Горіння - бистропротекающая хімічна реакція сполуки горючих компонентів з киснем, що супроводжується інтенсивним виділенням теплоти і різким підвищенням температури продуктів згоряння. Реакції горіння описуються т.зв. стехиометрическими рівняннями, що характеризують якісно і кількісно вступають в реакцію і утворюються в результаті її речовини. Загальне рівняння реакції горіння будь-якого вуглеводню
де m, n - число атомів вуглецю і водню в молекулі; Q - тепловий ефект реакції, або теплота згоряння.
Стехіометричний склад горючої суміші (від грец. Stoicheion - основа, елемент і грец. Metreo - вимірюю) - склад суміші, в якій окислювача рівно стільки, скільки необхідно для повного окислення палива.
Реакції горіння деяких газів наведені в табл. 8.1. Ці рівняння є балансовими, і по ним не можна судити ні про швидкість реакцій, ні про механізм хімічних перетворень.
Тепловий ефект (теплотою згоряння) Q - кількість теплоти, що виділяється при повному згорянні 1 кмоля, 1 кг або 1 м3 газу при нормальних фізичних умовах. Розрізняють вищу Qe і нижчу Qн теплоту згоряння: вища теплота згоряння включає в себе теплоту конденсації водяної пари в процесі горіння (в реальності при спалюванні газу водяні пари не конденсуються, а віддаляються разом з іншими продуктами згоряння). Зазвичай технічні розрахунки зазвичай ведуть по нижчій теплоті згоряння, без урахування теплоти конденсації водяної пари (близько 2400 кДж / кг).
ККД, розрахований по нижчій теплоті згоряння, формально вище, але теплота конденсації водяної пари досить велика, і її використання більш ніж доцільно. Підтвердження цьому - активне застосування в опалювальній техніці контактних теплообмінників, досить різноманітних по конструкції.
Таблиця 8.1. Реакції горіння та теплота згоряння сухих газів (при 0 ° С і 101,3 кПа)
Для суміші горючих газів вища (і нижча) теплота згоряння газів визначається по співвідношенню
де r1, r2. rn - об'ємні (атомні, масові) частки компонентів, що входять в суміш; Q1. Q2. Qn - теплота згоряння компонентів.
Скориставшись табл. 8.1, вищу і нижчу теплоту згоряння, кДж / м3, складного газу можна визначати за такими формулами:
Процес горіння протікає набагато складніше, ніж за формулою (8.1), так як поряд з розгалуженням ланцюгів відбувається їх обрив за рахунок утворення проміжних стабільних сполук, які при високій температурі зазнають подальші перетворення. При достатній концентрації кисню утворюються кінцеві продукти: водяна пара Н2 О і двоокис вуглецю СО 2. При нестачі окислювача, а також при охолодженні зони реакції, проміжні сполуки можуть стабілізуватися і потрапляти в навколишнє середовище.
Інтенсивність тепловиділення і зростання температури призводить до збільшення в реагує системі активних частинок. Такий взаємозв'язок ланцюгового реагування і температури, властива практично всім процесам горіння, привела до введення поняття цепочечную-теплового вибуху - самі хімічні реакції горіння мають ланцюговий характер, а їх прискорення відбувається за рахунок виділення теплоти і зростання температури в реагує системі.
Швидкість хімічної реакції в однорідної суміші пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин:
де С1 і С2 - концентрації реагуючих компонентів, кмоль / м 3; до - константа швидкості реакції, що залежить від природи реагуючих речовин і температури.
При спалюванні газу концентрації реагуючих речовин можна умовно вважати незмінними, так як в зоні горіння відбувається безперервний приплив свіжих компонентів однозначного складу.
Константа швидкості реакції (за рівнянням Арреніуса):
де К0 - предекспоненціальний множник, що приймається для біометричних гомогенних сумішей, = 1,0; Е - енергія активації, кДж / кмоль; R - універсальна газова постійна, Дж / (кг * К); Т - абсолютна температура, К (° С); е - основа натуральних логарифмів.
Предекспоненціальний множник К0 можна витлумачити як константу, яка відображатиме повноту зіткнення молекул, а Е - як мінімальну енергію розриву зв'язків молекул і утворення активних частинок, що забезпечують ефективність зіткнень. Для поширених горючих сумішей вона укладається в межах (80 ÷ 150) • 10 3 кДж / кмоль.
Рівняння (8.6) показує, що швидкість хімічних реакцій різко зростає зі збільшенням температури: наприклад, підвищення температури з 500 до 1000 К спричиняє підвищення швидкості реакції горіння в 2 × 10 4 ÷ 5 • 10 8 разів (в залежності від енергії активації).
На швидкість реакцій горіння впливає їх ланцюговий характер. Первоначалаьно генерується реакцією атоми і радикали вступають в з'єднання з вихідними речовинами і між собою, утворюючи кінцеві продукти і нові частинки, що повторюють ту ж ланцюг реакцій. Наростання генерування таких частинок призводить до «розгону» хімічних реакцій - фактично вибуху всієї суміші.
Високотемпературне горіння вуглеводнів має вельми складний характер і пов'язане з утворенням активних частинок у вигляді атомів і радикалів, а також проміжних молекулярних сполук. Як приклад наводяться реакції горіння найпростішого вуглеводню - метану:
1 Н + О2 -› ВІН + Про