Теория горения и взрыва.Часть 1

Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство железнодорожного транспорта Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» Кафедра «Безопасность жизнедеятельности» В.Д. Катин ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА Сборник лекций В 2 частях Часть 1 2-е издание, переработанное и дополненное Рекомендовано Методическим советом ДВГУПС в качестве учебного пособия Хабаровск Издательство ДВГУПС 2013 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com УДК [662.611 + 544.45] (075.8) ББК Г 543я73 К 294 Рецензенты: Кафедра «Техносферная и экологическая безопасность» Петербургского государственного университета путей сообщения (заведующий кафедрой доктор технических наук, профессор Т.С. Титова) Доктор технических наук, заведующий кафедрой «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» Дальневосточного федерального университета профессор А.И. Агошков К 294 Катин, В.Д. Теория горения и взрыва : сб. лекций. В 2 ч. Ч. 1 / В.Д. Катин. – 2-е изд., перераб. и доп. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2013. – 90 с. Сборник лекций соответствует ФГОС ВПО по направлению подготовки бакалавров 280700.62 «Техносферная безопасность» и подготовки специалистов 280705.65 «Пожарная безопасность». Рассмотрены теоретические вопросы горения веществ и материалов, кинетики горения, возникновения и распространения пламени. Особое внимание уделено проблеме устойчивости горения. Предназначен для студентов 2-го и 3-го курсов всех форм обучения, изучающих дисциплину «Теория горения и взрыва», может быть полезен аспирантам вузов, занимающимся проблемой повышения экологичности сжигания газообразных топлив. УДК 662.611 + 541.126 (075.8) ББК Г 543я73 © ДВГУПС, 2003 © ДВГУПС, 2013 2 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com ВВЕДЕНИЕ Горение считается первым сложным техническим процессом, освоенным человечеством. В истории прогресса техники процесс горения занимал и продолжает занимать приоритетное место, являясь основой современной теплоэнергетики, многих технологических производств, транспорта и быта. Необходимость более глубокого понимания процесса горения, а также приобретение практических навыков расчетов горения на разных его стадиях требуют детального изучения курса теории горения и взрыва студентами различных специальностей, включая безопасность жизнедеятельности в техносфере и пожарную безопасность. Цели освоения дисциплины «Теория горения и взрыва» заключаются в приобретении студентами теоретико-прикладных знаний, формируемых на основе научно и методически подготовленных к восприятию сведений, которые должны обнаруживаться в умениях проводить качественные и количественные оценки показателей горения и взрыва в техносфере, необходимые при решении проблемы безопасности. Теория горения и взрыва представляет собой дисциплину базовой части математического и естественно-научного цикла. Студенты, осваивающие дисциплину, должны знать соответствующие разделы высшей математики, физики, химии, гидрогазодинамики и др. Ниже изложены компетенции обучающихся, формируемые в результате освоения дисциплины «Теория горения и взрыва». Студент должен: знать: состав веществ и материалов, участвующих в горении; стехиометрию горения; термодинамику горения; равновесное горение; кинетику горения; о переносе вещества и энергии при горении; о возникновении горения и распространении пламени; системнологическое определение горения; парциальные процессы и типичные разновидности горения газов, жидкостей, веществ и материалов в твердом состоянии; системнологическое определение взрыва; разновидности взрывов в техносфере; удельную энергию взрывов; об ударной волне в массиве воздуха и горючей смеси; уметь: проводить расчеты состава продуктов стехиометрического полного сгорания различных веществ, теплоты сгорания веществ и материалов, температуры продуктов стехиометрического полного сгорания, состава продуктов равновесного полного и неполного сгорания, показателей возникновения горения и распространения пламени, удельной энергии взрыва, параметров ударной волны и других показателей взрывов; владеть: основами системнологического метода изучения процессов горения и взрыва в техносфере; навыками работы с учебно-методическим обеспечением дисциплины. Следует отметить, что в настоящее время вопросы теории горения и взрыва изложены во многих отечественных и зарубежных монографиях, а также в учебной литературе. Однако, несмотря на это, до сих пор недоста3 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com точно таких учебников и учебных пособий, которые позволяли бы в доступной форме студентам закрепить теоретические знания. Данный сборник лекций призван восполнить этот пробел. Автор ставил своей целью в понятной форме рассмотреть основные положения теории горения и взрыва. В то же время, касаясь сложных вопросов теории горения, автор стремился к возможно более популярному и доходчивому их изложению, отдавая предпочтение описанию физической картины явлений и избегая громоздких математических зависимостей. Сборник лекций состоит из двух частей. Для закрепления изученного материала после каждой лекции приводится ряд контрольных вопросов, а в приложении даны тестовые задания для проверки знаний студентов. 4 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com ЛЕКЦИЯ 1 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРЮЧИХ ГАЗОВ И ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ План лекции 1.1. История развития науки о горении. 1.2. Основные газовые законы и уравнения газового состояния. 1.3. Критическое состояние газов. 1.4. Плотность, удельный вес и удельный объем газов. 1.5. Теплоемкость, теплосодержание и теплопроводность. 1.6. Состав воздуха, горючих газов и продуктов сгорания. 1.1. История развития науки о горении С возникновением научного мышления огонь, горение стали объектами наблюдения, изучения и исследования виднейших ученых. Вопросами горения занимались древнегреческие мыслители Гераклит, Эмпедокл и Аристотель, считавшие огонь одним из элементов, образующих Вселенную. С исследованиями в области горения связаны имена таких ученых, как Ф. Бэкон, Р. Бойль, М.В. Ломоносов, А. Лавуазье, А. Вольта, К. Бертолле, Дж. Дальтон, У. Томсон, Б. Румфорд, Г. Дэви, М. Фарадей, Р. Бунзен. В трудах В.А. Михельсона и А. Ле Шателье заложены основы современной теории распространения пламени. В результате исследований выдающихся советских ученых Н.Н. Семенова, Я.Б. Зельдовича, К.И. Щелкина, Д.А. Франк-Каменецкого, А.С. Предводителева, Л.Н. Хитрина и зарубежных деятелей науки В. Иоста, Д. Тауненда, Г. Хотела, Б. Льюиса и Г. Эльбе сформулированы важные идеи современной теории горения [17, 33, 37, 52]. Однако многие из основных закономерностей, управляющих процессом горения, до сих пор изучены недостаточно. По замечанию академика Н.Н. Семенова, хотя человечество практически использует горение в течение многих десятков тысяч лет, а электроэнергию – лишь немногим более одного столетия, законы, определяющие движение электрического тока, изучены более глубоко, чем законы, определяющие горение [41, 42]. Отставание в изучении горения объясняется его сложностью. При горении приходится иметь дело с химическими реакциями, протекающими одновременно с процессами аэродинамики и диффузии, с тепло- и массообменом. Эти процессы происходят и в малых, и в больших огневых установках, а многие из открываемых закономерностей действительны в равной степени как для пламени газовой горелки бытовой плиты, так и для мощных газогорелочных устройств промышленных печей и котлов, ракетных двигателей. Поэтому исследования в области горения ведутся в настоящее время во многих институтах, лабораториях и на промышленных предприятиях. 5 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Особое значение приобрели в последние десятилетия исследования горения газовоздушных смесей. Горючие газы стали одним из основных и наиболее экономичных видов топлива во многих отраслях народного хозяйства. Поэтому для наиболее рационального их использования необходимо правильно применять законы, управляющие горением. Первые эксперименты в исследовании горения, проводившиеся почти 600 тысяч лет назад, скорее касались вопроса распространения пламени, нежели зажигания. Первоисточник зажигания обеспечивала в зависимости от обстоятельств мать-природа в форме плазмы электрического разряда при грозе или в форме вулканической лавы. По греческой мифологии, Прометей передал человеку огонь, украденный им у Зевса – божества, распоряжавшегося молниями. До этой ступени эволюции, когда Зевс зажег дерево ударом одной из своих молний, древний человек боялся огня богов и довольно долго не производил с ним каких-либо опытов. На начальном этапе природа обеспечила диффузионное пламя в результате действия молнии, а первые опыты человека в области горения обнаружили, что теплоты сгорания более чем достаточно для получения энергии активации, т. е. что очень маленькое пламя на конце палочки мгновенно перерастает в большой огонь, если только добавить достаточное количество топлива. Первые полмиллиона лет исследования горения характеризовались предположением, что у нас имеются бесконечные ресурсы топлива и неограниченные хранилища для продуктов сгорания. Возвращаясь к прошлому, следует отметить, что на заре человечества главной заботой людей, соприкасающихся с горением, было сохранение пламени неизменным при уменьшении факела до минимального критического размера. И эта озабоченность сохранялась в течение девятнадцати двадцатых времени с момента начала использования огня до тех пор, пока не был изобретен несамовоспламеняющийся источник зажигания [36]. Это событие произошло лишь 30 тыс. лет назад. Как только человек оказался вовлеченным в повторяющиеся производственные процессы, такие как сверление отверстий или обточка кремней, механическая энергия, которую он превращал в тепло, приходилась на малые количества изготовляемых им предметов. Поэтому случилось так, что древний мастер совершил важный шаг в исследовании горения. Он опередил опыты с пушкой Румфорда почти на 30 тыс. лет и узурпировал роль богов, изобретя намного более удобный и воспроизводимый источник зажигания. Первыми, кто занимался процессом горения, были не только истопники, но и повара, осветители и теплотехники, а в должное время – металлурги, химики, ученые и инженеры в других отраслях знания. До появления у человечества достатка и так много досуга, до зарождения алхимии и вторичного рождения науки как философии естествознания не было разногласия между фундаментальной наукой и практической технологией [36]. Интересно наложить на это движение вперед временной масштаб. Установим начало 6 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com отсчета – первое использование человеком огня – 10 часов назад, а целенаправленное зажигание – полтора часа назад. Вслед за этими событиями ремесленником, ученым и инженером были осуществлены все основные достижения, начиная от строительства египетских пирамид, успехов в металлургии, которым обязаны названия Медной, Бронзовой и Железной эпох, через изобретения первых боевых поджигательных средств, подобных «греческому огню», к самым первым попыткам получения механической энергии. Использование пламени с предварительным перемешиванием газа, первый целенаправленный взрыв и постепенное понимание того, что же в действительности происходит, – все это совершилось в последнюю минуту. Труд Ле Шателье появился 5 секунд назад, первая теоретическая работа о структуре диффузионного пламени – 3 секунды назад, а первое издание книги Льюиса и Эльбе – около 2 секунд назад. И только в последнюю долю секунды мир стал серьезно озабочен загрязнением окружающей среды и рациональным использованием ресурсов [36, 37]. В некоторый момент времени, в течение этой последней минуты, когда наука отделилась от технологии, она была вторично рождена как философия естествознания, которая в основном не связана с изготовлением материальных предметов. Пламя оказалось объектом изучения как в философии естествознания, так и в технологии. Алхимики называли его «преобразующим элементом», и оно давало им всю ту энергию, которой обладало. Горение было инструментом для проникновения в структуру материи, который в руках Лавуазье и Пристли открыл, например, современную химию. До тех пор, пока ученые не начали проникать в структуру ядра, им и не требовался другой, более совершенный инструмент, так как исследование структуры материи побуждалось до поры до времени любопытством. Для того чтобы привести пример исследования электрических аспектов горения, нужно вернуться приблизительно к 1600 г., когда Гильберт показал, что газы, выделяемые пламенем, способствуют разрядке наэлектризованного тела. Разногласие между фундаментальной наукой и технологией горения в значительной степени продолжается и сейчас. В течение длительного времени исследователи мало знали о том, что эти виды деятельности родственны. Следует задать вопрос: как такое разделение вообще могло произойти (в горении ведь не так, как в ядерной энергетике, где понимание процесса должно предшествовать его использованию). Это случилось потому, что, обеспечив человечество диффузионным пламенем, в котором лимитирующим процессом является смешение, природа столкнула людей с явлением горения, которое происходит настолько быстро, что может возникнуть стихийно и действует таким образом, что до известной степени не требует понимания механизма этого явления. Почти в каждом ином случае этот способ горения является весьма нежелательным, но об этом пойдет речь дальше. Необходимость заполнить пробел между наукой и технологией вовсе не означает, что фундаментальное исследование обязательно должно быть ориентировано на выполнение конкретной задачи. Однако такая ориентация 7 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com была бы интересной попыткой, поскольку в пламени реализуются такие экспериментальные условия, при которых выявляются все их свойства. Так, зона реакции в пламени обычной горелки Бунзена настолько тонкая, что в ней возникают градиенты температуры порядка 10 000–1 000 000 град/см, а также существенная теплопроводность, диффузия частиц, разгон потока и разнообразные неравновесные явления. В этой зоне происходят настолько радикальные реакции, что они способны вызвать интерес у любого химика, увлечь спектроскописта такими спектрами, которых не найти и в следах комет, доставить радость физику, обеспечив в 10 тысяч раз больше ионов, чем при термодинамическом равновесии. Все эти явления во все века привлекали выдающихся ученых. Фундаментальное исследование горения не требует оправдания в виде практического применения (что не говорит еще о том, что оно не является прикладным). Необходимо понять фундаментальную кинетику реакции в пламени независимо от того, окажутся ли конечные результаты слишком сложными для их практического использования. Наиболее эффективный огнетушитель, например, можно было бы быстрее найти, перепробовав все имеющиеся в наличии. Существуют также веские причины для отделения фундаментального научного исследования горения от его потенциального приложения. Одна из них состоит в том, что в большинстве применяемых в настоящее время систем, в которых используется горение, не могут быть реализованы результаты таких исследований, что и будет показано в дальнейшем. Подчеркивая прежде всего то, что фундаментальное научное исследование горения замыкается в самом себе и что успех его не следует оценивать по практическим приложениям, хочется обратиться к возникшей сейчас возможности использовать и экстраполировать знания на практику и от полученных таким способом результатов перейти к современным актуальным проблемам. Это является новой ситуацией. Перефразируя Эмерсона, можно сказать, что гипотеза о том, что люди протопчут тропу к дому того, кто лучше изготовит мышеловку, хотя этот дом и находится в лесах, неприменима там, где нет мышей. В этом случае нужно изобрести еще что-нибудь, возможно, мышей. Переходя к действительности, нужно отметить, что было весьма трудным делом убедить консервативных руководителей промышленности использовать более чистые способы горения, если допустить, что существуют фактически неограниченные источники топлива и стоки для загрязнений. Говоря на языке аллегорий – раз существует эпидемия мышей, то еще одна мышеловка ничего не изменит [36]. Во всяком случае жизнь была бы проще, если бы не нужно было преодолевать трудности. В этом смысле можно было бы поразмыслить и о том, почему независимо от необходимости решения мировых проблем фонды на исследования в области философии и теологии являются такими солидными. Все это и определяет поворотную точку в истории горения. К счастью, за годы разобщения между наукой горения и ее технологией первая накопила большой опыт проникновения в глубь явлений, 8 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com и теперь имеется возможность использовать полученные знания для того, чтобы заполнить образовавшуюся пустоту. С точки зрения того, что было сказано относительно простоты проблем повседневного горения на уровне пещерного человека, неудивительно обнаружить, оглянувшись вокруг, что подавляющее большинство систем сгорания основывается на использовании диффузионных видов пламени, регулируемых смешением. При исследовании горения струи попутного газа, а также горения в следе испаряемой капли топлива или твердой частицы всюду встречается структура пламени, на которую нельзя повлиять через скорость реакции и которая характеризуется низкими интенсивностью и полнотой горения. Более того, этот тип горения обладает удивительной способностью давать наибольший выход каждого вида загрязняющих веществ. Если отвлечься от загрязняющих примесей, уже имеющихся в топливе, то получается, что зона реакции почти совпадает с областью стехиометрического горения, соответствующей максимально возможной температуре и, следовательно, образованию наибольших количеств окислов азота. В то же время при сгорании топлива в пламени без кислорода в областях, прилегающих к зоне пламени, образуется сажа и другие продукты неполного сгорания. Если понадобится нагреть в пламени холодную поверхность (а это обычно делается именно так), то это приведет к выделению всех этих загрязняющих веществ. Существует связь между рассматриваемым типом горения и бытующим, но полностью ошибочным убеждением, что процесс горения, повсеместно используемый в течение полумиллиона лет, нельзя радикально улучшить. Даже если бы в результате оригинальных исследований механизмов реакций и кинетики пламени было доказано, что существует простой метод улучшения процесса горения путем увеличения скорости реакции, его нельзя было бы использовать в рассматриваемом типе пламени. Если мы увеличим скорость потока (например, в случае струи горючего газа), то масштаб вредного явления просто возрастет. В турбулентном пламени его поверхность тоже увеличивается, хотя протяженность его по потоку растет. Любопытной особенностью рассмотренной ситуации является факт, что изучение вопросов горения давало пищу для размышления всем исследователям. И сейчас существует столько различных школ в исследовании горения, сколько имеется ученых, изучающих горение, начиная от аэродинамиков и кончая специалистами химической кинетики горения [35, 37, 49, 50, 53]. 1.2. Основные газовые законы и уравнения газового состояния Газом принято называть вещество, находящееся в таком агрегатном состоянии, при котором его частицы не связаны молекулярными силами притяжения и движутся свободно, равномерно заполняя весь предоставленный им объем. Для того чтобы вещество находилось в газообразном состоянии, необходимо соблюдение, по крайней мере, одного из следую9 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com щих условий. Среднее расстояние между частицами вещества должно быть больше размеров этих частиц, что обеспечивается при малой плотности вещества. Другое условие – средняя энергия теплового движения частиц должна быть больше средней энергии их взаимодействия между собой, что обеспечивается при нагреве вещества до высокой температуры. При достаточно малой плотности или достаточно высокой температуре газа можно пренебречь энергией взаимодействия частиц. Газ, в котором предполагается отсутствие взаимодействия между частицами, называют идеальным. Реальный газ можно рассматривать как идеальный в том случае, если средняя потенциальная энергия взаимодействия частиц намного меньше их средней кинетической энергии. Такое приближение допустимо во многих случаях, применяемых в инженерной практике. В ситуациях, когда при теплотехнических расчетах не требуется повышенной точности, такие газы, как атмосферный воздух, природные горючие газы и продукты горения, при давлении менее 0,5 МПа и температуре более 0 °С можно рассматривать как идеальный газ. Одним из основных газовых законов, характеризующих связь между давлением и объемом идеального газа, является закон Бойля – Мариотта. Согласно этому закону при постоянной температуре объем определенной массы газа V обратно пропорционален давлению р. Для этого закона справедливо равенство pV = const. Гей-Люссак открыл закон, показывающий связь между объемом и температурой идеального газа. В соответствии с этим законом при постоянном давлении объем определенной массы газа находится в линейной зависимости от температуры: Vt =V0 (1+β t ), где V0 и Vt – объемы газа, начальный и при температуре t; β – термический коэффициент объемного расширения, равный для всех газов 1/273 °С–1. Согласно закону А. Авогадро в одинаковых объемах идеальных газов при одинаковых давлениях р и температурах Т содержится одинаковое число молекул. Поскольку молекулярный вес любого вещества пропорционален весу отдельной молекулы, закон Авогадро можно сформулировать следующим образом. Грамм-молекула любого вещества в газообразном состоянии при одинаковых температурах и давлениях занимает один и тот же объем. При нормальных условиях (ро = 0,1 МПа, Т'о = 273,15 К) объем одной грамм-молекулы составляет 22,414 л. Грамм-молекула любого вещества содержит одинаковое число молекул, равное числу Авогадро. Число Авогадро – одна из важнейших универсальных постоянных. 10 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Связь между давлением р, объемом V и температурой Т физически однородного тела в состоянии термодинамического равновесия выражается уравнением состояния. Рассмотренные выше основные газовые законы позволили Б. Клапейрону вывести уравнение состояния идеального газа, которое показывает эту связь: pV = RT , где R – газовая постоянная, которая является одной из универсальных физических констант. Газовая постоянная имеет физический смысл работы, выполняемой газом при изобарическом нагревании на 1 °С. По значению универсальной газовой постоянной, одинаковой для всех газов, может быть найдена удельная газовая постоянная любого газа по формуле R0 = R / µ г , где µ г – молекулярный вес газа. Значения удельной газовой постоянной для ряда важных в теплотехническом отношении газов представлены в табл. 1.1. Ван-дер-Ваальс И.Л. вывел уравнение состояния для реальных газов: ( p + a / υ 2 )( υ− b ) = RT , где υ – удельный объем; а, b – константы. Уравнение выведено с учетом влияния конечности объема молекул, которое учитывается константой b, а также сил взаимного притяжения между молекулами, учитываемыми членом а/ υ2 . Последний носит название внутреннего, или кохезионного, давления. Уравнение Ван-дер-Ваальса основано на упрощенной модели межмолекулярного взаимодействия. Оно точно описывает состояние реального газа только при сравнительно малых давлениях и высоких температурах. Так, например, уравнение Ван-дер-Ваальса может достаточно точно определять поведение легких газов при давлениях до 10,0 МПа и температурах более 0 °С. Значения констант а и b, входящих в уравнение Ван-дер-Ваальса, могут быть определены из работы [47]. Уравнение Ван-дер-Ваальса – одно из наиболее часто применяемых на практике уравнений состояния реального газа. Известно также уравнение состояния, представляющее собой вириальное разложение в ряд давления р, выраженного через объем V и температуру Т, по степеням плотности N/V молекул N в объеме: 11 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com NK Б T p= V  Nв (T ) N 2 c (T ) + 1+ V V2   ,  где K Б – постоянная Больцмана; в (T ) , с(T ) – вириальные коэффициенты, зависящие от температуры. Таблица 1.1 Молекулярный вес, плотность и удельная газовая постоянная для газов и паров при нормальных условиях Наименование газа Воздух Азот Кислород Метан Этан Пропан Бутан Пентан Гексан Октан Водород Водяной пар Оксид углерода Двуоксид углерода Сероводород Двуоксид серы Химическая Молекулярный Плотность формула вес, кг/кмоль ρ, кг/м3 – N2 О2 СН4 С2Н6 С3Н8 С4Н10 C5H12 С6Н14 C8H18 Н2 Н2О СО СО2 H2S SO2 28,97 28,016 32,00 16,04 30,07 44,09 58,12 72,14 86,17 114,22 2,0156 18,0156 28,01 44,01 34,08 64,06 1,2928 1,2505 1,4289 0,7168 1,3560 2,0037 2,7030 3,4570 3,8440 5,0300 0,0899 0,768 1,250 1,9768 1,5392 2,9263 Удельная газовая постоянная R0 , Дж/(кг⋅°С) 288,0 296,0 260,0 520,0 278,0 189,2 143,1 114,9 96,8 73,1 4130,0 464,0 295,9 189,2 244,1 130,0 Первый член разложения соответствует идеальному газу, где отсутствует взаимодействие между молекулами, второй член учитывает парное взаимодействие молекул, третий – взаимодействие трех молекул и т. д. Вириальное разложение основано на теореме вириала, связывающей среднюю кинетическую энергию системы частиц, движущихся в конечной области пространства, с действующими в ней силами. Эта теорема для классической системы материальных точек впервые была доказана Р. Клаузиусом [46]. Известны также уравнения состояния, полученные для реальных газов эмпирическим путем. Так, И.А. Битти и О.С. Бриджмен предложили уравнение состояния, имеющее вид 12 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com  υ2 A0  a   c   = RT 1 − ,  p + υ2  1 − υ   3  b TV     υ + B 1 +    0   υ где a, A0, b, В0, с – эмпирические константы. Уравнение Битти – Бриджмена построено с учетом зависимости давления от объема, а также зависимости объема от газовой постоянной R. Экспериментальная проверка уравнения показывает хорошее совпадение в широком интервале температур и давлении. Так, например, для метана СН4, водорода Н2, кислорода O2 и азота N2 уравнение состояния Битти – Бриджмена может с высокой точностью применяться при температурах от –252 до +400 °С и при давлениях до 20,0 МПа [46]. Константы уравнения Битти – Бриджмена можно найти в табл. 1.2. Таблица 1.2 Константы уравнения Битти – Бриджмена Наименование газа Химическая формула А0 а В0 b с·10–4 Воздух Азот Кислород Метан Этан Пропан Бутан Водород Оксид углерода Диоксид углерода – 1,3012 1,3445 1,4911 2,2769 5,8800 11,920 17,794 0,1975 1,3445 5,0065 0,01931 0,02617 0,02562 0,01855 0,05861 0,07321 0,12161 –0,00506 0,02617 0,07132 0,04611 0,05046 0,04624 0,05587 0,09400 0,18100 0,24620 0,02096 0,05046 0,10476 –0,001101 –0,00691 –0,004208 –0,01587 0,01915 0,04293 0,09423 –0,04359 –0,00691 0,07235 4,34 4,20 4,80 12,83 90,00 120,00 350,00 0,0504 4,20 66,0 N2 О2 СН4 C2H6 С3Н6 C4H10 Н2 СО СО2 Эмпирическое уравнение состояния Бертло имеет вид [19, 43] a'    p + 2  (υ − b ) = RT , Tυ   где а, b – теоретически определяемые члены, которые связаны с критическими значениями pкp , υ кр и Tкp следующими отношениями: a' = 3 pкp υ 2кp ; b = (1 / 3)υкр ; RTкp / ( pкp υкp ) = 32 / 9 = 3,56. 13 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com После экспериментальной проверки уравнения Бертло рекомендует следующие значения этих членов: 2 a' = (16 / 3) pкp υ кp ; RTкp / ( pкp υкp ) = 32 / 9 = 3,56. В результате Бертло предлагает уравнение, которое можно привести к следующему виду: b = (1 / 4 )υ кp , 16 2   1  32  π + τ ϕ ϕ − = τ.   3 4  9   Уравнение состояния Бертло дает хорошие результаты при давлении газа менее 0,5–0,6 МПа и температуре Т > Ткр. К. Дитеричи предложил эмпирическое уравнение состояния следующего вида: p( υ− b ) = RT exp  − a / ( RT υ )  . Члены уравнения а и b определяются теоретически по критическим значениям pкp , υ кp , Tкp : 2 a = pкp υ кp e 2 ; b =υкp / 2; RTкp ( p кp υ кp ) = e 2 / 2 = 3,695 . При больших значениях υ уравнение Дитеричи переходит в уравнение состояния Ван-дер-Ваальса. Дитеричи предложил и другое уравнение, весьма сходное с уравнением Ван-дер-Ваальса [46, 47]: ( p + a / υ )( υ−b ) = RT , 5/ 3 где а = 4ркр υ5 / 3 ; b = υ кр /4; RТкр / (ркр υ кр ) = 15/4 = 3,75. Уравнения Дитеричи согласуются с опытом лучше, чем уравнение Ван-дер-Ваальса. Лишь при высоких давлениях (более 30,0–40,0 МПа) соответствие между экспериментом и расчетом заметно ухудшается [46]. 1.3. Критическое состояние газов Рассмотренные в предыдущем подразделе уравнения реальных газов указывают на существование критической точки. Изменяя давление или температуру, любой газ можно превратить в жидкость. Для любого газа существует определенное значение температуры, при повышении которого газ не может быть обращен в жидкость при сколь угодно большом давлении. Такая температура называется критической Ткр. Давление, необходимое для сжижения газа при Ткр, называется критическим давлением ркр. 14 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Существование критической температуры было теоретически предсказано Д.И. Менделеевым в 1861 г. По его мнению, критическая температура наступает при таком нагреве жидкости, когда исчезают силы молекулярного сцепления. При этом независимо от давления жидкость превращается в газ. В 1869 г. предсказание Д.И. Менделеева получило экспериментальное подтверждение [46]. Значения критических параметров для различных газов даны в табл. 1.3. Таблица 1.3 Критические параметры реальных газов Наименование газа Воздух Азот N2 Кислород О2 Метан CH4 Этан С2Н6 Пропан C3H8 Бутан С4Н10 Пентан С5Н12 Водород Н2 Водяной пар Н2О Оксид углерода СО Диоксид углерода СО2 Сероводород Н2S Сернистый ангидрид SO2 Серный ангидрид SO3 Критическое давление, МПа Критическая температура, °С Плотность при критическом давлении и температуре, кг/м–1 3,77 3,40 5,08 4,64 4,86 4,07 3,55 3,30 1,29 22,11 3,50 7,38 9,00 8,04 8,66 –140,7 –147,1 –118,3 –82,5 32,1 96,8 152,1 197,2 –239,9 374,1 –140,2 31,1 100,4 157,5 218,2 316 313 410 162 200 226 228 232 31 324 301 468 349 524 633 Из вышеприведенного определения становится понятно, что давление, потребное для сжижения газа, тем меньше, чем ниже его температура. Состояние газа, отвечающее критической температуре и давлению, называется критическим. Объем газа при критической температуре называется критическим объемом. В ряде случаев удобно оперировать безразмерными параметрами газа, под которыми понимается отношение параметров газа (р, Т, V) при данном состоянии к их соответствующим критическим значениям (ркр, Ткр, Vкр). Уравнение состояния газа, включающее в себя указанные параметры, называется приведенным. Примерами данного уравнения состояния реального газа являются уравнения Бертло и Дитеричи. 15 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com В координатах могут быть представлены и другие уравнения состояния. Приведенное уравнение состояния газа Ван-дер-Ваальса, к примеру, имеет следующий вид: ( π+3 / ϕ )( ϕ−1/ 3) = sτ, 2 где π = р/ркр – приведенное давление (ϕ = V/Vкp – приведенный объем, τ = Т/Ткр – приведенная температура; s = RТкp/(ркр Vкр) – критический параметр. Для газов существует приведенное уравнение состояния, которое в общем виде можно представить так [19]: f ( p, V , T ) = 0 . Состояние, отвечающее этому условию, подчиняется закону соответствующих состояний. Под соответствующими состояниями двух каких-либо газов понимают состояния, соответствующие одним и тем же значениям приведенных давлений, объемов и температур. Суть закона соответствующих состояний заключается в следующем: если значения двух из приведенных величин совпадают для рассматриваемых газов, то значения третьей тоже должны совпадать. Закон соответствующих состояний весьма полезен при анализе экспериментальных данных [46, 47]. 1.4. Плотность, удельный вес и удельный объём газов Плотностью любого однородного вещества ρ называется физическая величина, представляющая собой отношение массы вещества m к занимаемому им объему V: ρ = m /V. Отношение плотностей двух различных веществ при определенных условиях называется относительной плотностью. Для газов относительная плотность обычно определяется по отношению к сухому воздуху или водороду при нормальных (ρ = 0,1 МПа и t = 0 °С) или стандартных (ρ = 0,1 МПа и t = 20 °С) условиях. Удельный вес газа γ можно определить по формуле γ =G / V , где G – вес газа; V – его объем. Плотность и удельный вес связаны между собой следующим соотношением: 16 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com ρ= γ / g, где g – ускорение свободного падения; g = 9,81 м/с 2. Объем, занимаемый единицей массы однородного вещества, называется удельным объемом. Удельный объем υ , м3/кг, определяется по формуле υ =V / m. Сравнивая формулы, можно сделать вывод, что удельный объем – величина, обратная плотности. Значения плотности различных газов при нормальных условиях даны в табл. 1.1. По значениям плотности с помощью приведенных выше формул легко определить значения удельного веса и удельного объема. 1.5. Теплоёмкость, теплосодержание и теплопроводность Теплоемкостью называется способность тела при нагревании поглощать теплоту. Ее можно выразить отношением количества теплоты ∆Q , сообщенной системе, к соответствующему повышению температуры систем ∆Т (при ∆Т→0): c = lim ∆ Q dQ = . ∆ T dT Удельной теплоемкостью называется количество теплоты, поглощаемой единицей количества вещества при нагревании на 1 °С. Если за единицу количества вещества выбрать 1 кг, удельная теплоемкость называется массовой [Дж/(кг⋅°С)]. Теплоемкость, отнесенная к молю, называется молярной [Дж/(моль⋅°С)]. Если единицей количества вещества служит объем газа, теплоемкость называется объемной [Дж/(м3⋅°С)]. Для термодинамической системы различают теплоемкость при постоянном объеме cv и при постоянном давлении ср. При нагревании тела при постоянном объеме теплота расходуется на увеличение внутренней энергии. При нагревании тела при постоянном давлении теплота расходуется также и на работу расширения газа. Поэтому ср > cv . Это неравенство является также следствием I и II начала термодинамики [1]. Для идеальных газов справедливо следующее соотношение: c p − cv = R, где R – универсальная газовая постоянная, Дж/(К⋅кмоль). 17 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Отношение ср / cv для идеальных газов близко к 1,667, для двухатомных – 1,41 и для многоатомных –1,34. В отличие от истинной теплоемкости, определяемой в данной точке, может быть рассчитана средняя теплоемкость газа в пределах температур от Т1 до Т2. Для единицы количества вещества средняя теплоемкость c p = Q / (T2 − T1 ). В практике расчетов эта величина употребляется довольно часто. Средние значения теплоемкости воздуха и отдельных компонентов газовых видов топлива и продуктов горения при разных интервалах температур представлены в табл. 1.4 и 1.5. Таблица 1.4 Средняя объемная теплоемкость горючих газов, кДж/м3·К, при постоянном давлении и интервале температур от 0 до 1000 °С Температура СО Н2 Н2S СН4 С2Н 4 С2Н6 C3Н 8 С4Н 10 C5Н12 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1,299 1,302 1,307 1,317 1,329 1,343 1,357 1,372 1,386 1,399 1,413 1,277 1,292 1,297 1,300 1,302 1,305 1,308 1,312 1,317 1,323 1,329 1,513 1,543 1,574 1,608 1,644 1,682 1,719 1,756 1,793 1,827 1,861 1,544 1,653 1,765 1,890 2,019 2,144 2,264 2,381 2,490 2,591 2,690 1,792 2,031 2,257 2,466 2,658 2,839 3,006 3,157 3,291 3,412 3,517 2,227 2,525 2,809 3,077 3,333 3,571 3,793 4,003 4,199 4,379 4,543 3,039 3,450 3,860 4,271 4,681 5,095 5,431 5,724 5,987 6,230 6,461 4,128 4,517 5,255 5,774 6,268 6,691 7,114 7,486 7,808 8,114 8,403 5,129 5,837 6,515 7,135 7,742 8,257 8,784 9,232 9,626 9,990 10,35 Таблица 1.5 Средняя объемная теплоемкость, кДж/м ⋅К, при постоянном давлении продуктов полного сгорания и воздуха в интервале температур от 0 до 2000 °С 3 Температура 100 200 300 400 500 600 СО2 N2 О2 Н2О SO2 1,603 1,704 1,791 1,867 1,934 1,993 2,046 1,295 1,296 1,299 1,308 1,316 1,328 1,340 1,306 1,317 1,335 1,356 1,377 1,398 1,417 1,494 1,505 1,521 1,541 1,564 1,588 1,614 1,735 1,815 1,889 1,956 2,019 2,070 2,116 18 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Сухой воздух 1,297 1,300 1,307 1,316 1,328 1,341 1,355 Влажный воздух 1,319 1,324 1,332 1,342 1,355 1,368 1,383 Окончание табл. 1.5 Температура 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 СО2 N2 О2 Н 2О SO2 2,094 2,136 2,175 2,209 2,241 2,269 2,296 2,320 2,342 2,356 2,374 2,392 2,407 2,422 1,354 1,367 1,379 1,392 1,403 1,414 1,425 1,435 1,444 1,453 1,461 1,469 1,476 1,483 1,434 1,450 1,465 1,478 1,489 1,501 1,511 1,521 1,530 1,538 1,546 1,554 1,562 1,569 1,639 1,666 1,693 1,721 1,748 1,774 1,800 1,826 1,851 1,876 1,890 1,921 1,942 1,963 2,153 2,182 2,216 2,237 2,202 2,279 2,300 2,321 2,343 2,363 2,384 – – – Сухой воздух 1,369 1,383 1,396 1,408 1,420 1,431 1,443 1,453 1,462 1,471 1,479 1,487 1,494 1,501 Влажный воздух 1,397 1,411 1,425 1,437 1,450 1,461 1,472 1,483 1,493 1,502 1,510 1,518 1,526 1,533 Теплоемкость смеси газов может быть определена по формуле c = ∑ ri ci = i 1 ∑ ci pi , p∑ i где ri – объемная доля i-гo компонента; р – давление суммарное: pi – парциальное давление i-гo компонента. Теплоемкость продуктов горения стехиометрической смеси углеводородных газов слабо зависит от состава топлива. Зависимость теплоемкости продуктов горения газа от коэффициента избытка воздуха может быть определена по формуле [43, 46]: c' pm = ∑V c' i i pmi + ( a −1)LV c' pm B ΣVп .с + ( a −1)LV , где Vп .с – суммарный объем азота, двуоксида углерода и водяного пара в продуктах полного сгорания при а = 1, образующихся при сгорании 1 м3 газового топлива; Vi – объем i-гo компонента дымовых газов, получаемых при сгорании 1 м3 газового топлива; c' pmi , c' pm B – средняя теплоемкость i-гo компонента газа и воздуха, входящих в состав продуктов сгорания, ккал/м3·К; LV – объемный стехиометрический коэффициент, м3 окислителя/м3 топлива. 19 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания может быть определена по формуле mc pm = 22 ,4143 c ′pm . Среднюю весовую теплоемкость продуктов сгорания различных газов можно рассчитать по формуле c pm = ∑V c i pmi + ( a −1) LV c' pm B i ρ0 +1306 , aLV . Прежде чем перейти к теплосодержанию газов, рассмотрим понятие внутренней энергии. Внутренняя энергия любого вещества – сумма энергии межмолекулярных и внутримолекулярных взаимодействий и энергии теплового (хаотического) движения молекул, которая определяется температурой. В соответствии с законом сохранения и превращения энергии внутренняя энергия однозначно определяет состояние системы. Иными словами, внутренняя энергия является однозначной функцией независимых переменных, определяющих это состояние. Отсюда следует, что при переходе системы из одного состояния в другое разность внутренних энергий ∆U = U2 – U1 определяется разностью поглощенной системой теплоты Q и совершенной внешней работы A: ∆ U = Q – А. Теплосодержание, или энтальпия, – термодинамическая функция вещества, определяемая равенством [5, 39] H = U + pV, где U – внутренняя энергия; p – давление; V – объем. Теплосодержание, отнесенное на единицу количества вещества, называется удельным. В табл. 1.6 приведены значения удельного теплосодержания для различных газов при температуре от 0 до 1600 °С. Удельное теплосодержание газов, кДж/м T, °С СН4 C2H4 C2H6 100 200 300 400 164 352 565 804 205 456 745 1072 247 553 913 1324 Н2 СО H2S CO2 Н2O SO2 129 259 389 519 130 261 395 532 151 305 461 653 170 356 557 770 150 304 460 624 20 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 180 377 586 804 3 Таблица 1.6 O2 N2 Сухой воздух 131 263 406 548 130 260 392 526 130 261 394 532 Окончание табл. 1.6 T, °С СН 4 C2H 4 C2H 6 Н 2 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1068 1357 1663 1994 2338 2702 3067 3435 3758 4143 4561 – 1432 1814 2216 2648 3092 3548 4022 4504 – – – – 1776 2266 2790 3339 3926 4533 5157 5794 – – – – 653 783 917 1055 1189 1332 1466 1613 1755 1906 2053 2195 СО 670 814 959 1106 1257 1412 1567 1722 1881 2040 2199 2358 H 2S CO 2 Н2O SO 2 834 1026 1219 1424 1605 1851 2074 2292 – – – – 993 1223 1462 1676 1952 2203 2459 2719 2979 3243 3507 3771 796 967 1148 1332 1525 1726 1927 2128 2346 2560 2782 3000 1034 1269 1504 1743 1994 2237 2488 2731 2987 3247 3511 3779 O2 N2 Сухой воздух 699 846 1005 1156 1319 1479 1638 1801 1965 2128 2291 2450 664 804 947 1093 1240 1391 1541 1696 1851 2011 2166 2325 684 812 955 1106 1257 1412 1567 1717 1877 2035 2203 2367 Зная теплосодержание отдельных компонентов, можно определить температуру газовой смеси. Сумма теплосодержаний отдельных компонентов до их смешения должна равняться общему теплосодержанию смеси. Это правило, разумеется, справедливо лишь для тех случаев, когда химические реакции или еще не начались, или уже прекратились. Компоненты, составляющие газовую смесь, могут и не принадлежать к различным газам, а лишь иметь различную начальную температуру. Таким образом, можно считать справедливым следующее равенство: V1c1ср t +V2 c2 ср t + ...Vn cn ср t =V1c1 t1 +V2 c2 t2 + ...+Vn cn t n , где V1, V2, ..., Vn – объемы отдельных компонентов; t, t1, t2, ..., tn – температура газовой смеси и отдельных компонентов; с1, с2, ..., сn – средние (удельные) теплоемкости в пределах от 0 до t и в новом температурном интервале. Из полученного равенства может быть определена температура газовой смеси: t= V1c1 t1 + V2 c2 t 2 + L + Vn cn tn V1c1 cp + V2c2 cp + L + Vn cn cp . Поскольку значения сcр и t являются неизвестными, то приближенно считают, что c1 cp = C1, c1cp = C2 и т. д. Подставляя определенные таким образом значения Сcр в формулу, находят t. По полученному значению t уточняют значения Сcр и вновь определяют значение t. Повторное определение Сcр обычно 21 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com позволяет с достаточной степенью точности получить среднюю температуру газовой смеси. При необходимости получения особо точных результатов температура смеси определяется методом последовательных приближений до тех пор, пока расчеты не будут давать одно и то же значение. Теплопроводностью называется процесс распространения теплоты от более нагретых элементов тела (системы) к менее нагретым. Этот процесс обычно сопровождается выравниванием температур во всех элементах неравномерно нагретого тела. В соответствии с кинетической теорией газов теплопроводность связана с молекулярным переносом энергии. Для газовых изотропных сред, где структура и свойства одинаковы во всех направлениях, вектор плотности теплового потока q совпадает с направлением нормали к изотермической поверхности. Пропорциональность q градиенту температуры – основной закон теплопроводности. Для изотропных сред этот закон принимает форму закона Фурье [19]: q = − λ gradT = − λ ( дT / дn ) n , где λ – коэффициент теплопроводности; n – значок, обозначающий дифференцирование по нормали к изотермической поверхности. В практических расчетах обычно пользуются для определения теплопроводности следующей формулой: Q= λ Fz (t1 − t 2 ), δ где Q – количество теплоты, проходящей через слой газа; F – площадь поверхности слоя; δ – толщина слоя; z – отрезок времени; t1, t2 – температура стенок, ограничивающих рассматриваемый слой. Физический смысл коэффициента теплопроводности ясен из формулы λ = Qδ /  Fz ( t1 − t 2 )  . Коэффициент теплопроводности тем выше, чем большее количество теплового потока проходит через единицу поверхности слоя толщиной δ при перепаде температур стенок, ограничивающих слой, t1 – t2. Значения коэффициента теплопроводности газов при атмосферном давлении и различных температурах показаны в табл. 1.7. Как видно из таблицы, с повышением температуры коэффициент теплопроводности увеличивается. Зависимость λ от Т с достаточной степенью точности может быть учтена формулой Сутерленда [20]: 22 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 273+ c  T  λt = λ0 , T + c  273  1 ,5 где с – эмпирическая константа. Таблица 1.7 Коэффициент теплопроводности газов, [Вт/(м⋅К)]⋅10–8 Газ Водород Оксид углерода Метан Этан Пропан Бутан Пропилен Диоксид углерода Кислород Азот Давление, МПа 0,1 50,0 0,1 0,1 5,0 10,0 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 10,0 30,0 0,1 20,0 50,0 169 210 23,3 30,4 35,4 43,8 18,8 15,2 13,3 14,0 14,7 24,4 31,6 51,9 23,9 34,0 61,3 100 Температура, °С 200 300 400 500 600 800 1000 214 246 30,1 45,0 48,2 52,0 31,7 27,4 23,5 25,6 22,2 29,8 36,3 48,3 30,9 39,4 54,5 256 282 36,5 62,0 64,5 67,1 47,7 41,7 36,5 38,9 30,2 38,6 42,2 51,3 37,2 43,3 54,7 477 486 70,1 – – – – – – – 72,7 74,5 75,2 78,4 68,6 70,7 74,5 290 313 42,6 80,1 82,1 84,0 65,9 57,9 51,9 53,7 38,5 45,6 47,8 55,1 43,0 48,1 56,2 332 345 48,5 99,2 – – 85,5 76,0 69,8 – 46,1 51,3 53,7 59,3 48,4 52,4 59,1 368 380 54,1 – – – 108 95,8 90,2 – 53,3 57,4 59,7 64,1 53,5 56,6 62,9 403 413 59,7 – – – 133 – 113 – 60,0 63,4 64,9 69,1 58,4 61,6 66,9 557 567 80,6 – – – – – – – 84,6 85,7 86,5 88,6 79,6 81,5 84,3 Коэффициент теплопроводности зависит также от давления газа, с повышением которого значение λ растет. Экспериментальными исследованиями установлено, что при низких и средних давлениях (до р < 30 кПа) с увеличением р рост λ сравнительно мал и не превышает 1 % на каждый килопаскаль. 1.6. Состав воздуха, горючих газов и продуктов сгорания Выше говорилось преимущественно об индивидуальных газах. В технике чаще используются газы, имеющие сложный состав. Обычно это газовые смеси, содержащие определенный процент влаги. Одним из наиболее распространенных и важных газов является атмосферный воздух. Атмосфера – газообразная оболочка Земли, имеющая массу около 5,15–1015 т. Почти 90 % этой массы заключено в слое высотой 16 тыс. м. Нижние слои атмосферы имеют практически постоянный состав в любом районе земно23 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com го шара благодаря непрерывно протекающей диффузии. Состав сухого атмосферного воздуха приведен в табл. 1.8. Для упрощения расчетов часто условно полагают, что атмосфера состоит из 21 об. % кислорода и 79 об. % азота. Благодаря содержанию кислорода воздух является наиболее доступным, дешевым и практически неограниченным окислителем, который находит широкое применение при сжигании различных видов топлива. Таблица 1.8 Состав атмосферного воздуха Газ Азот Кислород Аргон Углекислый Неон Гелий Криптон Ксенон Водород Озон Содержание, об. % Молекулярный вес, кг 78,09 20,95 0,93 0,03 1,8⋅10–8 5,24⋅10–4 1,0⋅10–4 8,0⋅10–6 5,0⋅10–6 1,0⋅10–6 28,016 32,000 39,944 44,010 20,183 4,003 83,80 131,30 2,016 48,000 Примечание. Средний молекулярный вес сухого воздуха 28,966 кг. Под атмосферным давлением понимается гидростатическое давление, оказываемое атмосферой на уровне земной поверхности. Атмосферное давление зависит от высоты над уровнем моря. В одной и той же точке земного шара атмосферное давление может меняться в течение суток. При этом непериодические изменения атмосферного давления возникают вследствие движения обширных масс воздуха над поверхностью Земли. Периодические изменения атмосферного давления связаны с изменением температуры воздуха, а также приливообразующими силами Луны и Солнца. В течение суток наблюдается два максимума и два минимума атмосферного давления. В связи с этим при измерениях расхода воздуха, скорости воздушного потока, гидравлических и аэрогидродинамических характеристик горелочных устройств необходимо измерять атмосферное давление для внесения соответствующих поправок. Состав газового топлива в отличие от состава атмосферного воздуха не является постоянным. Состав природных и искусственных горючих газов зависит от условий их образования или технологии производства. Природными газами принято называть горючие газы, находящиеся в недрах Земли. По мнению ученых, природные газы так же, как и нефть, образовались в результате разложения органических веществ, погребенных 24 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com в осадочных пористых породах. Большая роль отводится при этом биохимическим процессам, главным образом в начальной стадии разложения органического вещества. Встречаясь с месторождениями первичной нефти, газы меняют свой состав, насыщаясь тяжелыми углеводородами. На изменение состава влияют также растворимость газов в пластовых водах и нефти. При этом изменение состава газов происходит за счет различной растворимости отдельных компонентов природного газа. Так, например, при высоких давлениях наибольшей растворимостью в воде обладают углекислый газ и метан. Меньшую растворимость имеют соответственно этан, бутан, пропан и азот. Количество растворимых газов иногда достигает внушительных размеров. Так, например, в нефти природный газ бывает растворен в количестве от 10 до 50 % веса добываемой нефти [43, 46]. В состав природных горючих газов входят главным образом углеводороды метанового ряда. Часто в составе этих газов содержатся азот, двуоксид углерода и сероводород. Иногда в составе природных газов встречаются благородные газы – гелий, аргон, неон. В качестве примесей в природных газах могут находиться водяные пары, двуоксид серы, аммиак и др. Основным по содержанию в природных газах чисто газовых месторождений является метан, в меньших количествах содержатся этан, пропан и бутан. Углеводороды более высокого молекулярного веса содержатся реже и в ничтожных количествах. В значительно большей степени насыщены тяжелыми углеводородами нефтяные (попутные) газы, добываемые из нефтегазовых месторождений. Искусственные горючие газы имеют более переменный состав. Примерный состав искусственных видов газового топлива приведен в табл. 1.9, которая составлена в соответствии с энергетической классификацией горючих газов [39]. Таблица 1.9 Энергетическая классификация горючих газов Наименование Теплота сгорания, кДж/м3 Состав газа, об. % СО2 О2 СmНn СО H2 CH4 Газы высокой теплоты сгорания Водяной 6,3 0,2 – 38 51 0,5 Получаемый при газификации под высоким давле3,3 0,3 0,7 18 56 18 нием (25 атм) Коксовый из каменных 3,0 1,0 2,0 6 56 22 углей Парокислородный 20,3 0,2 0,5 34 39 3 Сланцевый 15,0 – 3 16 39 24 Природный 0,1 – 0,7 – – 98,0 25 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com N2 Qв Qн 4,0 11 520 10 480 4,0 17 140 15 130 10 17 930 15 840 3 10 850 9930 3 18 480 16 340 1,2 39 550 35 500 Окончание табл. 1.9 Наименование Состав газа, об. % СО 2 О 2 СmН n СО H2 CH4 N2 Газы пониженной теплоты сгорания Генераторный из битуминозных топлив (прямой 7,0 0,2 0,3 28 13 2,5 49 процесс газификации) Смешанный генераторный 6 – – 27 13 0,6 53,4 из тощих топлив Доменный 10,5 – – 28 2,7 0,3 58,5 Подземной газификации из бурых углей на воз16 – – 8 18 1,0 55,0 душном дутье Теплота сгорания, кДж/м3 Qв Qн 6410 6030 5320 5030 4020 3940 4190 3645 Продукты горения газа обычно содержат продукты полного и неполного горения топлива. К продуктам полного горения относятся двуоксид углерода СО2, сернистый ангидрид SO2, водяные пары Н2О. В результате химической неполноты горения в продуктах горения могут появиться следующие стабильные компоненты: оксид углерода СО, водород Н2, метан CH4. В состав продуктов горения входят также азот и другие примеси, вносимые воздухом, а также избыточный непрореагировавший кислород О2. Контрольные вопросы и задания 1. Какие отечественные и зарубежные ученые внесли вклад в развитие науки о горении? 2. Какие загрязняющие вещества образуются при горении? 3. Назовите основные газовые законы. 4. В чем принципиальное отличие идеальных газов от реальных? 5. Что такое критические параметры состояния газов? 6. Назовите основные физико-химические свойства газов? 26 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com ЛЕКЦИЯ 2 СТЕХИОМЕТРИЯ И КИНЕТИКА ГОРЕНИЯ ГАЗОВ План лекции 2.1. Реакции горения газов и их тепловой эффект. 2.2. Расчеты горения газов. 2.3. Температуры горения газов и их расчетное определение. 2.4. Примеры расчетов горения газов. 2.1. Реакции горения газов и их тепловой эффект Горением называется быстрая химическая реакция соединения горючих компонентов с кислородом, сопровождающаяся интенсивным выделением тепла и резким повышением температуры. Реакции горения описываются стехиометрическими уравнениями, характеризующими качественно и количественно вступающие в реакцию и образующиеся в результате нее вещества. Так, реакции горения водорода, окиси углерода и метана имеют следующий вид: 2 H 2 + O2 = 2 H 2 O + Q ; 2CO + O2 = 2CO2 + Q ; CH 4 + 2O2 = CO2 + 2 H 2 O + Q . Реакция горения любого углеводорода может быть выражена следующим общим уравнением: n Cm H n + ( m + n / 4)O2 = mCO2 + H 2O + Q, 2 где т – число углеродных атомов в молекуле углеводорода; п – число водородных атомов в той же молекуле; Q – тепловой эффект реакции. Реакции горения, распространенные в практике газов, и их тепловой эффект приведены в табл. 2.1. Вместе с тем по ним нельзя судить ни о скорости протекания реакции, ни о механизме химических превращений. По закону действующих масс скорость любой химической реакции зависит от природы и концентрации вступающих в реакцию веществ и их температуры. Так как вещества реагируют между собой в стехиометрических соотношениях, определяемых приведенными в табл. 2.1 уравнениями, то о скорости реакций можно судить по уменьшению в единице объема в секунду исходных веществ (или одного из них) или по увеличению количества вновь образующихся веществ. 27 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Таблица 2.1 Теплота сгорания различных горючих сухих газов Наименование газа Водород Окись углерода Метан Этан Пропан Бутан Пентан Этилен Пропилен Бутилен Пентилен Ацетилен Теплота сгорания, Q Формула реакции высшая, ккал/м3 низшая, ккал/моль Н2+0,5С2 = Н2О СО+0,5О2 = СО2 СН4+2О2 = СО2+2Н2О С2Н6+З.5СО2 = 2СО2+ЗН2О С3Н8+5О2 = 3СО2+4Н2О С4Н10+6,5О2 = 4СО2+5Н2О C5H12+8О2 = 5СО2+6Н2О С2Н4+ЗО2 = 2СО2+2Н2О С3Н6+4,5О2 = 3СО2+ЗН2О С4Н8+6О2 = 4СО2+4Н2О С5Н10+7,5О2 = 5СО2+5Н2О С2Н2+2,5О2 = 2СО2+Н2О 3045 3016 9496 16 640 23 680 30 690 37 715 15 050 21 960 29 000 36 000 13 855 2576 3016 8558 15 230 21 800 28 345 34 900 14 110 20 550 27 120 33 660 13 386 Для необратимых реакций, имеющих место при сжигании газа в распространенных топках, скорость их протекания, кмоль/м3⋅с, может быть описана следующей зависимостью [2, 4]: W =− dc = k C1 C2 , dτ где k – константа скорости химической реакции; С1 и С2 – концентрации реагирующих веществ (число киломолей в единице объема); знак «– » показывает, что концентрация реагента со временем уменьшается. При сжигании газа концентрации реагирующих веществ можно условно считать неизменными, так как в зону горения происходит непрерывный приток новых компонентов. Для этого условия зависимость константы скорости реакции определяется экспоненциальным уравнением Аррениуса [19]: ь k = k0 e − E RT , где k0 – предэкспоненциальный множитель, который в первом приближении принимается постоянным; е – основание натуральных логарифмов; Е – энергия активации, ккал/кмоль; R – универсальная газовая постоянная, ккал/кмоль⋅град; Т – абсолютная температура, К. Данное уравнение показывает, что скорость химической реакции зависит как от природы реагирующих веществ (Е и R), так и от температуры, резко возрастая с ее увеличением. 28 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Быстрое протекание реакции горения вызывается не только влиянием температуры, но и цепным характером этих реакций. Известно, что каждая реакция горения связана с перегруппировкой химических связей между атомами при переходе из начального состояния в конечное. Такая перегруппировка требует, чтобы реагирующие вещества обладали значительным количеством избыточной энергии (энергией активизации), необходимой для разрыва существующих внутримолекулярных связей. При этом превращение исходных веществ в конечные продукты происходит не в один акт, а через ряд стадий с образованием промежуточных химически активных частиц – атомов и радикалов, генерируемых самой реакцией. Эти частицы легко вступают в соединения с исходными веществами и между собой, приводя к образованию конечных продуктов и новых активных частиц, способных повторять ту же цепь реакций. Нарастающее самопроизвольное генерирование активных частиц приводит к разгону химической реакции и воспринимается как взрыв всей реагирующей смеси. Наиболее полно изученной из цепных реакций является реакция взаимодействия водорода с кислородом. Зарождение цепи при этой реакции связано с образованием атомарного водорода, возникающего, например, при столкновении молекулы с накаленным телом М (электрическая искра, пламя и др.) [31, 46]: Н 2 + М = 2Н ∗ + М . Дальнейшее протекание цепной реакции характеризуется схемой Н& О& + Н 2 ОН& + Н 2 Н& + О ОН& + Н 2 Н 2O Н& Н 2O Н& Итог единичного цикла: Н& + 3 Н& 2 + О2 → 2 Н 2 О + 3 Н& . Из приведенной схемы и итога единичного цикла видно, что вступление в реакцию одного атома водорода приводит к образованию трех атомов водорода, каждый из которых может либо дать начало новой серии превращений, либо превратиться в стабильную молекулу при столкновении с такой же частицей: Н& + Н& → Н 2 . 29 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Реакции показывают, что в пламени водородно-кислородной смеси могут происходить как благоприятные столкновения, приводящие к развитию цепи, так и неблагоприятные, ведущие к её обрыву. Практикой доказано, что число благоприятных столкновений как в водородно-кислородной смеси, так и в любой самопроизвольно горючей газовоздушной смеси всегда превышает число неблагоприятных столкновений. Поэтому воспламенение горючей смеси, находящейся в сосуде, всегда приводит к ее мгновенному сгоранию, т. е. взрыву. Механизм взаимодействия окиси углерода с кислородом аналогичен реакции окисления водорода, но осложняется параллельно протекающими сопутствующими реакциями. Дело в том, что сухая смесь окиси углерода с кислородом совершенно не реагирует до температуры 700 °С, а выше нее протекает медленная гетерогенная реакция. Протекание реакции по всему объему происходит только при наличии в горючей смеси некоторого начального количества водяного пара или атомарного водорода. Поэтому, как и при горении водорода, зарождение цепи вызывается столкновением образовавшегося при активации атомарного водорода со стабильной молекулой кислорода: & + O. & Н& + О2 → OН Образовавшиеся активные частицы легко реагируют как с молекулами окиси углерода, так и с молекулами водорода. Полный цикл превращений может быть изображен схемой О& + СО СО2 Н& + О2 ОН& + СО СО2 Н& Реакции могут протекать и по другим схемам, приводящим в конечном итоге к образованию стабильной двуокиси углерода: & + СО → СО + Н& и О& + Н →ОН & + Н& , ОН 2 2 2 ОН + Н → Н O + Н& и О + СО →СО . 2 2 2 Механизм высокотемпературного окисления углеводородов имеет еще более сложный цепной характер и связан с промежуточным образованием атомарного водорода, кислорода и различных радикалов. Осложняется этот процесс и тем, что при недостатке окислителя или неоднородности смеси одновременно с реакциями окисления протекают реакции термического разложения углеводородов. 30 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Приближенной схемой стадийного горения простейшего углеводорода метана может являться набор следующих реакций:  Н& + О2 →ОН& + О&  1 СН 4 + ОН& → СН& 3 + Н 2 О  & & & & СН 4 + О → СН 3 + ОН → СН + Н 2 О СН& 3 + О2 → НСНО + ОН& 2 СН& 2 + О2 → НСНО + О& &  НСНО + ОН& → НСО + Н 2О & & 3  НСО + О2 → СО + О& + ОН  НСНО + О →СО + Н О 2  СО + О& → С2 О 4 & → С О + Н& СО + ОН 2 2СН 4 + 4О2 → 2СО2 + 4 Н 2 O. В действительности этот процесс более сложен и сопровождается одновременным протеканием реакций термического разложения углеводородов. Последние, по Петерсу и Вагнеру, могут приводить к образованию радикалов не только в виде СН3 и СН2, но и в виде СН и С2 [31]. Тепловым эффектом реакции горения, или теплотой сгорания газа, называется количество тепла, выраженное в килокалориях (или килоджоулях), которое выделяется при полном сгорании 1 кмоля, 1 кг или 1 нм3 газа. В теплотехнических расчетах теплоту сгорания обычно относят к 1 нм3 газа. Соотношения между мольной, весовой и объемной теплотой сгорания выражаются следующими зависимостями: Qµ = Qкг µ= Qнм3 Vµ ; Qнм 3 = Qµ Vµ = Qкг γ; Qкг = Qµ µ = Qнм3 γ , где Qµ – теплота сгорания одного кмоля газа, ккал/моль; Qкг – теплота сгорания 1 кг газа, ккал/кг; Qнм3 – теплота сгорания 1 нм3 газа, ккал/нм3; µ – мо- лекулярный вес газа, кг; γ – удельный вес газа, кг/нм3; Vµ – молекулярный объем газа, нм3/кмоль; Vp = 22,4 нм3/кмoль. Различают высшую Qв и низшую Qн теплоту сгорания газа. Высшая теплота сгорания соответствует условиям, при которых водяные пары, образующиеся при реакциях горения, доводятся за счет охлаждения до жидко31 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com го состояния. В практических условиях сжигания газов водяные пары, как правило, не конденсируются (исключение составляют только низкотемпературные контактные нагреватели воды), а удаляются в виде пара с другими продуктами сгорания во внешнюю атмосферу. С целью приближения к реальным условиям сжигания газа введено понятие низшей теплоты сгорания. Разница между высшей и низшей теплотой сгорания газа равна теплоте конденсации водяных паров и частичного охлаждения образовавшейся жидкости, составляющей около 600 ккал на каждый килограмм водяных паров, получающейся в процессе сгорания газов. Значения высшей и низшей теплоты сгорания сухих газов приведены в табл. 2.1. Высшая и низшая теплота сгорания сложных газов, состоящих из нескольких компонентов, определяется по химическому составу газа и теплоте сгорания компонентов, ккал/нм3: Qс o = ( 0 ,760 ) r1Q1 + r2 Q2 + ...+ rn Qn , 100 где r1, r2, ... rn – содержание компонентов в сложном газе, об. %; Q1, Q2, ..., Qn – высшая или соответственно низшая теплота сгорания 1 нм3 сухих компонентов при t = 0 °С и Р = 760 мм рт. ст. Пользуясь данными табл. 2.1, высшую и низшую теплоту сгорания 1 нм3 сложного сухого газа можно определить по формулам: Qвс = 30 ,5 Н 2 + 30 ,2 СО + 95 СН 4 +166 ,4 С2 Н 6 + +236 ,8 С3 Н 8 + 306 ,9 С 4 Н 10 + 377 ,2 С5 Н12 −150 ,5С2 Н 4 + + 219 ,6 С3 Н 6 + 290 С4 Н 8 + 360 С5 Н10 ; Q = 25 ,8 Н 2 + 30 ,2 СО +85,5 СН 4 +152 С2 Н 6 + с н +218 С3 Н 8 + 288 С4 Н10 + 349 С5 Н12 −141С2 Н 4 + +205 С3 Н 6 + 271С 4 Н 8 + 377 С5 Н10 , где Н2, СО, CH4 и т. д. – содержание компонентов в сложном газе, об. %. Низшая теплота сгорания 1 м3 влажного газа при абсолютном давлении Р, мм рт. ст., температуре Т, К, и относительной влажности ϕ определяется по формуле  Q =Q   ,   где Qн(0°,760) – низшая теплота сгорания сухого газа, ккал/нм3; РН – парцивл н(t ,P ) с н ( 0 c ,760 ) P ⋅27315 , 760 T  ϕPH 1+ P   18600 1+ с  22 ,4 Qн ( 0 c ,760) альное давление водяного пара при температуре, мм рт. ст. 32 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Для осушенных газов выражение, заключенное в квадратные скобки, невелико, и в практических расчетах может не учитываться. 2.2. Расчеты горения газов В практических условиях сжигания газа кислород для горения подается с воздухом (как его составная часть). Состав сухого воздуха, без учета незначительных количеств двуоксида углерода и редких газов, принимается следующим, %, [7]: по объему по весу кислород 21,0 23,2 азот 79,0 76,8 3 Следовательно, 1 м кислорода содержится в 100/21 = 4,76 м3 воздуха, или на 1 м3 кислорода приходится 79/21 = 3,76 м3 азота. Так как 1 кмоль любого газа при нормальных физических условиях занимает примерно одинаковый объем, реакции горения газов в воздухе могут быть выражены следующими уравнениями: CH 4 + 2O2 + 2⋅3,76 N 2 = CO2 + 2 H 2 O + 7 ,52 N 2 ; 1м3 9 ,52 м3 1 м3 2 м3 7 ,52 м3 С3 Н 8 + 5O2 + 5⋅3,76 N 2 = CO2 + 4 H 2 O +18 ,8 N 2 ; 1 м3 23,8 м3 3 м3 м3 м3 Реакция горения любого углеводорода в воздухе выражается уравнением Cm H n + ( m + n /4)(O2 + 3 ,76 N 2 ) = mCO2 + n H 2 O + ( m + n / 4) 3 ,76 N 2 . 2 Потребности в кислороде и воздухе при горении различных газов, подсчитанные по приведенным реакциям горения, представлены в табл. 2.2. Для сложного газа теоретический расход сухого воздуха может быть подсчитан по уравнению, составленному на основании потребности в кислороде отдельных компонентов, нм3/нм3 газа: Vmc = 4 ,76 (0 ,5 H 2 + 0 ,5CO + 2CH 4 + 3,5C 2 H 6 + 5C3 H 8 + 100 +6 ,5C 4 H10 + 3C2 H 4 + 4 ,5C3 H 6 + 6C4 H 8 −O2 ) . 33 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Таблица 2.2 Теоретическая потребность в сухом кислороде и воздухе. Объем продуктов сгорания газа при α = 1,0 Наименование газа Водород Окись углерода Метан Этан Пропан Бутан Пентан Этилен Пропилен Бутилен Пентилен Ацетилен Количество на 1 нм3 газа, м3 Кислород Воздух 0,5 0,5 2,0 3,5 5,0 6,5 8,0 3,0 4,5 6,0 7,5 2,5 2,38 2,38 9,52 16,66 23,8 30,94 38,08 14,28 21,42 28,56 35,7 11,9 Количество продуктов сгорания на 1 нм3 сгоревшего газа, м3 Двуокись Водяной Азот Всего углерода пар 1,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 2,0 3,0 4,0 5,0 2,0 1,0 – 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 2,0 3,0 4,0 5,0 1,0 1,88 1,88 7,52 13,16 18,80 24,44 30,08 11,28 16,92 22,56 28,20 9,40 2,88 2,88 10,52 18,16 25,8 33,44 41,08 15,28 22,92 30,56 38,20 12,40 Теоретический расход влажного воздуха больше подсчитанного по формуле на объем содержащихся в нем водяных паров, нм3/нм3: Vmвл =Vmc + 0 ,00124 d в Vmc , где Н2, СО, СН, О2 и т. д. – содержание соответствующих компонентов в сложном газе, об. %; dв – влажность воздуха, г/нм3; 0,00124 – объем 1 г водяного пара, нм3. При неизвестном химическом составе природных газов, но известной теплоте сгорания теоретический расход воздуха, нм3/нм3 газа, может приближенно определяться по формуле [10, 19] Vm = 113 , QH , 1000 где QН – низшая теплота сгорания газа, ккал/нм3. Действительный расход воздуха, нм3/нм3 газа, вследствие несовершенства смешения горючего и окислителя в процессе горения берется несколько больше теоретического: V ДВЛ =VmВЛ α , где α – коэффициент избытка воздуха. 34 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Коэффициент α в зависимости от качества смешения газа и воздуха принимается в пределах 1,05–1,2. В реальных условиях сжигания газа коэффициент избытка воздуха α всегда должен быть больше единицы, так как в противном случае неминуем химический недожог. Исключение составляют отдельные процессы, при которых необходимо создание в нагревательных камерах нейтральной или малоокислительной среды. Состав и количество продуктов сгорания, полученные в результате реакций горения некоторых газов в сухом воздухе, приведены в табл. 2.2. Объем продуктов сгорания сложных газов при сжигании с избытком влажного воздуха определяется по следующим формулам: 1) объем двуокиси углерода, нм3/нм3, VCO2 = 0 ,01(CO2 + CO + CH 4 + 2C2 H 4 +Σ m C m H n ); 2) объем водяных паров, нм3/нм3, VH 2 O = 0 ,01( H 2 + 2CH 4 + 2C2 H 4 +Σ n / 2C m H n ) + 0 ,00124 ( d г +Vmc d в a ); 3) объем азота, нм3/нм3, VN 2 = 0 ,79 a Vmc + 0,01N 2 ; 4) объем кислорода, нм3/нм3, VO2 = 0 ,21( a −1) Vmc ; 5) суммарный объем влажных продуктов сгорания, нм3/нм3, ВЛ VПС = VCO 2 + VH 2 O + VN 2 + VO2 , где CO2, CO, ch4, СmНn и т. д. – содержание отдельных компонентов в горючем газе, об. %; dг и dв – влажность газа и воздуха, г/нм3; Vm – теоретический расход сухого воздуха, нм3/нм3; α – коэффициент избытка воздуха. 2.3. Температуры горения газов и их расчетное определение В теплотехнической практике различаются следующие температуры горения газов: калориметрическая, теоретическая, действительная и жаропроизводительность. Жаропроизводительность определяется как температура продуктов полного сгорания горючих газов в адиабатических условиях с коэффициентом избытка воздуха α = 1,0 при температуре газа и воздуха t = 0 °C [19]: 35 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com tж = QH , ΣV C p или в развернутом виде tж = VCO2 C P CO2 QH , + VH 2 O C PH O + VN 2 C P 2 N2 где Qн – низшая теплота сгорания газа, ккал/нм3; VCO2 , VH 2O , VN 2 – соответственно количества двуокиси углерода, водяного пара и азота, образовавшихся при сгорании 1 мл3 газа, нм3/нм3; C P , C PH O , C P – средние CO 2 N2 теплоемкости при постоянном давлении СО2, Н2О и N2 в пределах температур от 0 до tж °С, ккал/град. Жаропроизводительность горючих газов определяется методом последовательных приближений, так как теплоемкость газов непостоянна и увеличивается с повышением температуры. Поэтому для определения жаропроизводительности предварительно задаются ее величиной (для природных газов около 2000 °С), определяют при а = 1 объемы компонентов продуктов сгорания, устанавливают их средние теплоемкости и подсчитывают жаропроизводительность газа. Если в результате подсчета она окажется ниже или выше принятой, то задаются другой температурой и расчет повторяют. Значения жаропроизводительности распространенных простых и сложных газов при их горении в сухом воздухе приведены в табл. 2.3. При сгорании газов в атмосферном воздухе, содержащем около 1 % весовой влаги, жаропроизводительность снижается на 25–30 °С [46]. Таблица 2.3 Жаропроизводительность простых и средних составов сложных газов в сухом воздухе Наименование газа Водород Жаропроизводительность tж, °С 2235 Оксид углерода Метан 2043 Этан 2097 Пропан 2110 2370 Наименование сложных газов средних составов Природный газ газовых месторождений Природный газ нефтяных месторождений Газ коксовый Газ высокотемпературной перегонки сланцев Газ парокислородного дутья под давлением 36 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Жаропроизводительность tж, °С 2040 2080 2120 1980 2050 Окончание табл. 2.3 Наименование газа Жаропроизводительность tж, °С Бутан 2118 Пентан 2119 Этилен 2284 Пропилен 2224 Бутилен Пентилен 2203 2189 Наименование сложных газов средних составов Жаропроизводительность tж, °С Генераторный газ из жирных углей Генераторный газ паровоздушного дутья из тощих топлив Газ из жирных каменных углей Сжиженный газ (50 %С3Н8 + 50 %С4Н10) Водяной газ Доменный газ из кокса 1750 1670 2050 2115 2210 1470 Калориметрическая температура горения отличается от жаропроизводительности тем, что температура газа и воздуха, а также коэффициент избытка воздуха α принимаются при их действительных значениях [19, 43]: tk = QH + Qфиз ΣV C P , или в развернутом виде: tk = QH +VB C PB t B + C PГ t Г VCO2 C P CO2 +VH 2 O C PH O +VN 2 C P +VO2 C P 2 N2 , O2 где Qфиз – энтальпия воздуха и газа, отсчитываемая от 0 °С, ккал/нм3 газа; VB , C PB , t B – соответственно количество, нм3/нм3, средняя теплоемкость, ккал/нм3⋅град, и температура воздуха, 0 °С; C PГ , t Г – средняя теплоемкость, ккал/нм3⋅град, и температура газа, 0 °С; VCO 2 , VH 2 O , VN 2 , VO 2 – соответственно количество CO2, H2O, N2, O2, образующихся при сгорании 1 нм3 газа с избытком воздуха, нм3/нм3; C P , C PH O , C P , C P – средние CO2 2 N2 O2 теплоемкости при постоянном давлении CO2, H2O, N2 и О2 – в пределах температур от 0 до t °С, ккал/нм3⋅град. Природные и сжиженные углеводородные газы обычно не нагреваются до их сжигания, и их объем сравнительно с объемом воздуха невелик. Поэтому при определении калориметрической температуры горения энталь37 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com пию газов ( C PГ tг) можно не учитывать. При сжигании газов с низкой теплотой сгорания (генераторные, доменные и др.) энтальпия газов, в особенности нагретых до сжигания, оказывает весьма существенное влияние на калориметрическую температуру. Значения калориметрической температуры горения среднего природного газа (СН4 – 97 %, C2H6 – 2 %, С3Н8 и С4Н10 – 5 %, N2 и СО2 – 0,5 об. %) в воздухе с температурой 0 °С в зависимости от коэффициента избытка воздуха а приведены в табл. 2.4. Таблица 2.4 Калориметрическая и теоретическая температура горения природного газа в воздухе с t = 0 °С в зависимости от коэффициента избытка воздуха Коэффициент Калориметрическая избытка температура воздуха горения 1,0 1,02 1,03 1,05 1,06 1,08 1,10 1,12 1,14 1,16 1,18 1,20 1,22 1,25 1,28 2010 1990 1970 1940 1920 1900 1880 1850 1820 1800 1780 1760 1730 1700 1670 Теоретическая температура Коэффициент Калориметизбытка рическая темперавоздуха тура горения 1920 1900 1880 1870 1860 1850 1840 1820 1790 1770 1760 1750 – – – 1,33 1,36 1,40 1,43 1,46 1,50 1,53 1,57 1,61 1,66 1,71 1,76 1,82 1,87 1,94 1620 1600 1570 1540 1510 1470 1440 1410 1380 1350 1320 1290 1260 1230 1200 Аналогичные данные для сжиженного углеводородного газа (технический пропан) при его сжигании в сухом воздухе приведены в табл. 2.5. Данными табл. 2.4 и 2.5 можно с достаточной точностью руководствоваться при установлении калориметрической температуры горения других природных газов сравнительно близких составов и практически для всех составов сжиженных углеводородных газов. При необходимости получения высоких температур в топочных объемах для сжигания газов с малыми коэффициентами избытка воздуха (a < 1,0), а также для повышения кпд печей в практике прибегают к подогреву воздуха, что приводит к росту калориметрической температуры горения. 38 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Таблица 2.5 Калориметрическая температура горения технического пропана в сухом воздухе с t = 0 °С в зависимости от коэффициента избытка воздуха α Коэффициент избытка воздуха Калориметрическая температура горения Коэффициент избытка воздуха Калориметрическая температура горения 1,0 1,02 1,04 1,05 1,07 1,10 1,12 1,15 1,20 1,25 1,27 1,30 1,35 1,40 2110 2080 2050 2030 2010 1970 1950 1910 1840 1780 1750 1730 1670 1630 1,45 1,48 1,50 1,55 1,60 1,65 1,70 1,75 1,80 1,85 1,90 1,95 2,00 2,10 1580 1560 1540 1500 1470 1430 1390 1360 1340 1300 1270 1240 1210 1170 Значения калориметрических температур горения среднего природного газа в зависимости от коэффициента избытка сухого воздуха и его температуры приведены в табл. 2.6. Таблица 2.6 Калориметрическая температура горения природного газа в зависимости от коэффициента избытка сухого воздуха и его температуры Коэффициент избытка воздуха 20 100 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 1380 1610 1730 1880 1980 2050 1810 1610 1450 1320 1220 1430 1650 1780 1940 2030 2120 1860 1660 1510 1370 1270 Температура нагрева воздуха, °С 200 300 400 500 600 1500 1715 1840 2010 2090 2200 1930 1740 1560 1460 1350 1545 1780 1915 2060 2150 2250 2000 1800 1640 1520 1420 1620 1840 1970 2130 2220 2320 2070 1870 1730 1590 1490 39 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 1680 1900 2040 2200 2290 2385 2140 1950 1800 1670 1570 1740 1960 2100 2260 2360 2450 2200 2030 1860 1740 1640 700 800 1810 2015 2200 2330 2420 2510 2280 2100 1950 1830 1720 1860 2150 2250 2390 2500 2560 2350 2160 2030 1920 1820 Теоретическая температура горения t определяется аналогично калориметрической температуре, но с поправкой на эндотермические реакции диссоциации двуокиси углерода и водяного пара, идущие с увеличением объема: CO2 ⇔ CO + 0 ,5 O2 − Q H 2 O ⇔ H 2 + 0 ,5 O2 −Q. При высоких температурах процессы диссоциации происходят более глубоко, с образованием атомарного водорода, кислорода и, в особенности, гидроксила. Кроме этого, при сжигании газа с избытком воздуха всегда образуется некоторое количество окиси азота. Все эти реакции эндотермичны и приводят к снижению температуры горения. Для определения теоретической температуры горения применяется следующая формула [35]: tm = QH + qфиз − qдис Σ V' C' P , где QН – низшая теплота сгорания газа, ккал/нм3; qфиз – энтальпия газа и воздуха, ккал/нм3; qдис – суммарные затраты тепла на диссоциацию СO2 и Н2О и синтез NO2, ккал/нм3; Σ V' C' P – сумма произведений объемов и средних теплоемкостей продуктов сгорания с учетом диссоциации на 1 нм3 газа. Расчеты, связанные с установлением точных затрат тепла на все процессы диссоциации (включая глубокие) и синтеза NO, весьма сложны и в большинстве случаев не вызываются необходимостью. По этим причинам определение теоретической температуры горения обычно производится по упрощенной методике, базирующейся на том, что энтальпии недиссоциированных и частично диссоциированных газов сравнительно близки между собой. Объясняется это тем, что увеличение объёма газов за счет диссоциации компенсируется повышенной теплоемкостью недиссоциированных газов. В соответствии с изложенным определение теоретической температуры горения может производиться по следующей упрощенной развернутой формуле [31]: tT = QH +VB C PB t B + C PГ t Г − (25 ,8VH 2 O а + 30 ,2 VCO2 б ) VCO2 C P CO2 + VH 2 O C PH O + V N 2 C P + VO2 C P 2 N2 , O2 где а и б – степень диссоциации водяного пара и двуокиси углерода, об. % от исходного количества. Степень диссоциации водяного пара и двуокиси углерода возрастает с повышением температуры и снижением их парциального давления в смеси продуктов сгорания. Значения степени диссоциации Н2О и СО3 при атмосферном давлении приведены в табл. 2.7 и 2.8. 40 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Таблица 2.7 Степень диссоциации водяного пара Температура, °С 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 Парциальное давление Н2О, абс. ат 0,09 0,10 0,12 0,11 0,16 0,18 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 41 1600 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,63 0,60 0,58 0,56 0,54 0,52 0,50 0,48 0,46 0,44 0,42 1700 1,45 1,35 1,27 1,20 1,16 1,12 1,08 1,02 0,05 0,90 0,85 0,80 0,76 0,73 0,70 0,67 1800 2,40 2,25 2,10 2,00 1,90 1,85 1,80 1,70 1,60 1,53 1,46 1,40 1,30 1,25 1,20 1,15 1900 4,05 3,80 3,60 3,40 3,25 3,10 3,00 2,85 2,70 2,65 2,50 2,40 2,20 2,10 2,00 1,90 2000 5,75 5,35 5,05 4,80 4,60 4,45 4,30 4,00 3,80 3,55 3,50 3,40 3,15 2,95 2,80 2,65 2100 8,55 7,95 7,50 7,10 6,80 6,55 6,35 6,00 5,70 5,45 5,25 5,10 4,80 4,55 4,30 4,10 2200 12,3 11,5 10,8 10,3 9,90 9,60 9,30 8,80 8,35 7,95 7,65 7,40 6,90 6,50 6,25 5,90 2300 16,0 15,4 15,0 14,3 13,7 13,3 12,9 12,2 11,6 11,1 10,7 10,4 9,60 9,10 8,70 8,40 2400 22,5 21,0 20,0 19,1 18,4 17,7 17,2 16,3 15,6 15,0 14,4 13,9 13,0 12,2 11,7 11,2 2500 28,5 26,8 25,6 24,5 23,5 22,7 22,1 20,9 20,0 19,3 18,6 18,0 16,8 15,9 15,2 14,6 2600 37,1 35,1 33,5 32,1 31,0 30,1 29,2 27,8 26,7 25,7 24,8 24,1 22,0 21,5 20,5 19,7 2700 44,7 42,6 40,7 39,2 37,9 36,9 35,9 34,2 33,0 31,8 30,8 29,9 28,2 26,8 25,7 24,8 2800 54,5 52,2 50,3 48,7 47,3 46,1 45,0 43,2 41,6 40,4 39,3 38,3 36,2 34,6 33,3 32,2 2900 62,8 60,5 58,6 56,9 55,5 54,3 53,2 51,3 49,7 48,3 47,1 46,0 43,7 41,9 40,5 39,2 3000 70,6 68,5 66,7 65,1 63,8 62,6 61,6 59,6 58,0 56,5 55,4 54,3 51,9 50,0 48,4 47,0 41 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Таблица 2.8 Степень диссоциации двуоксида углерода 42 Температура, °С 0,03 0,04 0,05 0,06 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900 3000 0,6 2,2 4,1 6,9 11,1 18,0 25,9 37,6 47,6 59,0 69,0 77,7 84,4 89,6 93,2 95,6 0,5 2,0 3,8 6,3 10,1 16,5 23,9 35,1 44,7 56,0 66,3 75,2 82,5 88,3 92,2 94,9 0,5 1,9 3,5 5,9 9,5 15,4 22,2 33,1 42,5 53,7 64,1 73,3 81,0 87,2 91,4 94,4 0,5 1,8 3,3 5,5 8,9 14,6 21,3 31,5 40,7 51,8 62,2 71,6 79,8 86,1 90,6 93,9 0,07 Парциальное давление СО2, абс. ат 0,08 0,09 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,25 0,30 0,5 1,7 3,1 5,2 8,5 13,9 20,3 30,3 39,2 50,2 60,6 70,2 78,6 85,2 90,0 93,5 0,5 1,6 3,0 5,0 8,1 13,4 19,6 29,2 37,9 48,8 59,3 68,9 77,6 84,4 89,4 93,1 0,4 1,35 2,4 4,0 6,5 10,8 15,9 24,1 31,8 41,8 52,0 62,0 71,6 79,6 85,8 90,1 0,4 1,3 2,3 3,8 6,3 10,4 15,3 23,3 30,9 40,6 50,7 60,8 70,5 78,7 85,1 89,6 0,4 1,25 2,2 3,7 6,1 10,0 14,9 22,6 30,0 39,6 49,7 59,7 69,4 77,9 84,5 88,5 0,4 1,2 2,0 3,5 5,6 9,4 13,9 21,2 28,2 37,5 47,4 57,4 67,3 76,1 83,0 87,6 0,4 1,1 1,9 3,3 5,3 8,8 13,1 20,1 26,9 35,8 45,4 55,5 65,5 74,5 81,8 86,8 0,5 1,55 2,9 4,8 7,8 12,9 18,9 28,3 36,9 47,6 58,0 67,8 76,6 83,7 88,8 92,7 42 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 0,5 1,5 2,8 4,6 7,6 12,5 18,3 27,5 35,9 46,5 56,9 66,7 75,7 83,0 88,3 92,3 0,5 1,45 2,6 4,4 7,2 11,8 17,3 26,1 34,3 44,6 55,0 64,9 74,1 81,7 87,4 91,7 0,5 1,4 2,5 4,2 6,8 11,2 16,5 25,0 32,9 43,1 53,4 63,4 72,8 80,6 86,5 90,6 Данные табл. 2.7 и 2.8 показывают, что при температурах до 1500 °С степень диссоциации ничтожна и может не учитываться, т. е. теоретическая температура горения может приниматься равной калориметрической температуре. При более высокой температуре диссоциация может существенно снижать температуру в рабочем пространстве (см. табл. 2.4). В практике теоретическую температуру горения необходимо определять только для высокотемпературных печей, работающих на предварительно нагретом воздухе. Для котельных установок в этом нужды нет, так как возникающие в локальных зонах в результате диссоциации Н2, СО, О2, ОН и др. при охлаждении вступают в реакцию, выделяя то же количество тепла, которое было затрачено на диссоциацию. Действительная температура продуктов сгорания ниже теоретической температуры горения и зависит от величины теплопотерь в окружающую среду, степени отдачи тепла из зоны горения излучением, растянутости процесса горения и др. Действительная температура в топках печей и котлов определяется по тепловому балансу или приближенно по теоретической или калориметрической температуре горения (в зависимости от температур в топках) с введением в них экспериментально установленного поправочного коэффициента [46]: t Д = tτ η , где η – пирометрический коэффициент, укладывающийся в пределы: для качественно выполненных термических и нагревательных печей с теплоизоляцией 0,75–0,85; для герметических печей без теплоизоляции 0,65–0,75; для экранированных топок котлов 0,50–0,65. Действительные температуры горения в топках котлов определяются по тепловому расчету котельных агрегатов. 2.4. Примеры расчетов горения газа 1. Определить низшую теплоту сгорания сухого природного газа следующего состава: СН4 – 97 %, С2Н6 – 2 %, С3Н8 – 0,3 %, С4Н10 – 0,2 %, СО2 – 0,2 %, N2 – 0,3 %. Решение. Низшая теплота сгорания газа Qсн = 85,5 ⋅ 97 + 152 ⋅ 2 + 218 ⋅ 0,3 + 288 ⋅ 0,2 = 8720 ккал/нм3 . 2. Определить потребность в воздухе для сжигания 1 нм3 природного газа приведенного в примере 1 состава. Температура воздуха tв = 20 °С; относительная влажность ϕр = 0,6; коэффициент избытка воздуха α = 1,1. 43 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Решение. Теоретический расход сухого воздуха Vст = 4 ,76/100 (2⋅97 + 3 ,5⋅2 + 5⋅0 ,3 + 6 ,5⋅0 ,2) = 9 ,7 нм3/нм3. Содержание водяных паров в воздухе при t = 20 °С и р = 0,6 ds =17 ,3⋅0 ,6 =10 г/нм3. Теоретический расход влажного воздуха VВЛ Т = 9 ,7 + 0 ,00124⋅10⋅9 ,7 = 9 ,82 нм3/нм3. Действительный расход влажного воздуха при а = 1,1 VВЛ Д = 9 ,82⋅11 , =10 ,8 нм3/нм3. 3. Определить объем сухих и влажных продуктов сгорания природного газа, нм3/нм3. Состав газа и условия его сжигания в воздухе аналогичны приведенным в примерах 1 и 2. Решение. Объем двуокиси углерода VCO2 = 0 ,01(0 ,2 + 97 + 2⋅ 2 + 3⋅ 26 ,3 + 4⋅0 ,2) =1,03 нм3/нм3. Объем водяных паров VH 2O = 0 ,01(2⋅97 + 3⋅2 + 4⋅0 ,3+ 5⋅0,2) + 0,00124⋅9 ,7⋅10⋅11 , = 215 , нм3/нм3. Объем азота VN 2 = 0 ,79⋅11 , ⋅9 ,7 + 0 ,01⋅0 ,3 = 8 ,4 нм3/нм3. Объем кислорода VO2 = 0 ,21(11 , −1) 9 ,7 = 0 ,2 нм3/нм3. Объем сухих продуктов сгорания VС ПС =1,03+ 8 ,4 + 0 ,2 = 9 ,63 нм3/нм3. Объем влажных продуктов сгорания VВЛ ПС = 9,63 + 2,15 = 11,78 нм3/нм3. Таким образом, были определены объемы продуктов сгорания природного газа. 44 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Контрольные вопросы и задания 1. Что такое горение? Охарактеризуйте тепловой эффект реакции горения. 2. Приведите химические уравнения реакций горения водорода и оксида углерода. 3. Приведите реакции горения любого углеводородного газа. 4. В чем сущность цепного механизма реакций горения? 5. Приведите пример цепной реакции горения водорода. 6. Как производится расчет продуктов горения? 7. Что такое жаропроизводительность? Приведите формулу её определения. 8. В чём отличие калориметрической и теоретической температур горения? 9. Как рассчитать действительную температуру горения? ЛЕКЦИЯ 3 ВОСПЛАМЕНЕНИЕ ГАЗОВ И ПРЕДЕЛЫ ИХ ВЗРЫВАЕМОСТИ План лекции 3.1. Температура воспламенения. 3.2. Пределы воспламенения. Расчет давления при взрыве газов. 3.3. Скорость распространения пламени. 3.1. Температура воспламенения Под температурой воспламенения понимается минимальная температура, до которой должна быть нагрета горючая смесь, чтобы начался самопроизвольный процесс горения, не требующий больше внешнего подвода тепла. Определение температуры самовоспламенения производится различными методами, основными из которых являются следующие: 1) метод впуска заранее приготовленной холодильной газовоздушной смеси в сосуд, нагреваемый в специальной печи. Повышая постепенно температуру сосуда, находят то ее минимальное значение, при котором наблюдается воспламенение смеси. Эта температура и считается температурой самовоспламенения; 2) метод раздельного нагрева газа и воздуха до одинаковой температуры и их смешения в потоке внутри нагревательного сосуда. Повышая постепенно температуру сосуда, добиваются воспламенения смеси (появления пламени). Эта температура и отождествляется с температурой самовоспламенения. Опыт показывает, что температура самовоспламенения не является строгой величиной для данного газа и зависит от содержания 45 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com газа и газовоздушной смеси, формы и размеров сосуда, в котором происходит нагревание смеси, каталитического влияния стенок сосуда, быстроты и способа нагрева и давления, под которым находится смесь. Значения температуры самовоспламенения, определенные исходом выпуска холодной смеси при атмосферном давлении в нагретый сосуд, приведены графически на рис. 3.1. Данные графика показывают, что наибольшую температуру воспламенения имеют окись углерода и метан, а наименьшую – водород, бутан, пропан и этан. При этом повышение содержания водорода, окиси углерода и метана в газовоздушной смеси приводит к увеличению температуры самовоспламенения, а повышение содержания этана и других более тяжелых углеводородов – к ее снижению. Рис. 3.1. Зависимость температуры самовоспламенения от содержания газа в газовоздушной смеси: 1 – водород; 2 – окись углерода; 3 – метан; 4 – этан; 5 – пропан; 6 – бутан Температура самовоспламенения горючих газов в кислороде, как правило, несколько ниже, чем в воздухе. Введение в состав горючих газов балластных примесей (азот и двуоксид углерода) приводит к повышению температуры самовоспламенения. Присутствие в сложных газах компонентов с низкой температурой воспламенения ведет к снижению температуры самовоспламенения смеси. В практике воспламенение газовоздушных смесей производится зажиганием их в одной точке вспомогательным высокотемпературным источником. Таким образом, зажигание смеси отличается от самовоспламенения тем, что смесь доводят до воспламенения 46 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com не во всем объеме одновременно, а только в малой части объема, откуда горение распространяется на весь объем холодной смеси. Это создает условия для интенсивного отвода тепла из зоны нагрева и требует создания в очаге зажигания значительно более высоких температур сравнительно с температурой самовоспламенения. Зажигание обычно производится открытым пламенем или электрической искрой в месте вылета газа или газовоздушной смеси из огневых каналов или кратеров горелок в топочный объем. После воспламенения источник зажигания удаляется, и горение осуществляется за счет распространения пламени. 3.2. Пределы воспламенения. Расчет давления при взрыве газа Смеси горючего газа с воздухом (или кислородом) могут воспламеняться (взрываться) только в том случае, если содержание газа в смеси находится в известных пределах. В связи с этим различают нижний и верхний концентрационные пределы воспламенения. Нижний предел соответствует минимальному, а верхний – максимальному количеству газа в смеси, при котором происходит ее воспламенение при зажигании и самопроизвольное (без притока тепла извне) распространение пламени. Вне концентрационных пределов газовоздушные смеси не горят и не взрываются. На рис. 3.2 показаны схемы, иллюстрирующие поведение газовоздушных смесей при их зажигании раскаленной электрической спиралью. а б в Рис. 3.2. Поведение газовоздушных смесей при их зажигании: а – содержание газа меньше нижнего предела воспламенения; б – содержание газа между нижним и верхним пределами; в – содержание газа превышает верхний предел Схема а соответствует условию, когда содержание газа в газовоздушной смеси меньше нижнего предела воспламенения. В этом случае смесь, находящаяся внутри сосуда или вытекающая из него, не горит и не взрывается. Точнее, на спирали может протекать про47 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com цесс горения, однако на весь объем смеси он не распространяется и при удалении источника зажигания прекращается. Схема б соответствует условию, когда содержание газа в смеси находится между нижним и верхним концентрационными пределами воспламенения. В этом случае подожженная смесь воспламеняется и горит вне сосуда и внутри него как при наличии, так и при удалении источника зажигания. Более того, внутри сосуда происходит мгновенное распространение горения по всему объему смеси, т. е. ее взрыв. Схема в соответствует условию, когда содержание газа в смеси превышает верхний концентрационный предел воспламенения. В этом случае смесь, подожженная вне сосуда, горит самопроизвольно (при удалении источника зажигания), а внутри сосуда ее горение происходит только на спирали и на весь объем не распространяется. Существование концентрационных пределов воспламенения вызывается тепловыми потерями при горении. По мере разбавления горючей смеси воздухом, кислородом или газом тепловые потери возрастают, скорость распространения пламени (см. ниже) уменьшается, и горение прекращается после удаления источника зажигания. Приближенные значения концентрационных пределов воспламенения для распространенных газов в смесях с воздухом и кислородом приведены в табл. 3.1 и 3.2. Эти пределы относятся к холодным газовоздушным смесям. С увеличением температуры смеси пределы воспламенения расширяются, а при температурах, превышающих температуру самовоспламенения, смеси газа с воздухом или кислородом горят при их любом объемном соотношении. Значения пределов воспламенения зависят не только от видов горючих газов, но и от условий проведения экспериментов (размер сосуда, мощность источника зажигания, температура смеси, распространение пламени вверх, вниз, горизонтально и др.). Этим объясняется то, что в различных источниках приводятся несколько отличающиеся друг от друга значения этих пределов. В табл. 3.1 и 3.2 приведены наиболее достоверные данные, полученные при комнатной температуре, атмосферном давлении и распространении пламени снизу вверх по трубке или бомбе диаметром 50 мм и более. При распространении пламени сверху вниз или горизонтально нижние пределы несколько возрастают, а верхние снижаются. Пределы воспламенения смесей горючих газов, об. %, не содержащих балластных примесей, определяются по правилу аддитивности: Lr = r1 + r2 +L+ rn , r1 r2 rn + +L+ l1 l2 ln r где L – нижний или верхний предел воспламенения сложного газа в газовоздушной или газокислородной смеси, об. %; r1, r2, rn – содержание от48 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com дельных компонентов в сложном газе, об. %; l1,l2,ln – нижние или соответственно верхние пределы воспламенения отдельных компонентов в газовоздушной или газокислородной смеси, по данным табл. 3.1 или 3.2, об. %. Таблица 3.1 Концентрационные пределы воспламенения газов и паров в смеси с воздухом при t = 20 °С и Р = 760 мм рт. ст. Наименование газа и пара Водород Окись углерода Метан Этан Пропан Н-бутан Изобутан Пентан Изопентан Этилен Пропилен Бутилен Ацетилен Содержание газа Коэффициент в газовоздушной смеси, % об. Макси- избытка воздуха при пределах при сте- при составе мальное на пределах воспламенения хиомет- смеси, дающем давление воспламенения рическом максимальное взрыва, давление кг/см2 нижнем верхнем составе нижнем верхнем взрыва смеси 4,0 12,5 5,0 3,0 2,2 1,9 1,8 1,4 1,4 3,1 2,4 2,0 2,5 75,0 74,0 15,0 12,5 9,5 8,5 8,4 7,8 7,6 32,0 11,0 9,6 81,0 29,5 29,5 9,5 5,68 4,04 3,14 3,14 2,56 2,54 6,56 4,47 3,38 7,75 32,3 – 9,8 – 4,60 3,6 – 3,0 – 8,0 – – 14,5 7,39 – 7,17 – 8,58 8,58 – 8,65 – 8,86 – – 10,3 10,1 2,9 1,99 1,93 1,86 1,66 1,76 1,83 1,83 2,17 1,89 1,71 3,3 0,14 0,15 0,59 0,42 0,40 0,35 0,35 0,31 0,32 0,15 0,38 0,33 0,019 Таблица 3.2 Концентрационные пределы воспламенения некоторых газов в смеси с кислородом при t = 20 °С и P = 760 мм рт. ст. Наименование газа Водород Окись углерода Метан Этан Пропан Н-бутан Содержание газа в газоСодержание газа в газокислородной смеси, об. % Наименование кислородной смеси, об. % газа нижний верхний нижний верхний предел предел предел предел 4,0 12,5 5,0 3,0 2,2 1,8 94,0 94,0 61,0 66,0 55,0 49,0 Изобутан Этилен Пропилен Бутилен Ацетилен Циклопропан 49 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 1,8 3,0 2,1 1,8 2,5 2,4 48,0 80,0 53,0 58,0 80,0 100,0 При наличии в газе небольшого количества инертных примесей значения пределов воспламенения, об. %, могут быть определены приближенно по формуле [14, 19, 31] σ  + 1  1−σ σ r  L =L 100 + h r  100  , σ 1−σ σ где L – нижний или верхний предел воспламенения смеси, содержащей r инертные (балластные) примеси, об. %; L – нижний или верхний предел воспламенения горючей части смеси, об. %; σ – содержание балластных примесей (CO2 и N2), доли единицы. В практике достаточно часто приходится определять коэффициент избытка воздуха и на пределах воспламенения, а также давление, возникающее при взрыве газовоздушной смеси. Определение коэффициента избытка воздуха может производиться по формуле [19, 43]  100  1 α = −1  ,  L  VT где L – нижний или соответственно верхний предел воспламенения газа в газовоздушной смеси, об. %; VТ – теоретический расход воздуха, нм3/нм3. Значения коэффициентов избытка воздуха на пределах воспламенения для простых газов приведены в табл. 3.1, для сложных газов их определение производится по последней формуле. Давление, возникающее при взрыве газовоздушных смесей, определяется на специальных установках, одна из которых представлена на рис. 3.3. Опыт показывает, что максимальное давление взрыва соответствует не теоретическому, а несколько большему содержанию газа в газовоздушной смеси. Значения максимальных давлений взрыва и соответствующее им содержание газа в газовоздушной смеси приведены в табл. 3.1. При отсутствии экспериментальных данных давление, возникающее при взрыве газовоздушных смесей, может быть определено только приближенно по следующим формулам [46]: – для стехиометрического соотношения простого газа с сухим воздухом, абс. ат, PВЗ = P (1+α't K ) m / n; 50 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com – для любого соотношения сложного газа с влажным воздухом ВД VПС , PВЗ = P (1+α't K ) (1+V ДВЛ ) где РВЗ – давление в сосуде (топке и т. п.), возникающее при взрыве, абс. ат; Р – давление в сосуде до взрыва, абс. ат; α' – коэффициент объемного расширения газов, численно равный коэффициенту давления, т. е. 1/273; tК – калориметрическая температура горения, °С; m – число молекул после взрыва, определяемое по реакции горения газа в воздухе; п – число молекул ВД до взрыва, участвующих в реакции горения; VПС – объем влажных продуктов ВЛ сгорания, нм3/нм3 газа; V Д – объем влажного воздуха при данном коэффициенте избытка воздуха, определяемый по формуле, нм3/нм3 газа. 1 9 2 4 5 3 10 6 7 Рис. 3.3. Схема установки для определения давления взрыва газовоздушных смесей: 1 – реакционный сосуд; 2 – электрическая свеча; 3 – регистрирующий индикатор давления; 4 – штуцер для подвода газовоздушной смеси; 5 – вакуумметр; 6 – вакуум-насос; 7 – магнето; 8 – потенциометр; 9 – термопара; 10 – фланец Пример 1. Определить нижний и верхний пределы воспламенения в воздухе природного газа Газлинского месторождения. Состав газа, об. %: СН4 – 93; С2Н6 – 3,1 С3Н8 – 0,7; С4Н10 – 0,6; CО2 + N2 – 2,6. 51 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Решение. Состав горючей части газа без инертных примесей: 93 100 = 95 ,4; 97 ,4 0 ,7 C3 H 8 = 100 = 0 ,72; 97 ,4 CH 4 = , 31 100 = 3 ,2; 97 ,4 0 ,6 C4 H 10 = 100 = 0 ,68; 97 ,4 C2 H 6 = Нижний предел воспламенения для горючей части газа LrН = 100 = 4,8 95,4 3,2 0,72 0,68 + + + 5 3 2,2 1,9 об. %. Верхний предел воспламенения LrB = 100 = 14,7 об. %. 95,4 3,2 0,72 0,68 + + + 15 12,5 9,5 8,5 Нижний предел воспламенения с учетом инертных газов 0 ,026    1+ 1− 0 ,026 100  LσH = 4 ,8  = 4 ,9 об. %. 0 ,026 100 + 4 ,8 1− 0 ,026 Верхний предел воспламенения с учетом инертных газов 0 ,026   1 +  1− 0 ,026 100  =15 об. %. LσB =14 ,7  0 ,026 100 +14 ,7 1− 0 ,026 Пример 2. Определить коэффициент избытка воздуха на пределах воспламенения для состава газа, приведенного в примере 1. Решение. Теоретический расход воздуха VT = 4,76 ( 2 ⋅ 93 + 3,5 ⋅ 3,1 + 5 ⋅ 0,7 + 6,5 ⋅ 0,6) = 9,7 нм3/нм3. 100 52 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Коэффициент избытка воздуха на нижнем пределе воспламенения  100  1 aH =  −1 =1,99 .  4 ,9  9 ,7 Коэффициент избытка воздуха на верхнем пределе  100  1 aB =  −1 = 0 ,58 . 15 9 , 7   Пример 3. Определить давление, возникающее при взрыве пропановоздушной смеси стехиометрического состава, если начальное давление равно 1,0 абс. ат. Pешение. Число молекул до взрыва и после взрыва определяется по стехиометрической формуле горения: С3 Н 8 +5О2 +5⋅3,76 N 2 = 3СО2 + 4 Н 2 О +18 ,8 N 2 424444 3 144424443 1444 25,8 24 ,8 Давление, возникающее при взрыве при калориметрической температуре горения 2110 °С (табл. 5),  2110  25,8 PВЗ =11+ = 9 ,5 абс. ат. 273  24 ,8  3.3. Скорость распространения пламени Наблюдая за процессом распространения пламени в неподвижной среде, например в горизонтальной прозрачной трубке, заполненной гомогенной газовоздушной смесью, можно видеть тонкую пламенную зону, перемещающуюся вдоль трубки по несгоревшей смеси. При этом в каждый данный момент времени эта пламенная зона (фронт пламени) разделяет не вступившую в реакцию горючую смесь от продуктов завершенного горения. Толщина фронта пламени весьма мала и составляет для смесей природных и сжиженных углеводородных газов с воздухом около 0,5–0,6 мм. Перемещение фронта пламени вызывается тем, что горючая смесь перед ним нагревается до температуры воспламенения за счет теплопроводности и диффузии раскаленных продуктов сгорания и активных частиц (атомы и радикалы) в холодную смесь. Линейная скорость, с которой перемещается фронт пламени по однородной горючей смеси, получила название равномерной скорости распространения пламени. Эксперименты показывают, что эта скорость зависит 53 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com как от физико-химических характеристик газовоздушных смесей, так и от диаметра трубки, возрастая с его увеличением. Происходит это потому, что в больших трубках перемещающийся фронт пламени способствует усилению конъективных потоков и увеличению завихрений в предпламенной зоне. То и другое приводит к большему искривлению и растянутости фронта пламени, увеличению его и пропорциональному росту скорости распространения пламени. С уменьшением диаметра трубки в конечном итоге распространение пламени в газовоздушной смеси становится невозможным. Объясняется это тем, что с уменьшением размеров трубки возрастает отношение ее периметра к площади сечения или, что то же самое, отношение поверхности пламени, соприкасающейся со стенкой, к его объему. Вследствие этого теплоотдача из фронта пламени растет до тех пор, пока распространение пламени не становится невозможным вообще. Размеры трубок, каналов и щелей, при которых не происходит распространения пламени, называются критическими размерами. Эти размеры различны для разных газов: для стехиометрической смеси метана с воздухом критический диаметр канала составляет около 3 мм, а для водородно-воздушной смеси – около 0,9 мм. Критическая ширина щели для смеси метана с воздухом при максимальной скорости распространения пламени равна 1,17 мм. Свойство погасания пламени в каналах малого сечения широко используется в практике для создания различных конструкций огнепреградителей (пламегасящие сетки, керамические пористые диски, диски из спрессованных металлических шариков, сосуды, заполненные мелкозернистыми материалами и др.). Огневые каналы малого сечения применяются и в различных конструкциях газовых горелок, в которые недопустим проскок пламени внутрь смесителей. Для того чтобы сравнительно характеризовать горючие свойства различных газов, независимо от размера трубки введено понятие нормальной скорости распространения пламени в газовоздушной смеси. Нормальной скоростью принято называть скорость, отнесенную к холодной, еще не воспламенившейся смеси, с которой пламя перемещается по нормали к ее поверхности. При этом фронт пламени принимается плоским и равным сечению трубки: πr 2 U H =ϖ P , S где ϖ P – измеренная скорость равномерного распространения пламени, м/с; r – радиус трубки, м; S – поверхность искривленного фронта пламени, найденная путем его фотографирования и соответствующего подсчета, м2. Значения равномерных скоростей распространения пламени, определенные для различных смесей при комнатной температуре и атмосферном давлении в трубке диаметром 25,4 мм, приведены на рис. 3.4. 54 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Равномерная скорость распространения пламени, м/с 5 Скорости распространения пламени зависят как от вида газа, так и от его содержания в газовоздушной смеси. При этом максимальная ско4 рость распространения пламени со1 ответствует не стехиометрическому 2 соотношению газа и воздуха, а некоторому недостатку последнего. 3 Значения максимальных нормальных скоростей распространения пламени, характеризующих горючие свойства различных простых 2 5 4 газов в смеси с воздухом, приведе3 ны в табл. 3.3. Здесь же дано со7 держание газа в смеси, соответст1 вующее максимальной скорости 6 8 распространения пламени, и приведены аналогичные характеристики для стехиометрических смесей. 10 20 30 40 50 60 70 80 Нормальные скорости горения гаСодержание газа зокислородных смесей значительно в смеси с воздухом, % объема выше, чем газовоздушных смесей. Рис. 3.4. Кривые равномерных скоростей Так, максимальная нормальная распространения пламени, определенные скорость распространения пламени в трубке диаметром 25,4 мм: 1 – водород; в метано-кислородной смеси состав2 – водяной газ; 3 – окись углерода; ляет около 3,3 м/с, а в пропано-кис4 – этилен; 5 – коксовый гач; 6 – этан; лородной – 3,6 м/с. Для сложных 7 – метан; 8 – генераторный газ паровоздушного дутья газов, состоящих из нескольких компонентов, содержание газа в смеси, соответствующее максимальной скорости распространения пламени, определяется по правилу аддитивности. Этим же правилом пользуются и для определения максимальных нормальных скоростей распространения пламени сложных газовоздушных смесей: a макс = U Hмакс = a макс r1 + r2 + r3 +L ; r1 r2 r3 + + +L l1 l2 l3 r1 r r U H1 + 2 U H 2 + 3 U H 3 +L l1 l2 l3 , r1 + r2 + r3 +L 55 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com где амакс – содержание сложного газа в смеси с воздухом, соответствующее максимальной нормальной скорости распространения пламени, об. %; r1, r2, r3 – содержание отдельных компонентов в сложном газе, об. %; l1, l2, l3 – содержание отдельных компонентов в сложном газе, дающее макс максимальную скорость распространения пламени, об. %; U – максимальная нормальная скорость распространения пламени в смеси сложного газа с воздухом, м/с; Uн1, Uн2, Uн3 – максимальные нормальные скорости распространения пламени горючих компонентов сложного газа в смеси с воздухом, м/с. Эти формулы строго справедливы в том случае, если компоненты, входящие в состав сложных газов, имеют одинаковую природу (все виды природных и сжиженных углеводородных газов). Для смесей природных и искусственных газов они дают только приближенные значения. Кроме того, они пригодны для газов, не содержащих балластных примесей (азот и углекислота), которые приводят к снижению скорости распространения пламени. Таблица 3.3 Значения максимальных нормальных скоростей распространения пламени в газовоздушных смесях при t = 20 °С и Р = 760 мм рт. ст. Наименование газа Водород Окись углерода Метан Этан Пропан Н-бутан Этилен Пропилен Бутилен Ацетилен Содержание газа в газоМаксимальная нормальная скорость воздушной смеси, об. % распространения пламени, м/с смесь с максидля смеси с макстехиометдля стехиомальной скоросимальной скорорическая метрической стью распрострастью распрострасмесь смеси нения пламени нения пламени 29,5 29,5 8,5 5,68 4,04 3,14 6,56 4,47 3,38 7,75 42,0 43,0 10,5 6,3 4,3 3,3 7,0 4,8 3,7 10,0 1,6 0,3 0,28 0,32 0,31 0,30 0,50 0,37 0,38 1,0 2,67 0,42 0,37 0,40 0,38 0,37 0,63 0,44 0,43 1,35 Для газов, содержащих балластные примеси, скорость распространения пламени, м/с, U Hσ =U Hмакс (1− 0 ,01N 2 − 0 ,012CO2 ), где N2 и СО2 – содержание в сложном газе азота и двуокиси углерода, об. %. 56 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Значительное влияние на скорость распространения пламени оказывает предварительный подогрев газовоздушной смеси. По опытным данным, эта скорость, м/с, может быть определена по следующей приближенной зависимости [35]: 2 T  U =U  2  ,  T1  T2 H T1 H T где U H2 – скорость распространения пламени в холодной смеси с темпе- ратурой Т2, К; U H1 – скорость распространения пламени в холодной смеси с температурой Т1, К (см. табл. 3.3). Так как при предварительном нагреве смеси ее удельный вес изменяется обратно пропорционально абсолютной температуре, массовые скорости распространения пламени U H растут пропорционально абсолютной температуре. Это обстоятельство необходимо учитывать при расчете газовых горелок, работающих на гомогенной смеси, особенно в тех случаях, когда их огневые каналы располагаются в нагретой кладке, где на них воздействует излучение топки, шамотной горки, раскаленных газов и т. п. При этом в первом приближении температуру газовоздушной смеси можно приравнивать к температуре стенки огневого канала горелки. Рассмотренная выше равномерная скорость распространения пламени относится к случаю, когда трубка имеет небольшую длину (около семи диаметров) и горение осуществляется при сравнительно постоянном давлении, близком к атмосферному (один конец трубки открыт или соединен с емкостью в 100 раз большей объема трубки). Если длина трубки значительна, то равномерное распространение пламени для некоторых газовоздушных смесей может перейти в вибрационное, а затем и в детонационное, распространяющееся со скоростью 2000 м/с и более. Воспламенение смеси при этом происходит не за счет теплопроводности и медленной молекулярной диффузии, а за счет ударной волны сжатия. Установлено, что детонация возникает преимущественно в смесях, обладающих относительно высокими скоростями равномерного распространения пламени, и что пределы детонации ýже пределов воспламенения смеси. Так, например, концентрационные пределы детонации некоторых газокислородных смесей, об. %, следующие: 3,2–3,7 для пропана, 2,8–31 для изобутана, 3,5–92 для ацетилена, 15–90 для водорода. Давления, возникающие при детонации, могут в 2–3 раза превышать давления, возникающие при тепловом взрыве (см. табл. 3.1). Пример. Определить максимальную нормальную скорость распространения пламени сложного газа в смеси с воздухом. Состав газа, об. %: T CH 4 − 85,0; C2 H 6 − 5,0; CO2 − 3,0; 57 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com N 2 − 7,0 . Решение. Горючая часть газа составляет 100 − (3 + 7) = 90 об. %. Состав горючей части газа без балластных примесей CH 4 = 85 5 = 94,4 об. %; C2 H 6 = = 5,6. об. %. 90 90 Содержание горючей части в смеси, дающей максимальную скорость распространения пламени, Lмакс = 94,4 + 5,6 ≈ 10 %. 94,4 / 10,5 + 5,6 / 6,3 Максимальная нормальная скорость распространения пламени горючей части смеси U Hмакс 94,4 5,6 ⋅ 3,7 + ⋅ 0,4 10,5 6,3 = 10 = 0,375 м/с. 94,4 + 5,6 Максимальная нормальная скорость распространения пламени в газовоздушной смеси с учетом содержания балластных примесей в газе U Hσ = 0 ,375(1− 0 ,01⋅7 − 0 ,012⋅3) = 0 ,34 м/с. В следующей лекции будут рассмотрены вопросы устойчивости горения. Контрольные вопросы и задания 1. Что понимают под температурой воспламенения? 2. Что понимают под нижним и верхним концентрационным пределом воспламенения? 3. Как можно рассчитать давление, возникающее при взрыве газов? 4. Что понимают под нормальной скоростью распространения пламени? 5. Приведите значения максимальной нормативной скорости распространения пламени для различных горючих газов. 6. В каком случае горения имеет место равномерная скорость распространения пламени? 58 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com ЛЕКЦИЯ 4 ПРОБЛЕМЫ УСТОЙЧИВОСТИ ГОРЕНИЯ И МЕТОДЫ ИХ РЕШЕНИЯ План лекции 4.1. Горение в ламинарном потоке. 4.2. Горение в турбулентном потоке. 4.3. Отрыв и проскок пламени. Устойчивость горения. 4.1. Горение в ламинарном потоке В предыдущих лекциях был рассмотрен процесс перемешивания фронта пламени в неподвижной горючей смеси. Теоретически этот фронт может быть остановлен, если организовать встречное движение горючей смеси со скоростью, равной нормальной скорости распространения пламени. По существу, любая газовая горелка является прибором, в котором с помощью регулировки подачи газа и воздуха можно остановить фронт пламени газовоздушной смеси. Простейшим примером остановленного фронта пламени является поверхность внутреннего конуса лабораторной бунзеновской горелки. Регулируя состав газовоздушной смеси, вытекающей из горелки при ламинарном режиме движения, можно добиться появления устойчивого и резко очерченного конуса горения. пот Поверхность этого конуса, или, что то же самое, фронт пламени (неподWН вижный относительно огневой кромки UH канала горелки) будет двигаться по направлению к газовоздушной смеси, вытекающей из горелки. Пламя в этом случае распространяется по нормали к поверхности воспламенения в каждой ее точке. При этом на поверхности конусного фронта пламени осуществляется равенство скоростей – проекции скорости потока газовоздушной смеси на нормаль к образующей конуса и Рис. 4.1. Схема конусного фронта нормальной скорости распространения пламени при ламинарном движении пламени (рис. 4.1): газовоздушной смеси: 1 – лабораторная Wпот W горелка; 2 – внутренний конус; 3 – наружный фронт горнеия ωH =ωпот cosϕ=U H . 59 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Приведенное равенство носит название закона косинуса, или закона Гуи – Михельсона [19]. Так как при ламинарном движении газовоздушной смеси распределение скоростей подчиняется параболическому закону, то для каждой точки, лежащей на образующей конуса, можно определить нормальную скорость распространения пламени. Для приближенных расчетов обычно принимают скорость прохождения смеси через фронт пламени постоянной, равной U H по всей поверхности конуса. Это позволяет определить нормальную скорость распространения пламени, м/с, путем деления количества проходящей через горелку газовоздушной смеси на поверхность конусного фронта горения: UH = Vсм , S где U H – нормальная скорость распространения пламени, м/с; Vсм – объем газовоздушной смеси, проходящей через горелку, м3/с; S – поверхность конусного фронта, м2. Если допустить, что конус имеет правильную геометрическую форму, UH = Vсм πR R 2 + H 2 = πr 2 Wпот πr R 2 + H 2 = r R2 + H 2 W, где R – радиус основания конуса, м; Н – высота конуса, м; Wпот – скорость смеси, м/с. Так как конусный фронт горения не является строгим геометрическим конусом, то для точного определения U H пламя фотографируют, делают графическим путем разбивку фронта пламени на ряд усеченных конусов и, суммируя боковые поверхности, получают общую поверхность конусного фронта пламени S. Значения нормальных скоростей распространения пламени, определенные методом горелки так же, как и любыми другими методами, одинаковы и равны нормальным скоростям, определенным методом трубки (см. табл. 3.3). Путем преобразования можно получить зависимость высоты конусного фронта пламени, м, от U H , Wпот и R: H =R Wпот −1 . UH 60 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Эта зависимость показывает, что высота конусного фронта пламени для данного вида газа зависит главным образом от размера огневого канала горелки. Это значит, что уменьшение высоты пламени может достигаться дроблением крупных огневых каналов на несколько мелких. Для равнозначных газовоздушных смесей высота конусных фронтов пламени малых каналов может быть определена с достаточной для практики точностью по высоте фронта пламени одиночного канала по формуле [14] h= H n , где h – высота конусного фронта пламени малого канала; H – высота конусного фронта пламени одиночного канала; п – число малых каналов. 4.2. Горение в турбулентном потоке Горение в ламинарном потоке осуществляется в многочисленных инжекционных горелках бытовых и коммунальных приборов, отопительных печей, секционных котлов с малой поверхностью нагрева и других приборов, работающих с низкими тепловыми нагрузками. При работе горелок со значительными и высокими тепловыми нагрузками (горелки промышленных котлов, печей, сушил и т. п.) горение, как правило, происходит при турбулентном движении газовоздушной смеси. При переходе ламинарного потока в турбулентный гладкий конусный фронт пламени вследствие вихревого движения и пульсации начинает размываться и терять четкое конусное очертание. При этом наблюдаются два характерных вида горения, соответствующих мелкомасштабной и крупномасштабной турбулентности. При мелкомасштабной турбулентности, не превышающей толщины зоны ламинарного горения, конусный фронт пламени сохраняет свою форму и остается гладким, хотя толщина зоны горения увеличивается. Если же масштаб турбулентности несколько превышает толщину зоны нормального горения, поверхность конусного фронта горения становится неровной и волнистой, имеющей как бы выступы и впадины. Это ведет к увеличению суммарной поверхности фронта горения и, как следствие, к способности одновременного сжигания больших количеств горючей смеси на единицу поперечного сечения потока. Наглядной иллюстрацией относительного изменения турбулентной скорости распространения пламени в зависимости от критерия Рейнольдса являются опытные данные, приведенные на рис. 4.2. Кривая графика показывает, что скорость распространения пламени не зависит от скорости потока при ламинарном движении газовоздушной смеси и начинает резко увеличиваться при переходе к турбулентному движению. При крупномасштабной турбулентности, значительно превышающей толщи61 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com ну зоны ламинарного горения, волнение поверхности фронта пламени достигает такой величины, что от него начинают отрываться отдельные небольшие объемы (частицы) горящей смеси, дробящиеся последующими пульсациями. Фронт пламени при этом теряет свою целостность и превращается в систему отдельных очажков горения в виде равных, расчленяющихся и сгорающих в потоке частиц горючей смеси. Таким образом, при крупномасштабной турбулентности (создаваемой как турбулентным потоком, так и самим процессом горения) поверхность фронта пламени, слагаясь из поверхностей всех горящих частиц, увеличивается, приводя к резкому росту скорости распространения пламени. Способствует этому и то, что в данном случае может происходить не только фронтовое горение, распространяющееся со скоростью Vn, но и объемное, возникающее за счет турбулентных пульсаций раскаленных продуктов горения в свежую смесь. UT UH Рис. 4.2. Увеличение скорости распространения пламени смеси городского газа с воздухом в зависимости от числа Re Следовательно, суммарная скорость распространения пламени при крупномасштабной турбулентности определяется тем или иным сочетанием элементов фронтового и объемного горения. Турбулентную скорость распространения пламени применительно к фронтовой модели горения обычно выражают следующей зависимостью [20]: 2 UT = U H  ω'  1+ B  , U  H 62 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com где UТ – скорость распространения пламени в турбулентном потоке, см/с; U H – нормальная скорость распространения пламени, см/с; ω' – среднеквадратичная пульсационная скорость, зависящая от средней скорости потока, см/с; В – безразмерный коэффициент, зависящий от физико-химических свойств газа, близкий к 1. Эта формула показывает, что при отсутствии пульсации турбулентная скорость горения становится равной нормальной скорости распространения пламени. Наоборот, если пульсационная скорость значительно превышает нормальную, турбулентная скорость горения становится малозависимой от физико-химических свойств горючей смеси, т. е. от U H : U T ≈ω'; B ≈ω'. Последнее подтверждается и экспериментальными наблюдениями, показывающими сравнительно малую зависимость скорости сгорания различных гомогенных газовоздушных смесей в промышленных топках от нормальной скорости распространения пламени. Последняя формула хотя и вскрывает физическую характеристику турбулентной скорости распространения пламени, не может быть использована в практических расчетах главным образом по причине трудностей определения пульсационных скоростей. В этом отношении заслуживают значительного интереса исследования Г. Вильямса и Л. Болингера [40], изучавших процесс турбулентного горения ацетилена, этилена и пропана на бунзеновских горелках разных диаметров в диапазоне критерия Рейнольдса 3000 < Re < 3500. Результаты этих исследований показаны на рис. 4.3. Рис. 4.3. Значения турбулентной скорости распространения пламени в зависимости от вида газа, диаметра кратера горелки и Re 63 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Приведенные кривые свидетельствуют о том, что турбулентная скорость горения зависит от вида горючего газа, диаметра огневого канала горелки и степени турбулентности потока. При этом увеличение турбулентной скорости распространения пламени с ростом критерия Рейнольдса сначала происходит более быстро, а затем замедляется. В результате приближенного подсчета поверхности турбулентного фронта горения и отработки экспериментальных данных была получена следующая эмпирическая зависимость [40]: U T = 0,1761 U H d 0 ,256 Re 0 ,238 , где U T – турбулентная скорость распространения пламени, см/с; U H – нормальная скорость распространения пламени, см/с; d – диаметр огневого канала горелки, см; Re – критерий Рейнольдса, определенный по средней скорости истечения газовоздушной смеси и диаметру огневого канала горелки. Расчеты, проведенные по указанной формуле, показывают, что они не всегда согласуются с практическими данными. Вызывается это, вероятно, тем, что формула не учитывает подогрева газовоздушной смеси в пристенной части огневого канала горелки и влияния объемного горения. Так как теория турбулентного горения разработана недостаточно и представляет весьма сложную задачу, то в действительности приходится довольствоваться приближенными данными, полученными из практики или отдельных экспериментов. 4.3. Отрыв и проскок пламени. Устойчивость горения При горении газовоздушных смесей в ламинарном потоке устойчивой частью конусного фронта пламени является только его нижняя периферийная часть, прилегающая к кромке огневого канала горелки. Объясняется это тем, что в этом месте фронт пламени за счет тормозящего действия стенки канала развернут по горизонтали. Последнее приводит к тому, что на этом участке фронта происходит полная компенсация скорости газовоздушного потока скоростью распространения пламени, так как в этом месте cos ϕ = 1,0. Равенству скоростей U H = Wпот соответствует и то, что снижение скорости распространения пламени за счет охлаждения смеси стенкой канала сопровождается одновременным снижением скорости потока у стенки при тормозящем воздействии последней. На всем остальном конусном участке фронта пламени компенсация имеет частичный характер и осуществляется только в направлении, нормальном к фронту горения (Wnoт – sin ϕ). Вторая составляющая (U H = Wпот cos ϕ) остается неуравновешенной и сносит точку воспламенения от основания конуса к его вер64 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com шине (рис. 4.4). Таким образом, стабилизация конусного фронта горения обусловливается наличием постоянного источника зажигания в виде кольцевого пояска, без которого остальная часть фронта была бы снесена потоком газовоздушной смеси. При повышении форсировки горелки, т. е. при переходе ламинарного режима движения в турбулентный, ширина зажигающего пояска начинает уменьшаться, пока не станет ничтожно малой. В этом случае устойчивость фронта горения нарушается, и пламя начинает отрываться от кромки горелки. Наоборот, при чрезмерном снижении форсировки горелки скорость распространения пламени в кольцевой пристенной области (не на стенке) может превышать скорость потока, и пламя начинает втягиваться внутрь сместителя горелки (рис. 4.5). Первый случай получил название отрыва пламени, а второй – проскока, или обратного удара пламени. Рис. 4.4. Схема прямой Uн = Wпот при ламинарном движении газовоздушной смеси: 1 – стенка горелки; 2 – фронт пламени Рис. 4.5. Скорость отрыва одиночного пламени в открытой атмосфере смесей природного газа с воздухом в зависимости от размера огневых каналов и содержания первичного воздуха В практике при отрыве пламени наблюдаются следующие явления: – срыв пламени с горелки, вызывающий его погасание; – отрыв от кромки огневого канала, когда пламя достигает нового достаточно устойчивого положения в потоке над горелкой; – срыв поднятого пламени, ведущий к его погасанию; 65 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com – обратный отброс приподнятого факела к кромке огневого канала горелки; – создание взвешенного пламени при движении струи на некотором расстоянии от горелки. Все эти явления для искусственно нестабилизированного пламени (см. ниже) являются недопустимыми, так как приводят к накоплению в окружающей атмосфере или топке продуктов несгоревшего газа и незавершенного горения, способных образовать взрывчатые или токсические смеси. На рис. 4.6 приведены приближенные усредненные кривые отрыва пламени от кромки огневых каналов однофакельных горелок, работающих в открытой спокойной атмосфере на смеси холодного природного газа с воздухом. На границе и Диаметры огневых каналов, мм выше указанных кривых начиРис. 4.6. Скорость отрыва многофакельного нается отрыв пламени, а ниже пламени в открытой атмосфере смесей кривых – устойчивое горение. природного газа с воздухом в зависимости Кривые показывают, что увелиот размера огневых отверстий чение размера огневых каналов и содержания первичного воздуха приводит к увеличению скорости потока газовоздушной смеси, при которой происходит отрыв пламени. Увеличение же содержания первичного воздуха в смеси ведет к снижению скорости отрыва пламени. Объясняется это тем, что поступающий из атмосферы к кромке огневого канала вторичный воздух резко разбавляет смесь (α1 > 1,0), что приводит к снижению скорости распространения пламени. В практике газоснабжения бытовых и коммунальных потребителей широкое распространение получили различные конструкции многофакельных инжекционных горелок с огневыми каналами диаметром от 2 до 6 мм. Установление скоростей отрыва пламени для этих горелок может производиться также по эмпирической формуле ωотр = 3,6⋅10 −3 d T 2 1+VT , 1+ a1VT 66 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com где d – диаметр огневых отверстий, м; VТ – теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1 нм3 газа, м3/мн3; а1 – коэффициент избытка первичного воздуха; Т – абсолютная температура стенки огневых каналов, К. Эта формула показывает, что стабильность горения относительно отрыва пламени растет с увеличением диаметра огневого канала и температуры и снижается с увеличением коэффициента избытка воздуха. При многофакельных горелках стабильность горения повышается также за счет взаимного влияния пламени. Приведенными графиками и данной формулой с достаточной для практики точностью можно руководствоваться как для природных, так и для других газов с почти одинаковыми нормальными скоростями распространения пламени (например, для нефтяных и сжиженных углеводородных газов). В некоторых случаях отрыв пламени от огневых каналов происходит по причинам, не зависящим от рассмотренных выше факторов. Так, при неправильном расположении горелки и несовершенном отводе продуктов сгорания последние могут попасть в инжектор горелки и привести к отрыву пламени. Отрыв в этом случае происходит за счет снижения скорости распространения пламени в газовоздушной смеси, разбавленной инертными газами. Причиной отрыва может быть и высокая скорость вторичного воздуха, сдувающего пламя с огневых каналов, а также такое расположение горелки, при котором инжектор и огневые каналы находятся в резко различных условиях наружного давления (например, расположение инжектора в атмосфере помещения, а распределительного коллектора с огневыми каналами – в топке котла, работающей в условиях переменных разрежений). Недопустимым является не только отрыв, но и проскок пламени внутрь сместителя горелки. Проскок пламени обычно сопровождается хлопком (взрывом) и приводит либо к угасанию пламени и выходу несгоревшей смеси в помещение или топку, либо к горению смеси внутри горелки. В последнем случае происходит нарушение поступления первичного воздуха и резко возрастает химический недожог, приводящий к наличию в отходящих газах не только окиси углерода, но и других продуктов незавершенного горения. Тенденция пламени к проскоку зависит от вида горючего газа (нормальной скорости распространения пламени), содержания первичного воздуха в газовоздушной смеси, размеров огневых каналов, температуры смеси или температуры стенок каналов. Влияние на проскок пламени оказывают также коэффициент теплопроводности материалов, из которых выполнены огневые каналы, их форма, глубина и качество изготовления (наличие заусениц, обломов краев и т. п.). В табл. 4.1 и 4.2 приведены экспериментальные значения скоростей газовоздушных смесей природных и сжиженных углеводородных газов, при которых происходит проскок пламени внутрь смесителей инжекционных горелок. Данные таблиц показывают, что скорость смеси, при которой про67 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com исходит проскок пламени, зависит от размера огневого канала, коэффициента избытка первичного воздуха в смеси и вида газа. При этом максимальная скорость проскока соответствует содержанию воздуха в смеси, близкому к стехиометрическому соотношению. Таблица 4.1 Приближенные значения скоростей смесей природного газа с воздухом, при которых происходит проскок пламени, м/с, (температура смеси t = 20 °С) Диаметр огневого канала, мм 3,5 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 Коэффициент избытка первичного воздуха 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 0,05 0,08 0,09 0,11 0,13 0,15 0,17 0,20 0,10 0,12 0,16 0,18 0,22 0,25 0,28 0,30 0,18 0,22 0,27 0,32 0,38 0,43 0,48 0,54 0,22 0,25 0,31 0,38 0,44 0,50 0,57 0,64 0,23 0,26 0,32 0,38 0,45 0,52 0,58 0,65 0,15 0,18 0,22 0,26 0,30 0,35 0,39 0,43 Таблица 4.2 Приближенные значения скоростей смесей сжиженного углеводородного газа с воздухом, при которых происходит проскок пламени, м/с (температура смеси t = 20 °С) Диаметр огневого канала, мм 3,5 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 Коэффициент избытка первичного воздуха 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 0,08 0,09 0,11 0,13 0,15 0,18 0,20 0,23 0,12 0,14 0,18 0,21 0,25 0,28 0,32 0,35 0,21 0,25 0,31 0,37 0,44 0,50 0,56 0,62 0,25 0,29 0,36 0,44 0,50 0,57 0,65 0,74 0,25 0,29 0,37 0,45 0,51 0,58 0,65 0,75 0,17 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 Максимальные значения скоростей проскока пламени (α1 = 0,95) могут определяться по следующим приближенным зависимостям: 68 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com – для природного газа, м/с, ωпр = 0 ,73⋅10 −3 d T 2 ; – для сжиженного углеводородного газа, м/с, ωпр = 0 ,88⋅10 −3 d T 2 , где d – диаметр огневых каналов, м; Т – абсолютная температура смеси или стенки канала, К. В практических расчетах максимальные скорости вылета смеси, при которых происходит проскок пламени, наиболее часто принимаются по экспериментальным данным [19, 20]. Эти исследования производились на серийных инжекционных горелках с прямыми смесителями в условиях, приближающихся к сжиганию газа на промышленных установках. С целью изучения влияния на проскок пламени физико-химических характеристик газов исследования проводились на природном и сланцевом газах, а также на их смесях. Обобщение многочисленных экспериментальных данных позволило получить следующие зависимости скоростей проскока пламени для любых видов горючих газов, м/с, применяющихся для газоснабжения городов: – при сжигании газа в окружающей атмосфере открытым факелом ωпр = 4 ,5⋅10 −3 VH2 d / a ; – при сжигании газа в топке с керамическим туннелем ωпр = 7 ,75⋅10 −3 VH2 d / a , где ω пр – скорость проскока пламени, соответствующая коэффициенту избытка первичного воздуха (α1 = 1) м/с; d – диаметр огневого канала горелки, м, VH2 – нормальная скорость распространения пламени, м/с; α – коэффициент температуропроводности газовоздушной смеси, см2/c. Для смеси природного газа с воздухом (при α1 = 1, t = 20 °С) коэффициент температуропроводности составляет около 20–10–6 м2/c, нормальная скорость распространения пламени – 0,36 м/с. Подставляя приведенные значения в формулы, получим следующие максимальные значения скоростей смеси природного газа с воздухом, м/с, при которых еще возможен проскок пламени: – для горелок, работающих в открытой атмосфере, и для горелок с водоохлаждаемым огневым насадком, установленным в туннеле топки, ωпр ≈ 30d ; 69 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com – для горелок без водоохлаждаемых насадков, установленных в туннеле топки, ωпр ≈ 50d , где d – диаметр огневого канала горелки для сжигания природного газа, м. На рис. 4.7 приведены приближенные значения скоростей проскока пламени стехиометрических смесей природного и сжиженного углеводородного газа с воздухом. Опыты проводились на прямых серийных неохлаждаемых инжекционных горелках, устанавливаемых в открытой атмосфере, и в тщательно выполненных туннелях, предотвращающих чрезмерный нагрев торцов и стенок огневых каналов горелок. Однако и при этом скорости проскока пламени в горелках, установленных в туннелях, были Рис. 4.7. Максимальные скорости проскока пламени значительно выше скоростей (в пересчете на t = 0 °С и Р = 760 мм рт. ст.) проскока пламени в горелках, инжекционных однофакельных горелок для смесей размещенных в открытой атприродных и сжиженных углеводородных газов мосфере. При этом разница в с воздухом при α = 1,0: 1 – природный газ (горелка в открытой атмосфере); 2 – сжиженный газ, то же; скоростях проскока возрастала с увеличением размера 3 – природный газ (огневой канал горелки установлен в туннеле); 4 – сжиженный газ, то же огневого канала горелок. При установке горелок в неправильно или небрежно выполненном туннеле, а также при установке в туннель горелок с близко расположенным коленом проскоки пламени наблюдались при бóльших по сравнению с показанными на графике скоростях. Объясняется это как чрезмерным нагревом кромок и стенок огневых каналов горелок, так и созданием за счет колена неравномерного по сечению скоростного поля потока. На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что пределы устойчивой работы горелок ограничиваются скоростью отрыва и скоростью проскока пламени. На рис. 4.8 приведены экспериментальные кривые, характеризующие скорости потока смеси природного газа с воздухом, при которых происходит отрыв и проскок пламени в зависимости от содержания первичного 70 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com воздуха в смеси и размера огневых каналов горелок. Наклонные кривые 1 характеризуют отрыв пламени, а U-образные кривые 2 – проскок пламени в сместитель горелки. Устойчивость пламени определяется размером ординат между кривыми отрыва и проскока. Характер хода этих кривых свидетельствует о резком снижении устойчивости пламени по мере увеличения содержания первичного воздуха в смеси. Наоборот, повышение устойчивости пламени происходит при снижении содержания первичного воздуха в смеси и достигает максимума при α1 = 0, т. е. при переходе к диффузионному горению. Рис. 4.8. Пределы устойчивости желтых краев пламени: 1 – кривые отрыва пламени; 2 – кривые проскока пламени; 3 – кривые желтых краев пламени Такое сжигание, однако, во многих случаях является недопустимым, поскольку приводит к появлению желтого яркосветящегося пламени, свидетельствующего о неполноте сгорания газа. Содержание первичного воздуха в смеси, при котором возникают желтые языки пламени, для приведенных размеров горелок показано вертикальными кривыми 3. Для сжигания газа в установках, где недопустимо светящееся пламя (бытовые газовые плиты, котлы с низкими топками и др.), содержание первичного воздуха в смеси принимается несколько больше того количества, при котором возникают желтые края пламени. При необходимости работы горелок без проскока пламени на очень низких форсировках содержание первичного воздуха в смеси принимается несколько меньшим, чем требуется по верхнему пределу воспламеняемости. 71 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Предотвращение проскока пламени при большом содержании первичного воздуха в смеси, в том числе и при α1 = 1,0, достигается уменьшением размеров огневых каналов до величин, меньше критических. Для расширения диапазона устойчивости горения любых горючих газовоздушных смесей скорость потока принимается в несколько раз большей скорости отрыва. Предотвращение отрыва пламени в этих случаях достигается различными искусственными стабилизаторами (рис. 4.9). Стабилизатор представляет собой оголовок инжекционной горелки, в котором часть горючей смеси (5–10 %) проходит через боковые отверстия 1 в канал 2, где возникает спокойное кольцевое пламя, окружающее основной поток. Стабилизирующее действие этого устройства базируется на предотвращении разбавления основного потока в корне факела избыточным воздухом, а также на подогреве и поджигании основной струи по всей ее периферии. а б 1 в г 2 Рис. 4.9. Схемы стабилизаторов горения в отношении отрыва пламени: а – кольцевой стабилизатор; б – стабилизатор в виде цилиндрического туннеля; в – стабилизатор в виде осесимметричного тела; г – стабилизатор в виде шамотной наброски; 1 – боковые отверстия; 2 – канал Размеры боковых отверстий, формирующих кольцевое пламя, принимаются несколько меньше критических величин (для природных и сжиженных углеводородных газов – 2–3 мм). Еще более надежное действие в отношении отрыва достигается при помощи огнеупорных туннелей (рис. 4.9, б). Стабилизирующее действие этого устройства основано на рециркуляции части раскаленных продуктов горения к корню струи, возникающей за счет создаваемого струёй разрежения. Конструкции стабилизирующих туннелей и их оптимальные размеры могут быть различны в зависимости от типа горелок и способов их установки в топках. В тех случаях, когда установка кольцевых и туннельных стабилизаторов горения нецелесообразна или неудобна, применяются U-образные стабилизаторы, размещаемые в центральной части потока газовоздушной смеси (рис. 4.9, в). Их стабилизирующее действие так же, как и туннелей, основано на рециркуляции раскаленных продуктов горения. Разница заключается только в том, что рециркулирующие в туннелях продукты горения поджигают струю с периферии, а при U-образных стабилизаторах – изнутри. В качестве простейших стабилизаторов, создающих об72 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com ратные токи продуктов горения, применяются также стержни, размещаемые поперек потока смеси. В отдельных случаях для стабилизации горения используются шамотные наброски (горки), размещенные в непосредственной близости от кратера горелки. Схема устройства и действия таких стабилизаторов приведена на рис. 4.9, г [19, 20, 46]. Контрольные вопросы и задания 1. Дайте характеристику распространения пламени в ламинарном потоке. 2. Охарактеризуйте распространение пламени в турбулентном потоке. 3. Что такое отрыв пламени и каковы его последствия? 4. Что такое проскок пламени и каковы его последствия? 5. Какие вы знаете методы стабилизации пламени? 6. При каких значениях скоростей может произойти проскок пламени при сжигании природного и сжиженного газа? 7. Как можно рассчитать максимальные значения скоростей смеси газа с воздухом, при которых возможен проскок пламени? ЛЕКЦИЯ 5 ПРИНЦИПЫ ГОРЕНИЯ ГАЗОВ План лекции 5.1. Классификация методов организации процесса горения газов и их особенности. 5.2. Характеристика диффузионного, кинетического и диффузионнокинетического способов горения газов. 5.1. Классификация методов организации процесса горения газов и их особенности По современным воззрениям, организация процессов горения газа в потоке с воздухом основывается на различных принципах, предельными из которых являются кинетический и диффузионный. Эти термины являются условными, так как любой процесс горения зависит от тех или иных сочетаний кинетических и диффузионных факторов. Вместе с этим они удобны, поскольку позволяют обобщенно характеризовать степень подготовки к сжиганию газовоздушной смеси, вид, структуру и размеры различного пламени, а также протекающие в нем процессы. При кинетическом принципе предварительно (до начала процесса горения) создается однородная горючая смесь, содержащая воздух в несколько большем количестве, чем требуется по стехиометрическим соотношениям. Сгорание такой смеси происходит в коротком местном прозрачном факеле 73 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com без видимых пиролитических процессов, приводящих к термическому распаду углеводородов и образованию в пламени сажистых частиц. Процесс горения может протекать при неограниченно высоком объемном теплонапряжении и почти без химического недожога. Недостатком кинетического принципа являются низкая устойчивость пламени в отношении отрыва и проскока, невозможность регулировки скорости сгорания горючей смеси и трудность сжигания газа с предварительно нагретым воздухом. Обычно для сжигания газа по этому принципу применяются специальные смесители или инжекционные горелки, подготавливающие однородную газовоздушную смесь с коэффициентом избытка первичного воздуха α1 = 1,02–1,05. При меньшем содержании первичного воздуха в однородной смеси (α1 < 1,0) по кинетическому принципу протекает только начальная стадия горения до использования кислорода, содержащегося в смеси. Оставшиеся горючие газы и продукты незавершенного горения сгорают за счет диффузии внешнего кислорода, т. е. по диффузионному принципу. Особенностью факела при α1 < 1 является наличие двух видимых фронтов горения: внутреннего, возникающего за счет первичного воздуха, и наружного, образующегося за счет диффузии кислорода из окружающей пламя среды (рис. 5.1). Длина пламени при таком горении (из-за растянутости процесса смешения) возрастает, а температура несколько снижается. Устойчивость пламени и его прозрачность (при прочих равных условиях) зависят от содержания первичного воздуха в смеси. При этом чем выше содержание первичного воздуха в смеси, тем ниже устойчивость пламени, больше его прозрачность и наоборот. Принцип сжигания газа с содержанием первичного воздуха в смеси α1 < 1,0 является промежуточным между кинетическим и диффузионным принципами. Он получил широкое распространение во всех конструкциях газовых бытовых и других приборов, оборудованных инжекционными горелками. Содержание первичного воздуха в смеси принимается в зависимости от вида газа таким, чтобы в пламени не протекали пиролитические процессы и обеспечивалась его естественная стабильность при изменении тепловой нагрузки в любых возможных в практике пределах. 5.2. Характеристика диффузионного, кинетического и диффузионно-кинетического способов горения газов При диффузионном принципе сжигания (α1 = 0) процессы горения и смешения развиваются параллельно. Так как процессы смешения протекают значительно медленнее процессов горения, то скорость и полнота сгорания определяются скоростью и полнотой смешения газа и воздуха. Смешение газа с воздухом при этом принципе сжигания может протекать либо путем медленной молекулярной диффузии, либо путем турбулентной диффузии, вклю74 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Воздух Pис. 5.1. Структура свободного диффузионного пламени: а – ламинарное пламя: 1 – конусное ядро; 2 – зона образования смеси из газа и продуктов горения; 3 – зона образования смеси из продуктов сгорания и воздуха; 4 – граница между зонами; б – турбулентное пламя: 1 – конусное ядро; 2 – горящая струя; 3 – зона интенсивного горения с высоким содержанием продуктов сгорания; 4 – зона горения с преобладанием в ней воздуха Воздух чающей в себя и молекулярную как конечную стадию. Соответственно этому различаются скорости горения и структура диффузионного пламени (рис. 5.1). На рис. 5.1, а приведена упрощенная схема свободного ламинарного факела, возникающего за счет взаимной молекулярной диффузии газа и воздуха. Внутри конусного ядра 1 находится чистый газ, вытекающий из трубки при ламинарном режиме течения. В зоне 2 образуется смесь, состоящая из газа и продуктов горения, а в зоне 3 – смесь из продуктов сгорания и окружающего воздуха. Граница 4 между зонами 2 и 3 представляет собою гладкий конусный фронт пламени, к которому снаружи диффундируют молекулы воздуха, а изнутри – молекулы газа. Образовавшиеся во фронте пламени продукты горения диффундируют навстречу газу, интенсивно нагревая его в предпламенной зоне, и частично вытесняются в окружающий факел воздух. Нагрев газа раскаленными продуктами, не содержащими кислорода, приводит к частичному термическому распаду углеводородов и образованию сажистых частиц, придающих пламени яркую светимость. Достоинствами такого сжигания являются высокая устойчивость пламени при изменении тепловых нагрузок от нуля до максимально возможных по условиям отрыва величин, сравнительное постоянство температуры по всей высоте (длина пламени), возможность распределения пламени по большим поверхностям любых форм, компактность горелок и простота их изготовления. Характерными особенностями этого способа сжигания являются также значительная высота пламени, низкая интенсивность горения, неизбежность пиролитических процессов при сжигании углеводородных газов, недопустимость омывания пламенем теплообменных поверхностей, необходимость создания значительных топочных объемов, обеспечивающих сво75 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com бодное развитие пламени, и наличие в отходящих газах продуктов незавершенного горения. По этим причинам смешение газа и воздуха за счет молекулярной диффузии применяется только в топках, которые не нуждаются в высоких объемных теплонапряжениях и где может быть обеспечено свободное развитие пламени (например, в топках секционных и некоторых водотрубных котлов). Однако и в этих случаях необходимо дробить газовый поток на тонкие струи и направлять их для интенсификации смешения и горения под углом к потоку воздуха. Значительная интенсификация горения достигается применением естественной и искусственной турбулизации смешивающихся потоков. На рис. 5.1, б показана упрощенная схема свободного турбулентного факела, построенная на основании химического анализа проб, отбираемых из различных участков горящей струи 2. В отличие от ламинарного факела здесь нет четкого конусного фронта горения: он размыт и в той или иной мере разрушен пульсациями на отдельные частицы. Анализами устанавливается наличие ядра чистого газа 1, зоны сравнительно медленного горения 2 с преобладающим содержанием в ней газа, размытой зоны наиболее интенсивного горения 3 с наиболее высоким содержанием продуктов сгорания и горящей зоны 4 с преобладанием в нeй воздуха. При этом четких границ между указанными зонами нет, и они непрерывно смещаются в зависимости от степени турбулизации потока. Особенностями турбулентного диффузионного факела, сравнительно с ламинарным, являются протекание процесса горения по всему объему, повышение интенсивности горения, большая прозрачность пламени и меньшая его устойчивость по отношению к отрыву. Сжигание газа по диффузионному принципу получило широкое распространение в топках промышленных котлов и печей. При этом для интенсификации процесса горения используется как естественная (за счет повышения скоростей), так и искусственная турбулизация воздушного и газового потоков. Последняя наиболее часто решается закруткой воздушного потока направляющими лопатками и выдачей в этот поток под различными углами тонких струй газа. Диффузионное горение может быть переведено в кинетическое или промежуточное, если создать условия, при которых процессы смешения будут несколько опережать процессы горения. В практике это достигается устройством дополнительного участка смешения между турбулентным завихрителем и туннелем или амбразурой. Это приводит к образованию однородной или близкой к ней смеси с α1 > 1,0, сгорающей в прозрачном факеле. Исследования показывают, что такой способ является достаточно действенным для улучшения процессов смешения и снижения химического недожога газа. Перенос же процессов смешения и горения в топку сопровождается, как правило, возникновением светящегося пламени и повышением химического недожога, в особенности в секционных и экранированных топках котлов. Имеющиеся в некоторых 76 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com литературных источниках указания о преимуществе светящегося (сажистого) пламени сравнительно с прозрачным обычно не подтверждаются практикой сжигания газа в топках экранированных котлов и распространенных промышленных печей. Объясняется это тем, что повышение светимости в обычных условиях сжигания углеводородных газов связано с растянутостью процессов смешения и горения и, как следствие, с некоторым снижением температуры пламени. Количество же тепловой энергии, передаваемое излучением, повышается линейно с увеличением степени черноты излучающего тела и пропорционально четвертой степени абсолютной температуры, ккал/м2⋅ч [4, 29]: E =ε c0 T 4 . Таким образом, характеризуя различные принципы сжигания горючих газов, установили, что существуют следующие методы: диффузионный, смешанный (диффузионно-кинетический) и кинетический (с полным предварительным смешением газа с воздухом). Контрольные вопросы и задания 1. Какие принципы сжигания газов вы знаете? 2. Дайте характеристику диффузионного принципа сжигания газов. 3. Дайте характеристику кинетического способа сжигания газов. 4. Охарактеризуйте диффузионно-кинетический метод сжигания газов. 5. Охарактеризуйте структуру свободного диффузионного пламени в случаях ламинарного и турбулентного горения. 6. В чем принципиальное отличие строения ламинарного и турбулентного пламени? 77 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com ЗАКЛЮЧЕНИЕ Теория горения и взрыва является одной из важнейших дисциплин математического и естественно-научного цикла. При написании курса лекций автором были обобщены, систематизированы и проанализированы отечественные и зарубежные монографии, а также учебники и учебные пособия по теории горения и взрыва. В первой части данного сборника рассмотрены важные вопросы развития науки о горении, физико-химические свойства горючих газов и веществ, а также продуктов сгорания, изложены теоретические основы горения в свете современных представлений теории горения и взрыва, дан подробный анализ цепного механизма реакций горения на примере горючих газов: водорода и углеводородов, описаны практические вопросы повышения устойчивости горения, теплового воспламенения и способов стабилизации горения, а также приведена классификация методов организации процесса сжигания газов и характеристика различных способов их сжигания. Понимая, что в данном курсе лекций не все может оказаться удачным, любые отзывы, пожелания и замечания по его содержанию автор воспримет с благодарностью и признательностью. Автор считает необходимым выразить особую благодарность заведующему кафедрой «Техносферная и экологическая безопасность» ПГУПС д.т.н., профессору Т.С. Титовой и заведующему кафедрой «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» ДВФУ д.т.н., профессору А.И. Агошкову за большой труд по рецензированию рукописи учебного пособия и ценные советы при подготовке её к изданию. 78 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com ПРИЛОЖЕНИЕ ТЕСТЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ СТУДЕНТОВ ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ «ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА» Вариант № 1 1. Какой прибор служит для измерения избыточного давления газа: 1) барометр-анероид; 2) газовый счетчик; 3) манометр; 4) ареометр? 2. Кто из отечественных ученых разработал теорию цепных реакций: 1) Иванов; 2) Семенов; 3) Левин; 4) Померанцев? 3. Каково содержание кислорода в воздухе: 1) 79 % об.; 2) 21 % об.; 3) 100 % об.; 4) 45 % об.? 4. Как называется температура горения при условии адиабатического процесса сжигания газа: 1) теоретическая; 2) калориметрическая; 3) жаропроизводительность; 4) адиабатическая? 5. Кто автор зависимости, по которой определяют концентрационные пределы воспламенения: 1) Семенов; 2) Ле Шателье; 3) Аррениус; 4) Зельдович? 6. Кто из российских ученых внес весомый вклад в развитие теории горения: 1) Хитрин; 2) Семенов; 3) Петров; 4) Зельдович; 5) Франк-Каменецкий; 6) Ионин? 79 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Продолжение приложения 7. Какое название получила температура горения при сжигании газа при α > 1 и с учетом физической теплоты газа и воздуха: 1) теоретическая; 2) адиабатическая; 3) жаропроизводительность; 4) калориметрическая; 5) действительная; 6) максимальная? 8. Кто из ученых установил наличие экспоненциальной зависимости между константой скорости реакции и температурой: 1) Ломоносов; 2) Зельдович; 3) Аррениус; 4) Льюис; 5) Эльбе; 6) Семенов? 9. При каком горении скорость реакции достигает наибольшего значения: 1) диффузионном; 2) кинетическом; 3) смешанном; 4) во всех перечисленных; 5) атмосферном? 10. Какой критерий устанавливает ламинарное или турбулентное горение: 1) Фруда; 2) Прандтля; 3) Рейнольдса; 4) Грасгофа; 5) Архимеда; 6) Ньютона? Вариант № 2 1. Какова зависимость между константой скорости реакции горения и абсолютной температурой: 1) прямо пропорциональная; 2) обратно пропорциональная; 3) экспоненциальная; 4) этой зависимости нет? 80 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Продолжение приложения 2. Кем разработана тепловая теория самовоспламенения газовых смесей: 1) Ломоносовым; 2) Семеновым; 3) Зельдовичем; 4) Арренниусом? 3. Как называется горение, если оно протекает при недостатке окислителя: 1) полное; 2) смешанное; 3) неполное; 4) кинетическое? 4. Чему равна удельная теплота сгорания условного топлива: 1) 35 000 кДж/кг; 2) 29 300 кДж/кг; 3) 100 000 кДж/кг; 4) 20 000 кДж/кг? 5. Каково соотношение между килокалорией и килоджоулем: 1) 1 ккал = 1 кДж; 2) 1 ккал = 10 кДж; 3) 1 ккал = 4,19 кДж; 4) 1 ккал = 0,24 кДж? 6. Кто из российских ученых за разработку теории цепных реакций горения получил Нобелевскую премию: 1) Хитрин; 2) Семенов; 3) Зельдович; 4) Петров? 7. Каково содержание азота по объему в воздухе: 1) 21 % об.; 2) 29 % об.; 3) 79 % об.; 4) 50 % об.? 8. Как называется отношение действительного количества воздуха, подаваемого на горение, к теоретически необходимому: 1) расход воздуха; 2) коэффициент горения; 3) коэффициент избытка воздуха; 4) коэффициент разбавления? 81 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Продолжение приложения 9. Какой объем при нормальных условиях занимает каждый киломоль любого газа: 1) 22 м3; 2) 22,4 м3; 3) 24 м3; 4) 122 м3? 10. Как называется величина, показывающая, во сколько раз теплота сгорания газа больше теплоты сгорания условного топлива: 1) коэффициент приведения; 2) тепловой эквивалент; 3) коэффициент сравнения; 4) тепловой коэффициент? Вариант № 3 1. Кто из перечисленных ученых заложил основы теории распространения пламени: 1) Бекон и Бойль; 2) Ломоносов и Лавуазье; 3) Михельсон и Ле Шателье; 4) Фарадей и Бунзен? 2. В каких единицах (градусах) системы СИ измеряется температура газа: 1) Цельсия; 2) Фаренгейта; 3) Реомюра; 4) Кельвина? 3. Какие компоненты входят в состав продуктов неполного горения: 1) водяные пары; 2) углеводороды; 3) углекислый газ; 4) сернистый газ? 4. При каком виде горения пламя становится коротким с максимальной температурой в ядре: 1) диффузионном; 2) кинематическом; 3) кинетическом; 4) динамическом? 5. Теплота сгорания газа бывает: 1) средняя; 2) высокая; 3) высшая; 4) низшая; 5) малая. 82 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Продолжение приложения 6. Какой прибор служит для измерения и контроля атмосферного давления воздуха: 1) барометр; 2) манометр; 3) ареометр; 4) газоанализатор? 7. Кто из зарубежных ученых разработал теорию цепных реакций: 1) Фенимор; 2) Льюис; 3) Хиншелвуд; 4) Эльбе? 8. Как называется температура горения при сжигании газа с учетом теплоты диссоциации воды и углекислого газа: 1) действительная; 2) калориметрическая; 3) теоретическая; 4) адиабатическая? 9. Как можно называть горение, если оно происходит с достаточным избытком воздуха: 1) неполное; 2) кинетическое; 3) полное; 4) смешанное? 10. Какие компоненты входят в состав продуктов неполного горения: 1) водяные пары; 2) диоксид углерода; 3) оксид углерода; 4) углеводороды? Вариант № 4 1. Кто из русских ученых установил автокаталитический характер химических реакций: 1) Иванов; 2) Петров; 3) Шилов; 4) Семенов? 2. Факторы, влияющие на повышенный выброс сажистых частиц при горении: 1) расход мазута; 2) зольность топлива; 83 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Продолжение приложения 3) теплота сгорания топлива; 4) содержание серы в топливе; 5) давление. 3. Какие компоненты относятся к продуктам полного сгорания: 1) оксид углерода; 2) диоксид углерода; 3) водород; 4) водяные пары? 4. Факторы, влияющие на повышенный выброс оксидов серы при горении: 1) зольность топлива; 2) сернистость топлива; 3) расход топлива; 4) теплота сгорания топлива; 5) тепловой эквивалент. 5. Какой вид горения характеризуется растянутым пламенем с относительно равномерной температурой по длине: 1) кинетическое; 2) диффузионно-кинетическое; 3) диффузионное; 4) адиабатное? 6. Какой русский ученый ввел понятие жаропроизводительности (температуры горения): 1) Ломоносов; 2) Семенов; 3) Менделеев; 4) Левин? 7. Укажите единицы измерения давления газа: 1) бар; 2) баррель; 3) паскаль; 4) джоуль; 5) калория? 8. Основной причиной образования химического недожога газа является: 1) температура горения; 2) скорость горения; 3) большой избыток воздуха; 4) недостаток окислителя. 84 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Продолжение приложения 9. Из перечисленных компонентов укажите те, которые относятся к продуктам неполного горения: 1) водород; 2) водяные пары; 3) диоксид углерода; 4) оксид углерода. 10. Укажите единицу измерения температуры газа в системе СИ: 1) °С; 2) К; 3) °F; 4) °R; 5) Па. Вариант № 5 1. Кто из зарубежных ученых сформулировал идеи современной теории горения: 1) Дальтон и Томсон; 2) Дэви и Румфорд; 3) Вольта и Бертолле; 4) Льюис и Эльбе? 2. В каких единицах в системе СИ измеряется давление газа: 1) в бар; 2) атмосферах; 3) паскалях; 4) миллиметрах ртутного столба? 3. Укажите единицы измерения теплоты сгорания газа: 1) кг/м3; 2) м3/кг; 3) кг/град; 4) кДж/м3; 5) м3/кДж. 4. Укажите компоненты, входящие в состав продуктов неполного горения: 1) сажистые частицы; 2) углеводороды; 3) углекислый газ; 4) угарный газ. 85 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Продолжение приложения 5. В каких единицах измеряется плотность газа: 1) м3/кг; 2) м3/кДж; 3) кг/м3; 4) кДж/м3; 5) кг/град? 6. Какие ученые связаны с исследованиями в области горения: 1) Ломоносов; 2) Лавуазье; 3) Бунзен; 4) Дальтон; 5) Хоттел; 6) Браун? 7. Что является главной причиной образования продуктов неполного сгорания при сжигании газа: 1) чрезмерный избыток воздуха; 2) низкая температура горения; 3) плохое смесеобразование; 4) малые избытки воздуха? 8. Что можно отнести к продуктам полного сгорания топлива: 1) диоксид углерода; 2) углеводороды; 3) водяные пары; 4) оксид углерода? 9.Назовите единицы измерения удельного объема газа: 1) кДж/кг; 2) кг/кДж; 3) кг/м3; 4) м3/кг; 5) м3/град? 10. При каком виде горения наиболее вероятно появление продуктов неполного сгорания: 1) кинетическом; 2) диффузионном; 3) диффузионно-кинетическом; 4) полном? 86 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Абрамович, Г.Н. Прикладная газовая динамика / Г.Н. Абрамович. – М. : Физматгиз, 2000. – 410 с. 2. Ахмедов, Р.Б. Технология сжигания горючих газов и жидких топлив / Р.Б. Ахмедов, Л.М. Циркульников. – СПб. : Недра, 2002. – 283 с. 3. Ахмедов, Р.Б. Дутьевые газогорелочные устройства / Р.Б. Ахмедов. – М. : Недра, 2001. – 354 с. 4. Брук, Ю.Г. Сжигание газа в нагревательных печах / Ю.Г. Брук. – СПб. : Недра, 2003. – 195 с. 5. Брюханов, О.Н. Газифицированные котельные агрегаты : учебник / О.Н. Брюханов. – М. : ИНФРА-М, 2005. – 392 с. 6. Борщов, Д.Я. Защита окружающей среды при эксплуатации котлов малой мощности / Д.Я. Борщов, А.Н. Воликов. – М. : Стройиздат, 2005. – 197 с. 7. Буянов, А.Б. Очистка дымовых газов / А.Б. Буянов, В.И. Крылов, В.Д. Катин. – СПб. : Изд-во ПГУПС, 1999. – 51 с. 8. Внуков, А.К. Защита атмосферы от выбросов энергообъектов / А.К. Внуков. – М. : Энергоиздат, 2002. – 265 с. 9. Воликов, А.Н. Сжигание газов и жидкого топлива в котлах малой мощности / А.Н. Воликов. – СПб. : Недра, 2003. – 190 с. 10. Вулис, Л.А. Основы теории газового факела / Л.А. Вулис. – СПб. : Энергия, 1998. – 203 с. 11. Гринин, А.С. Безопасность жизнедеятельности : учеб. пособие / А.С. Гринин, В.Н. Новиков. – М. : Гранд, 2002. – 287 с. 12. Гринин, А.С. Экологическая безопасность : учеб. пособие / А.С. Гринин, В.Н. Новиков. – М. : Гранд, 2001. – 296 с. 13. Друскин, Л.И. Использование газа в котлах и технологических установках / Л.И Друскин. – М. : Недра, 1999. – 262 с. 14. Еринов, А.Е. Рациональные методы сжигания газового топлива / А.Е. Еринов. – Киев : Техника, 1999. – 252 с. 15. Елисеев, Г.Г. Экологические проблемы сжигания топлива и пути их решения / Г.Г. Елисеев, В.Д. Катин. – Хабаровск : ТОГУ, 2008. – 134 с. 16. Зельдович, Я.Б. Окисление азота при горении / Я.Б. Зельдович. – М. : Наука, 1947. – 146 с. 17. Иост, В. Взрывы и горения в газах / В. Иост. – М. : Мир, 1999. – 687 с. 18. Иванов, Ю.В. Газогорелочные устройства / Ю.В. Иванов. – М. : Недра, 1999. – 375 с. 19. Ионин, А.А. Газоснабжение : учебник / А.А. Ионин. – М. : Стройиздат, 1995. – 439 с. 20. Иссерлин, А.С. Основы сжигания газового топлива : справ. пособие / А.С. Иссерлин. – Л. : Недра, 1997. – 336 с. 87 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 21. Катин, В.Д. Загрязнение воздушного бассейна на транспорте и пути его предотвращения : учеб. пособие / В.Д. Катин, Е.И. Мельник. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2003. – 96 с. 22. Катин, В.Д. Теория горения и взрыва : учеб. пособие / В.Д. Катин. – М. : Маршрут, 2005. – 184 с. 23. Катин, В.Д. Теория горения и взрыва : учеб. пособие. В 2 ч. / В.Д. Катин. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2003. – 80 с. 24. Катин, В.Д. Описание патентов изобретений и полезных моделей / В.Д. Катин. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2007. – 19 с. 25. Катин, В.Д. Разработка рациональных методов сжигания газов : метод. указания по выполнению курсовой работы. / В.Д. Катин. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2012. – 22 с. 26. Катин, В.Д. Защита окружающей среды при эксплуатации печных и котельных установок / В.Д. Катин. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2004. – 174 с. 27. Катин, В.Д. Пути снижения загрязнения атмосферы при сжигании топлива / В.Д. Катин, Г.Г. Елисеев. – Хабаровск : ТОГУ, 2011. – 152 с. 28. Катин, В.Д. Модернизация горелочных устройств трубчатых печей и охрана окружающей среды / В.Д. Катин. – Владивосток : Дальнаука, 2011. – 196 с. 29. Корольченко, А.Я. Процессы горения и взрыва : учеб. пособие / А.Я. Корольченко. – М. : Пожнаука, 2007. – 266 с. 30. Кривоногов, Б.М. Повышение эффективности сжигания газа и охрана окружающей среды / Б.М. Кривоногов. – СПб. : Недра, 1998. – 280 с. 31. Лавров, Н.В. Процессы горения топлива и защита окружающей среды / Н.В. Лавров. – М. : Металлургия, 1997. – 240 с. 32. Левин, А.М. Принципы рационального сжигания газа / А.М. Левин. – СПб. : Недра, 1997. – 247 с. 33. Льюис, Б. Горение, пламя и взрывы в газах / Б. Льюис, Г. Эльбе. – М. : Мир, 1998. – 592 с. 34. Михеев, В.П. Сжигание природного газа / В.П. Михеев, Ю.П. Медников. – СПб. : Недра, 1998. – 342 с. 35. Основы практической теории горения : учеб. пособие / под ред. В.В. Померанцева. – СПб. : Энергия, 1999. – 312 с. 36. Образование и разложение загрязняющих веществ в пламени / под ред. Н.А. Чигира. – М. : Машиностроение, 1996. – 407 с. 37. Процессы горения / под ред. Б. Льюиса. – М. : Физматгиз, 1997. – 542 с. 38. Равич, М.Б. Эффективность использования топлива / М.Б. Равич. – М. : Наука, 1997. – 344 с. 39. Равич, М.Б. Газ и эффективность его использования в народном хозяйстве / М.Б. Равич. – М. : Недра, 1998. – 239 с. 88 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 40. Рациональное использование газа в энергетических установках : справ. рук. / под ред. А.С. Иссерлина. – СПб. : Недра, 1999. – 423 с. 41. Семенов, Н.Н. Цепные реакции / Н.Н. Семенов. – М. : Госхимтехиздат, 1954. – 550 с. 42. Семенов, Н.Н. О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности / Н.Н. Семенов. – М. : Наука, 1958. – 686 с. 43. Скафтымов, Н.А. Основы газоснабжения / Н.А. Скафтымов. – СПб. : Недра, 1999. – 342 с. 44. Сполдинг, Д.Б. Основы теории горения / Д.Б. Сполдинг. – М. : Энергия, 1999. – 320 с. 45. Сигал, И.Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива / И.Я. Сигал. – СПб. : Недра, 1998. – 312 с. 46. Стаскевич, Н.Л. Справочное руководство по газоснабжению / Н.Л. Стаскевич. – Л. : Недра, 1960. – 875 с. 47. Стаскевич, Н.Л. Справочник по сжиженным углеводородным газам / Н.Л. Стаскевич, Д.Я. Вигдорчик. – СПб. : Недра, 1999. – 541 с. 48. Теория топочных процессов : учеб. пособие / под ред. Г.Ф. Кнорре. – М. : Энергия, 2000. – 491 с. 49. Хиншелвуд, С.Н. Кинетика газовых реакций / С.Н. Хиншелвуд. – М. : Госхимтехиздат, 1953. – 191 с. 50. Хитрин, Л.Н. Физика горения и взрыва / Л.Н. Хитрин. – М. : Изд-во МГУ, 1997. – 442 с. 51. Чепель, В.М. Сжигание газов в топках котлов и печей / В.М. Чепель, М.А. Шур. – СПб. : Недра, 1996. – 591 с. 52. Щелкин, К.М. Газодинамика горения / К.М. Щелкин. – М. : Наука, 1999. – 255 с. 53. Щетинков, Е.С. Физика горения газов / Е.С. Щетинков. – М. : Наука, 1997. – 740 с. 89 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................... 3 ЛЕКЦИЯ 1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРЮЧИХ ГАЗОВ И ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ............................................................................... 5 1.1. История развития науки о горении ......................................................... 5 1.2. Основные газовые законы и уравнения газового состояния ............... 9 1.3. Критическое состояние газов ................................................................14 1.4. Плотность, удельный вес и удельный объём газов............................16 1.5. Теплоёмкость, теплосодержание и теплопроводность ......................17 1.6. Состав воздуха, горючих газов и продуктов сгорания ........................23 ЛЕКЦИЯ 2. СТЕХИОМЕТРИЯ И КИНЕТИКА ГОРЕНИЯ ГАЗОВ...................27 2.1. Реакции горения газов и их тепловой эффект ....................................27 2.2. Расчеты горения газов ...........................................................................33 2.3. Температуры горения газов и их расчетное определение ................35 2.4. Примеры расчетов горения газа ...........................................................43 ЛЕКЦИЯ 3. ВОСПЛАМЕНЕНИЕ ГАЗОВ И ПРЕДЕЛЫ ИХ ВЗРЫВАЕМОСТИ .......................................................................................45 3.1. Температура воспламенения ................................................................45 3.2. Пределы воспламенения. Расчет давления при взрыве газа ...........47 3.3. Скорость распространения пламени ....................................................53 ЛЕКЦИЯ 4. ПРОБЛЕМЫ УСТОЙЧИВОСТИ ГОРЕНИЯ И МЕТОДЫ ИХ РЕШЕНИЯ ...............................................................................59 4.1. Горение в ламинарном потоке ..............................................................59 4.2. Горение в турбулентном потоке ...........................................................61 4.3. Отрыв и проскок пламени. Устойчивость горения ..............................64 ЛЕКЦИЯ 5. ПРИНЦИПЫ ГОРЕНИЯ ГАЗОВ....................................................73 5.1. Классификация методов организации процесса горения газов и их особенности ............................................................73 5.2. Характеристика диффузионного, кинетического и диффузионно-кинетического способов горения газов ....................74 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...................................................................................................78 ПРИЛОЖЕНИЕ. Тесты для контроля знаний студентов по учебной дисциплине «Теория горения и взрыва» ....................................79 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..................................................................87 90 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Учебное издание Катин Виктор Дмитриевич ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА Сборник лекций В 2 частях Часть 1 2-е издание, переработанное и дополненное Редактор Т.М. Яковенко Технический редактор Н.В. Ларионова ———————————————————————————— План 2013 г. Поз. 9.42. Подписано в печать 22.01.2013. Гарнитура Arial. Печать RISO. Уч.-изд. л. 5,2. Усл. печ. л. 5,8. Зак. 12. Тираж 60 экз. Цена 280 р. ———————————————————————————— Издательство ДВГУПС 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47. 91 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com