Назначением каждого топливосжигающего устройства является превращение химической энергии топлива в тепловую энергию продук­тов сгорания и использование последней для передачи другим рабочим телам в парогенераторах с превращением в механическую энергию в газовых турбинах и для создания тяги в реактивных двигателях и т. д. В парогенераторах топливосжигающее устройство — камерная топка одновременно является теплообменным устройством, в котором до 50% всего выделяющегося тепла передается рабочему телу — пару и воде.

Основой процесса горения топлива в камерной топке являются химические реакции его горючих элементов с кислородом, причем эти реакции протекают в потоке и в сложных условиях в сочетании с рядом физических процессов, накладывающихся на основной химический процесс. Такими процессами являются: движение подаваемых в топоч­ную камеру составляющих горючую смесь газовых и твердых или жид­ких диспергированных веществ в системе струй и потоков в ограничен­ном пространстве топочной камеры с развитием вторичных, в том числе и вихревых, течений, в совокупности образующих сложную структуру аэродинамики топки; конвективный перенос, турбулентная и молекуляр­ная диффузия исходных веществ и продуктов реакции в газовом потоке, а при сжигании твердых и жидких топлив также перенос газовых реа­гентов к диспергированным частицам; передача тепла, выделяющегося в ходе химических реакций, в газовом потоке и от газовой среды к экранным поверхностям, размещаемым в топочной камере.

Каждый из этих процессов, даже в условиях отсутствия химических источников тепла, является сложным, а их исследование — еще не полностью решенной самостоятельной задачей.

Процесс сжигания в топочных устройствах энергетических пароге­нераторов связан с (подготовкой топлива и окислителя к сжиганию и сопровождается сопутствующими явлениями. Например, при сжига­нии твердых топлив последние подвергаются сушке и размолу, а воздух, применяемый как окислитель — высокому нагреву. Сопутст­вующими процессами, в частности, являются шлакование топочной камеры и образование на конвективных поверхностях нагрева связан­ных отложений, а при сжигании мазутов — образование токсичных окислов и коррозия экранных поверхностей. Образование токсичных окислов наблюдается также при сжигании природных газов и относи­тельно сухих каменных углей.

Топочный процесс усложнен по сравнению с собственно процессом горения и включает также процессы, связанные с поведением мине — 4

Ральной части топлива при горении и с протеканием явлений, сопут­ствующих горению.

Процесс горения является нестационарным по интенсивности, ки­нетике и динамике протекания химических и физических процессов и в топочной камере ограничен весьма кратким временем пребывания в ней горючей смеси. В камере сгорания процессы протекают в условиях непрерывного изменения полей температур, концентраций, скоростей и химического состояния реагирующих веществ. В этих условиях процесс математически может быть описан сложной системой нелинейных дифференциальных уравнений. Аналитическое решение этих уравнений с учетом всей сложной совокупности явлений процесса горения в усло­виях, близких к топочным, не (представлялось возможным. Вынужден­но принимаемые упрощения вносили существенные искажения в полу­чаемые результаты, которые зачастую расходились с практикой топли — восжигания.

Одной из основных задач теории горения является изучение роли физических процессов (массо — и теплообмена, характера движения газов, аэродинамики, теплового и воздушного режимов топки) в про­текании химических реакций горения для того, чтобы физические процессы организовать таким образом, чтобы они наиболее благо­приятствовали протеканию реакций горения и топочного процесса в целом.

Поэтому наряду с изучением природы и свойств топлива, а также кинетики химических реакций горения при исследовании топочных процессов следует обращать особое внимание также на физику горения и учитывать условия протекания сопутствующих явлений.

За последние 30—40 лет теория горения получила широкое развитие как в части изучения отдельных стадий, так и общих вопросов сложного физико-химического процесса горения и превратилась в самостоятель­ную науку. В теорию горения и топочных процессов значительный вклад внесен работами академиков Н. Н. Семенова, Я. Б. Зельдовича, член — корр. АН СССР А. С. Предводи тел ев а, Л. Н. Хитрина, проф. Д. А. Франк-Каменецкого, Г. Ф. Кнорре, Б. В. Конторовича, В. 6. Поме­ранцева, Л. А. Вулиса и др.

Однако развивающаяся теория горения из-за своей сложности, в значительной мере связанной с затруднениями в получении аналитиче­ских решений, а также недостаточной разработки применительно к топочным устройствам, мало применялась в практических задачах сжигания топлив, расчета и проектирования топочных устройств. В разработке новых топочных устройств преобладали опытный подход и интуитивные решения. Обычно рассчитывались воздушный и тепловой баланс и основные габаритные размеры топки на основе опытных дан­ных по допустимому тепловому напряжению объема и сечения топочных камер. Достаточно обстоятельно была разработана методика теплового расчета топки.

Ограниченное количество учебной литературы по теории горения и ее недостаточная связь с практикой сжигания топлив затрудняли изуче­ние этого курса.

Выпуск данной книги является попыткой внести вклад в решение этого вопроса. В настоящее время для этого имеются благоприятные условия — развитие вычислительной техники позволяет широко приме­нить математическое моделирование при решении сложных задач процессов горения с более полным учетом в математическом описании процессов реальных топочных условий.

В предлагаемой вниманию читателей книге процесс сжигания в топочных устройствах рассматривается в совокупности и взаимном со­четании процесса химического реагирования в пламени с аэродинами­кой, воздушным и тепловым режимом топки. Вместе с этим ставится задача отыскания таких ‘методов организации топочного процесса, при которых названные физические процессы наиболее благоприятствовали химическому реагированию топлива, интенсификации теплопередачи и устранению процессов шлакования и образования токсичных окислов. Далее задача переходит в конструктивную разработку горелочных и топочных устройств, в которых был бы осуществлен рассматриваемый метод сжигания. При этом большое внимание должно уделяться ра­циональному конструктивному выполнению, так как неоправданно сложные конструкции менее надежны и менее экономичны.

В книге обобщаются вопросы теории горения применительно к топочным процессам и в особенности к технике пылесжигания, основные положения и опыт разработки рациональных методов сжигания, спосо­бов конструктивного оформления и режимного их осуществления. На­мечены направления использования теоретических основ топочных процессов и результатов накопленного опыта камерного сжигания в разработке и рационализации топочных устройств парогенераторов в связи с переходом к более мощным блокам и освоением новых место­рождений энергетических топлив.

В книге материал распределен следующим образом. В гл. 1—3 изло­жены основные свойства и характеристики энергетических топлив, тер­мохимия реакций горения, материальный и тепловой баланс процесса горения. Прежде чем приступить к изучению процессов горения различ­ных видов топлив (газовых, твердых и жидких), представлялось целе­сообразным кратко рассмотреть наиболее общие стадии и стороны сложного физико-химического процесса горения, какими являются: равновесие и кинетика химических реакций горения, самовоспламенение; турбулентный массо — и теплообмен в потоке, распространение турбулен­тных струй и системы струй. Рассмотрению этих вопросов /посвящены гл. 4—7. В гл. 8—10 рассматривается теория горения газообразных и жидких топлив, а в гл. 11 —практика сжигания этих топлив, газомазут­ные топочные и горелочные устройства.

Глава 15 является подготовительной для изучения сложных процес­сов горения частицы твердого топлива и угольной пыли в факеле. В ней изложены основные особенности реакций взаимодействия углерода с газами, особенности горения углеродных частиц с рассмотрением от­дельных стадий горения (выход и горение летучих, внутреннее реагиро­вание, взаимосвязь и влияние диффузионных и кинетических процессов, вторичные реакции), а также общая теория гетерогенного процесса.’ Этот материал использован в гл. 16, в которой дана теория горения пыле — зидных топлив с последовательным рассмотрением горения частицы, монофракционной и полифракционной пыли.

Далее, в гл. 17—21 рассматриваются методы сжигания и топочные и горелочные устройства для пылевидных топлив с твердым и жидким шлакоудалением. Эти главы написаны Д. М. Хзмаляном.

В книге значительное внимание уделено процессам механической и тепловой подготовки твердых топлив к сжиганию: схемам и устройст­вам сушильно-мельничных систем, процессу пылеприготовления и эле­ментам системы пылеприготовления; приводится методика расчета мель­ничных устройств. Главы 12—14, посвященные этим вопросам, написаны Я. А. Каганом.