Основи теорії горіння палива

Горінням називають процес екзотермічного окислення горючої речовини, що швидко відбувається та супроводжується інтенсивним виділенням тепла. В основі процесу горіння лежить хімічна реакція між горючою речовиною та окислювачем. Окислювачем зазвичай служить повітря.

Горіння відрізняється від процесу окислення: швидко­плинністю перебігу в часі; змінністю концентрацій компонентів у міру їх взаємодії; зміною форми поверхні реагування у часі; високим значенням температури. Процес горіння – це складний фізико-хімічний процес, що залежить від взаємодії хімічних, теплових та гідродинамічних факторів.

Реакція горіння відбувається не безпосередньо між моле­кулами вихідних речовин (палива і окислювача), а через про­міжні стадії. Цим визначається ланцюговий механізм горіння, розроблений М.М. Семеновим. Реакція горіння є результатом низки ланцюгових реакцій, що перебігають послідовно.

Залежно від фазового стану речовин, що реагують під час горіння (тверді, рідкі, газоподібні), хімічні реакції поділять на гомогенні, що відбуваються між компонентами, котрі пере­бувають в одній фазі (наприклад, у газоподібному стані), і гетерогенні, що відбуваються на межі двох фаз. Прикладами гомогенного горіння є горіння добре перемішаних газового палива і повітря, а також горіння швидко випаровуваних рідких палив. При цьому мається на увазі їх перемішування з окислювачем до процесу горіння. Прикладами гетерогенного горіння служить горіння твердих палив і горіння крапель рідких важких палив, коли фронт горіння встановлюється на межі розділу палива і окислювача. Горіння палива є потоковим процесом і для його перебігу необхідно підведення компонентів (палива і окислювача) у зоні реакції і відведення з неї продуктів згоряння.

Організація перебігу процесу горіння можлива у ламі­нарному та турбулентному потоках окислювача. У загальному випадку час горіння t_г палива складається із часу перебігу фі­зичних t_ф і хімічних t_х процесів

t_г = t_ф + t_х (1.9)

Швидкість хімічної взаємодії виражається зміною концентрацій речовин, що реагують, за одиницю часу.

Згідно із законом дії мас в однорідному середовищі за постійної температури швидкість реакції у кожний момент пропорційна добутку концентрації речовин, що реагують.

До зворотної хімічної реакції можна скласти стехіометричне рівняння

® (1.10)

де А₁, А₂, В₁, В₂ – хімічні символи речовин, що реагують; ν_А1, ν_А2, ν_В1, ν_В2 – стехіометричні коефіцієнти.

Швидкість прямої реакції виражається рівнянням

(1.11)

і відповідно швидкість зворотної реакції

(1.12)

де k ₁і k₂ ­– константи швидкості відповідно прямої та зворотної реакції;

­– поточні концентрації речовин, що реагують.

За хімічної рівноваги швидкості прямої та зворотної реакцій дорівнюють одна одній: ω₁ = ω₂.

У цьому випадку можна записати

, (1.13)

де κ_с – константа рівноваги, що є постійною величиною.

Швидкість реакції значною мірою залежить від температури. Ця залежність виражається законом Арреніуса

(1.14)

де к₀ – передекспоненційний множник, що визначається дослідним шляхом (к₀ ≈ ); Е – енергія активації, що дорівнює деякому потенціаль­ному бар’єру, необхідному для руйнування початкових зв’язків у молекулі; k – універсальна газова стала; Т – термодинамічна температура, °К.

Швидкість реакції горіння різко збільшується із підвищенням температури. Тому для всіх реакцій горіння характерна особливість – щоб горіння відбулося, реагенти повинні мати температуру, не нижчу від деякого граничного значення.

Тепловиділення під час екзотермічної реакції для горючої суміші пропорційне швидкості

(1.15)

де Q – теплота реакції пальної суміші.

Самозайманням називають ініціювання горіння у всьому обсязі реакційної суміші. Воно може статися за умови досягнення деякого гранич-ного значення температури, що називають температурою самозаймання T суміші. Ця температура не є фізико-хімічною характеристикою, а залежить для кожного палива від умов підведення і відведення теплоти та інших чинників. Температура самозаймання водню знаходиться у межах 580-590°С, оксиду вуглецю – 644-658°С, метану – 650-750°С.

У більшості технічних пристроїв горіння ініціюється не шляхом самозаймання, а запалюванням за допомогою факела або електричної іскри.