Горение - Combustion

В пламя вызвано в результате топливо подвергается горению (горению)

Оборудование для борьбы с загрязнением воздуха обеспечивает контроль горения для промышленные процессы.

Горение, или же горящий,^[1] высокотемпературный экзотермический редокс химическая реакция между топливо (восстановитель) и окислитель, обычно атмосферный кислород, который производит окисленные, часто газообразные продукты, в смеси, называемой курить. Горение не всегда приводит к возгоранию, но когда это происходит, пламя является характерным индикатором реакции. В то время как энергия активации должна быть преодолена, чтобы инициировать горение (например, использование зажженной спички, чтобы зажечь огонь), тепло от пламени может обеспечить достаточно энергии, чтобы реакция стала самоподдерживающейся. Горение часто представляет собой сложную последовательность элементарный радикальные реакции. Твердое топливо, Такие как дерево и каменный уголь, сначала пройти эндотермический пиролиз для производства газообразного топлива, при сжигании которого затем выделяется тепло, необходимое для его производства. Горение часто бывает настолько горячим, что раскаленный свет в виде либо светящийся или пламя производится. Простой пример можно увидеть в горении водород и кислород в воды пар, реакция, обычно используемая для подпитки ракетные двигатели. Эта реакция высвобождает 242 кДж /моль тепла и уменьшает энтальпия соответственно (при постоянной температуре и давлении):

2ЧАС
₂(г) + О
₂(г) → 2ЧАС
2О(грамм)

Сжигание органического топлива на воздухе всегда экзотермично, потому что двойная связь в O₂ намного слабее, чем другие двойные связи или пары одинарных связей, и поэтому образование более сильных связей в продуктах сгорания CO
2 и ЧАС
2О приводит к высвобождению энергии.^[2] Энергии связи в топливе играют лишь второстепенную роль, поскольку они аналогичны энергиям в продуктах сгорания; например, сумма энергии связи CH₄ почти такой же, как у CO
2. В теплота сгорания составляет примерно -418 кДж на моль O₂ расходуется в реакции горения, и его можно оценить по элементному составу топлива.^[2]

Некатализируемое горение на воздухе требует относительно высоких температур. Полное сгорание стехиометрический Что касается топлива, где нет остатков топлива и, в идеале, без остаточного окислителя. Термодинамически химическое равновесие горения в воздухе в подавляющем большинстве случаев на стороне продуктов. Однако полного сгорания практически невозможно достичь, поскольку химическое равновесие не обязательно достигается, или могут содержаться несгоревшие продукты, такие как монооксид углерода, водород и даже углерод (сажа или ясень). Таким образом, произведенные курить обычно токсичен и содержит несгоревшие или частично окисленные продукты. Любое горение при высоких температурах в атмосферный воздуха, что составляет 78 процентов азот, также создаст небольшое количество нескольких оксиды азота, обычно называемый NOx, так как горение азота термодинамически благоприятно при высоких, но не низких температурах. Поскольку сжигание редко бывает чистым, очистка топливного газа или каталитические преобразователи может потребоваться по закону.

Пожары происходят естественно, воспламеняются молния забастовки или вулканический товары. Горение (Огонь ) была первой управляемой химической реакцией, обнаруженной людьми, в форме костры и костры, и продолжает оставаться основным методом производства энергии для человечества. Обычно топливо углерод, углеводороды, или более сложные смеси, такие как дерево содержащий частично окисленные углеводороды. Тепловая энергия, полученная при сгорании ископаемое топливо Такие как каменный уголь или же масло, или из возобновляемые виды топлива Такие как дрова, собирают для различных целей, таких как Готовка, изготовление электричество или промышленное или домашнее отопление. Горение также в настоящее время является единственной реакцией, используемой для подачи энергии. ракеты. Горение также используется для разрушения (сжигать ) отходы, как неопасные, так и опасные.

Окислители для горения имеют высокий окислительный потенциал и включают атмосферные или чистые кислород, хлор, фтор, трифторид хлора, оксид азота и азотная кислота. Например, водород горит в хлор формировать хлористый водород с выделением тепла и света, характерного для горения. Хотя обычно это не катализируется, горение может быть катализировано платина или же ванадий, как в контактный процесс.

Типы

Полный и неполный

Полный

Горение метан, а углеводород.

При полном сгорании реагент сгорает в кислороде и производит ограниченное количество продуктов. Когда углеводород горит кислородом, реакция в первую очередь даст углекислый газ и воду. При сгорании элементов образуются в первую очередь наиболее распространенные оксиды. Углерод даст углекислый газ, сера даст диоксид серы, и железо уступит оксид железа (III). Азот не считается горючим веществом, если кислород является окислитель. Тем не менее, небольшие количества различных оксидов азота (обычно обозначаемых НЕТ
_Икс виды) образуются, когда воздух является окислительным.

Горение не обязательно способствует максимальной степени окисления, и оно может зависеть от температуры. Например, триоксид серы не образуется количественно при сжигании серы. Виды NOx появляются в значительных количествах при температурах выше примерно 2800 ° F (1540 ° C), и больше образуется при более высоких температурах. Количество NOx также зависит от избытка кислорода.^[3]

В большинстве промышленных приложений и в пожары, воздуха источник кислорода (О
₂). В воздухе каждый моль кислорода смешан примерно с 3.71 моль азота. Азот не участвует в горении, но при высоких температурах часть азота превращается в НЕТ
_Икс (по большей части НЕТ, с гораздо меньшим количеством НЕТ
₂ ). С другой стороны, когда кислорода недостаточно для полного сгорания топлива, некоторое количество углерода превращается в монооксид углерода, и некоторые водороды остаются непрореагировавшими. Таким образом, полная система уравнений горения углеводорода в воздухе требует дополнительных расчетов распределения кислорода между углеродом и водородом в топливе.

Количество воздуха, необходимое для полного сгорания, известно как чистый воздух.^{[нужна цитата ]}. Однако на практике используется воздух в 2-3 раза больше, чем чистый воздух.

Неполное сгорание

Неполное сгорание происходит, когда кислорода недостаточно, чтобы топливо могло полностью прореагировать с образованием диоксида углерода и воды. Это также происходит, когда горение гасится радиатором, таким как твердая поверхность или пламегаситель. Как и в случае с полным сгоранием, вода образуется в результате неполного сгорания; тем не мение, углерод, монооксид углерода, и гидроксид производятся вместо диоксида углерода.

Для большинства видов топлива, например дизельного топлива, угля или древесины, пиролиз происходит перед горением. При неполном сгорании продукты пиролиза остаются несгоревшими и загрязняют дым вредными твердыми частицами и газами. Частично окисленные соединения также вызывают беспокойство; частичное окисление этанола может вызвать вредные ацетальдегид, а углерод может выделять токсичный оксид углерода.

Конструкции топочных устройств могут улучшить качество сгорания, например: горелки и двигатель внутреннего сгорания. Дальнейшие улучшения достигаются каталитический устройства дожигания (такие как каталитические преобразователи ) или простым частичным возвратом выхлопные газы в процесс горения. Такие устройства требуются экологическое законодательство для автомобилей в большинстве стран. Они могут быть необходимы для включения больших устройств сгорания, таких как тепловые электростанции, чтобы достичь юридических нормы выбросов.

Степень возгорания можно измерить и проанализировать с помощью испытательного оборудования. HVAC подрядчики, пожарные и инженеры использовать анализаторы горения для проверки эффективность горелки в процессе горения. Кроме того, таким образом можно измерить эффективность двигателя внутреннего сгорания, и некоторые штаты США и местные муниципалитеты используют анализ сгорания для определения и оценки эффективности транспортных средств на дорогах сегодня.

При неполном сгорании образуется окись углерода.

Окись углерода - один из продуктов неполное сгорание.^[4] Углерод выделяется при нормальной реакции неполного сгорания, образуя сажу и пыль. Поскольку окись углерода является ядовитым газом, предпочтительно полное сгорание, поскольку при вдыхании окись углерода может также вызывать респираторные заболевания, поскольку она заменяет кислород и соединяется с гемоглобином.^[5]

Проблемы, связанные с неполным сгоранием

Проблемы окружающей среды:^[6]

Эти оксиды сочетаются с воды и кислород в атмосфере, создавая азотная кислота и серные кислоты, которые возвращаются на поверхность Земли в виде кислотных отложений или «кислотных дождей». Кислотные осадки наносят вред водным организмам и убивают деревья. Из-за образования в нем некоторых менее доступных для растений питательных веществ, таких как кальций и фосфор, он снижает продуктивность экосистемы и ферм. Дополнительная проблема, связанная с оксиды азота в том, что они вместе с углеводород загрязняющие вещества, способствующие образованию тропосферный озон, основной компонент смога.

Проблемы со здоровьем человека:^[6]

Дыхание монооксид углерода вызывает головную боль, головокружение, рвоту и тошноту. Если уровень окиси углерода достаточно высок, люди теряют сознание или умирают. Воздействие умеренного и высокого уровня окиси углерода в течение длительного времени положительно коррелирует с риском сердечных заболеваний. Люди, пережившие тяжелые отравление угарным газом могут страдать от длительных проблем со здоровьем.^[7] Окись углерода из воздуха абсорбируется в легких, а затем связывается с гемоглобин в красных кровяных тельцах человека. Это снизит способность красных кровяных телец переносить кислород по всему телу.

Тлеющий

Тлеющий это медленная, низкотемпературная, беспламенная форма горения, поддерживаемая теплом, выделяемым, когда кислород непосредственно атакует поверхность топлива в конденсированной фазе. Обычно это реакция неполного сгорания. Твердые материалы, которые могут выдерживать реакцию тления, включают уголь, целлюлоза, дерево, хлопок, табак, торф, тупица, перегной, синтетические пены, обугливание полимеры (включая полиуретановая пена ) и пыль. Распространенными примерами явлений тления являются возгорание жилых домов на мягкая мебель из-за слабых источников тепла (например, сигареты, короткозамкнутой проволоки) и постоянного горения биомассы за фронтами пламени пожары.

Стремительный

В этом разделе фактическая точность оспаривается. Соответствующее обсуждение можно найти на Обсуждение: Возгорание. Пожалуйста, помогите убедиться, что оспариваемые утверждения надежный источник. (Июль 2016) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Воспроизвести медиа

Эксперимент, демонстрирующий большое количество энергии, выделяемой при сгорании этанола. Смесь паров спирта (в данном случае этанола) и воздуха в большой пластиковой бутылке с маленьким горлышком воспламеняется, в результате чего возникает большое синее пламя и звук «свист».

Быстрое горение - это форма горения, также известная как Огонь, в котором большое количество тепла и свет высвобождается энергия, что часто приводит к пламя. Это используется в таких машинах, как двигатель внутреннего сгорания И в термобарическое оружие. Такое сгорание часто называют быстрым сгоранием, хотя для двигателя внутреннего сгорания это неточно.^{[оспаривается – обсуждать]} Обычно двигатель внутреннего сгорания работает на управляемом быстром горении. Когда топливно-воздушная смесь в двигателе внутреннего сгорания взрывается, что известно как детонация.^{[оспаривается – обсуждать]}

Спонтанный

Случайное возгорание это тип горения, которое происходит путем самонагрева (повышение температуры из-за экзотермический внутренние реакции), за которым следует тепловой разгон (саморазогрев, который быстро ускоряется до высоких температур) и, наконец, воспламенение. Например, фосфор самовоспламеняется при комнатной температуре без применения тепла. Органические материалы, подвергающиеся бактериальному компостирование может выделять достаточно тепла, чтобы достичь точки возгорания.^[8]

Турбулентный

Горение, приводящее к возникновению турбулентного пламени, чаще всего используется в промышленности (например, газовые турбины, бензиновые двигатели и т. д.), поскольку турбулентность способствует процессу перемешивания топлива и окислитель.

Микрогравитация

Цветное составное изображение в градациях серого отдельных кадров видеозаписи горящей в условиях микрогравитации капли топлива с задней подсветкой.

Термин «микрогравитация» относится к гравитационному состоянию, которое является «низким» (т. Е. «Микрогравитацией» в смысле «малая» и не обязательно составляет одну миллионную от нормальной силы тяжести Земли), так что влияние плавучесть на физических процессах может считаться малым по сравнению с другими процессами потока, которые присутствуют при нормальной гравитации. В такой среде тепловые и динамика переноса потока может вести себя совершенно иначе, чем в условиях нормальной гравитации (например, свеча Пламя принимает форму шара.^[9]). Исследования горения в условиях микрогравитации способствуют пониманию широкого спектра аспектов, которые имеют отношение как к окружающей среде космического корабля (например, динамика пожара, имеющая отношение к безопасности экипажа на космическом корабле). Международная космическая станция ) и земных (земных) условиях (например, динамика горения капель для содействия разработке новых топливных смесей для улучшенного горения, процессы изготовления материалов, тепловое управление электронных систем, динамика кипения в многофазном потоке и многие другие).

Микро-горение

Рассмотрены процессы горения, которые происходят в очень малых объемах. микро-горение. Высокое отношение поверхности к объему увеличивает удельные тепловые потери. Закалка расстояние играет жизненно важную роль в стабилизации пламени в таких камеры сгорания.

Химические уравнения

Стехиометрическое горение углеводорода в кислороде

Как правило, химическое уравнение за стехиометрический сжигание углеводород в кислороде это:

${displaystyle {ce {C_ {mathit {x}} H_ {mathit {y}} {} + {mathit {z}} O2 -> {mathit {x}} CO2 {} + {frac {mathit {y}} { 2}} H2O}}}$

куда ${displaystyle z = x + {frac {y} {4}}}$.

Например, стехиометрическое горение пропан в кислороде это:

${displaystyle {ce {{underset {пропан наверху (топливо)} {C3H8}} + {underset {кислород} {5O2}} -> {underset {углекислый газ} {3CO2}} + {underset {вода} {4H2O}} }}}$

Стехиометрическое горение углеводорода на воздухе

Если стехиометрическое горение происходит с использованием воздуха в качестве источника кислорода, азот присутствует в воздухе (Атмосфера Земли ) можно добавить к уравнению (хотя оно не реагирует), чтобы показать стехиометрический состав топлива в воздухе и состав образующегося дымового газа. Обратите внимание, что обработка всех некислородных компонентов в воздухе как азота дает отношение азота к кислороду 3,77, то есть (100% - O2%) / O2%, где O2% составляет 20,95% об.:

${displaystyle {ce {C}} _ ​​{x} {ce {H}} _ {y} + z {ce {O2}} + 3.77z {ce {N2 ->}} x {ce {CO2}} + { гидроразрыв {y} {2}} {ce {H2O}} + 3.77z {ce {N2}}}$

куда ${displaystyle z = x + {frac {1} {4}} y}$.

Например, стехиометрическое горение пропана (${displaystyle {ce {C3H8}}}$) в воздухе находится:

${displaystyle {ce {{underset {топливо} {C3H8}} + {underset {кислород} {5O2}}}} + {underset {ce {азот}} {18,87 {ce {N2}}}} {ce {-> {underset {углекислый газ} {3CO2}} + {underset {вода} {4H2O}}}} + {underset {ce {азот}} {18,87 {ce {N2}}}}}$

Стехиометрический состав пропана в воздухе 1 ​​/ (1 + 5 + 18,87) = 4,02% об.

Стехиометрическая реакция горения для C_αЧАС_βО_γ в воздухе:

${displaystyle {C_ {mathit {alpha}} H_ {mathit {eta}} O_ {mathit {gamma}}} + left (alpha + {frac {eta} {4}} - {frac {gamma} {2}} ight) ) влево (O_ {2} + 3.77N_ {2} ight) longrightarrow альфа CO_ {2} + {frac {eta} {2}} H_ {2} O + 3.77left (alpha + {frac {eta} {4} } - {frac {gamma} {2}} ight) N_ {2}}$

Стехиометрическая реакция горения C_αЧАС_βО_γS_δ:

${displaystyle {C_ {mathit {alpha}} H_ {mathit {eta}} O_ {mathit {gamma}} S_ {mathit {delta}}} + left (alpha + {frac {eta} {4}} - {frac { гамма} {2}} + дельта полёт) влево (O_ {2} + 3.77N_ {2} полёт) длинная стрелка вправо альфа CO_ {2} + {frac {eta} {2}} H_ {2} O + дельта SO_ {2 } + 3.77left (альфа + {frac {eta} {4}} - {frac {gamma} {2}} + delta ight) N_ {2}}$

Стехиометрическая реакция горения C_αЧАС_βО_γN_δS_ε:

${displaystyle {C_ {mathit {alpha}} H_ {mathit {eta}} O_ {mathit {gamma}} N_ {mathit {delta}} S_ {mathit {epsilon}}} + left (alpha + {frac {eta})) { 4}} - {frac {gamma} {2}} + epsilon ight) влево (O_ {2} + 3.77N_ {2} ight) длинная правая стрелка альфа CO_ {2} + {frac {eta} {2}} H_ {2 } O + epsilon SO_ {2} + left (3.77left (alpha + {frac {eta} {4}} - {frac {gamma} {2}} + epsilon ight) + {frac {delta} {2}} ight) ) N_ {2}}$

Стехиометрическая реакция горения C_αЧАС_βО_γF_δ:

${displaystyle {C_ {mathit {alpha}} H_ {mathit {eta}} O_ {mathit {gamma}} F_ {mathit {delta}}} + left (alpha + {frac {eta -delta} {4}} - { frac {gamma} {2}} ight) left (O_ {2} + 3.77N_ {2} ight) longrightarrow alpha CO_ {2} + {frac {eta -delta} {2}} H_ {2} O + delta HF + 3.77left (alpha + {frac {eta -delta} {4}} - {frac {gamma} {2}} ight) N_ {2}}$

Следы продуктов сгорания

Различные другие вещества начинают появляться в значительных количествах в продуктах сгорания, когда температура пламени выше примерно 1600 K. При использовании избытка воздуха азот может окисляться до НЕТ и, в гораздо меньшей степени, НЕТ
₂. CO формы непропорциональность из CO
2, и ЧАС
₂ и ОЙ форма путем диспропорционирования ЧАС
2О.

Например, когда 1 моль пропана сжигается с 28.6 моль воздуха (120% стехиометрического количества) в продуктах сгорания содержится 3,3% О
₂. В 1400 K, то равновесие продукты сгорания содержат 0,03% НЕТ и 0,002% ОЙ. В 1800 K, в продуктах сгорания содержится 0,17% НЕТ, 0.05% ОЙ, 0.01% CO, и 0,004% ЧАС
₂.^[10]

Дизельные двигатели работают с избытком кислорода для сжигания мелких частиц, которые имеют тенденцию образовываться только со стехиометрическим количеством кислорода, обязательно производя оксид азота выбросы. И США, и Европейский Союз применять ограничения выбросам оксидов азота транспортными средствами, что требует использования специальных каталитические преобразователи или обработка выхлопных газов мочевина (видеть Жидкость для выхлопных газов дизельного двигателя ).

Неполное сгорание углеводорода в кислороде

Неполное (частичное) сгорание углеводород с кислородом образует газовую смесь, содержащую в основном CO
₂, CO, ЧАС
2О, и ЧАС
₂. Такие газовые смеси обычно готовят для использования в качестве защитной атмосферы для термическая обработка металлов и для науглероживание газа.^[11] Общее уравнение реакции неполного сгорания одного крот углеводорода в кислороде:

${displaystyle {ce {{underset {fuel} {C_ {mathit {x}} H_ {mathit {y}}}}} + {underset {xygen} {{mathit {z}} O2}} -> {underset {углекислый газ } {{mathit {a}} CO2}} + {underset {monoxide} {{mathit {b}} CO}} + {underset {water} {{mathit {c}} H2O}} + {underset {водород} {{mathit {d}} H2}}}}}$

Когда z падает ниже примерно 50% стехиометрического значения, CH
₄ может стать важным продуктом горения; когда z падает ниже примерно 35% стехиометрического значения, элементарный углерод может стать стабильным.

Продукты неполного сгорания можно рассчитать с помощью материальный баланс, вместе с предположением, что продукты сгорания достигают равновесие.^[12][13] Например, при сгорании одного крот пропана (C
₃ЧАС
₈) с четырьмя молями О
₂образуется семь молей дымового газа, и z составляет 80% от стехиометрического значения. Три уравнения элементарного баланса:

• Углерод: ${displaystyle a + b = 3}$
• Водород: ${displaystyle 2c + 2d = 8}$
• Кислород: ${displaystyle 2a + b + c = 8}$

Эти три уравнения сами по себе недостаточны для расчета состава горючего газа. Однако в положении равновесия реакция конверсии водяного газа дает другое уравнение:

${displaystyle {ce {CO + H2O -> CO2 + H2}}}$; ${displaystyle K_ {eq} = {frac {a imes d} {b imes c}}}$

Например, в 1200 K значение K_экв составляет 0,728.^[14] Дымящийся газ составляет 42,4%. ЧАС
2О, 29.0% CO
2, 14.7% ЧАС
₂, и 13,9% CO. Углерод становится стабильной фазой при 1200 K и 1 банкомат давление, когда z меньше 30% от стехиометрического значения, при котором продукты сгорания содержат более 98% ЧАС
₂ и CO и около 0,5% CH
₄.

Вещества или материалы, которые подвергаются горению, называются топливо. Наиболее распространенные примеры - природный газ, пропан, керосин, дизельное топливо, бензин, древесный уголь, уголь, древесина и т. Д.

Жидкое топливо

Сжигание жидкое топливо в окислительной атмосфере фактически происходит в газовой фазе. Горит пар, а не жидкость. Следовательно, жидкость обычно загорается только при температуре выше определенной: ее точка возгорания. Температура вспышки жидкого топлива - это самая низкая температура, при которой оно может образовывать горючую смесь с воздухом. Это минимальная температура, при которой в воздухе достаточно испарившегося топлива, чтобы начать горение.

Газообразное топливо

Сжигание газообразного топлива может происходить посредством одного из четырех различных типов горения: диффузионное пламя, предварительно смешанное пламя, фронт самовоспламеняющейся реакции, или как детонация.^[15] Тип возгорания зависит от того, в какой степени топливо и окислитель смешиваются перед нагревом: например, диффузионное пламя образуется, если топливо и окислитель изначально разделены, тогда как в противном случае образуется предварительно перемешанное пламя. Точно так же тип горения также зависит от давления: детонация, например, представляет собой фронт самовоспламеняющейся реакции, связанный с сильной ударной волной, придающей ей характерный пик высокого давления и высокий скорость детонации.^[15]

Твердое топливо

Общая схема полимер горение

Акт горения состоит из трех относительно разных, но перекрывающихся фаз:

• Фаза предварительного нагрева, когда несгоревший топливо нагревается до температуры вспышки, а затем точка возгорания. Воспламеняющиеся газы начинают выделяться в процессе, аналогичном сухая перегонка.
• Фаза дистилляции или же газовая фазапри воспламенении смеси выделяющихся горючих газов с кислородом. Энергия производится в виде тепла и света. Пламя часто видны. Передача тепла от горения к твердому телу поддерживает выделение легковоспламеняющихся паров.
• Угольная фаза или же твердая фаза, когда выход горючих газов из материала слишком низкий для постоянного присутствия пламени и обугленный топливо не горит быстро, а просто светится и только потом тлеет.

Управление горением

Эффективный технологический нагрев требует восстановления как можно большей части топлива теплота сгорания в обрабатываемый материал.^[16][17] Есть много возможностей для потерь в процессе нагрева. Как правило, доминирующая потеря составляет явное тепло уезжая с отходящие газы (т.е. дымовые газы ). Температура и количество отходящего газа указывают на его теплосодержание (энтальпия ), поэтому сохранение небольшого количества минимизирует потери тепла.

В идеальном печь поток воздуха для горения будет согласован с потоком топлива, чтобы дать каждой молекуле топлива точное количество кислорода, необходимое для полного сгорания. Однако в реальном мире горение не происходит идеально. Несгоревшее топливо (обычно CO и ЧАС
₂), выброшенный из системы, представляет собой потерю теплотворной способности (а также угрозу безопасности). Поскольку горючие вещества в отходящем газе нежелательны, а присутствие в нем непрореагировавшего кислорода представляет минимальные проблемы безопасности и защиты окружающей среды, первый принцип управления горением заключается в обеспечении большего количества кислорода, чем теоретически необходимо для обеспечения сгорания всего топлива. Для метана (CH
₄) для горения, например, требуется чуть больше двух молекул кислорода.

Однако второй принцип управления горением - не использовать слишком много кислорода. Правильное количество кислорода требует трех типов измерения: во-первых, активного контроля расхода воздуха и топлива; во-вторых, измерение кислорода в отходящих газах; и в-третьих, измерение горючих газов в отходящих газах. Для каждого процесса нагрева существует оптимальное условие минимальных потерь тепла отходящими газами с приемлемыми уровнями концентрации горючих веществ. Сведение к минимуму избытка кислорода дает дополнительную выгоду: при заданной температуре отходящего газа NOx уровень самый низкий, когда избыток кислорода остается минимальным.^[3]

Соблюдению этих двух принципов способствует обеспечение баланса материала и тепла в процессе сгорания.^{[18][19][20][21]} В материальный баланс напрямую связывает соотношение воздух / топливо к проценту О
₂ в дымовом газе. Тепловой баланс связывает тепло, доступное для заряда, с общим чистым теплом, произведенным при сгорании топлива.^[22][23] Дополнительные материальные и тепловые балансы могут быть выполнены для количественной оценки теплового преимущества от предварительного нагрева воздуха для горения.^[24][25] или обогащая его кислородом.^[26][27]

Механизм реакции

Эта секция нужны дополнительные цитаты для проверка. Пожалуйста помоги улучшить эту статью к добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. (Январь 2017 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Горение в кислороде - это цепная реакция в котором много различных радикальный промежуточные звенья участвуют. Высокая энергия, необходимая для инициирования, объясняется необычной структурой дикислород молекула. Самая низкоэнергетическая конфигурация молекулы дикислорода представляет собой стабильный, относительно инертный бирадикал в состояние триплетного спина. Связывание можно описать с помощью трех связывающих электронных пар и двух разрыхляющих электронов, с спины выровнен так, что молекула имеет ненулевой полный угловой момент. С другой стороны, большинство видов топлива находится в синглетном состоянии, с парными спинами и нулевым полным угловым моментом. Взаимодействие между ними квантово-механически "запрещенный переход ", то есть возможно с очень низкой вероятностью. Чтобы инициировать горение, требуется энергия, чтобы перевести кислород в парное состояние, или синглетный кислород. Этот промежуточный продукт чрезвычайно реактивен. Энергия подается как высокая температура, и реакция затем производит дополнительное тепло, которое позволяет ей продолжаться.

Считается, что горение углеводородов инициируется отрывом атома водорода (не отрывом протона) от топлива до кислорода с образованием гидропероксидного радикала (HOO). Далее он реагирует с образованием гидропероксидов, которые распадаются с образованием гидроксильные радикалы. Существует множество этих процессов, в результате которых образуются топливные радикалы и окислительные радикалы. Окисляющие вещества включают синглетный кислород, гидроксил, одноатомный кислород и гидропероксил. Такие промежуточные продукты недолговечны и не могут быть изолированы. Однако нерадикальные промежуточные продукты стабильны и образуются при неполном сгорании. Примером является ацетальдегид производится при сгорании этиловый спирт. Промежуточный продукт при горении углерода и углеводородов, монооксид углерода, имеет особое значение, потому что это ядовитый газ, но также экономически полезны для производства синтез-газ.

Твердое и тяжелое жидкое топливо также подвергается большому количеству пиролиз реакции, которые дают более легко окисляемое газообразное топливо. Эти реакции являются эндотермическими и требуют постоянного ввода энергии от протекающих реакций горения. Недостаток кислорода или другие неправильно спроектированные условия приводят к тому, что эти ядовитые и канцерогенные продукты пиролиза выделяются в виде густого черного дыма.

Скорость горения - это количество материала, которое подвергается горению в течение определенного периода времени. Это может быть выражено в граммах в секунду (г / с) или килограммах в секунду (кг / с).

Подробное описание процессов горения с точки зрения химической кинетики требует формулировки больших и сложных сетей элементарных реакций.^[28] Например, при сжигании углеводородного топлива обычно участвуют сотни химических веществ, вступающих в реакцию в соответствии с тысячами реакций.

Включение таких механизмов в решатели вычислительных потоков по-прежнему представляет собой довольно сложную задачу в основном в двух аспектах. Во-первых, количество степеней свободы (пропорциональное количеству химических соединений) может быть очень большим; во-вторых, исходный член, связанный с реакциями, вводит несопоставимое количество временных масштабов, что делает все динамическая система жесткий. В результате прямое численное моделирование турбулентных реактивных течений с тяжелым топливом вскоре становится трудновыполнимым даже для современных суперкомпьютеров.^[29]

Поэтому было разработано множество методологий для уменьшения сложности механизмов сгорания без обращения к высокому уровню детализации. Примеры предоставлены:

• Метод перераспределения релаксации (RRM)^{[30][31][32][33]}
• Подход внутреннего низкоразмерного многообразия (ILDM) и дальнейшие разработки^[34][35][36]
• Метод инвариантной равновесной кривой прообраза края.^[37]
• Несколько вариационных подходов^[38][39]
• Метод вычислительных сингулярных возмущений (CSP) и дальнейшие разработки.^[40][41]
• Подход к контролируемому ограниченному равновесию (RCCE) и квазиравновесному многообразию (QEM).^[42][43]
• Схема G.^[44]
• Метод инвариантных сеток (МИГ).^[45][46][47]

Кинетическое моделирование

Кинетическое моделирование может быть исследовано для понимания механизмов реакции термического разложения при горении различных материалов, например, с использованием Термогравиметрический анализ.^[48]

Температура

Антуан Лавуазье проведение эксперимента, связанного с воспламенением от усиленного солнечного света

Предполагая идеальные условия сгорания, такие как полное сгорание при адиабатический В условиях (т.е. без потери или увеличения тепла) можно определить адиабатическую температуру горения. Формула, которая дает эту температуру, основана на первый закон термодинамики и принимает к сведению тот факт, что теплота сгорания полностью используется для нагрева топлива, воздуха для горения или кислорода, а также газов продуктов сгорания (обычно называемых дымовые газы ).

В случае ископаемого топлива, сжигаемого на воздухе, температура горения зависит от всех следующих факторов:

• то теплотворная способность;
• то стехиометрическое соотношение воздуха и топлива ${displaystyle {lambda}}$;
• то удельная теплоемкость топлива и воздуха;
• температура воздуха и топлива на входе.

Температура адиабатического горения (также известная как адиабатическая температура пламени ) увеличивается с увеличением теплотворной способности и температуры входящего воздуха и топлива, а также при приближении к единице стехиометрического отношения воздуха.

Чаще всего адиабатические температуры горения углей составляют около 2200 ° C (3992 ° F) (для входящего воздуха и топлива при температуре окружающей среды и для ${displaystyle lambda = 1.0}$), около 2150 ° C (3902 ° F) для масла и 2000 ° C (3632 ° F) для натуральный газ.^[49][50]

В промышленных топочные обогреватели, электростанция парогенераторы, и большой газовые турбины, более распространенным способом выражения использования большего количества воздуха, чем стехиометрический, является процент избыточного воздуха для горения. Например, избыток воздуха для горения на 15 процентов означает, что используется на 15 процентов больше, чем требуется стехиометрический воздух.

Нестабильность

Нестабильность горения обычно представляет собой резкие колебания давления в камере сгорания. Эти колебания давления могут достигать 180 дБ, а длительное воздействие этих циклических давлений и тепловых нагрузок сокращает срок службы компонентов двигателя. В ракетах, таких как F1, используемых в программе Saturn V, нестабильность привела к серьезным повреждениям камеры сгорания и окружающих компонентов. Эта проблема была решена путем перепроектирования топливной форсунки. В жидкостных реактивных двигателях размер и распределение капель можно использовать для ослабления нестабильности. Нестабильность горения является серьезной проблемой для наземных газотурбинных двигателей из-за выбросов NOx. Имеется тенденция работать на обедненной смеси с коэффициентом эквивалентности менее 1, чтобы снизить температуру сгорания и, таким образом, уменьшить выбросы NOx; однако работа на обедненной смеси сгорания делает его очень чувствительным к нестабильности сгорания.

В Критерий Рэлея является основой для анализа термоакустической нестабильности горения и оценивается с помощью индекса Рэлея за один цикл нестабильности.^[51]

${displaystyle G (x) = {frac {1} {T}} int _ {T} q '(x, t) p' (x, t) dt}$

где q '- возмущение скорости тепловыделения, а p' - колебание давления.^[52][53]Когда колебания тепловыделения находятся в фазе с колебаниями давления, индекс Рэлея является положительным, а величина термоакустической нестабильности максимальна. С другой стороны, если индекс Рэлея отрицательный, возникает термоакустическое затухание. Критерий Рэлея подразумевает, что термоакустической нестабильностью можно оптимально управлять, если колебания тепловыделения не совпадают по фазе на 180 градусов с колебаниями давления той же частоты.^[54][55] Это минимизирует индекс Рэлея.

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение

• Пуансо, Тьерри; Вейнанте, Дени (2012). Теоретическое и численное сжигание (3-е изд.). Европейский центр исследований и повышения квалификации в области научных вычислений.
• Лакнер, Максимилиан; Винтер, Франц; Агарвал, Авинаш К., ред. (2010). Справочник по горению, комплект из 5 томов. Вайли-ВЧ. ISBN  978-3-527-32449-1.
• Баукал, Чарльз Э., изд. (1998). Сжигание с повышенным содержанием кислорода. CRC Press.
• Глассман, Ирвин; Йеттер, Ричард. Горение (Четвертое изд.).
• Оборачивается, Стивен (2011). Введение в горение: концепции и приложения.
• Рэгланд, Кеннет В. Брайден, Кеннет М. (2011). Техника горения (Второе изд.).
• Баукал, Чарльз Э. Младший, изд. (2013). «Промышленное сжигание». Справочник Джона Зинка Хэмворти по горению: трехтомный набор (Второе изд.).
• Гардинер, В. К. Младший (2000). Химия газофазного горения (Пересмотренная ред.).