Влияние давления на скорость реакции

Закон действующих масс

На основе кинетических представлений о ходе химических реакций был получен закон действующих масс, который гласит:

«В однородной среде при постоянной температуре скорость реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам реакции»

Для протекания реакции необходимо, чтобы произошло столкновение между молекулами. Поэтому скорость реакции  будет тем выше, чем больше концентрация реагирующих веществ. Для реакции окисления метана кислородом закон действующих масс может быть записан в виде

                                         ,                                    (3.2)

где k – константа скорости химического реагирования, зависящая от температуры согласно закону Аррениуса:

                                           ,                                      (3.3)

здесь k ₀ – предэкспоненциальный множитель;

R = 8314 – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль×К);

Е - энергия активации, необходимая для разрушения внутримолекулярных связей, Дж/моль.

Энергия активации Е определяет скорость реакции: чем она меньше, тем быстрее протекает реакция. Для большинства горючих газов Е составляет

Е = 80…120 кДж/моль.

Не все столкновения молекул приводят к реагированию. Упрощенно можно считать, что Е – необходимый уровень энергии сталкивающихся молекул, k ₀ - это общее число столкновений, k – число прореагировавших молекул.

С повышением температуры резко растет число сталкивающихся молекул, обладающих достаточным уровнем энергии, что увеличивает скорость реакции.

 

Влияние давления на скорость реакции

Концентрации реагирующих компонентов зависят от давлений прямопропорционально:

                                              ,                                         (3.4)

где r_i – объемная доля реагирующего вещества в смеси;

Р – давление, Па;

R = 8314/m - газовая постоянная данного газа, Дж/(кг×К).

Учитывая, что скорость реакции горения W пропорциональна концентрации реагирующих веществ, получим:

- для мономолекулярной реакции (Н₂О = Н₂ + 0,5О₂ ) скорость реакции пропорциональна давлению

W ~ P,

- для бимолекулярной реакции (CO + H₂O = CO₂ + H₂ ) скорость пропорциональна квадрату давления

W ~ P ²,

- для тримолекулярной реакции (СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О) скорость пропорциональная кубу давления

W ~ P ³.

Следовательно: скорость реакции пропорциональна давлению в степени, равной порядку реакции ν, который представляет собой сумму стехиометрических коэффициентов исходных веществ в уравнении реакции (ν=1, ν=2, ν=3 и т.д.).

 

Цепные реакции горения

Реакции горения протекают не между молекулами исходных веществ, а через промежуточные стадии, в которых образуются промежуточные активные продукты - радикалы.

Реакции совершаются между радикалами и исходными веществами, причем наряду с конечными продуктами вновь образуются радикалы, которые обеспечивают дальнейшее протекание реакции. Подобные реакции называются цепными реакциями.

Различают неразветвленные цепные реакции, когда концентрации активных продуктов остаются постоянными, и разветвленные цепные реакции, когда с течением времени концентрация активных продуктов увеличивается.

Цепное горение водорода

Реакцией зарождения цепей является реакция диссоциации атома водорода из-за внешнего воздействия ν (например, фотон света).

Н₂ + ν = 2Н.

 

Далее идет последовательная цепь реакций:

Н + О₂ = ОН + О

О + Н₂ = ОН + Н

(ОН + Н ₂ = Н ₂ О + Н)·2

Н + 3Н₂ + О₂ = 3Н + 2Н₂О

Складывая эти реакции, причем последнюю дважды, чтобы исключить комплексы ОН, получим результирующую реакцию в виде

Н + 3Н₂ + О₂ = 3Н + 2Н₂О.                           (3.6)

 

Вступление в реакцию одного атома водорода параллельно с образованием конечных продуктов вызывает появление трех новыхатомов водорода, т.е. имеется процесс разветвления цепей. Дальнейшее развитие цепей обусловливает нарастание свободных атомов и радикалов, поэтому со временем реакция ускоряется, приобретая взрывной характер.

Распространение пламени

 

Интенсивность горения неподвижных или ламинарно-движущихся горючих газовых смесей характеризуется нормальной скоростью распространения пламени  U_n   (пламя распространяется по нормали к фронту горения).

Рассмотрим процесс распространения пламени в предварительно подготовленной горючей смеси, когда эта смесь движется внутри трубки. В результате начавшегося горения создается фронт пламени толщиной d и перемещающийся в направлении движения смеси. Стабилизация фронта пламени наблюдается при равенстве скоростей смеси и противоположно направленной скорости перемещения фронта пламени.

Скорость нормального распространения пламени зависит:

- от состава смеси,

- от температуры,

- от вида горючего газа и окислителя.

Скорость нормального распространения пламени имеет значения:

- СО + воздух – 0,43 м/с;

- СН₄ + воздух – 0,38 м/с;

- Н₂ + воздух – 2,65 м/с;

- Н₂ + кислород –  13,0 м/с.

    Распространение пламени можно рассматривать как процесс ускорения реакции при прохождении газа через зону пламени [10].

Фронт горения делит массу газа на две части (рис. 3.4):

- перед фронтом горения – слабо нагретая газовая смесь,

- позади фронта горения – сильно нагретые продукты сгорания.

В зоне горения температура изменяется от начальной Т ₀ до температуры горения Т _г, при этом уменьшается концентрация горючих веществ от С ₀ до 0.

 

Рисунок 3.4 - Изменение температуры, концентрации

горючих веществ и скорости реакции во фронте пламени

 

Скорость реакции W зависит от концентрации С горючих веществ и температуры Т, поэтому в зоне пламени скорость реакции проходит через максимум (увеличивается с повышением температуры и уменьшается по мере уменьшения концентрации горючих). Чем больше скорость химической реакции, тем больше скорость распространения пламени и меньше время пребывания газа в зоне пламени (рис. 3.5).

Рисунок 3.5 - Определение толщины фронта пламени

 

    Заменим истинное распределение температур ломаной линией, проведя касательную в точке перегиба и продолжив ее до пересечения с прямыми Т₀ и Т _г. Расстояние между точками пересечения d – тепловая ширина фронта пламени. Максимальный градиент температур в пламени (рис. 3.5) можно представить в виде

.

Поток теплоты из зоны пламени идет на нагрев свежей смеси теплопроводностью

.

С другой стороны, эта теплота затрачивается на подогрев смеси в количестве G = r· U_n · 1 (1 кг/м³· 1м/с × 1м² = 1 кг/с) от температуры Т ₀ до Т _г: .

Приравнивая q, получим соотношение, связывающее нормальную скорость распространения пламени U_n и толщину фронта пламени d:

                                           ,                                          (3.8)

где a – коэффициент температуропроводности, м²/с.

При нормальном распространении пламени химические реакции протекают в очень тонком слое. Толщина фронта пламени d составляет доли миллиметра.

При адиабатных условиях скорость нормального распространения пламени может быть определена по формуле [11]

                               ,                              (3.9)

     где а – коэффициент температуропроводности, м²/с;

k ₀ и Е – предэкспоненциальный множитель и энергия активации уравнения Аррениуса для данной реакции горения, м/с и Дж/моль;

Т ₀ – начальная температура горения, К;

Т _т – теоретическая температура горения, К;

R =8,314 кДж/моль – универсальная газовая постоянная.

Скорости нормального распространения пламени при горении смеси метан-воздух представлена на рис. 3.6.

Рисунок 3.6 - Зависимость скорости нормального распространения пламени от коэффициента избытка воздуха для смеси метан-воздух

 

Скорость нормального распространения пламени U_n, зависит от энергии активации Е и теоретической температуры горения Т _т. Теоретическая температура горения Т _т зависит от состава исходной горючей смеси. Максимальная температура горения Т _т достигается при коэффициенте избытка воздуха α, близком к единице (рис. 3.6), следовательно, и максимальная скорость распространения пламени достигается в стехиометрической смеси.

Предварительный подогрев смеси увеличивает нормальную скорость распространения пламени U_n, так как при этом повышается температура горения. Инертные добавки (например, азот воздуха) снижают скорость горения, поскольку при этом снижается температура горения.

Пределы воспламенения

    При разбавлении смеси уменьшается нормальная скорость распространения пламени U_n, что приводит к прогрессирующему увеличению теплопотерь из пламени и прекращению горения. Опытные кривые U_n = f (состава) обрываются на конкретных величинах U_n, что говорит о граничных скоростях распространения пламени.

Существуют нижний и верхний пределы распространения пламени. Если смесь лежит вне концентрационных пределов воспламенения, то пламя в ней не будет распространяться.

Тепловой поток излучением из фронта пламени, распространяющегося в трубке радиусом R, пропорционален толщине фронта пламени δ

.

Здесь δ – толщина фронта пламени,

    ε – приведенная степень черноты,

σ₀ - постоянная Стефана-Больцмана.

Максимальная температура горения и соответственно скорость нормального распространения пламени достигаются в стехиометрической смеси. При увеличении (уменьшении) коэффициента избытка воздуха α температура горения падает, уменьшается скорость пламени и возрастает толщина фронта горения. Это приводит к увеличению теплопотерь из пламени. Теплопотери превысят тепловыделения во фронте пламени, что приведет к погасанию пламени.

Концентрационные пределы распространения пламени не являются постоянными: они сужаются при разбавлении смеси инертным газом, и расширяются при предварительном подогреве смеси (рис. 3.7).

Концентрационные пределыраспространения пламени при атмосферном давлении в отсутствии предварительного подогрева имеют следующие значения:

- Н₂ + воздух - 4…74,2%;

- СО + воздух - 12,5…74,2 %;

- СН₄ + воздух - 5…15 %.

 

 

Рисунок 3.7 - Концентрационные границы зажигания

для различных газов в смеси с воздухом

 

Со скоростью нормального распространения пламени связано также явление погасания пламени. Опыт показывает, что одна и та же смесь горит в широких трубках, но не горит в трубах малого диаметра. При уменьшении диаметра трубки увеличиваются относительные теплопотери, которые снижают температуру горения и, следовательно, скорость распространения пламени.

С уменьшением нормальной скорости распространения пламени U_n увеличивается толщина пламени и теплопотери, что приводит к еще большему уменьшению температуры, а затем и к погасанию пламени. Инженерное использование данного явления – огнепреградители, т.е. сужение диаметра газоподводящих каналов.

Турбулентное горение

предварительно подготовленных смесей

 

При больших значениях критерия Рейнолдса, т.е. при Re > Re_кp устойчивость течения нарушается и движение становится неупорядоченным, пульсирующим, решающими факторами становятся интенсивность перемешивания и турбулентные пульсации.

При переходе из ламинарного в турбулентный режим происходит изменение структуры пламени (рис. 3.15). При ламинарном течении наблюдается гладкий и тонкий фронт пламени, а высота h факела пропорциональна скорости потока W. После достижения критического значения Re_кp пламя укорачивается, утолщается и выглядит сильно размытым. Это связано с увеличением скорости распространения пламени U _п, которое обусловлено турбулентностью.

 

Рисунок 3.15 - Изменение структуры пламени при переходе из ламинарного в турбулентный режим

 

В турбулентном пламени химическая реакция ускоряется за счет турбулентной диффузии и турбулентной теплопроводности. Скорость турбулентного распространения пламени U _т является функцией скорости W (или числа Rе).

Существуют две теории турбулентного распространения пламени:

1. Теория поверхностного горения (мелкомасштабной турбулентности).

Под действием турбулентности поверхность фронта пламени искривляется и увеличивается (рис. 3.16). Увеличение скорости турбулентного распространения пламени U _т будет пропорционально увеличению площади поверхности фронта горения F _т

,

где U _т - скорость турбулентного распространения пламени;

U_n - нормальная скорость распространения пламени.

 

Рисунок 3.16 - Схема пламени при мелкомасштабной турбулентности

 

Увеличение отношения поверхностей в выражении  пропорционально , тогда получим 

.

 

    2. Теория объемного горения.

Теория объемного горения используется, когда рассматривается крупномасштабная турбулентность. Элементарные объемы горящей смеси, перемещаясь в свежую смесь, создают очаги поджигания (рис. 3.17), фронт разрывается на отдельные очаги горения.

 

 

Рисунок 3.17 Схема пламени при крупномасштабной турбулентности

 

Горение происходит по законам нормального распространения пламени. Фронтом пламени является суммарная поверхность отдельных молей. В этом случае

,

 

и высота факела h, перестает зависеть от скорости истечения смеси W

,

 

.

 

В промышленных установках топливовоздушная смесь, подаваемая через горелку в камеру сгорания, представляет собой неоднородную струю, распространяющуюся в среде продуктов сгорания. В процессе турбулентного расширения струи горючая смесь нагревается и одновременно разбавляется продуктами сгорания. По мере удаления от горелки горение распространяется внутрь струи. Кривые распределения температур и концентраций показаны на рис. 3.18. По мере приближения к внешней границе факела температура повышается, а концентрация горючей смеси падает. Воспламенение струи происходит в ее наружных слоях по конической поверхности, где скорость распространения пламени имеет максимальную величину. От периферийных слоев турбулентной теплопроводностью тепло передается соседним слоям, вызывая их последовательное воспламенение. Длина зоны воспламенения  ограничивается точкой, в которой воспламенение достигает оси факела, и рассчитывается по формуле

,

 

где W – скорость истечения газа;

U _т – скорость турбулентного распространения пламени.

Видимым фронтом горения является участок факела (), где  - толщина фронта горения. В нем происходит воспламенение струи и основное выгорание (до 90 %) горючих. Горение завершается за видимым фронтом, определяя общую длину факела . Длина зоны догорания  - участок до границы полного сгорания.

 

Рисунок 3.18 - Структура турбулентного факела

 

Тогда общая длина факела l _Ф  будет равна

,

где l _В - длина зоны воспламенения;

     - толщина фронта горения;

l _Д - длина зоны догорания.

Диффузионное горение газов

    В случае, когда через горелку подается только газ, горение происходит за счет взаимодействия газа с кислородом из окружающего воздуха. Поскольку горение происходит в процессе взаимной диффузии горючего и окислителя, подобное горение называется диффузионным горение. С корость горения определяется интенсивностью процесса смешения горючего и окислителя. В зависимости от характера смешения различают ламинарное и турбулентное диффузионное горение.

    Ламинарное диффузионное горение происходит при ламинарном режиме движения газа, вытекающего из горелки. Зона устойчивого горения устанавливается по поверхности, где горючее и окислитель находятся в стехиометрическом соотношении. Образующиеся продукты горения диффундируют как в окружающее пространство, так и внутри факела. Структура диффузионного ламинарного факела при сжигании водорода показана на рис. 3.19. Концентрация горючего падает от наибольшего значения на оси струи до нуля во фронте пламени, а концентрация кислорода возрастает от нуля во фронте пламени до его значения в окружающем потоке. Концентрация продуктов Н₂О и температура Т максимальны во фронте пламени.

 

Рисунок 3.19 - Структура диффузионного ламинарного пламени при сжигании водорода

 

    В диффузионном ламинарном пламени температура достигает максимального значения в зоне горения. Вытекающий из горелки газ нагревается за счет тепла, переносимого теплопроводностью и диффузией до поступления в зону горения.

В случае сжигания углеводородов их нагрев приводит к термическому разложению с образованием сажи и водорода. Находящиеся в пламени мелкодисперсные частицы сажи и свободного углерода, раскалившись, вызывают свечение пламени. Диффузионное горение частиц сажи протекает сравнительно медленно, в результате чего может возникнуть недожог топлива.

    Высота ламинарного диффузионного пламени может быть рассчитана по формуле

                                                ,                                             (3.15)

 

где W – скорость истечения газа;

R – радиус соплового отверстия;

D – коэффициент молекулярной диффузии.

    Интенсивность диффузионного сжигания зависит от интенсивности образования смеси.

Для промышленных условий более важным является способ турбулентного диффузионного горения, поскольку массообмен в пламени интенсивнее. С увеличением скорости размеры факела растут, достигая максимума. Одновременно теряется правильность очертаний и стабильность его вершины, начинается турбулизация факела, захватывающая все большую его длину. По мере приближения турбулентного фронта к корню факела высота его несколько снижается, оставаясь дальше постоянной. По достижении критической скорости газовой струи весь факел становится турбулентным, и в дальнейшем при увеличении скорости высота факела не изменяется. Относительная высота турбулентного диффузионного факела рассчитывается по формуле

                                          ,                                     (3.16)

где h – длина факела;

d – диаметр устья горелки;

V ⁰ – теоретический объем продуктов сгорания;

r_в и r_г – плотность воздуха и газа.  

 

Переход диффузионного факела от ламинарного режима горения к турбулентному горению наблюдается для разных газов при различных значениях критерия Re:

для водорода -                 2200,

для коксового газа -        3700…4000,

для оксида углерода –              4750,

для пропана и ацетилена - 8900…10400.

Инжекционные горелки

В инжекционной горелке (рис. 3.20) газ поступает к соплу горелки 1, откуда вытекает с высокой скоростью, инжектируя необходимый для сгорания воздух из атмосферы. Расход воздуха можно регулировать с помощью кольца 4.

 

1 – сопло; 2 – камера смешения; 3 – насадок;  4 – кольцо,

 регулирующее подачу воздуха; 5 - диффузор

 

Рисунок 3.20 - Инжекционная горелка

 

Образующаяся газовоздушная смесь поступает из камеры смешения 2 в диффузор 5, где за счет уменьшения скорости в расширяющемся канале несколько увеличивается статическое давление, которое позволяет преодолевать сопротивление по тракту газовоздушной смеси. Подготовленная смесь из диффузора через насадок 3 (носик горелки), который служит для предотвращения проскока пламени, поступает в камеру сгорания.

Преимущества инжекционных горелок:

- возможность работы без принудительной подачи воздуха;

- низкие избытки воздуха - a = 1,02…1,08, так как осуществляется полное предварительное смешение газа и воздуха;

- автоматическое поддержание постоянства коэффициента избытка воздуха при различных нагрузках и расходах газа.

Недостатки:

- расход природного газа не должен превышать 60 м³/ч (соответственно мощность не более 0,7 МВт). При больших расходах газа резко возрастет размер горелок и металлоемкость;

- повышенный уровень шума при расходе газа В > 60 м³/ч.

    Разработаны горелки с диаметром насадка (носика) от 15 до 235 мм и соответственно тепловой мощностью от 0,014 до 0,7 МВт. Горелки комплектуются туннелем из огнеупорного материала диаметром 2,5 d и длиной 6,5 d. Насадок горелки, как правило, водоохлаждаемый. Относительная длина факела L зависит от избытка воздуха: при a = 1,02 - L =6; при a = 1,5 – L = 2,5. Существуют конструкции горелок с пластинчатым стабилизатором, при этом отпадает необходимость в туннеле, который надо прогревать постепенно, что ограничивает быстрый набор мощности топки.

 

Вентиляторные горелки ГНП

Горелку низкого давления ГНП (рис. 3.22) выпускают тепловой мощностью от 0,08 до 2,26 МВт [14]. Горелка рассчитана на сжигание природного газа. Выпускается двух модификации: модификация А имеет от 4 до 6 отверстий для выхода газа и обеспечивает хорошее смешение газа и воздуха; модификация Б имеет одно отверстие и обладает ухудшенным смешением и длинным факелом. Горелки могут работать на холодном и горячем воздухе с давлением от 0,8 до 3,2 кПа (80…320 мм вод. ст.).

 

 

1 – сопло подачи газа;

2 – лопатки для закрутки потока воздуха; 3 - туннель

                             Рисунок 3.22 - Горелка ГНП

 

Вертикально-щелевая горелка

Вертикально-щелевая горелка (рис. 3.20) широко использовалась при переводе котлов ДКВР на сжигание газа.

1 – коллекторы подачи газа; 2 – воздушный короб; 3 – отверстие для запальника; 4 – гляделка; 5 – амбразура; 6 – профилирующие листы;

 7 – теплоизоляционный слой; 8 – кладка

 

Рисунок 3.23 - Вертикально-щелевая горелка

 

Газораспределительная часть включает в себя две трубы Æ 40…60 мм. В каждой трубе насверлен ряд отверстий для выхода газа под углом 45° к оси горелки. Газовоздушная смесь подается в щель, имеющую сечение шириной 80 мм. Высота щели определяется тепловой мощностью горелки. Параметры горелок: a = 1,05…1,1; тепловая мощность N = 0,89…2,22 МВт. Горелка предназначена для котлов паропроизводительностью от 2,5 до 10 т/ч. На котле устанавливают 4 горелки по 2 на каждой боковой стороне топки.

 

Газомазутные горелки ГМГ

В газомазутных горелках ГМГ (рис. 3.24) воздух первичный и вторичный закручиваются лопаточными аппаратами в одну сторону. Газ подается из кольцевого коллектора через отверстия малого диаметра, которые выбираются в зависимости от теплоты сгорания газа. Горелки ГМГ выпускают тепловой мощностью 1,5; 2; 4; 7 Гкал/ч. Для распыливания мазута используют паромеханические форсунки с давлением мазута 2…5 атм, давление пара составляет 0,6…2 атм.

 

1 – газовоздушная часть; 2 - лопаточные завихрители вторичного воздуха; 3 – монтажная плита; 4 – керамический туннель; 5 – лопаточные завихрители первичного воздуха; 6 – паромеханическая форсунка

Рисунок 3.24 - Горелка ГМГ

 

Для больших мощностей (от 4 до 30 Гкал/ч) выпускают горелки РГМГ (рис. 3.25), отличающиеся тем, что вместо паромеханической устанавливается ротационная форсунка. Ротационные форсунки устанавливают на водогрейных котлах в котельных, не имеющих пара.

Для котлов большой и средней мощности получили распространение комбинированные пылегазовые горелки ОРГРЭС (рис. 3.26). Горелка предназначена для сжигания тощих углей и природного газа. При сжигании газа подача воздуха осуществляется через канал вторичного воздуха. Скорость истечения газа из отверстий 60…150 м/с. Скорость истечения воздуха 35 м/с. Длина факела при работе на газе 3 м.

 

1 – запальное устройство ЗЗУ;  2 – газоподводящий патрубок; 3 – патрубок первичного воздуха; 4 – газовый коллектор; 5 – лопаточный аппарат;

6 – газовыпускные отверстия; 7 – ротационная форсунка

 

Рисунок 3.25 - Горелка РГМГ

 

1 – рассекатель (тело плохообтекаемой формы); 2 – кольцевой газовый коллектор; 3 – канал подачи первичного воздуха и угольной пыли; 4 – улитка для подачи вторичного воздуха; 5 – газовыпускные отверстия; 6 – отверстие для запальника

Рисунок 3.26 - Комбинированная горелка ОРГРЭС

 

Диффузионные горелки

    Диффузионные горелки применяют чаще всего на установках с большим объемом камеры сгорания, когда за счет растянутого горения требуется обеспечить равномерную теплоотдачу по всей длине тепловоспринимающей поверхности.

    Достоинством диффузионных горелок являются:

- большие пределы регулирования (отсутствует проскок пламени),

- безопасная работа при практически неограниченной температуре подогрева воздуха,

- высокая степень черноты факела,

- возможность работы без дутья и при низком давлении газа.

К недостаткам диффузионных горелок относятся:

- необходимость повышения коэффициента избытка воздуха (a = 1,1…1,15) по сравнению с кинетическими горелками,

- более низкие тепловые напряжения топочного объема,

- ухудшения условия догорания в хвостовой части факела.

    К диффузионным горелкам относится горелка ТКЗ для сжигания доменного газа (рис. 3.27). Газ и воздух в соизмеримых количествах поступают с противоположных сторон приемного двустороннего коллектора. Далее газ и воздух проходят через слоистый распределитель параллельными перемежающимися плоскими потоками. Из горелок воздух выходит через щели плоскими потоками с обеих сторон газового сопла, что создает благоприятные условия для смешения потоков в топке. Скорость газа и воздуха на выходе из сопел составляет 20…30 м/с. Производительность горелки по доменному газу составляет 3,35…4,2 м³/с (12000…15000 м³/ч).

 

1 – приемный двусторонний коллектор для газа и воздуха; 2 – шиберы для регулировки подачи воздуха; 3 – слоистый распределитель; 4 – щели для воздуха; 5 – сопла для газа

 

Рисунок 3.27 - Горелка ТКЗ для доменного газа

 

3.9 Горение жидких топлив

При сжигании жидких топлив температура воспламенения и тем более температура горения оказывается выше температуры кипения отдельных фракций, входящих в состав жидкого топлива. Поэтому вначале всегда происходит испарение топлива с поверхности за счет подводимой теплоты, а затем пары топлива смешиваются с воздухом, подогреваются до температуры воспламенения и горят. Рассмотрим схему горения капли жидкого топлива (рис. 3.28). Вокруг капли образуется облако паров, которое диффундирует в окружающую среду. Навстречу происходит диффузия кислорода. В результате на некотором расстоянии устанавливается стехиометрическое соотношение между горючими газами и кислородом. Здесь и находится фронт горения паров топлива, образующий сферу вокруг капли.

Рисунок 3.28 - Схема горения капли жидкого топлива

 

В зоне реакции устанавливается максимальная температура горения, которая затем снижается в обе стороны от фронта горения, но более интенсивно по мере приближения к капле ввиду затраты теплоты на нагрев и испарение топлива.

Скорость горения капли жидкого топлива определяется скоростью испарения с поверхности капли, скоростью химической реакции и скоростью диффузии кислорода к зоне горения. Скорость реакции в газовой фазе очень велика и не может тормозить скорость горения. Количество кислорода, диффундирующего к фронту горения, пропорционально квадрату диаметра шаровой поверхности, на которой протекает горение, поэтому небольшое смещение от поверхности капли заметно увеличивает массовый подвод кислорода. Наиболее медленным процессом является испарение, которое и определяет скорость горения капли жидкого топлива.

    Опыты и расчеты показывают, что время выгорания зависит от диаметра капли и параметров среды. Для распыления топлива и смесеобразования используют горелки с форсунками, которые распыляют жидкое топливо в поток воздуха, подаваемого в камерную топку через воздухонаправляющий аппарат горелки.

    Структура образующегося факела при сжигании жидких топлив представлена на рис. 3.29. Горение основной части парообразных углеводородов происходит в зоне воспламенения, занимающей наружный слой факела. Зона воспламенения 1 делит пространство на две области: внутреннюю 2, в которой протекает процесс испарения и образования горючей смеси, и наружную зону 3 – область догорания углеводородов.

 

 

1 – зона воспламенения; 2 – область испарения и образования горючей смеси; 3 – область догорания углеводородов; 

  l _з.в – длина зоны воспламенения; l _д – длина зоны догорания; 

l _ф – длина факела

Рисунок 3.29 - Схема факела жидкого топлива

 

При достаточном количестве кислорода из углеводородов образуется формальдегид НСОН, который сгорает с образованием СО₂ и Н₂О

 

НСОН + О₂ = СО₂ + Н₂О.

 

При недостаточном количестве окислителя после испарения происходит термическое разложение углеводородов с образованием тяжелых высокомолекулярных комплексов вплоть до сажистого углерода.

Для улучшения выгорания топлива воздух следует подавать в корень факела. Эффективность сжигания жидкого топлива в значительной степени зависит от первых подготовительных этапов, определяемых работой форсунки. Чем меньше диаметр капли жидкого топлива, тем быстрее протекают процессы испарения и смесеобразования.

По способу распыливания жидкого топлива форсунки разделяются на:

¾ паровые форсунки;

¾ механические форсунки.

В паровых форсунках первичное дробление производится за счет кинетической энергии пара, истекающего из сопла. Движущаяся капля подвергается давлению газовой среды, которая стремится расплющить и раздробить каплю. Давление среды на движущуюся в ней каплю определяется силой трения среды на лобовое сечение капли. Давление, создаваемое силами трения,

Р ₁ = zr W ²,

где ζ – коэффициент сопротивления среды (обычно при Re = 10³-10⁵ ζ = 0,2);

r - плотность среды, кг/м³;

W – относительная скорость капли, м/с.

Поверхностное натяжение придает частице сферическую форму. Давление, определяемое силами поверхностного натяжения, составляет

Р ₂ = 2 σ/ r,

где σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м;

r – радиус капли, м.

Дробление жидкого топлива на более мелкие капли происходит, когда преобладают силы трения

Р ₁ > Р ₂,

а максимальный диаметр капли определяется при условии Р ₁ = Р₂, т.е.

2z/ r = z W² r.

Отсюда максимальный размер капель жидкого топлива может быть рассчитан как

.

    Тонкость распыления зависит от величины поверхностного натяжения, плотности среды и относительной скорости движения капли и газа (воздуха или пара). Поскольку для нефтепродуктов поверхностное натяжение уменьшается с повышением температуры, предварительный подогрев мазута существенно повышает тонкость распыливания.

 

    Вторым типом форсунок являются механические форсунки, в которых использование центробежного эффекта (например, закрученной струи) приводит к разрыву сплошного потока. Дальнейшее дробление потока осуществляется также за счет давления воздушной среды. При использовании механических форсунок распыление улучшается с уменьшением вязкости и коэффициента поверхностного натяжения топлива, уменьшением диаметра сопла и с увеличением относительной скорости капли и потока.

 

3.10 Конструкции мазутных форсунок

Механические форсунки

Распыливающая часть форсунки имеет камеру для завихрения с несколькими каналами. Производительность механической форсунки зависит от размера сопла, давления и вязкости топлива.

 

1 – ствол; 2 – накидная гайка; 3 – распределительная шайба;

 4 – диск камеры завихривания; 5 – сопловой диск

 

Рисунок 3.27 - Головка механической форсунки

 

    При механическом распыливании качество последнего зависит от давления мазута, создаваемого насосом. Обычно мазут поступает к форсункам под давлением 2,5…3,5 МПа. Вязкость мазута перед механическими форсунками должна быть не менее 3,5 °ВУ. Форсунки нормализовали по конструкциям и типоразмерам. Детали форсунки выполняют в основном одинаковые, кроме распыливающих элементов. На парогенераторах малой и средней мощности используют форсунки ОН-547-01, имеющие производ