Palavien kaasujen palamislämpötila. Sekoitus ja palaminen poltettaessa kaasupolttoainetta. Kaasun polttomenetelmät

8.1. PALOVAIKUTUKSET

Palaminen on nopeasti kehittyvä kemiallinen reaktio, jossa palavia komponentteja yhdistetään hapen kanssa, ja siihen liittyy voimakas lämmön vapautuminen ja palamistuotteiden lämpötilan jyrkkä nousu. Palamisreaktiot kuvataan ns. stökiometriset yhtälöt, jotka luonnehtivat laadullisesti ja määrällisesti reagoivia ja tuloksena olevia aineita (Syttyvän seoksen stökiometrinen koostumus (kreikkalaisesta stoicheionista - emäs, alkuaine ja kreikkalainen metreo - I -mittaus) on seoksen koostumus, jossa on täsmälleen niin paljon hapettinta kuin on tarpeen polttoaine)... Yleinen yhtälö minkä tahansa hiilivedyn palamisreaktiosta

C m H n + (m + n / 4) O 2 = mCO 2 + (n / 2) H 2 O + Q (8,1)

jossa m, n on hiili- ja vetyatomien määrä molekyylissä; Q on reaktiolämpö tai palamislämpö.

Joidenkin kaasujen palamisreaktiot on esitetty taulukossa. 8.1. Nämä yhtälöt ovat tasapainoyhtälöitä, eikä niitä voida käyttää arvioimaan reaktionopeutta tai kemiallisten muutosten mekanismia.

Taulukko 8.1. Palamisreaktiot ja kuivien kaasujen palamislämpö (0 ° C ja 101,3 kPa)

LÄMPÖVAIKUTUS (palamislämpö) Q - 1 kmol, 1 kg tai 1 m 3 kaasun täydellisen palamisen aikana vapautunut lämmön määrä normaaleissa fyysisissä olosuhteissa. Erota korkein Q in ja pienin Q n palamislämpö: korkein palamislämpö sisältää vesihöyryn kondensoitumislämmön palamisen aikana (todellisuudessa, kun kaasu poltetaan, vesihöyry ei kondensoidu, vaan poistetaan yhdessä muut palamistuotteet). Yleensä tekniset laskelmat perustuvat yleensä alimpaan palamislämpöön lukuun ottamatta vesihöyryn lauhdutuslämpöä (≈ 2400 kJ / kg).

Pienimmästä palamislämmöstä laskettu hyötysuhde on muodollisesti suurempi, mutta vesihöyryn lauhdutuslämpö on riittävän korkea ja sen käyttö on enemmän kuin tarkoituksenmukaista. Tämän vahvistaa kontaktilämmönvaihtimien aktiivinen käyttö lämmitystekniikassa, jotka ovat rakenteeltaan hyvin erilaisia.

Palavien kaasujen seokselle korkein (ja pienin) kaasujen palamislämpö määritetään suhteella

Q = r 1 Q 1 + r 2 Q 2 + ... + r n Q n (8.2)

jossa r 1, r 2, ..., r n - seoksen sisältämien komponenttien tilavuus (molaarinen, massa) jakeet; Q 1, Q 2,…, Q n on komponenttien palamislämpö.

Taulukon käyttäminen. 8.1, monimutkaisen kaasun brutto- ja nettolämpöarvo, kJ / m 3, voidaan määrittää seuraavilla kaavoilla:

Q in = 127,5 H 2 + 126,4 CO + 398 CH4 + 703 C 2 H 6 + 1012 C 8 H 8 + 1338 C 4 H 10 + 1329 C 4 H 10 +
+ 1693 C 5 H 12 + 630 C 2 H 4 + 919 C 3 H 6 +1214 C 4 H 8 (8,3)

Q n = 107,9 H 2 + 126,4 CO + 358,8 CH 4 + 643 C 2 H 6 + 931,8 C 8 H 8 + 1235 C 4 H 10 + 1227 C 4 H 10 +
+ 1566 C 5 H 12 + 595 C 2 H 4 + 884 C 8 H 6 + 1138 C 4 H 8 (8,4)

jossa H2, CO, CH4 jne. - yksittäisten komponenttien pitoisuus kaasupolttoaineessa, vol. %.

Palamisprosessi on paljon monimutkaisempi kuin kaavan (8.1) mukainen, koska ketjujen haarautumisen ohella ne päättyvät johtuen stabiilien välituotteiden muodostumisesta, jotka muuttuvat edelleen korkeissa lämpötiloissa. Riittävällä happipitoisuudella muodostuu lopputuotteita: vesihöyryä H20 ja hiilidioksidia CO 2. Hapettavan aineen puuttuessa ja reaktiovyöhykkeen jäähtyessä välituotteet voidaan stabiloida ja vapauttaa ympäristöön.

Lämmön vapautumisen voimakkuus ja lämpötilan nousu johtavat reagoivan järjestelmän aktiivisten hiukkasten lisääntymiseen. Tämä ketjureaktion ja lämpötilan yhteenliittäminen, joka on ominaista melkein kaikille palamisprosesseille, johti ketjulämpö räjähdyksen käsitteen käyttöönottoon - itse palamisen kemialliset reaktiot ovat luonteeltaan ketjuisia ja niiden kiihtyvyys johtuu lämpöä ja lämpötilan nousua reagoivassa järjestelmässä.

Kemiallisen reaktionopeus homogeenisessa seoksessa on verrannollinen reagoivien aineiden pitoisuuksien tuotteeseen:

w = kС 1 С 2 (8,5)

jossa C1 ja C2 ovat reagoivien komponenttien pitoisuudet, kmol / m 3; k on reaktionopeusvakio, joka riippuu reagoivien aineiden luonteesta ja lämpötilasta.

Kaasun palamisen aikana reagoivien aineiden pitoisuutta voidaan ehdollisesti pitää muuttumattomana, koska polttovyöhykkeellä on jatkuvasti tulossa tuoreita komponentteja yhdestä arvosta.

Reaktionopeusvakio (Arrhenius -yhtälön mukaan):

K = K 0 e -E / RT (8.6)

jossa K 0 on biometrisille homogeenisille seoksille hyväksytty eksponentiaalinen tekijä, ≈1,0; E on aktivointienergia, kJ / kmol; R - universaali kaasuvakio, J / (kg K); Т - absoluuttinen lämpötila, К (° С); e on luonnollisten logaritmien perusta.

Esieksponentiaalinen tekijä K 0 voidaan tulkita vakiona, joka heijastaa molekyylien törmäyksen täydellisyyttä, ja E - vähimmäisenergiana molekyylien sidosten katkaisemisessa ja aktiivisten hiukkasten muodostumisessa, jotka takaavat törmäysten tehokkuuden. Tavallisille palaville seoksille se on (80 ÷ 150) 103 kJ / kmol.

Yhtälö (8.6) osoittaa, että nopeus kemialliset reaktiot kasvaa jyrkästi lämpötilan noustessa: esimerkiksi lämpötilan nousu 500: sta 1000 K: iin johtaa palamisreaktion nopeuden kasvuun 2 10 4 ÷ 5 10 8 (aktivointienergiasta riippuen).

Palamisreaktioiden nopeuteen vaikuttaa niiden ketju. Reaktiossa alun perin syntyneet atomit ja radikaalit pääsevät yhdisteisiin alkuperäisten aineiden kanssa ja toistensa kanssa muodostaen lopputuotteita ja uusia hiukkasia toistamalla samaa reaktioketjua. Tällaisten hiukkasten lisääntyvä lisääntyminen johtaa kemiallisten reaktioiden "kiihtymiseen" - itse asiassa koko seoksen räjähdykseen.

Hiilivetyjen palaminen korkeassa lämpötilassa on monimutkaista, ja siihen liittyy aktiivisten hiukkasten muodostumista atomien ja radikaalien muodossa sekä molekyylivälituotteita. Esimerkiksi yksinkertaisimman hiilivedyn, metaanin, palamisreaktiot on esitetty:

1. H + O 2 - ›OH + O
   CH4 + OH -> CH3 + H20
   CH 4 + O - ›CH 2 + H 2 O
2. СН 3 + О 2 - ›НСНО + ОН
   СН 2 + О 2 - ›НСНО + О
3. НСНО + ОН - ›НСО + Н 2 О
   НСНО + О - ›СО + Н 2 О
   НСО + О 2 - ›СО + О + ОН
4. CO + O - ›CO 2
   CO + OH - ›CO 2 + H

Yhden syklin tulos:

2СН 4 + 4О 2 - ›2СО 2 + 4Н 2 О

8.2. POLTTOAINEEN LASKELMAT

Palamiseen tarvittava happi tulee ilmasta sellaisenaan komponentti... Laskelmissa oletetaan, että kuivan ilman tilavuuskoostumus on seuraava:

happi - 21,0%, typpi - 79,0%.

Annettujen tietojen mukaan 1 m 3 happea sisältyy 100/21 = 4,76 m 3 ilmaan tai 79/21 = 3,76 m 3 typpeä putoaa 1 m 3 happea. Ottaen huomioon, että 1 kmol kaasua vie normaaleissa olosuhteissa 22,4 litraa, minkä tahansa ilmassa olevan hiilivedyn palamisreaktio (katso yhtälö 8.1) voidaan kirjoittaa yleistetyssä muodossa:

C m H n + (t + n / 4) (O 2 + 3,76N 2) = tCO 2 + (n / 2) H20 + (t + n / 4) 3,76N 2

Taulukossa on esitetty hapen ja ilman vaatimukset eri kaasujen palamisen aikana annetuista palamisreaktioista laskettuna. 8.2.

Taulukko 8.2. Teoreettinen kuivan hapen ja ilman tarve, m 3, ja kaasun palamistuotteiden tilavuus 1 m 3 kaasun palamisen aikana

Monimutkaiselle kaasulle kuivan ilman kulutus V c, m 3 / m 3 lasketaan käyttämällä kaavaa, joka ottaa huomioon seoksen yksittäisten komponenttien hapen tarpeen:

V c = 4,76 / 100 (0,5H 2 + 0,5CO + 2CH 4 + 3,5C 2 H 6 + 5C 3 H 8 + 6,5C 4 H 10 + 3C 2 H 4 + 4,5C 3 H 6 + 6C 4 H 8 - О 2) (8.7)

Kostean ilman teoreettinen virtausnopeus V vl, m 3 / m 3, on suurempi kuin kaavalla (8.7) määritetty virtaus vesihöyryn tilavuudella:

V vl = V s + 0,001244d in V s (8,8)

jossa d in - ilmankosteus, g / m 3.

Kun kaasujen kemiallinen koostumus on tuntematon, mutta tiedetään alhaisempi palamislämpö Q n, kJ / m 3, teoreettinen ilmankulutus V t, m 3 / m 3,

V t ≈ Q n / 3770 (8.9)

Todellisen ilmankulutuksen V dv, m 3 / m 3 oletetaan aina olevan jonkin verran suuri:

V dv = V t α (8.10)

jossa α on GOST: n vaatimukset täyttävä ylimääräinen ilmakehä. Polttoaineen täydellisessä palamisessa α: n arvon on oltava suurempi kuin 1. Taulukossa on esitetty palamistuotteiden koostumus ja tilavuus, laskettu joidenkin kaasujen palamisreaktioista kuivassa ilmassa. 8.2.

8.3. POLTOLÄMPÖTILA

Lämpötekniikassa erotetaan seuraavat kaasujen palamislämpötilat: lämmöntuotto, kalorimetrinen, teoreettinen ja todellinen (laskettu). Lämmitysteho t w on kaasun täydellisten palamistuotteiden enimmäislämpötila adiabaattisissa olosuhteissa, joissa on ylimääräinen ilmakerroin α = 1,0 ja kaasun ja ilman lämpötilassa 0 ° C:

t w = Q n / (∑Vc p) (8.11)

jossa Q n - alin kaasun palamislämpö, ​​kJ / m 3; ∑Vc p on 1 m 3 kaasun (m 3 / m 3) palamisen aikana syntyneen hiilidioksidin, vesihöyryn ja typen tilavuuksien ja niiden keskimääräisten tilavuuslämpökapasiteettien tulojen summa välillä 0 ° C - tl (kJ / (m 3 ° C).

Kaasujen lämpökapasiteetin epäjohdonmukaisuuden vuoksi lämmöntuotto määräytyy peräkkäisten arvioiden menetelmällä. Alkuparametriksi otetaan sen arvo maakaasulle (≈2000 ° C), kun α = 1,0, palamistuotteiden komponenttien tilavuudet määritetään taulukon mukaisesti. 8.3, niiden keskimääräinen lämpökapasiteetti löydetään ja sitten kaavan (8.11) mukaan lasketaan kaasun lämpökapasiteetti. Jos laskelman tuloksena se osoittautuu alhaisemmaksi tai korkeammaksi kuin hyväksytty, asetetaan eri lämpötila ja laskelma toistetaan.

Taulukko 8.3. Kaasujen keskimääräinen tilavuuslämpökapasiteetti, kJ / (m 3 ° С)

Tavallisten yksinkertaisten ja monimutkaisten kaasujen lämpöteho, kun ne palavat kuivassa ilmassa, on esitetty taulukossa. 8.4. Kun poltetaan kaasua ilmakehän ilmassa, joka sisältää noin 1 paino- % % kosteutta, lämmöntuotanto vähenee 25–30 ° С.

Taulukko 8.4. Kaasujen lämmitysteho kuivassa ilmassa

Kalorimetrinen palamislämpötila t k - lämpötila määritetty ottamatta huomioon vesihöyryn ja hiilidioksidin hajoamista, mutta ottaen huomioon kaasun ja ilman todellinen alkulämpötila. Se eroaa lämmöntuotannosta t siinä, että kaasun ja ilman lämpötila sekä ylimääräisen ilman kerroin α lasketaan niiden todellisten arvojen mukaan. Voit määrittää t: n kaavalla:

t k = (Q n + q fyysinen) / (ΣVc p) (8.12)

jossa q fysikaalinen on kaasun ja ilman lämpöpitoisuus (fyysinen lämpö) mitattuna 0 ° C: sta, kJ / m 3.

Luonnollisia ja nesteytettyjä maakaasuja ei yleensä lämmitetä ennen polttamista, ja niiden tilavuus verrattuna palamisilman tilavuuteen on pieni. Siksi määritettäessä kalorimetristä lämpötilaa kaasujen lämpöpitoisuus voidaan jättää huomiotta. Poltettaessa alhaisen lämpöarvon omaavia kaasuja (generaattori, masuuni jne.) Niiden lämpöpitoisuudella (erityisesti lämmitetty ennen polttamista) on erittäin merkittävä vaikutus kalorimetriseen lämpötilaan.

Taulukossa esitetään keskimääräisen koostumuksen omaavan maakaasun kalorimetrisen lämpötilan riippuvuus ilmassa, jonka lämpötila on 0 ° C ja ilmankosteus 1%. 8.5, nestekaasu, kun poltetaan kuivassa ilmassa - taulukossa. 8.7. Taulukon tiedot. 8.5–8.7 voidaan ohjata riittävän tarkasti määritettäessä muiden koostumukseltaan suhteellisen samankaltaisten maakaasujen ja melkein minkä tahansa koostumuksen hiilivetykaasujen palamislämpötila. Jos on tarpeen saavuttaa korkea lämpötila poltettaessa kaasuja alhaisilla ylimääräisillä ilmakertoimilla sekä lisätä uunien hyötysuhdetta, ilma kuumenee käytännössä, mikä johtaa kalorimetrisen lämpötilan nousuun (katso taulukko 8.6) .

Taulukko 8.5. Maakaasun palamisen kalorimetriset ja teoreettiset lämpötilat ilmassa, jossa t = 0 ° С ja ilmankosteus 1%, riippuen ylimääräisestä ilmakehästä α

Taulukko 8.6. Maakaasun polttamisen kalorimetrinen lämpötila t, ° С, riippuen ylimääräisen kuivan ilman suhteesta ja sen lämpötilasta (pyöristetyt arvot)

Taulukko 8.7. Kalorimetrinen palamislämpötila t tekniseen propaaniin kuivassa ilmassa, jossa t = 0 ° С riippuen ylimääräisestä ilmakehästä α

Teoreettinen palamislämpötila t T on suurin lämpötila, joka määritetään samalla tavalla kuin kalorimetrinen t, mutta korjataan endotermiset (lämpöä vaativat) reaktiot, jotka liittyvät hiilidioksidin ja vesihöyryn hajoamiseen, ja tilavuus kasvaa:

СО 2 ‹–› СО + 0,5О 2-283 mJ / mol (8.13)

Н 2 О ‹–› Н 2 + 0,5О 2-242 mJ / mol (8.14)

Korkeissa lämpötiloissa dissosiaatio voi johtaa atomivety-, happi- ja OH -hydroksyyliryhmien muodostumiseen. Lisäksi kaasua poltettaessa muodostuu aina jonkin verran typen oksidia. Kaikki nämä reaktiot ovat endotermisiä ja johtavat palamislämpötilan laskuun.

Teoreettinen palamislämpötila voidaan määrittää seuraavan kaavan avulla:

t T = (Q n + q fyysinen - q dis) / (ΣVc p) (8.15)

jossa q dis on lämmön kokonaiskulutus СО 2 ja Н 2 О: n hajoamiseen palamistuotteissa, kJ / m 3; ΣVc p - palamistuotteiden tilavuuden ja keskimääräisen lämpökapasiteetin tulon summa, kun otetaan huomioon dissosiaatio 1 m 3 kaasua kohden.

Taulukko 8.8. Vesihöyryn H 2O ja hiilidioksidin CO 2 hajoamisaste osapaineen mukaan

Kuten taulukosta näkyy. 8.8, jopa 1600 ° C: n lämpötiloissa dissosiaatioasteen ei voida ottaa huomioon, ja teoreettinen palamislämpötila voidaan ottaa samaksi kuin kalorimetrinen lämpötila. Korkeammissa lämpötiloissa dissosiaatio voi alentaa merkittävästi työtilan lämpötilaa. Käytännössä tähän ei ole erityistä tarvetta, teoreettinen palamislämpötila on määritettävä vain esilämmitetyllä ilmalla toimiville korkean lämpötilan uuneille (esimerkiksi avotakka). Tätä ei tarvita kattilalaitoksille.

Taulukko 8.9. Enimmäismäärä
esiintyvät lämpötilat
vapaassa liekissä, ° С

Palamistuotteiden todellinen (laskettu) lämpötila t d- lämpötila, joka saavutetaan todellisissa olosuhteissa polttimen kuumimmassa kohdassa. Se on teoreettista alhaisempi ja riippuu lämpöhäviöistä ympäristöön, säteilyn aiheuttamasta lämmön siirtymisestä palamisvyöhykkeeltä, palamisprosessin kestosta ajassa jne. Uunien ja kattiloiden uunien todelliset keskilämpötilat määräytyvät lämmön tasapaino tai suunnilleen teoreettisen tai kalorimetrisen palamislämpötilan mukaan, riippuen uunien lämpötilasta lisäämällä niihin kokeellisesti vahvistettuja korjauskertoimia:

t d = t t η (8,16)

missä η on ns pyrometrinen kerroin:

• korkealaatuisille lämpö- ja lämmitysuuneille, joissa on lämpöeristys - 0,75–0,85;
• suljetuille uuneille ilman lämpöeristystä - 0,70–0,75;
• suojatuille kattilauuneille - 0,60–0,75.

Käytännössä on välttämätöntä tietää edellä annettujen adiabaattisten palamislämpötilojen lisäksi myös liekissä esiintyvät enimmäislämpötilat. Niiden likimääräiset arvot määritetään yleensä kokeellisesti spektrografisilla menetelmillä. Taulukossa on esitetty enimmäislämpötilat, jotka syntyvät vapaassa liekissä 5–10 mm: n etäisyydellä kartiomaisen palamisrintaman yläosasta. 8.9. Esitettyjen tietojen analyysi osoittaa, että liekin enimmäislämpötilat ovat pienempiä kuin lämmöntuotto (johtuen lämmön kulutuksesta H 2O: n ja CO 2: n hajoamiseen ja lämmön poistamiseen liekkivyöhykkeeltä).

8.4. ITSESYTTÖLÄMPÖTILA

Palamisreaktioiden käynnistämiseksi vaaditaan polttoaineseoksen ja hapettimen syttymisolosuhteet. Syttyminen voi olla spontaania ja pakotettua (sytytys).

Itsesyttymislämpötila- vähimmäislämpötila, jossa spontaani (eli ilman ulkoista lämmönsyöttöä) palamisprosessi alkaa lämmitetyssä kaasu-ilma-seoksessa johtuen lämmön vapautumisesta polttamalla kaasupartikkeleita.

Itsesyttymislämpötila ei ole kiinteä tietylle kaasulle, ja se riippuu monista parametreista: sen pitoisuus kaasu-ilma-seoksessa, seoksen homogeenisuusaste, seoksen muoto ja koko, jossa seos kuumennetaan, nopeus ja sen lämmitysmenetelmä, astian seinämien katalyyttinen vaikutus, paine, jonka alla seos on. Lueteltujen tekijöiden tarkka kirjanpito on erittäin vaikeaa, joten käytännössä esimerkiksi räjähdysvaaran arvioinnissa käytetään kokeellisia tietoja (ks. Taulukko 8.10).

Taulukko 8.10. Joidenkin kaasujen ja höyryjen alin mitattu itsesyttymislämpötila ilman kanssa sekoitettuna ilmakehän paineessa

Palavien kaasujen itsesyttymislämpötilat hapessa ovat jonkin verran alemmat kuin ilmassa. Liitäntälaitteiden epäpuhtauksien (typpi ja hiilidioksidi) lisääminen kaasujen koostumukseen johtaa itsesyttymislämpötilan nousuun. Komponenttien läsnäolo alhaisissa itsesyttymislämpötiloissa monimutkaisissa kaasuissa johtaa seoksen itsesyttymislämpötilan laskuun.

Pakotettu sytytys (sytytys) suoritetaan sytyttämällä seos yhdessä tai useissa kohdissa korkean lämpötilan lähteellä - avotuli tai sähköinen kipinä kaasun ulostulopisteessä polttimien sytytyskanavista palokammioon. Sytytys eroaa itsesyttymisestä siinä, että palavasta seoksesta tulee liekki, ei koko tilavuudessa, vaan vain pienessä osassa sitä. Lämmön poistaminen lämmitetyltä vyöhykkeeltä edellyttää, että sytytyslähteen lämmön vapautumisnopeus on suurempi kuin tämä lämmönpoisto. Sytytyksen jälkeen sytytyslähde poistetaan ja palaminen tapahtuu liekkirintaman etenemisen vuoksi.

8.5. Syttyvyys- ja räjähdysrajat

Kaasu-ilmaseokset voivat syttyä (räjähtää) vain, kun seoksen kaasupitoisuus on tiettyjen (kullekin kaasulle) rajojen sisällä. Tässä suhteessa tehdään ero alemman ja ylemmän välillä pitoisuusrajat syttyvyys. Alaraja vastaa minimiä ja yläraja vastaa seoksen kaasun enimmäismäärää, jossa ne syttyvät (syttymisen aikana) ja spontaanisti (ilman lämmön tuloa ulkopuolelta) liekin leviäminen (itsesyttyminen) . Samat rajat vastaavat kaasu-ilma-seosten räjähdysolosuhteita.

Jos kaasu-ilma-seoksen kaasupitoisuus on pienempi kuin alempi syttymisraja, tällainen seos ei voi palaa ja räjähtää, koska sytytyslähteen lähellä vapautunut lämpö ei riitä lämmittämään seosta syttymislämpötilaan. Jos kaasun pitoisuus seoksessa on alemman ja ylemmän syttymisrajan välissä, syttynyt seos syttyy ja palaa sekä lähellä sytytyslähdettä että poistettaessa. Tämä seos on räjähtävä. Mitä laajempi syttymisrajojen alue (kutsutaan myös räjähdysrajoiksi) ja mitä alempi alaraja, sitä räjähtävämpi kaasu on. Lopuksi, jos kaasun pitoisuus seoksessa ylittää syttymisrajan, seoksen ilman määrä ei riitä kaasun täydelliseen palamiseen.

Syttymisrajojen olemassaolo johtuu lämmön menetyksestä palamisen aikana. Kun palava seos laimennetaan ilmalla, hapella tai kaasulla, lämpöhäviöt lisääntyvät, liekin etenemisnopeus pienenee ja palaminen pysähtyy sytytyslähteen poistamisen jälkeen.

Taulukko 8.11. Ilman kanssa sekoitettujen kaasujen syttymisrajat (t = 20 ° C ja p = 101,3 kPa)

Taulukko 8.12. Hapen kanssa sekoitettujen kaasujen syttymisrajat (t = 20 ° C ja p = 101,3 kPa)

Taulukossa on esitetty syttymisrajat yleisille kaasuille, jotka on sekoitettu ilman ja hapen kanssa. 8.11-8.12. Seoksen lämpötilan noustessa syttymisrajat laajenevat, ja itsesyttymislämpötilan ylittävässä lämpötilassa kaasun ja ilman tai hapen seokset palavat missä tahansa tilavuussuhteessa.

Syttymisrajat riippuvat paitsi palavien kaasujen tyypeistä myös koeolosuhteista (astian kapasiteetti, syttymislähteen lämpöteho, seoksen lämpötila, liekin eteneminen ylös, alas, vaakasuoraan jne.). Tämä selittää näiden rajojen hieman erilaiset merkitykset eri kirjallisissa lähteissä. Pöytä 8.11–8.12 esittää verrattain luotettavia tietoja, jotka on saatu huoneenlämpötilassa ja ilmanpaineessa, kun liekki etenee alhaalta ylöspäin putkessa, jonka halkaisija on 50 mm tai enemmän. Kun liekki leviää ylhäältä alas tai vaakasuoraan, alarajat nousevat hieman ja ylemmät pienenevät. Kompleksisten palavien kaasujen syttymisrajat, jotka eivät sisällä painolasti epäpuhtauksia, määritetään additiivisuussäännön mukaisesti:

L g = (r 1 + r 2 +… + r n) / (r 1 / l 1 + r 2 / l 2 +… + r n / l n) (8.17)

jossa L g on monimutkaisen kaasun alempi tai ylempi syttymisraja kaasu-ilma- tai kaasu-happiseoksessa, voi. %; r 1, r 2, ..., r n - yksittäisten komponenttien pitoisuus kompleksikaasussa, tilavuus. %; r 1 + r 2 + ... + r n = 100%; l 1, l 2, ..., l n-taulukon mukainen kaasu-ilma- tai kaasu-happiseoksen yksittäisten komponenttien syttyvyys ala- tai yläraja. 8.11 tai 8.12, voi. %.

Jos kaasussa on painolastiepäpuhtauksia, syttymisrajat voidaan määrittää seuraavalla kaavalla:

L b = L g /(8,18)

jossa L b - seoksen ylempi ja alempi syttymisraja painolastiepäpuhtauksilla, voi. %; L g - palavan seoksen syttymisrajat ylempi ja alempi, tilavuus %; B - painolastin epäpuhtauksien määrä, yksikköfraktiot.

Laskettaessa on usein tarpeen tietää ylimääräisen ilman kerroin α eri syttymisrajoilla (katso taulukko 8.11) sekä kaasu-ilma-seoksen räjähdyksestä johtuva paine. Ylempää tai alempaa syttymisrajaa vastaava ylimääräinen ilman suhde voidaan määrittää kaavalla

α = (100 / L - 1) (1 / V T) (8,19)

Kaasu-ilma-seosten räjähdyksestä johtuva paine voidaan määrittää riittävän likimääräisesti seuraavilla kaavoilla:

yksinkertaisen kaasun ja ilman stökiometriselle suhteelle:

P vz = P n (1 + βt k) (m / n) (8,20)

mille tahansa monimutkaisen kaasun ja ilman suhteelle:

P vz = P n (1 + βt k) V vlps / (1 + αV m) (8,21)

jossa P zz - räjähdyksestä johtuva paine, MPa; р n - alkupaine (ennen räjähdystä), MPa; β - kaasujen tilavuuslaajenemiskerroin, joka on numeerisesti yhtä suuri kuin painekerroin (1/273); t K - kalorimetrinen palamislämpötila, ° С; m on moolien määrä räjähdyksen jälkeen, määritettynä kaasun palamisreaktion avulla ilmassa; n on palamisreaktioon osallistuvien moolien määrä ennen räjähdystä; V vlps - märkäpalamistuotteiden tilavuus 1 m 3 kaasua kohti, m 3; V t - teoreettinen ilman kulutus, m 3 / m 3.

Taulukko 8.13. Propaani-ilma-seoksen räjähdyksestä johtuva paine, riippuen poistokerroimesta k sb ja suojalaitteen tyypistä

Taulukossa esitetyt räjähdyspaineet. 8.13. Muussa tapauksessa niitä rajoittavat seinien lujuus tai niiden helpoimmin tuhoutuvat osat - painepulssit etenevät seoksen suunnattoman tilavuuden läpi äänen nopeudella ja saavuttavat kotelon paljon nopeammin kuin liekin etuosa.

Tätä ominaisuutta - liekin ja paineimpulssien etenemisnopeuden eroa (iskuaalto) - käytetään laajalti käytännössä suojaamaan kaasulaitteet ja tilat räjähdyksen aiheuttamalta tuhoutumiselta. Tätä varten seinien ja kattojen aukkoihin asennetaan helposti avautuvat tai romahtavat peräpeilit, kehykset, paneelit, venttiilit jne. Räjähdyksestä aiheutuva paine riippuu suojalaitteiden rakenteellisista ominaisuuksista ja poistokerroimesta k sb, joka on alueen suhde suojalaitteita huoneen tilavuuteen.

8.6. POLTTO STATIONARY YMPÄRISTÖSSÄ

Liekkivyöhykkeen - liekkirintaman - liike, joka erottaa reagoimattoman palavan seoksen palamistuotteista, johtuu siitä, että sen edessä oleva kylmä palava seos kuumennetaan syttymislämpötilaan lämmönjohtavuuden vuoksi ja hehkulamppujen palamistuotteiden leviäminen kylmään seokseen. Lineaarista nopeutta, jolla liekin etuosa liikkuu homogeenista palavaa seosta pitkin, kutsutaan tasainen liekin etenemisnopeus, riippuen sekä kaasun tyypistä että sen sisällöstä kaasu-ilma-seoksessa. Kaikkien palavien kaasujen vähimmäisnopeus vastaa alempaa ja ylempää syttymisrajaa ja suurin nopeus vastaa kaasujen ja ilman suhdetta.

Riisi. 8.1. Vakionopeuskäyrät
liekin leviäminen u n määritelty
putkessa, jonka halkaisija on 25,4 mm
1-vety; 2-vesikaasu; 3-hiilimonoksidi;
4-etyleeni; 5-koksi-uunikaasu; 6-etaani; 7-metaani;
8-generaattorinen kaasu, höyry-ilmapuhallus

Riisi. 8.2. Halkaisijan d tr ja pitoisuuden vaikutus
metaania ilman kanssa sekoitettuna
tasainen liekin etenemisnopeus u n

Kokeet ovat osoittaneet, että liekin etenemisnopeus riippuu sen lieriömäisen putken halkaisijasta, jonka läpi se etenee: kuinka suurempi halkaisija, sitä suurempi etenemisnopeus. Putken halkaisijan lisäys vähentää seinien vaikutusta palamisprosessiin ja liikkuvaan liekin etuosaan ja lisää konvektiota (kuva 8.2). Kaavion tietojen analyysi osoittaa, että hyvin pienillä putkikokoilla liekin leviäminen on yleensä mahdotonta (johtuen voimakkaasta suhteellisesta lämmönpoistosta). Putkien, kanavien ja rakojen mittoja, joissa liekki ei etene, kutsutaan kriittisiksi.

Ne ovat erilaisia ​​eri kaasuille:

• kylmä metaanin ja ilman seos - 3 mm;
• vety -ilmaseos - 0,9 mm;
• lämmitetty metaanin ja ilman seos - 1,2 mm.

Pienleikkauskanavien sammuttamista käytetään käytännössä liekinrajoittimien luomiseen: liekinsammutusverkot, keraamiset huokoiset levyt, puristetuista metallipalloista valmistetut kiekot, hienorakeisilla materiaaleilla täytetyt astiat jne.); palokanavat kaasun ja ilman seoksilla toimivien polttimien suunnittelussa.

Kaasujen palavien ominaisuuksien vertaileva ominaisuus (putkien koosta riippumatta) otettiin käyttöön "Normaali liekin etenemisnopeus" on nopeus, johon viitataan kylmällä (vielä syttymättömällä) seoksella, jolla liekki liikkuu normaalia pitkin sen pintaan. Liekin etuosa on tasainen ja sama kuin putken halkaisija:

u n = w p πr 2 / S (8.22)

jossa u n - liekin etenemisnopeus, m / s; w p - mitattu tasainen liekin etenemisnopeus, m / s; r - putken säde, m; S on liekin etupinnan pinta -ala, m 2.

Taulukko 8.14. Liekin etenemisnopeus erilaisissa kaasu-ilma-seoksissa (t = 20 ° C ja p = 103,3 kPa), m / s

Kuten taulukon tiedoista käy ilmi. 8.14, liekin etenemisnopeus vastaa kaasun ja ilman seoksia, joissa ei ole hapettimia (ei stökiometrisiä). Ylimääräisellä polttoaineella reagoivien hiukkasten törmäyksen tehokkuus kasvaa ja kemiallisten reaktioiden nopeus kasvaa.

Liekin etenemisnopeudet kaasu-happiseoksilla ovat suuruusluokkaa korkeammat kuin kaasu-ilma-seoksilla. Siten metaanin ja happiseoksen liekin suurin etenemisnopeus on 3,3 m / s ja propaanin ja butaanin ja hapen seoksen 3,5 - 3,6 m / s.

Liekin etenemisen suurin normaali nopeus monimutkaisen kaasun ja ilman seoksessa, m / s, määritetään kaavalla:

u н max = (r 1 u 1 + r 2 u 2 +… + r n u n) / (r 1 + r 2 + ... + r n) (8.23)

jossa r 1, r 2,… r n - yksittäisten komponenttien pitoisuus kompleksikaasussa, tilavuuspr. %; u 1, u 2, ... u n - ilman kanssa sekoitetun monimutkaisen kaasun komponenttien liekin suurin etenemisnopeus, m / s.

Annetut suhteet soveltuvat kaasuille, joiden liekin etenemisnopeus on lähellä normaalia, esimerkiksi luonnollisille ja nesteytetyille hiilivetykaasuille. Kaasuseoksille, joiden liekin etenemisnopeus on jyrkästi erilainen (esimerkiksi luonnon- ja keinokaasuseoksille, seoksille, joilla on korkea vetypitoisuus), ne antavat vain likimääräisiä arvoja.

Jos seos sisältää painolastiepäpuhtauksia (typpi ja hiilidioksidi), käytä liekin leviämisnopeuden likimääräistä laskentaa kaavalla:

u b = u n max (1 - 0,01N 2 - 0,012CO 2) (8,24)

Kaasu-ilmaseoksen lämmitys lisää merkittävästi liekin etenemisnopeutta:

ja 'n = ja n (T' / T) (8,25)

jossa ja 'n - liekin etenemisnopeus kuumennetussa seoksessa, jonka absoluuttinen lämpötila on T', K; ja n - sama, kylmässä seoksessa, jonka lämpötila on T, K.

Seoksen esilämmitys muuttaa sen tiheyttä kääntäen verrannolliseksi absoluuttiseen lämpötilaan; siksi liekin etenemisnopeudet kasvavat suhteessa tähän lämpötilaan. Tämä seikka on otettava huomioon laskelmissa, erityisesti niissä tapauksissa, joissa polttimien sytytyskanavat sijaitsevat lämmitetyssä muurauksessa tai jos niihin vaikuttaa uunin säteily, hehkulamput jne.

Liekin etenemisen tasaisuus on mahdollista seuraavissa olosuhteissa:

• paloputki on lyhyt;
• palaminen etenee vakiopaineessa lähellä ilmakehää.

Jos putken pituus on merkittävä, liekkien tasainen eteneminen joillekin seoksille voi muuttua värähtelyksi ja sitten räjähdykseksi yliäänipolttonopeudella (2000 m / s tai enemmän), kun seos syttyy iskuaallon vuoksi joka lämmittää seoksen lämpötilaan, joka ylittää itsesyttymislämpötilan. Räjähdys tapahtuu seoksissa, joilla on suuri liekin etenemisnopeus. Räjähdyspitoisuusrajat ovat jo kaasu-ilma- ja kaasu-happiseosten syttyvyysrajoja, voi. %: propaani - 3,2–37, isobutaani - 2,8–31, vety - 15–90. Räjähdyspalamisen aikana syntyvä paine voi ylittää alkupaineen kymmeniä kertoja ja johtaa putkien ja muiden suurpaineisiin tarkoitettujen astioiden tuhoutumiseen.

8.7. PALAMINEN LAMINAARISISSA JA KIERROSVIRTAUKSISSA

Riisi. 8.3. Palaminen edessä
kaasu-ilmaseos sisään
laminaarinen liike

Liekin etuosa voidaan pysäyttää luomalla palavan seoksen vastaliike nopeudella, joka on yhtä suuri kuin liekin normaali etenemisnopeus. Havainnollistava esimerkki- Bunsen -polttimen sisäkartion pinta. Säätelemällä polttimesta ulosvirtaavan kaasu-ilma-seoksen koostumusta laminaarisessa liikennemuodossa voidaan saavuttaa vakaan ja terävästi määritellyn palamiskartion ulkonäkö (kuva 8.3). Kartion sivupinta (liekin etuosa), joka on paikallaan suhteessa polttimen kanavan tulireunaan, liikkuu ulosvirtaavaa kaasu-ilma-seosta kohti, ja liekki leviää tässä tapauksessa normaalia pitkin sytytyspintaan kussakin kohdassa. Kartiomaisen liekkirintaman pinnalla nopeuksien yhtäläisyys säilyy - kaasu -ilmaseoksen virtausnopeuden ennusteet normaalille wn: lle kartion generaattorille ja liekin normaalin etenemisnopeuden noudattavat Michelsonia laki:

w n = w hiki cosφ = u n (8,26)

jossa φ on virtaussuunnan ja kartiomaisen liekkirintaman pinnan välisen kulman välinen kulma; w hiki - kaasun ja ilman seoksen keskimääräinen virtausnopeus polttimen läpi ajan yksikköä kohden, m / s.

Liekin etenemisnopeuden vakio pysyy voimassa vain kartiomaisen liekkirintaman sivupinnan pääosassa. Kartion yläosassa nopeus kasvaa kaasu-ilma-seoksen kuumenemisen takia liekkirintaman kartiomaisen pinnan lähekkäin sijaitsevilla osilla, ja kartion pohjalla se pienenee pään jäähdytysvaikutuksen vuoksi osa polttimen sytytyskanavaa.

Käytännön laskelmissa tämä ero jätetään yleensä huomiotta ja seoksen kulkunopeus liekin edessä katsotaan vakioksi koko kartion pinnan ja yhtä suuri kuin u n.

Liekin etenemisen keskimääräinen normaali nopeus on

u n = V cm / S (8,27)

jossa V cm on polttimen läpi kulkevan kaasu-ilma-seoksen tilavuus, S on kartiomaisen liekkirintaman pinta-ala.

Käytännössä kartiomaisella liekkirintamalla ei ole oikeaa geometrista muotoa, siksi tarkka määritelmä S liekki on kuvattu, liekin etuosa on jaettu katkaistuihin kartioihin. Sivupintojen summa on kartiomaisen liekkirintaman kokonaispinta. Liekin etenemisnopeuksien normaalit arvot, jotka määritetään sekä Bunsen -poltinmenetelmällä että muilla menetelmillä, ovat samat ja yhtä suuret kuin taulukossa annetut normaalit nopeudet. 8.14.

Kartiomaisen liekin etuosan korkeus riippuu pääasiassa polttimen sytytyskanavan koosta. Liekin korkeutta voidaan pienentää murskaamalla suuret sytytyskanavat useiksi pieniksi. Samaa koostumusta sisältävien kaasu-ilmaseosten osalta pienten kanavien h kartiomaisten liekkirintamien korkeus voidaan suunnilleen määrittää yksittäisen kanavan H liekkirintaman korkeudesta:

h = H / √n (8,28)

jossa n on pienten kanavien määrä.

Polttimilla, joilla on suuri lämmöntuotto (teollisuuskattilojen, uunien jne. Polttimet), palaminen tapahtuu pääsääntöisesti myrskyisässä virtauksessa - sileä kartiomainen liekin etuosa on epäselvä pyörreliikkeen ja sykkeen vuoksi ja menettää selkeät kartiomaiset ääriviivat . Tässä tapauksessa havaitaan kaksi ominaista palamistyyppiä, jotka vastaavat pientä ja suurta turbulenssia.

Turbulenssiasteikolla, joka ei ylitä laminaarisen palamisvyöhykkeen paksuutta, kartiomainen liekkirintama säilyttää muotonsa ja pysyy sileänä, vaikka palovyöhyke kasvaa. Jos turbulenssiasteikko ylittää normaalin palamisvyöhykkeen paksuuden, kartiomaisen liekkirintaman pinta muuttuu epätasaiseksi. Tämä johtaa palamisrintaman kokonaispinnan kasvuun ja suuremman määrän palavan seoksen palamiseen yksikköä kohti poikkileikkaus virtaus.

Laajamittaisessa turbulenssissa, joka ylittää paljon laminaarisen palamisvyöhykkeen paksuuden, liekin etupinnan jännitys johtaa kuuman seoksen yksittäisten hiukkasten erottumiseen, jotka murskataan myöhemmillä pulsseilla. Liekirintama menettää eheytensä ja muuttuu erillisten palamiskeskusten järjestelmäksi, joka muodostuu samansuuruisten, hajotettujen ja palavien seoshiukkasten muodossa.

Riisi. 8.4. Suhteellisen nopeuden muutos
koksiuunin liekin leviäminen
sekoitettuna ilmaan määrästä riippuen
Reynolds ja seoksen liikejärjestelmä

Laajan turbulenssin myötä liekin etupinta, joka muodostuu kaikkien palavien hiukkasten pinnoista, kasvaa, mikä johtaa liekin etenemisnopeuden jyrkkään nousuun (kuva 8.4). Tässä tapauksessa ei voi tapahtua ainoastaan ​​etupoltto, joka etenee normaalilla nopeudella v n, vaan myös tilavuuspalaminen, joka johtuu hehkulampujen palamistuotteiden myrskyisistä pulsseista tuoreeseen seokseen. Näin ollen liekin etenemisen kokonaisnopeus suuren turbulenssin aikana määräytyy etu- ja tilavuuspolttoaineiden yhdellä tai toisella yhdistelmällä.

Ilman pulssia turbulentti palamisnopeus muuttuu normaaliksi liekin etenemisnopeudeksi. Päinvastoin, jos sykkeen nopeus on paljon suurempi kuin normaali, turbulentti palamisnopeus tulee vähän riippuvaiseksi fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet palava seos. Kokeet ovat osoittaneet pienen riippuvuuden erilaisten homogeenisten kaasu-ilma-seosten palamisnopeudesta, joiden α> 1 on teollisuusuunissa, liekin etenemisnopeudesta.

8.8. PALONVAKAUS

Riisi. 8.5. Suora kompensointipiiri
u n = w hiki laminaariliikkeellä
kaasu-ilma-seos
1 - polttimen seinä;
2 - liekin etuosa

Tärkeimmät palamisen vakauteen vaikuttavat tekijät ovat kaasu-ilmaseoksen ulosvirtausnopeus ja liekin eteneminen. Jos kaasu-ilma-seokset palavat laminaarivirtauksessa, kartiomaisen liekkirintaman vakaa osa on sen alaosa. Tässä vaiheessa liekkirintama ilmakehään virtaavan kaasu-ilma-seoksen laajenemisen ja kanavaseinän jarrutusvaikutuksen vuoksi on sijoitettu vaakasuoraan ja nousee kanavan reunan yläpuolelle liekin etuosan paksuudella (kuva 2). . 8.5).

Tässä etuosan osassa on kaasun ja ilmavirran nopeuden täydellinen kompensointi liekin etenemisnopeudella u n = w hiki. Liekirintaman kartiomaisen osan muualla kompensointi on osittaista ja suoritetaan vain palamisrintaman normaaliin suuntaan: u n = w hiki cosφ. Komponentti hiki sinφ pysyy epätasapainossa ja kuljettaa leimahduspisteen kartion pohjasta sen kärkeen. Kartiomaisen liekkirintaman vakautta selittää se tosiasia, että pohjassa oleva rengasmainen hihna toimii sytytyslähteenä, jota ilman kaasun ja ilman seoksen virtaus kantaisi loput rintamasta.

Jos seoksen ulosvirtausnopeus ylittää liekin etenemisnopeuden, syttymiskaistan leveys pienenee, kunnes se muuttuu vähäiseksi. Tässä tapauksessa liekkirintaman vakautta rikotaan ja irtoaminen polttimesta tapahtuu. Jos liekin etenemisnopeus rengasmaisella seinämän lähellä olevalla alueella (ei seinällä) ylittää kaasu-ilmaseoksen virtausnopeuden, liekki vedetään poltinsekoittajaan (läpimurto).

Erotettaessa havaitaan seuraavaa:

• poistetaan liekki polttimesta ja sammutetaan se;
• erottaminen sytytyskanavan reunasta, kun liekki saavuttaa uuden melko vakaan asennon polttimen yläpuolella olevassa virtauksessa;
• nostetun liekin hajoaminen ja sen sammutus;
• heitetään korotettu taskulamppu polttimen sytytyskanavan reunaan;
• liekehtivä liekki sytyttämällä suihkun tietyllä etäisyydellä polttimesta.

Kaikkia näitä ilmiöitä ei voida hyväksyä, koska ne johtavat palamattoman kaasun kertymiseen ympäröivään ilmakehään tai uuniin.

Riisi. 8.6. Yksittäisen erottumisnopeuden riippuvuus
liekki luonnonseosten avoimessa ilmakehässä
kaasua ilmalla kanavan koon mukaan ja
ensisijainen ilman sisältö.

Riisi. 8.7. Riippuvuus irtoamisasteesta
moniliekkinen liekki avoimessa ilmakehässä
maakaasun ja ilman sekoitukset
palokanava ja ensiöilman sisältö.
a - polttimen kaavio; b - liekin erotuskäyrät

Kuviossa 1 Kuvio 8.6 esittää liekin erottamisen kokeilukäyrät kylmän kaasun ja ilman seoksella toimivien yhden liekin ruiskutuspolttimien sytytyskanavien reunoista. Ilmoitettujen käyrien rajalla ja yläpuolella liekin erottaminen alkaa, ja käyrien alapuolella tapahtuu vakaa palaminen.

Käytännössä käytetään laajasti monilevyisiä ruiskutuspolttimia, joiden sytytyskanavat ovat halkaisijaltaan 2–6 mm (kuva 8.7). Liekin erottumisnopeuden määrittäminen tällaisille polttimille voidaan tehdä seuraavan kaavan mukaisesti:

w neg = 3,5 10-3 d k T 2 (1 + V t) / (1 + α 1 V t) (8,29)

jossa dk on sytytyskanavien halkaisija, m; α 1 - ensiöilman ylimäärän kerroin; T on kaasu-ilma-seoksen absoluuttinen lämpötila, K.

Kaava osoittaa, että palamisen vakaus kasvaa polttoputkien halkaisijoiden ja lämpötilan kasvaessa ja heikkenee, kun ensiöilman liiallinen kerroin kasvaa. Palamisvakaus lisääntyy myös liekin keskinäisen vaikutuksen vuoksi.

Liekin erottaminen polttamiskanavista voi tapahtua myös muista syistä. Jos polttimen ja palamistuotteiden poistokanavat on sijoitettu väärin, ne voivat joutua polttimen ruiskutussuuttimeen ja johtaa liekkien erottumiseen (liekin etenemisnopeuden vähenemisen vuoksi inertteillä kaasuilla laimennetussa kaasu-ilmaseoksessa). Erotuksen syy voi olla myös sekundaarisen ilman suuri nopeus, joka puhaltaa liekin pois sytytyskanavista.

Taulukko 8.15. Luonnon homogeenisen seoksen nopeus
kaasua ilman kanssa, jolloin läpimurto tapahtuu
liekki, m / s (seoksen lämpötila 20 ° С)

On myös mahdotonta hyväksyä liekin liukumista polttimessa olevaan sekoittimeen, johon kuuluu yleensä pop. Läpimurto johtaa joko liekin sammumiseen ja palamattoman seoksen vapautumiseen huoneeseen tai uuniin tai seoksen palamiseen polttimen sisällä. Liekin taipumus läpimurtoon riippuu kaasun tyypistä, liekin etenemisnopeudesta, primaarisen ilman määrästä kaasu-ilma-seoksessa, palokanavien koosta, seoksen tai seinien lämpötiloista. kanavia. Liekin läpimurtoon vaikuttavat myös niiden materiaalien lämmönjohtavuuskerroin, joista palokanavat on tehty, niiden muoto, syvyys ja valmistus, purseiden esiintyminen, reunamurtumat jne.

Taulukossa annettu. 8.15 Maakaasujen ja ilman välisen homogeenisen seoksen nopeuksien arvoja, joilla läpimurto tapahtuu, voidaan käyttää muille kaasuille, ottaen huomioon muutokset:

w "pr = w pr u" n / u n (8.30)

jossa w ’pr on liekin läpäisynopeus toiselle kaasulle, m / s; w pr - maakaasun läpimurto (taulukon 8.15 mukaan), m / s; u ’n - liekin etenemisnopeus toiselle kaasulle, m / s; u n - liekin etenemisnopeus metaanissa, m / s.

Suurin läpimurtonopeus voidaan laskea likimääräisellä kaavalla:

w pr = 0,73 10-3 d kT 2 (8,31)

Samaa kaavaa, jonka likimääräisyys on riittävä harjoitteluun, voidaan käyttää myös muille kaasuille ottamalla käyttöön korjaus liekin normaalin etenemisnopeuden muutokseen. Lukuisten kokeiden perusteella voidaan tehdä seuraava johtopäätös: polttimien vakaan toiminnan rajoja rajoittavat liekin erottumis- ja läpimurtonopeudet.

Riisi. 8.8. Kaasu-ilmaseoksen nopeuden riippuvuus, jolla liekin erottuminen ja läpimurto tapahtuu, ensiöilman ylimäärän kertoimesta
I - liekin erotus; II - liekin läpimurto; III - liekin keltaiset reunat;
1-3 halkaisijaa polttimien sytytyskanavista, mm: 1-25, 2-25, 3-32

Kuviossa 1 8.8 esittää maakaasun ja ilman seoksen virtausnopeuksia kuvaavia käyrää, joilla liekin erottuminen ja läpimurto tapahtuu. Käyrien luonne osoittaa liekin vakauden jyrkkää heikkenemistä, kun ensiöilman pitoisuus seoksessa kasvaa. Liekin vakaus kasvaa, kun ensiöilman pitoisuus laskee ja saavuttaa maksimin, kun se laskee nollaan (diffuusiopoltto). Tällaista hiilivetykaasujen palamista ei kuitenkaan monissa tapauksissa voida hyväksyä, koska se johtaa keltaisten liekkikielten ilmaantumiseen, jotka luonnehtivat nokihiukkasten esiintymistä siinä.

Riisi. 8.9. Yleiset palamisen stabilointiaineet
a - lieriömäinen tunneli, jossa osa laajenee äkillisesti;
b - sama, pyörivän virtauksen kanssa;
c - kartiomainen tunneli pyörteisellä virtauksella;
d - kartiokappaleen muotoinen stabilisaattori;
d - sama, pyöreän sauvan muodossa;
e - sama, vakaan rengasmaisen liekin muodossa
1 - polttimen polttosuutin; 2 - tunneli; 3 - sivureikä;
4 - rengasmainen kanava; 5 - rengas liekki;
6 - kaasu -ilma -seoksen päävirran liekki

Käytännössä kaikkien palavien kaasu-ilma-seosten palamisvakausalueen laajentamiseksi virtausnopeuden katsotaan olevan useita kertoja suurempi kuin erotusnopeus. Liekin erottuminen estetään käyttämällä palamisen stabilointiaineita (kuva 8.9).

Ruiskutus- ja muiden polttimien, jotka tuottavat akselisymmetrisiä kaasu-ilma-suihkuja, liekin vakauttamiseksi käytetään tulenkestäviä lieriömäisiä tunneleita, joiden poikkileikkaus kasvaa äkillisesti. Tällaisen tunnelin toiminta perustuu osan hehkulamppujen palamistuotteiden kehäkiertoon, jotka johtuvat suihkun aiheuttamasta harvinaisuudesta.

Sekä lieriömäisiä että kartiomaisia ​​tunneleita, joiden avautumiskulma on 30–60 °, käytetään pyörivän kaasun ja ilman seoksen tuottavien polttimien liekin vakauttamiseen. Pyörivä virtaus tunnelin kehällä, enemmän painetta kuin sen keskiosassa. Tämä johtaa osan hehkulamppujen palamistuotteiden aksiaaliseen kierrätykseen ja sisäpuolelta tunneliin virtaavan kylmän kaasu-ilma-seoksen syttymiseen.

Kun tunneleiden asentaminen ei ole mahdollista, liekin vakauttamiseksi käytetään bluffinmuotoisia kappaleita, jotka asetetaan kaasu-ilmaseoksen virtaukseen sen ulostulossa polttimen tuliputkesta. Tässä tapauksessa seoksen syttyminen tapahtuu stabilointiaineen kehällä, jonka takana on osittainen hehkulamppujen kierrätys, joka sytyttää palavan seoksen sisältä. Tällaisten laitteiden vakauttava vaikutus on pienempi kuin tunneleissa.

Injektio- ja moniliekkipolttimissa käytetään laajalti palamisen stabilointiaineita erityisen palosuuttimen muodossa. Tämän laitteen vakauttava vaikutus perustuu siihen, että estetään päävirran laimeneminen polttimen juuressa ylimääräisellä ilmalla, mikä kaventaa sen vakauden rajoja, sekä päävirran lämmittäminen ja sytyttäminen rengasmaisella liekillä koko kehällä . Rengasmaisen liekin vakaus erottamisen aikana saavutetaan sellaisesta tulirenkaan ja sivureikien osien suhteesta, jossa kaasu-ilma-seoksen nopeus rengasmaisessa ontelossa ei ylitä liekin etenemisnopeutta. Liekin läpimurton estämiseksi poltinsekoittajaan rengasmaisen liekin muodostavien sivureikien mittojen katsotaan olevan pienempiä kuin kriittiset.

8.9. TULIPALVELUKAAVIOITA

Kaasuputkeen tuleva ilma tai happi voi muodostaa räjähtävän seoksen, joten putkilinjoja on ehdottomasti suojattava ilman tai hapen tunkeutumiselta siihen. Kaikilla räjähdysalalla on luotava olosuhteet sytytysimpulssien estämiseksi. Syttymislähteet, jotka johtavat kaasu-ilma-seosten räjähdykseen, ovat:

• avotuli;
• olemassa olevien sähkölaitteiden sähköpurkaukset;
• oikosulku sähköjohdoissa;
• kipinöinti sähkölaitteissa;
• palanut sulakkeet;
• staattisen sähkön purkaukset.

Räjähdysturvallisuutta tarjoavat erilaiset liekinsammuttimet. asennetaan putkistoihin, säiliöihin, tyhjennyskaasuputkiin, kynttilöihin ja muihin järjestelmiin, joissa on räjähdysvaara.

Liekin sammuminen palavalla seoksella täytetyssä kanavassa tapahtuu vain kanavan vähimmäishalkaisijalla, joka riippuu kemiallinen koostumus ja seoksen paine, ja se selittyy lämpöhäviöillä reaktioalueelta kanavan seinämiin. Kun kanavan halkaisija pienenee, sen pinta kasvaa reagoivan seoksen massayksikköä kohti, ts. lämpöhäviö kasvaa. Kun ne saavuttavat kriittisen arvon, palamisreaktion nopeus laskee niin paljon, että liekin leviäminen tulee mahdottomaksi.

Liekinsammuttimen liekinsammutuskyky riippuu pääasiassa sammutuskanavien halkaisijasta ja paljon vähemmän niiden pituudesta, ja mahdollisuus liekin tunkeutumiseen sammutuskanavien läpi riippuu pääasiassa palavan seoksen ominaisuuksista ja koostumuksesta sekä paineesta. Normaali liekin etenemisnopeus on tärkein määrä, joka määrittää sammutuskanavien koon ja liekinsammuttimen tyypin valinnan: mitä suurempi se on, sitä pienempi kanava vaaditaan liekin sammuttamiseen. Sammutuskanavien mitat riippuvat myös palavan seoksen alkupaineesta. Liekinsammuttimien liekin sammutuskyvyn arvioimiseksi käytetään ns. Peclet Re -kriteeri:

Pe = w cm dc p p / (RT 0 λ 0) (8,32)

Liekin sammuttamisen rajoissa Peclet -kriteerikaava on muoto:

Pe cr = w cm d cr c p p cr / (RT 0 λ 0) (8,33)

missä w cm on liekin etenemisnopeus; d on sammutuskanavan halkaisija; d cr on sammutuskanavan kriittinen halkaisija; c p on kaasun ominaislämpökapasiteetti 0 ° C: ssa ja vakio paineessa; p on kaasun paine; p cr - kriittinen kaasunpaine; R on universaali kaasuvakio; T 0 on kaasun absoluuttinen lämpötila; λ 0 - alkuperäisen seoksen lämmönjohtavuus.

Liekinsammuttimien liekin sammutuskyvyn laskemiseksi tarvitaan siis seuraavat lähtötiedot:

• palavien kaasuseosten liekin normaali etenemisnopeus;
• tämän liekinsammuttimen suurimpien sammutuskanavien todellinen koko.

Jos saatu arvo on suurempi kuin Pe kr = 65, liekinsammutin ei viivytä tämän palavan seoksen liekin leviämistä ja päinvastoin, jos Pe< 65, огнепреградитель задержит распространение пламени. Запас надежности огнепреградителя, который находят из отношения Ре кр к вычисленному значению Ре, должен составлять не менее 2:

P = Re cr / Re = 65 / Re> 2,0 (8,34)

Käyttämällä Pe kr: n pysyvyyttä liekin sammutusrajalla on mahdollista laskea kanavien likimääräinen kriittinen halkaisija mille tahansa palavalle seokselle, jos liekin etenemisnopeus sekä lämpökapasiteetti ja lämmönjohtavuus ovat tiedossa kaasujärjestelmä... Suositellaan seuraavia sammutuskanavan kriittisiä halkaisijoita, mm:

• poltettaessa kaasu -ilma -seosta - 2,9 metaanille ja 2,2 propaanille ja etaanille;
• poltettaessa happiseoksia putkissa (absoluuttisessa paineessa 0,1 MPa palamistuotteiden vapaan paisumisen olosuhteissa) - 1,66 metaanille ja 0,39 propaanille ja etaanille.

Riisi. 8.10. Liekinsammuttimien tyypit:
a - pakattu; b - kasetti; c - lamelli; g - verkko; d - kermetit

Rakenteellisesti palonsammuttimet on jaettu neljään tyyppiin (kuva 8.10):

• rakeisista materiaaleista valmistetulla suuttimella;
• suorilla kanavilla;
• kermeteistä tai metallikuiduista;
• verkko.

Asennusmenetelmän mukaan - kolmeen tyyppiin: putkiin kaasujen poistamiseksi ilmakehään tai taskulampulle; viestinnästä; kaasupolttimien edessä.

Pakatun palosammuttimen rungossa ritilöiden välissä on suutin, jossa on täyteainetta (lasi- tai posliinipallot, sora, korundi ja muut rakeet kestävä materiaali). Kasetin palosammutin on runko, johon on asennettu aallotetuista ja litteistä metallinauhoista tiukasti rullalle kierretty palonsammutuskasetti. Lamellisen liekinsammuttimen rungossa on tasosuuntaisia ​​metallilevyjä sisältävä paketti, jonka välinen etäisyys on tarkasti määritelty. Rungossa oleva verkkopalokytkin sisältää tiiviisti puristetun pakkauksen metalliverkko... Sintrattu palonsammutin on runko, jonka sisään on asennettu huokoinen sintrattu levy tasaisen levyn tai putken muodossa.

Useimmiten käytetään verkkopaloja (ne alkoivat asentaa 1800 -luvun alussa kaivoslamppuihin (Devi -lamput) polttolamppuräjähdysten estämiseksi). Näitä liekinsammuttimia suositellaan sellaisten laitosten suojaamiseen, joissa poltetaan kaasumaisia ​​polttoaineita. Palonestoaine koostuu useista kerroksista messinkiverkkoa, jonka silmäkoko on 0,25 mm, kahden rei'itetyn levyn väliin. Verkkopakkaus on vahvistettu irrotettavassa pidikkeessä.

Liekinsammutin runko on valmistettu valuraudasta tai alumiiniseoksesta ja koostuu kahdesta identtisestä osasta, jotka on yhdistetty pultteihin ja joiden välissä on irrotettava pidike. Tarkasteltavien kuivan liekinrajoittimien lisäksi käytetään laajalti nestemäisiä turvaportteja, jotka suojaavat kaasuputkistoja räjähdys- ja liekin tunkeutumiselta metallien kaasuliekkikäsittelyn aikana sekä kaasulla täytettyjä putkistoja ja laitteita tunkeutumiselta. happea ja ilmaa niihin.

Nestemäisten tiivisteiden tulee:

• estää räjähdysaallon etenemisen käänteisten iskujen ja kaasujen syttymisen aikana;
• suojaa kaasuputkea hapen ja ilman pääsyltä siihen;
• tarjota vähimmäishydraulinen vastus kaasuvirran kulkua varten. Lisäksi tiivisteestä tulevaa nestettä ei saa kuljettaa pois tippoina huomattavina määrinä.

8.10. POLTTOPERIAATTEET

Kaasun polttoprosessit perustuvat periaatteisiin, joita perinteisesti kutsutaan kineettisiksi ja diffuusioiksi. Kineettisellä periaatteella homogeeninen seos, jossa on tietty ylimäärä ilmaa, syntyy ennen palamisen alkamista. Tällaisen seoksen palaminen tapahtuu lyhyessä läpinäkyvässä liekissä ilman noen muodostumista liekkiin. Kineettisen periaatteen mukaiseen kaasunpolttoon käytetään erityisiä sekoittimia tai ruiskutuspolttimia, jotka valmistavat homogeenisen kaasu-ilma-seoksen, jossa on ylimääräistä primääri-ilmaa α 1 = 1,02: 1,05.

Kun primaarisen ilman pitoisuus on alhaisempi, tapahtuu kineettisen periaatteen mukaisesti vain palamisen alkuvaihe ennen hapen käyttöä, joka on seoksessa kaasun kanssa. Jäljelle jäävät kaasut ja epätäydellisen palamisen tuotteet poltetaan hapen (sekundaarisen ilman) ulkoisen diffuusion vuoksi, ts. d: n ja f u z: n mukaan ja noin n periaatteesta. Α 1: lle< 1 у факела есть два видимых фронта горения: внутренний, возникающий за счет первичного воздуха, и наружный, образующийся за счет диффузии кислорода из ympäristö... Liekin kokonaiskorkeus kasvaa tällaisen palamisen aikana ja lämpötila laskee hieman. Liekin stabiilius ja sen läpinäkyvyys riippuvat seoksen ensiöilman sisällöstä: mitä korkeampi se on, sitä heikompi liekin stabiilius, sitä suurempi sen läpinäkyvyys ja päinvastoin.

Kaasun polttoperiaate α 1: llä< 1,0 является п р о м е ж у т о ч н ы м (между кинетическим и диффузионным). С учетом этого принципа конструируются все kaasulaitteet ruiskutuspolttimilla. Tällaisissa polttimissa seoksen primaarisen ilman pitoisuus otetaan kaasutyypistä riippuen niin, että:

• liekissä ei ollut nokihiukkasia;
• palamisen vakaus varmistettiin muuttamalla lämpötehoa käytännössä välttämättömissä rajoissa.

Hajautusperiaatteella (α 1 = 0) palamis- ja sekoitusprosessit kehittyvät rinnakkain. Koska sekoitusprosessit etenevät paljon hitaammin kuin palamisprosessit, palamisen nopeus ja täydellisyys määräytyvät kaasun ja ilman sekoittamisen nopeuden ja täydellisyyden mukaan. Tässä tapauksessa kaasun sekoittuminen ilmaan voi tapahtua diffuusion avulla (joko hitaasti molekyylinen tai turbulentti, mukaan lukien molekyyli viimeisenä vaiheena). Näin ollen palamisnopeus ja diffuusioliekin rakenne eroavat toisistaan.

Tällaisen palamisen ominaisuudet:

• liekin stabiilisuus, kun lämpöteho muuttuu nollasta suurimpaan mahdolliseen erotusolosuhteiden mukaan;
• lämpötilojen pysyvyys koko liekin korkeudella;
• kyky jakaa se suurille mielivaltaisille pinnoille;
• polttimien kompakti ja yksinkertainen valmistus;
• liekin huomattava korkeus ja pyrolyyttisten prosessien väistämättömyys, joka johtaa kirkkaan nokiliekin muodostumiseen.

Riisi. 8.11. Vapaa liekkirakenne:
a - laminaariliekki; b - myrskyisä liekki

Diffuusiopoltto voidaan muuttaa kineettiseksi tai välipolttoon, jos sekoittaminen on ennen palamisprosesseja. Käytännössä tämä voidaan saavuttaa pakotetulla ilmansyötöllä, mikä johtaa lähes homogeenisen kaasu-ilma-seoksen muodostumiseen, jonka α 1> 1,0 palaa läpinäkyvässä liekissä.

Palamisperiaatteiden havainnollistamiseksi kuva. 8.11. vapaiden soihdutusten kaaviot on annettu: laminaarinen ja turbulentti. Laminaarinen taskulamppu syntyy kaasun ja ilman keskinäisen molekyylidiffuusion vuoksi. Kartiomaisen ytimen 1 sisällä on puhdasta kaasua, joka virtaa ulos putkesta laminaarivirtauksena. Alueella 2 - kaasun ja palamistuotteiden seos, vyöhykkeellä 3 - palamistuotteiden ja ilman seos. Raja 4 on sileä kartiomainen liekkirintama, johon ilmamolekyylit diffundoituvat ulkopuolelta ja kaasumolekyylit sisäpuolelta. Palamistuotteet diffundoituvat osittain kaasua kohti ja lämmittävät sitä voimakkaasti esiliekkivyöhykkeellä. Tämä johtaa hiilivetyjen pyrolyysiin ja nokihiukkasten muodostumiseen, jotka antavat liekille kirkkaan kirkkauden.

Palamista voidaan tehostaa sekoittamalla virtoja turbuloimalla. Turbulenttisella liekillä ei ole selkeää kartiomaista palamisrintamaa, se on "sumea" ja sirpaleiden sirpaleista yksittäisiksi hiukkasiksi.

Liekkirakenne koostuu puhtaasta kaasusydämestä 1, suhteellisen hitaasta palamisvyöhykkeestä 2, voimakkaimman palamisen 3 diffuusivyöhykkeestä, jossa on paljon palamistuotteita, ja palovyöhykkeestä 4, jossa on vallitsevaa ilmaa. Vyöhykkeiden välillä ei ole selkeästi määriteltyjä rajoja; ne muuttuvat jatkuvasti virtauksen turbulenssista riippuen. Turbulentti taskulamppu sisältää:

• palamisprosessin kulku lähes koko tilavuudessa;
• palamisen voimakkuuden lisääminen;
• liekin korkea läpinäkyvyys;
• sen alhaisempi erotuskestävyys.

Kaasun turbulenttista palamista käytetään laajalti erilaisten kattiloiden ja uunien uuneissa. Palamisprosessin tehostamiseksi käytetään sekä luonnollista (nopeiden nopeuksien vuoksi) että keinotekoista virtausta, esimerkiksi pyörittämällä ilmavirtaa ja syöttämällä siihen ohuita kaasusuihkuja eri kulmista.

8.11. EHDOT Epätäydellisen palamisen tuotteiden valmistamiseksi ja haitallisten aineiden pitoisuuden vähentämiseksi niissä

Palavia kaasuja poltettaessa palamistuotteet voivat sisältää sekä täydellisiä (hiilidioksidi ja vesihöyry) että epätäydellisiä palamiskomponentteja (hiilimonoksidia, vetyä, tyydyttymättömiä, tyydyttyneitä, aromaattisia hiilivetyjä ja nokihiukkasia). Lisäksi typen oksideja löytyy aina palamistuotteista. Epätäydellisen palamisen tuotteiden esiintyminen merkittävissä pitoisuuksissa ei ole hyväksyttävää, koska se johtaa ilmakehän saastumiseen myrkyllisillä aineilla ja kaasupolttoaineella toimivien laitteiden tehokkuuden heikkenemiseen.

Tärkeimmät syyt niiden korkeaan sisältöön:

• kaasujen palaminen riittämättömän ilman kanssa;
• palavien kaasujen ja ilman huono sekoittuminen ennen palamista ja sen aikana;
• liekin liiallinen jäähdytys, kunnes palamisreaktiot ovat täydelliset.

Metaanin osalta palamisreaktiot (riippuen happipitoisuudesta reagoivassa seoksessa) voidaan kuvata seuraavilla yhtälöillä:

CH4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 + 800,9 MJ / mol

stökiometrisellä suhteella tai ylimäärällä hapetinta;

CH 4 + O 2 = CO + H 2 + H 2 O + Q ja CH 4 + 0,5 O 2 = CO + 2H 2 O + Q

hapettavan aineen puuttuessa.

Riisi. 8.12. Välipalotuotteet

Riisi. 8.13. Ensisijainen ilman sisältö,
joka estää muodostumisen
keltaiset kielet liekissä
Kaasu: 1 - koksiuuni;
2 - maakaasukentät;
3 - öljykentät;
4 - propaani; 5 - butaani

Kuviossa 1 8.12 esittää likimääräisen keskimääräisen koostumuksen joistakin välituotteista - vety, hiilimonoksidi, etyleeni, asetyleeni ja suhteellisen pieni määrä tyydyttyneitä ja yksinkertaisimpia aromaattisia yhdisteitä - ja hiilidioksidista, joka syntyy liekissä maakaasun diffuusipolton aikana (97%). Kaasun polttaminen suoritettiin laminaarisessa liekissä, kaasu virtasi ulos putkesta, jonka halkaisija oli 12 mm. Liekin kokonaiskorkeus on 130–140 mm.

Vedyn ja asetyleenin maksimipitoisuus saavutetaan suunnilleen samalla liekkikorkeudella; ne katoavat melkein samanaikaisesti hehkuvan liekkivyöhykkeen yläosassa. Kaikista liekissä muodostuvista väliyhdisteistä (lukuun ottamatta nokihiukkasia) häviää viimeiseksi hiilimonoksidi. Tämä antaa syyn arvioida kaasun palamisen täydellisyyttä sen indeksin perusteella. Palamistuotteet sisältävät aina typen oksideja, joiden suurin pitoisuus esiintyy hiilimonoksidin ja vedyn voimakkaan palamisen alueilla.

Hiilivetykaasujen palaminen, josta puuttuu hapettava aine, muodostaa nokihiukkasia, jotka antavat liekille keltaisen värin. Noen palaminen etenee vaiheittain ja on suhteellisen hidasta. Joskus muodostuneiden nokihiukkasten palaminen viivästyy ja voi pysähtyä kokonaan tullessaan polttimen matalan lämpötilan alueelle tai kun liekki pesee lämmönvaihtopinnat. Siten hehkuva liekki osoittaa aina pyrolyyttisten prosessien esiintymisen ja palamisen kemiallisen epätäydellisyyden mahdollisuuden erityisesti pienikokoisissa suojatuissa kattilauuneissa.

Nokihiukkasten muodostuminen estetään esisekoitamalla hiilivetykaasut riittävän määrän hapettimen kanssa. Primaarisen ilman pitoisuus seoksessa, jossa syntyy läpinäkyvä liekki, ei riipu pelkästään hiilivetyjen tyypistä vaan myös olosuhteista, joissa ne sekoitetaan toisioilman kanssa (polttimien sytytyskanavien halkaisija) (kuva 8.13) ). Rajalla ja käyrien yläpuolella liekki on läpinäkyvä, ja käyrien alapuolella on keltaisia ​​kieliä. Käyrät osoittavat, että primäärisen ilman pitoisuus seoksessa kasvaa, kun hiiliatomien määrä molekyylissä ja polttimien sytytyskanavien halkaisija lisääntyvät. Seoksen primäärisen ilman ylimäärän α 1 kerroin, josta keltaiset liekit häviävät, ilmoitettujen tekijöiden mukaan, voidaan määrittää pienille polttimien sytytyskanaville:

α 1 = 0,12 (m + n / 4) 0,5 (d k / d 0) 0,25 (8,35)

jossa m ja n ovat hiili- ja vetyatomien lukumäärä molekyylissä tai niiden keskimääräinen lukumäärä monimutkaiselle kaasulle; d k - polttimen sytytyskanavien halkaisija, mm; d 0 - poltinkanavan viitehalkaisija (1 mm).

Palamisen täydellisyyden varmistaminen sisään käytännön olosuhteet- Tehtävä on melko monimutkainen, ei pelkästään kaasun palamisperiaatteen mukaan vaan myös liekin kehittymisen edellytyksistä uunin tilavuudessa. Palamisen täydellisyydelle asetetaan korkeimmat vaatimukset kodinkoneet ja muut laitokset, jotka poistavat palamistuotteita ilmakehään. Kaasun polttaminen tällaisissa laitoksissa on vaikeinta, koska se liittyy kylmien lämmönvaihtopintojen syttymiseen. Kaasun polttamiseen kotitalouksien uuneissa käytetään ruiskutuspolttimia, jotka muodostavat homogeenisen seoksen, jossa on liiallinen ensiöilman kerroin α 1< 1. Недостающий для сгорания газа воздух поступает за счет диффузии из окружающей атмосферы.

Riisi. 8.14. Hiilimonoksidin pitoisuus
palamistuotteissa kaasuliedessä
a - poltin, jossa on toissijainen ilmansyöttö;
b - keskus- ja perifeerinen toissijainen ilmansyöttö
1 - maakaasu, poltin oheislaitteella
toissijainen ilma, etäisyys astioiden pohjaan 25 mm;
2–4 - maakaasu, poltin, jossa on oheislaite ja
toissijaisen ilman keskitetty syöttö, etäisyys
astian pohjaan, mm: 2-25, 3-18, 4-10;
5 – nesteytettyä kaasua, poltin keskellä ja oheislaitteella
toissijainen ilmansyöttö, etäisyys astioiden pohjaan 25 mm;
6 - nestekaasu, poltin, jossa on oheisvirta

Kuviossa 1 8.14 esittää kaavioita kotitalouksien 2-polttimisista polttimista kaasuliedet ja hiilimonoksidin CO keskimääräinen pitoisuus luonnollisen metaanin (95 tilavuus-%) ja propaanin (93 tilavuus-%) palamistuotteissa nimellislämpötehoisten polttimien käytön aikana. Ero polttimien välillä on, että toissijaista ilmaa syötetään toiselle vain kehältä ja toiselle - sekä kehältä että keskikanavalta.

Kaasun palamisen täydellisyys riippuu seoksen primäärisen ilman liiallisesta suhteesta, etäisyydestä polttimen sytytyskanavista keittoastian pohjaan, palavan kaasun tyypistä ja toissijaisen ilman syöttötavasta. Samaan aikaan seoksen primäärisen ilman pitoisuuden lisääntyminen sekä etäisyyden lisääntyminen polttimesta astioiden pohjaan johtavat hiilimonoksidin pitoisuuden laskuun palamistuotteissa. Hiilimonoksidin vähimmäiskonsentraatio vastaa ensisijaisen ilman liiallista kerrointa α 1 = 0,6 ja enemmän ja etäisyyttä polttimesta keittoastian pohjaan 25 mm, ja suurin - α 1 = 0,3 ja alle ja etäisyys poltin keittoastian pohjaan 10 mm. Lisäksi polttimien lämpötehon lisääntyminen 15–20% kaasunpaineen nousun seurauksena johtaa hiilimonoksidipitoisuuden nousuun palamistuotteissa 1,2–1,3 kertaa ja palamislämmön vuoksi kaasua - 1,5–2 kertaa.

Aromaattisten yhdisteiden - bentseenin, polysyklisen bentspyreenin, antraseenittömän jne. - esiintymiseen palamisprosessissa on kiinnitettävä erityistä huomiota, koska jotkut niistä ovat syöpää aiheuttavia. Niiden muodostumisprosessi on hyvin monimutkainen ja etenee vaiheittain. Ensimmäisessä vaiheessa esiintyy asetyleeniä ja sen johdannaisia. Liekivyöhykkeellä näille aineille tehdään ketjunpidennysprosesseja, joissa kolminkertaiset hiilisidokset järjestetään uudelleen kaksoissidoksiksi. Syklisaation ja dehydraation seurauksena ne johtavat erilaisten aromaattisten yhdisteiden, myös polysyklisten, muodostumiseen.

Taulukko 8.16. Hiilimonoksidin ja bents (a) pyreenin keskimääräinen pitoisuus palamistuotteissa, riippuen kaasun tyypistä, polttimen tyypistä ja ylimääräisen ensiöilman suhteesta (polttimen lämpökuorma - 1600 kcal / h, etäisyys polttimesta pohjaan) astia - 24-26 mm)

Taulukon tiedot. 8.16 osoittavat, että poltettaessa maakaasuja, joiden ensiöilman ylitekijä α 1 = 0,6 ja suurempi molemmilla polttimilla, hiilimonoksidin pitoisuus palamistuotteissa täyttää GOST 5542-87 vaatimukset.

Taulukko 8.17. Yksirivisten ruiskutuspolttimien sytytyskanavien reunojen välinen etäisyys niiden koon ja ensiöilman ylimäärän mukaan

Tutkimukset ovat osoittaneet, että polttokanavien reunojen väliset etäisyydet, jotka varmistavat liekin nopean etenemisen ja estävät niiden sulautumisen, riippuvat niiden koosta ja seoksen primaarisen ilman sisällöstä ja pienenevät sen kasvaessa. Optimaaliset etäisyydet Taulukossa on esitetty kanavien reunojen välinen kaasun palamisen täydellisyys ja liekin nopea eteneminen. 8.17. Kun ampumakanavat on järjestetty kahteen riviin shakkilautakuviona, reunojen väliset etäisyydet voidaan ottaa saman taulukon mukaisesti. Tässä tapauksessa rivien välisen etäisyyden tulisi olla 2-3 kertaa suurempi kuin kanavien välinen etäisyys.

Riisi. 8.15. Hiilimonoksidin, asetyleenin,
etaania, etyleeniä ja bents (a) pyreeniä palamistuotteissa
keskipaineinen kaasu ruiskutuspolttimessa

Lukuisten kokeellisten tietojen yleistäminen mahdollisti eri komponenttien palamistuotteiden pitoisuuksien keskiarvokäyrien saamisen, jotka kuvaavat laadullisesti ja määrällisesti palamisprosessia (kuva 8.15). Homogeenisen kaasu-ilma-seoksen täydellinen palaminen saavutetaan vain ylimäärin primaarista ilmaa α = 1,05 ja enemmän. Seoksen ilmanpitoisuuden vähenemisen kanssa, etenkin kohdassa α< 1,0, возрастает концентрация оксида углерода СО, ацетилена С 2 Н 2 , этилена С 2 Н 4 , пропилена С 3 Н 6 и пропана С 3 Н 8 , а также бенз(а)-пирена С 20 Н 9 . Также возрастает концентрация и других компонентов - водорода, бензола и др.

Epätäydellisten palamistuotteiden lisäksi kaasua poltettaessa esiintyy aina tietty määrä typen oksideja, joiden muodostuminen tapahtuu korkean lämpötilan vyöhykkeillä sekä pääpalamisreaktioiden päätyttyä että palamisen aikana. Suurin NO x -pitoisuus saavutetaan loppuvaiheessa, mikä vastaa kaasun palamista ja välituotteiden voimakasta palamista vedyn ja hiilimonoksidin muodossa.

Kaasu-ilma-seosten palamisen ensisijainen yhdiste on typpioksidi. Ketjureaktion alku liittyy atomihappeen, joka syntyy korkean lämpötilan vyöhykkeillä molekyylihapen hajoamisen vuoksi:

О 2 - ›2О - 490 kJ / mol (8.36)

О + N 2 - ›NO + N - 300 kJ / mol (8.37)

N + О 2 - ›2NO + 145 kJ / mol (8.38)

Tasapainoreaktio

N 2 + О 2 - ›2NO - 177 kJ / mol (8,39)

Atomihapen muodostuminen tapahtuu myös palamistuotteiden osittaisen hajoamisen aikana: lämpötilan laskiessa ja hapen läsnä ollessa osa muodostuneesta typpioksidista (1–3 tilavuusprosenttia) hapetetaan typpidioksidiksi NO 2. Reaktio etenee voimakkaimmin sen jälkeen, kun typpioksidi on vapautunut ilmakehään. Tärkeimmät vaikuttavat tekijät:

• lämpötila reaktiovyöhykkeillä;
• ylimääräinen ilman suhde ja reagoivien komponenttien kosketusaika.

Liekin lämpötila riippuu kaasun kemiallisesta koostumuksesta, kaasun ja ilman seoksen ilmanpitoisuudesta, sen homogeenisuudesta ja lämmönpoistosta reaktioalueelta. Suurin mahdollinen typpioksidipitoisuus tietyssä lämpötilassa, tilavuuspr. % voidaan laskea kaavalla

EI p = 4.6е -2150 / (RT) / √О 2 N 2 (8.40)

jossa NO p on typpioksidin tasapainokonsentraatio, vol. %; R on universaali kaasuvakio; T on absoluuttinen lämpötila, K; 02 ja N2 - pitoisuus, tilavuus %, happea ja typpeä.

Suuri typpioksidipitoisuus, joka on tasapainossa tasapainon kanssa, syntyy, kun kaasua poltetaan tehokkaiden höyrystimien uuneissa ja korkean lämpötilan avotuleissa, koksiuuneissa ja vastaavissa uuneissa. Pienen ja keskisuuren tehon kattiloissa, pienissä lämmitys- ja lämpöuunissa, joissa on merkittävä lämmönpoisto ja komponenttien lyhyt viipymisaika korkeissa lämpötiloissa, typpioksidin saanto on suuruusluokkaa pienempi. Lisäksi mitä lyhyempi reagoivien komponenttien viipymisaika korkean lämpötilan vyöhykkeellä, sitä vähemmän typen oksidia palamistuotteissa.

Kaasun polttaminen säteilypolttimissa ja leijukerroksessa on myös tehokasta: näissä tapauksissa homogeenisen kaasu-ilma-seoksen, jossa on ylimääräinen ilman suhde α = 1,05, mikroliekin palaminen tapahtuu erittäin intensiivisellä lämmönpoistolla reaktioalueelta. Typpioksidien pitoisuus säteilypolttimissa kaasun palamisen aikana on noin 40 ja leijukerroksessa - 80-100 mg / m 3. Leijukerroksen säteilevien polttimien ja tulenkestävien jyvien sytytyskanavien koon pienentäminen auttaa vähentämään typen oksidien saantia.

Kertyneet tiedot mahdollistivat useita muutoksia kattila- ja lämmityslaitteiden suunnitteluun, mikä varmisti paitsi tehokkuuden ja epätäydellisten palamistuotteiden alhaisen pitoisuuden, myös typen oksidien vähäisemmän pääsyn ilmakehään. Näitä muutoksia ovat:

• lyhentää korkean lämpötilan tunneleiden pituutta ja siirtää palaminen niistä uuneihin;
• palamisen stabilointiaineiden käyttö bluffikappaleiden tai rengasmaisen liekin muodossa keraamisten tunneleiden sijasta;
• tasaisen liekin taskulampun järjestäminen suuremmalla lämmönsiirtopinnalla;
• liekin levittäminen lisäämällä polttimien määrää tai käyttämällä lohkopoltinta;
• vaiheittainen ilmansyöttö reaktioalueelle;
• lämmön virtausten tasainen jakautuminen tulipesään, tulipesien seulonta ja niiden jakaminen osastoihin, joissa on seulat;
• kaasun polttamisen diffuusioperiaatteen soveltaminen (diffuusiopoltto on sallittu vain tapauksissa, joissa liekin vapaa kehitys voidaan varmistaa ilman lämmönvaihtopintojen pesua).

Tehokkain typen oksidien saannon väheneminen saavutetaan käyttämällä useita menetelmiä samanaikaisesti.

Kaasun polttaminen on yhdistelmä seuraavista prosesseista:

Palavien kaasujen sekoittaminen ilman kanssa,

Seoksen lämmittäminen,

Palavien komponenttien lämpöhajoaminen,

· Palavien komponenttien syttyminen ja kemiallinen yhdistelmä ilmakehän hapen kanssa, johon liittyy poltin ja voimakas lämmön vapautuminen.

Metaanin palaminen tapahtuu reaktion mukaan:

CH4 + 2O 2 = CO 2 + 2 H 2O

Kaasun polttamiseen vaadittavat olosuhteet:

Varmistetaan vaadittu palavien kaasujen ja ilman suhde,

· Lämmitys syttymislämpötilaan.

Jos kaasu-ilma-seoksen kaasu on alle syttymisrajan, se ei pala.

Jos kaasu-ilmaseos sisältää enemmän kaasua kuin syttymisraja, se ei pala kokonaan.

Täydellisen kaasun palamistuotteiden koostumus:

CO 2 - hiilidioksidi

H 2 O - vesihöyry

* N 2 - typpi (se ei reagoi hapen kanssa palamisen aikana)

Kaasun epätäydellisen palamisen tuotteiden koostumus:

CO - hiilimonoksidi

· C - noke.

1 m 3 maakaasun polttaminen vaatii 9,5 m 3 ilmaa. Käytännössä ilman kulutus on aina suurempi.

Asenne todellinen kulutus ilmaa teoreettisesti vaaditut menot kutsutaan ylimääräisen ilman suhteeksi: α = L / L t.,

Missä: L - todellinen kulutus;

L t on teoriassa vaadittu virtausnopeus.

Ylimääräinen ilman suhde on aina suurempi kuin yksi. Maakaasun osalta se on 1,05 - 1,2.

2. Käyttövedenlämmittimien tarkoitus, laite ja pääominaisuudet.

Virtaavat kaasulämmittimet. Suunniteltu lämmittämään vettä tietty lämpötila vedenotossa .. Välittömät vedenlämmittimet on jaettu lämpötehon kuormituksen mukaan: 33600, 75600, 105000 kJ, automaatioasteen mukaan - korkeimpiin ja ensimmäisiin luokkiin. Tehokkuus d. vedenlämmittimistä 80%, oksidipitoisuus on enintään 0,05%, katkaisimen takana olevien palamistuotteiden lämpötila on vähintään 180 ° C.Periaate perustuu veden lämmittämiseen vedenottoajan aikana.

Lämminvesivaraajan pääyksiköt ovat: kaasupoltin, lämmönvaihdin, automaatiojärjestelmä ja kaasun ulostulo. Kaasu alhainen paine syötetään ruiskutuspolttimeen. Palamistuotteet kulkevat lämmönvaihtimen läpi ja johdetaan savupiippuun. Palamislämpö siirtyy lämmönvaihtimen läpi virtaavaan veteen. Palokammion jäähdyttämiseen käytetään kelaa, jonka läpi vesi kiertää lämmittimen läpi. Kaasuvirtauksen vedenlämmittimet on varustettu kaasun ulostulolaitteilla ja luistonestolaitteilla, jotka lyhyen aikavälin vian sattuessa estävät kaasupoltinlaitteen liekin sammumisen. Savupiippuun liittämistä varten on savuputki.

Kaasu hetkellinen vedenlämmitin- HPG. Kotelon etuseinässä on: kaasuventtiilin säätönuppi, painike magneettiventtiilin kytkemiseksi ja tarkasteluikkuna ohjaus- ja pääpolttimien liekin tarkkailuun. Laitteen yläosassa on savunpoistolaite, alaosassa on suuttimet laitteen liittämiseksi kaasu- ja vesijärjestelmään. Kaasu tulee sisään magneettiventtiili, vesi-kaasupoltinyksikön kaasun sulkuventtiili kytkee sytytyspolttimen päälle ja syöttää kaasua pääpolttimeen.

Kaasuvirran estäminen pääpolttimeen, milloin pakollista työtä sytytin, suoritetaan magneettiventtiilillä, joka saa virtaa termoparista. Pääpolttimen kaasunsyötön estäminen vedenoton saatavuudesta riippuen suoritetaan venttiilillä, joka on vedetty sauvan läpi vesilukkoventtiilin kalvosta.