Определение количества воздуха, необходимого для горения топлива

Горение — это химический процесс соединения горючего вещества и окислителя. Практически горение представляет собой окисление топлива кислородом воздуха. В результате горения выделяется определенное количество тепловой энергии и резко повышается температура.

Характерной особенностью горения является высокая скорость протекания окислительных реакций, при которых выделяемая теплота не успевает рассеиваться. Горение сложный процесс, при котором химические реакции сопровождаются такими физическими процессами, как перемешивание топлива и воздуха, диффузия, теплообмен. Различают, гомогенные, гетерогенные и взрывное горения. В первом случае топливо и окислитель находятся в газообразном состоянии, во втором вступающие в реакцию вещества находятся в различном агрегатном состоянии (например, в твердом или газообразном).

Процесс горения топлива может протекать как при недостатке, так и при избытке окислителя. Полное сгорание топлива происходит при стехнометрическом соотношении топлива, и окислителя, которые соответствуют химическим реакциям полного окисления горючих элементов.

Количество кислорода, теоретически необходимое для сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива, состава С, Н, S и О может быть подсчитано на основании уравнений реакций окисления (горения) элементов горючей массы топлива. Углерод реагирует с кислородом по уравнению С+О2=СО2 (12+32 > 44), то есть для сгорания 1 кг углерода необходимо 32/12=2,67 кг кислорода. Водород реагирует с кислородом в соответствии с уравнением 2Н2+О2=2Н2О (4+32 > 36). Значит, для сгорания 1 кг водорода необходимо 32/4=8кг кислорода.

Сера реагирует с кислородом по уравнению S+C2=SO2 (32+32 > 64), то есть для сгорания 1 кг серы требуется 32/32=1 кг кислорода. Значит, для полного сгорания 1 кг топлива рассматриваемого элементного состава (в массовых процентах) потребуется кислорода (кг).

O = (2,67C+8H+S-O)/100 (1.7).

Предполагается, что содержащийся в топливе кислород полностью затрачивается на горении. На практике при сжигании топлива подводится не чистый кислород, а воздух, в котором содержится лишь 23,2 процента кислорода по массе. В этом случае теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг топлива количество воздуха (кг) может быть определено по выражению:

Lтв = (2,67С+8Н+8-О)/23,2 (1.8).

В случае, когда количество воздуха определяют в объемных единицах, то выражение нужно разделить на плотность воздуха, равную 1,293 при нормальных условиях. Тогда теоретически необходимое количество воздуха (м) выразится так:

Lтв = (2,67C+8H+8-O)/30 (1.9).

Теоретически необходимое количество воздуха (м3) для сжигания газообразного топлива можно определить по известному объемному составу (%)газа при объемном содержании кислорода в воздухе, равном 21%:

Lтв = [0,5(СО+Н2)+(n+m/4)СnНm-O2]/21 (1.10).

где n — число атомов углерода; m — число атомов водорода.

В реальных условиях невозможно добиться полного сгорания топлива при подаче теоретически необходимого количества воздуха. Поэтому в двигателях внутреннего сгорания подают несколько большее по сравнению с теоретической раскладкой количество воздуха. Действительное количество воздуха при сгорании топлива подсчитывают с учетом коэффициента избытка воздуха а.

Lдв = Lтв · a (1.11).

Коэффициентом избытка воздуха, а называется отношение количества воздуха Lдв, действительно израсходованного на сгорание топлива, к количеству воздуха LTB, теоретически необходимого для полного сгорания топлива. Значение коэффициента избытка воздуха зависит от вида топлива, условий сжигания и конструкции двигателя и может составлять 0,85…1,5.

Снижение подачи воздуха по сравнению с оптимальной приводит к повышенному расходу топлива за счет неполного его сгорания. При чрезмерном увеличении подачи воздуха процесс сгорания также будет не оптимальным из-за потерь тепла на нагрев избыточного воздуха и снижении температуры горения.

Температурой горения топлива называют температуру, которую приобретают газообразные продукты сгорания в результате действия теплоты, выделяемой в процессе горения. Практический интерес представляет действительная температура горения, которая ниже теоретической в связи с отдачей, газами части тепла поверхности нагрева, а также из-за неполного сгорания самого топлива. Температуру горения измеряют при помощи различных приборов (термопары, пирометры и др.).