» » Теория горения топлива
02.06.2015

Горение топлива — весьма сложное явление, слагающееся из совокупности одновременно протекающих физико-химических и аэродинамических процессов, к котором относятся: нагрев топлива до температуры воспламенения, термическое разложение и частичная газификация составляющих топлива, смешение топлива с воздухом, окисление горючих составляющих топлива, удаление продуктов горения, теплообмен внутри зоны горения и с окружающей средой.
Особенно важными для горения топлива являются аэродинамические процессы, наиболее существенно влияющие на его характеристику и показатели. Чем теснее и интенсивнее перемешиваются топливо и воздух, чем быстрее осуществляются начальный нагрев топлива и газообмен на поверхности горения, тем лучшие показатели имеет процесс горения топлива.
Теории горения топлива представлены в настоящее время следующими тремя концепциями: тепловая теория, цепная теория и новейшие воззрения, определяемые Г.Ф. Кнорре как диффузионно-кинетическая теория.
Тепловая теория исходит из теплового состояния системы топливо-воздух. По этой теории процесс горения топлива, возникающий в результате местного воспламенения, распространяется в системе за счет передачи тепла теплопроводностью от зоны горения к еще не воспламенившейся части системы. На рис. 14 изображена схема распространения горения в газовоздушной смеси. Холодные слои газа нагреваются по кривой СВ от начальной температуры Т0 до температуры воспламенения Тв только за счет теплопроводности от горячих слоев газа, химические же реакции при этом не протекают. По достижении температуры Тв газоьая смесь мгновенно реагирует, в результате чего температура ее поднимается до значения T1, равного Тг + (Тв—Т0), а затем понижается до Тг. Далее процесс повторяется для очередного слоя топлива, нагревающегося по линии C1B1 (пунктирная кривая) до температуры воспламенения.
К сожалению, чисто тепловая теория оказалась не в состоянии охватить и объяснить всю сложность и многообразие процесса горения.
Теория горения топлива

Цепная теория горения, разработанная Н.И. Семеновым, не отрицая серьезного влияния, оказываемого на процесс горения тепловым состоянием системы топливо — воздух, привлекает для объяснения процесса горения кинетику цепных реакций. По этой теории развитие процесса горения обусловлено изменением концентрации активных центров реакций окисления. Топливо воспламеняется при такой скорости цепной реакции, когда количество возникающих цепей больше числа обрыва цепей или равно ему; ниже температуры воспламенения обрыв цепей преобладает над разветвлением и реакция горения не идет. Для многих реакций накопление активных центров связано с разогревом системы, но есть реакции, где значительного разогрева не происходит. Таким образом, первопричиной воспламенения и горения является цепной процесс, из которого во вторичном порядке может возникать и тепловой процесс.
Цепная теория горения хорошо объясняет концентрационные пределы воспламенения смесей, индукционный период, предшествующий воспламенению систем, поведение химических тушителей пламени, критический диаметр пламени и многие другие явления, которые тепловая теория полностью объяснить не могла; в основе большинства объяснений лежит главное положение этой теории о скорости зарождения и обрыва цепей.
Новейшие труды по теории горения используют закономерности кинетики химических реакций, диффузионных и теплообменных процессов и процессов движения газов и частиц топлива. В результате углубленного изучения процесса горения отдельные положения тепловой и цепной теорий были подвергнуты серьезной критике и уточнениям, в частности, взамен схемы тепловой теории предложена новая схема горения топлива, предполагающая очень малую химическую толщину фронта пламени, наличие индукционного периода и плавное изменение температуры в зоне пламени (рис. 15). Газ воспламеняется в точке Тв, но до точки Т'в в течение времени τиндукц идет медленная химическая реакция, свойственная индукционному периоду. Быстрая химическая реакция протекает и заканчивается в короткой реакционной зоне в течение времени τреакц между температурами Т'в и Тг. На основании новой схемы выведена формула скорости распространения горения, содержащая химико-кинетические, диффузионные и тепловые величины.