеси согласно закону цепной реакции. Цепные реакции, возникшие в каком-либо месте пронизают весь объем горючей смеси за доли секунды.
При повышении давления молекулы реагирующих газов сближаются между собой, число столкновений в единицу времени между ними возрастает, воспламенение облегчается и температура воспламенения снижается. Температура воспламенения большинства горючих газов в кислороде ниже, чем в воздухе.
Пределы воспламенения.
Холодная газовоздушная смесь может загореться от контакта с огнем лишь в определенном интервале соотношений газ ¾ воздух. Пределы воспламенения измеряются объемным процентным содержанием данного топлива в смеси его с воздухом и обозначается N.
Нижним пределом Nн называется минимальное содержание топлива в смеси с воздухом, при котором смесь, имеющая tнач = 20 оС, воспламеняется от источника огня. Верхним пределом Nв ¾ максимальное содержание топлива в смеси с воздухом, выше которого смесь не воспламеняется.
Наличие пределов воспламенения по цепной теории горения может быть объяснено тем, что развитие цепной реакции окисления протекает тем интенсивнее, чем в большей степени скорость развития цепей превосходит скорость их обрыва. На нижнем и верхнем пределе, когда соотношение газ ¾ воздух далеко от стехиометрического, уменьшение числа непосредственных контактов между молекулами газа и воздуха приводит к тому, что скорость обрыва цепей на балластных молекулах достигает значительной величины и смесь не загорается.
Пределы воспламенения, так же как и температура воспламенения, не являются физико-химическими константами данного топлива, так как зависят от химической природы топлива, начальной температуры и давления газовоздушной смеси и других факторов.
В табл. 9.1 приведены значения температур и пределов воспламенения для смеси различных газов с воздухом при стандартных условиях.
Таблица 9.1-Пределы воспламеняемости и температура воспламенения для смеси различных газообразных топлив с воздухом.
| Наименование газа | Пределы воспламеняемости газов, %(объемный) газа в смеси с воздухом | Температура воспламенения, оС | |
| нижний предел | верхний предел | ||
| Окись углерода | 16,3 | 71,2 | 625 ¸ 675 |
| Водород | 6,2 | 71,4 | 550 ¸ 605 |
| Метан | 5,6 | 14,5 | 630 ¸ 750 |
| Этан | 3,0 | 15,0 | 550 ¸ 625 |
| Пропан | 2,3 | 9,5 | 510 ¸ 585 |
| Бутан | 1,9 | 8,4 | 500 ¸ 550 |
| Природный (Шебел.) | 5,3 | 14,4 | 640 ¸ 720 |
| Доменный | 34,0 | 71,2 | 615 ¸ 660 |
| КДС (Q=8,38 Мдж/м3) | 8,2 | 38,0 | 600 ¸ 620 |
Из табл. 9.1 видно, что
- температура воспламенения основных горючих газов в воздухе изменяется от 550 до 750 оС;
- температура воспламенения насыщенных углеводородов метанового ряда с увеличением молекулярной массы снижается;
- наиболее низкие температуры воспламенения присущи сероводороду и ацетилену;
- температура воспламенения различных технических газообразных топлив лежит в интервале 600 - 750 оС;
- наиболее широким диапазоном воспламеняющихся концентраций обладает смесь водорода (6,2 - 71,4 %) и окиси углерода (16,8 - 71,2 %) с воздухом;
- наиболее узким диапазоном воспламеняющихся концентраций обладает смесь насыщенных углеводородов с воздухом. Так метан имеет пределы 5,6 - 14,5 %, а этан 3 - 14 %.
Процентное содержание газа в стехиометрическом соотношении газ ¾ воздух лежит внутри концентрационных пределов воспламенения. Так, например, при горении окиси углерода в воздухе нижний предел воспламенения Nн = 16,3 %, верхний Nв = 71,2 %, а процент газа в газовоздушной смеси при стехиометрическом расходе воздуха Nс = 30 %. Для метана эти цифры соответственно равны 5,6; 14,5 и 9,5 %.
Таким образом, стехиометрическая смесь газа с воздухом при поднесении огня всегда воспламеняется.
Пределы воспламенения, полученные по опытным данным и приведенные для различных технических газообразных топлив в табл. 9.1 можно также определить расчетным путем. Вычисление пределов воспламенения для газообразного топлива, в состав которого входит несколько горючих газов, производится с помощью правила смешения (аддитивности) по следующей формуле:
,
где N - концентрационный предел (нижний или верхний) смеси рассматриваемого газа с воздухом;
3 Английская культура эпохи Возрождения - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.
m1, m2, mi - объемные % горючих компонентов в сложном газе;
N1, N2, Ni - концентрационные пределы воспламенения данного горючего в смеси с воздухом (верхний или нижний).
Следует отметить, что эта формула справедлива для подсчета пределов воспламенения топлив, содержащих незначительное количество балласта. Если же в газообразном топливе содержится значительное количество негорючих компонентов, то подсчет пределов надо производить с учетом влияния балластных газов по специальному графику, где приведены значения концентрационных пределов смеси горючего газа с инертным. Результаты расчета пределов незначительно зависят от принятой компановки смесей инертных и горючих газов.
Если сжигать газообразное топливо в воздухе, обогащенном кислородом, то концентрационные пределы воспламенения расширяются за счет уменьшения количества инертного газа. Наиболее широкие пределы воспламенения будут при сжигании газа в чистом кислороде.
При повышении начальной температуры газовоздушной смеси перед зажиганием диапазон воспламеняющихся концентраций расширяется и при подогреве смеси до температуры воспламенения смесь загорается при любом соотношении газ ¾ воздух.
При понижении давления холодной газовоздушной смеси пределы воспламенения суживаются и, наконец, при некотором малом давлении, названном критическим, смесь не воспламеняется ни при каких соотношениях между газом и воздухом в смеси.
