Основы сжигания газа в печах
Горением называется сложный физико-химический процесс взаимодействия горючих газов с кислородом воздуха, происходящий при высоких температурах.
Известно, что молекулы горючих газов и воздуха состоят из отдельных атомов, более или менее прочно удерживающих друг друга силами взаимного притяжения. Молекулы находятся в постоянном движении и непрерывно сталкиваются между собой.
При низких температурах газовоздушной смеси скорость сталкивания молекул невелика и при соударениях они отскакивают друг от друга. С увеличением температуры горючей смеси скорость движения молекул резко возрастает и сила их удара при столкновении может быть такой, что связи между отдельными атомами нарушатся и молекулы распадутся на составляющие их атомы. Энергия, которая была затрачена на объединение атомов в молекулу, при разрушении ее высвобождается и добавляется к той кинетической энергии, которую наследовали атомы после разрушения молекулы.
В результате осколки распавшейся молекулы становятся активными центрами. Их энергия настолько значительна, что при столкновениях с другими целыми молекулами они их разбивают, что в свою очередь приводит к созданию новых активных центров. Вместе с тем, сталкиваясь друг с другом, активные центры могут прекратить свое существование, объединившись в новые целые молекулы, так как для этого они обладают достаточным запасом энергии.
При низких температурах смеси существует определенное равновесие между процессами возникновения и распада активных центров, в результате чего концентрация их в смеси остается примерно постоянной. В этом случае некоторые (но немногие) активные центры могут образовать так называемые цепи, которые, правда, очень быстро распадаются из-за гибели всех порожденных в них активных центров.
Иначе развивается процесс взаимодействия между горючим газом и кислородом в газовоздушной смеси при высокой температуре (выше температуры воспламенения), когда скорость образования активных центров начинает превышать скорость их гибели. Большинство из вновь образовавшихся активных центров вызывает серию превращений, в которой возникает одна или несколько молекул инертного конечного продукта и несколько новых активных центров. Каждый из этих последних в свою очередь порождает молекулы конечного продукта и новые активные центры и т. д.
Например, активный атом водорода, столкнувшись с молекулой кислорода, может выбить из нее один атом, а с оставшимся образовать нестойкое соединение — гидроксильную группу ОН; точно так же активный атом кислорода, столкнувшись с молекулой водорода, может выбить из нее один атом, а с другим образовать гидроксильную группу.
Особого внимания заслуживают случаи, в результате которых образуется молекула водяного пара. Если гидроксильная группа столкнется с молекулой водорода, то, выбив из нее один атом водорода, с другим она может образовать стабильную (устойчивую) молекулу водяного пара. Благодаря этим соударениям постепенно изменяется состав смеси за счет уменьшения содержания в ней водорода и кислорода и образования водяного пара.
При превращении горючего газа и кислорода в конечные продукты выделяется большое количество энергии, которая тут же воспринимается молекулами реагирующих газов. Их скорость движения в связи с этим увеличивается, а это вызывает дополнительное увеличение скорости образования активных центров. Реакция приобретает самоускорение, и в результате взаимодействие между горючим газом и кислородом развивается почти мгновенно, в тысячные доли секунды.
Итак, при подогреве холодной газовоздушной смеси сначала в ней не происходит каких-либо заметных изменений, а затем, когда достигается температура воспламенения, происходит практически мгновенная реакция горения, сопровождающаяся выделением большого количества теплоты.
Горение газовоздушных смесей в бытовых печах или других тепловых аппаратах может происходить только в том случае, если содержание газа в воздухе находится в определенных пределах, соответствующих пределам воспламеняемости. Вне этих пределов газовоздушные смеси не горят и не взрываются. При чрезмерно малом содержании газа в газовоздушной смеси оказывается недостаточно теплоты, выделяющейся при горении, для доведения соседних слоев смеси до температуры воспламенения. То же явление происходит при чрезмерно большом содержании газа в смеси. В этом случае наблюдается недостаток кислорода воздуха, поступающего для горения, для получения того количества теплоты, которое требуется для нагрева соседних слоев смеси до температуры воспламенения.
Для сжигания в бытовых печах используются в основном природный и смешанный газы. Состав этих газов складывается из горючих и балластных компонентов. В горючую часть газообразного топлива входят метан СН4, водород Н2, оксид углерода СО и тяжелые углеводороды.
К предельным углеводородам, которые содержатся в природных газах, относятся этан СгНб, пропан C3Hs, бутан С4Ню, пентан С5Н12. Отличительной особенностью последних трех газов является то, что они при нормальном атмосферном давлении и минусовых температурах превращаются в жидкость: пропан при минус 44 °С, бутан при минус 10 °С. Из непредельных углеводородов в газообразном топливе встречаются этилен С2Н4, пропилен С3Н6 и бутилен С4Н8. Наибольший процент среди всех компонентов горючей части газообразного топлива падает на метан, представляющий собой углеводород с наибольшим содержанием водорода. Например, саратовский природный газ содержит 94% метана, а ставропольский — 98%. Тяжелых углеводородов в так называемых природных газах очень мало (от долей процента до 3—4%), а водород и оксид углерода отсутствуют совсем.
В состав балласта газового топлива входят азот N2 и углекислота С02. На долю этих газов приходится до 14%.
Удельной теплотой сгорания горючего газа называется то количество теплоты, которое выделяется при полном сжигании 1 м3 газа. Различают высшую (Qp и низшую (Qg) удельную теплоту сгорания топлива. Эти понятия относятся только к тем горючим газам, которые содержат водород. При сгорании водород образует водяные пары, которые при конденсации выделяют дополнительное количество теплоты. Высшая удельная теплота сгорания топлива.(<?р) больше низшей (Q£) именно на эту дополнительную величину теплоты, которая образуется за счет конденсации водяных паров в продуктах сгорания при охлаждении последних до 20 °С.
При подаче в топливник печи теоретически необходимого объема воздуха сгорание горючего газа будет неполным, так как практически невозможно добиться идеального смешения, при котором каждая молекула кислорода данного количества воздуха была бы полностью использована. Всегда определенная часть молекул кислорода окажется вне контакта с молекулами горючих компонентов газа, а поэтому не сможет участвовать в процессе горения. Чтобы обеспечить полное сгорание газа, в топливник должно поступать воздуха больше, чем это необходимо, исходя из теоретического расчета. При этом часть воздуха останется неиспользованной вследствие недостаточно совершенного контакта между кислородом и горючими составляющими топлива.
Отопительные системы - Основы сжигания газа в печах
Остались вопросы по теме - "Основы сжигания газа в печах", задайте их на