ТЕОРІЯ ГЕТЕРОГЕННОГО ГОРІННЯ
При горінні твердого палива самої хімічної реакції передує процес підведення окислювача до поверхні, що реагує. Отже, процес горіння твердого палива є складним гетерогенним фізико-хімічним процесом, що складається з двох стадій: підведення кисню до поверхні палива турбулентною та молекулярною дифузією та хімічної реакції на ній.
Розглянемо загальну теорію гетерогенного горіння з прикладу горіння сферичної частки вуглецю, приймаючи такі умови. Концентрація кисню по всій поверхні частки однакова; швидкість реагування кисню з вуглецем пропорційна концентрації кисню біля поверхні, т. е. має місце реакція першого порядку, що з гетерогенних процесів найімовірніше; реакція протікає поверхні частинки з утворенням кінцевих продуктів згоряння, а вторинні реакції обсягом, і навіть поверхні частинки відсутні.
У такій спрощеній обстановці швидкість горіння вуглецю можна уявити залежить від швидкості двох основних його стадій, а саме від швидкості підведення кисню до міжфазної поверхні і від швидкості самої хімічної реакції, що протікає на поверхні частинки. В результаті взаємодії цих процесів настає динамічно, рівноважний стан між кількістю кисню, що доставляється дифузією і витрачається на хімічне реагування при певній величині його концентрації на поверхні вуглецю.
Швидкість хімічної реакції /(°2 г кисню/(см2-с), яка визначається
Як кількість кисню, що споживається одиницею реакційної поверхні за одиницю часу, може бути виражена в наступному вигляді:
К - константа швидкості хімічної реакції;
Св - концентрація кисню на поверхні частки.
З іншого боку,швидкість горіння дорівнює питомому потоку ки
Слороду до поверхні, що реагує, що доставляється дифузією:
Пекло--коефіцієнт дифузійного обміну;
З - концентрація кисню в потоці, в якому згоряє частка вуглецю.
Підставивши значення Св, знайдене з рівняння (15-1), рівняння (15-2), отримаємо наступний вираз для швидкості гетерогенного горіння через кількість кисню, споживаного одиницею поверхні частки за одиницю часу:
Можна вираз (15-3) подати у вигляді
/ -£, тому у формулі (15-3) величиною 1/ад можна знехтувати порівняно з 1/& і тоді отримаємо:
Мал. 15-1. Області протікання
Різні сфери протікання гетерогенного горіння графічно зображені на рис. 15-1. Кінетична область I характеризується кривою 1, яка показує, що зі зростанням температури швидкість горіння різко зростає згідно із законом Арреніуса.
1, 1' - кінетична; 2, 2' - проміжна; 3, 3 '-дифузійна.
При деякій температурі швидкість хімічної реакції стає порівнянною зі швидкістю доставки кисню до реакційної поверхні і швидкість горіння стає залежною не тільки відшвидкості хімічної реакції, а й від швидкості доставки кисню. У цій галузі, що називається проміжною (рис. 15-1, область II, крива 1-2), швидкості протікання цих двох стадій можна порівняти, жодної з них не можна знехтувати і тому швидкість процесу горіння визначається формулою (15-3). Зі збільшенням температури швидкість горіння збільшується, але меншою мірою, ніж у кінетичній області, причому зростання її поступово сповільнюється і, нарешті, досягає свого максимуму при переході в дифузну область (рис. 15-1, область III, крива 2-3), залишаючись далі не залежить від температури. При більш високих температурах у цій галузі швидкість хімічної реакції настільки зростає, що кисень, що доставляється дифузією, миттєво вступає в хімічну реакцію, в результаті чого концентрація кисню на поверхні стає практично рівною нулю. У формулі (15-3) можна знехтувати значенням 1/& порівняно з 1/пекло, тоді отримаємо, що швидкість горіння визначається швидкістю дифузії кисню до реакційної поверхні, т. е.
І тому ця галузь горіння називається дифузійною. У дифузійній області швидкість горіння практично залежить від властивостей палива і температури. Вплив температури позначається лише зміні фізичних констант. У цій галузі на швидкість горіння сильно впливають умови доставки кисню, а саме гідродинамічні фактори: відносна швидкість газового потоку та розмір частинок палива. Зі збільшенням швидкості газового потоку та зменшенням розміру частинок, тобто з прискоренням доставки кисню, швидкість дифузійного горіння збільшується.
У процесі горіння встановлюється динамічна рівновага між хімічним процесом споживання кисню та дифузійним процесом його доставки за певної величиниконцентрації кисню у реакційної поверхні Концентрація кисню біля поверхні частинки залежить від співвідношення швидкостей цих двох процесів, при переважанні швидкості дифузії вона наближатися до концентрації в потоці, підвищення ж швидкості хімічної реакції викликає її зниження.
Процес горіння, що протікає в дифузійній ділянці, може перейти в проміжну (крива 1'-2') або навіть у кінетичну ділянку при посиленні дифузії, наприклад, при підвищенні швидкості потоку або зменшенні розміру частинки.
Таким чином, зі збільшенням швидкості газового потоку і при переході до дрібних частинок процес зсувається у бік кінетичного горіння. Зростання температури зрушує процес у бік дифузійного горіння (рис. 15-1, крива 2'-3').
Перебіг гетерогенного горіння у тій чи іншій області будь-якого окремого випадку залежить від даних конкретних умов. Основним завданням дослідження процесу гетерогенного горіння є встановлення областей перебігу горіння та виявлення кількісних закономірностей для кожної області.