Вопрос № 119 Зависимость скорости химической реакции от концентрации

Скорость сгорания топлива можно выразить через скорость расходования горючих элементов (или топлива и целом), скорость расходования окислителя или скорость образования продуктов сгорания. Зависимость скорости горения от объёмной доли горючего газа. А - концентрация (объём) газа. В точке I объём газа занимает весь объём.

Горение может происходить не при любой концентрации горючего в смеси, а лишь в определенном соотношении с воздухом. Существует нижний предел концентрации горючего (НП), ниже которого горение невозможно и верхний предел (ВП). Во всем диапазоне между этими пределами горение возможно.

В топочных устройствах горение происходит при постоянной подаче топлива и окислении в зону горения и, следовательно, при практически постоянной концентрации веществ во времени. В этих условиях максимальная скорость реакции может быть достигнута при соотношении концентраций исходных веществ близком к стехиометрическому (когда объемные доли горючего и окислителя равны).При избытке горючего (богатая смесь) или при малой его концентрации (бедная смесь) скорость реакции снижается ввиду уменьшения тепловыделения на единицу горения.

К роме того, скорость реакций подчиняется закону действующих масс, согласно которому при постоянной температуре в каждый момент времени скорость реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ: , – константа скорости, зависящая от температуры и природы реагирующих веществ; m, n – числа молей реагирующих вещств.

Если весь объем окажется заполненным готовой для горения газовоздушной смесью, то при внесении источника зажигания реакция окисления распространяется с такой большой скоростью на весь объем, что происходит резкое увеличение температуры и давления. Такой характер горения называют взрывом. Т.о., во всем диапазоне концентраций между ВП и НП существует газовоздушная смесь, готовая к взрыву.

Вопрос № 120 Механизм развития прямоточной и вихревой струи, прогрев и воспламенение топливо-воздушной смеси.

Топливо-воздушная смесь, поступающая в топку из горелочных устройств распространяется в виде прямоточных завихренных струй, развитие которых определяет условия воспламенения и интенсивности горения.

Механизм прямоточной струи: из амбразуры выходит струя, имеющая начальные значения скорости , температуры , концентрации горючего . На поверхности раздела струи со средой происходит проникновение массы струи в окружающий объем. В зоне смешения, называемом пограничным слоем струи, взаимодействие масс подчиняется закону сохранения количества движения: , где , – массы струи и среды; , – соответственно скорости, . По мере приближения к внешней границе доля вовлеченной в движение увеличивается и скорость уменьшается. За счет турбулентного переноса масс пограничный слой расширяется и внутрь струи, в результате его ядро с начальными значениями , , постепенно уменьшается. Сечение в котором оканчивается потенциальное ядро, называется переходным, а расстояние до него от устья горелки – начальный участок струи, . За переходным сечением пограничный слой распространяется до оси струи и параметры на ней также начинают изменяться( ).

В вихревой струе происходит максимальная интенсификация вовлечения горячих газов в свежую струю на начальном участке и тем самым ускоряется воспламенение топлива. В центральной приосевой зоне вихревой струи создается область пониженного давления, куда устремляются высокотемпературные газы. Таким образом, основное отличие вихревой струи от прямоточной состоит в повышенной турбулентности и наличии кроме внешней еще и внутренней зоны вовлечения газов в струю, что ускоряет ее прогрев.

У внешней границы струи, где температура наибольшая, находится незначительное количество топлива, недостаточное для воспламенения. В центральной зоне температура недостаточна для воспламенения. Начало горения становится возможным в довольно узкой, близкой к периферии полосе струи, где выполнятся оба условия.