горение

ГОРЕНИЕ - протекание хим. реакции в условиях прогрессивного самоускорения, связанного с накоплением в системе теплоты или катализирующих продуктов реакции. При Г. могут достигаться высокие (до неск. тыс. градусов) темп-ры, причём часто возникает излучающая свет область - пламя.

Отличит. особенность Г.- протекание хим. реакций в условиях её самоускорения. Скорость хим. реакции резко возрастает с увеличением темп-ры и выделяющаяся в реакции теплота всё более её ускоряет. С другой стороны, возможно самоускорение вследствие лавинообразного роста (в процессе разветвлённо-цепной реакции) концентрации активных частиц - атомов или радикалов, стимулирующих хим. превращение (см. Взрыв ).Поэтому различают тепловое и цепное Г.

Основная и важнейшая особенность процесса Г.- способность к распространению в пространстве. Вследствие процессов переноса (диффузии и теплопроводности)теплота или активные центры, накапливающиеся в горящем объёме, могут передаваться в соседние участки горючей смеси и инициировать там Г. В результате возникает движущийся в пространстве фронт Г., его скорость и наз. линейной скоростью Г. Массовая скорость Г. , где - плотность исходной смеси. В отличие от детонации, где хим. реакция возникает в результате быстрого и сильного сжатия вещества ударной волной, скорость Г. невелика (10^-3-10 м/с), поскольку оно обусловлено сравнительно медленными процессами переноса. Если движение газовой среды турбулентно, то скорость Г. увеличивается вследствие турбулентного перемешивания.

В зависимости от агрегатного состояния исходного вещества и продуктов Г. различают три основных типа Г.: гомогенное Г., Г. взрывчатых веществ и порохов, гетерогенное Г.

Гомогенное горение. Исходные вещества и продукты при таком Г. находятся в одинаковом агрегатном состоянии. К этому типу относится Г. газовых смесей (природного газа, водорода и т. п. с окислителем - обычно кислородом воздуха), Г. негазифицирующихся конденсиров. веществ (напр., термитов - смесей алюминия с окислами разл. металлов) и изотермическое Г.- распространение цепной разветвлённой реакции в газовой смеси без значит. разогрева. На рис. изображена структура фронта Г. в смеси газообразных горючего и окислителя. Хим. реакция происходит в очень узкой зоне (10^-5 м) при темп-ре, близкой к темп-ре Г.: (T₀ - темп-pa исходной смеси, Q - теплота сгорания, с_р - теплоёмкость газа при пост. давлении). В зоне подогрева темп-pa газа растёт за счёт тепла, выделившегося при Г. предыдущих порций смеси. В этой зоне происходит также убывание (вследствие диффузии) концентрации исходного вещества, хим. реакция идёт в очень обеднённой смеси. Скорость тепловыделения имеет резкий максимум, связанный с тем, что в начале реакции низка темп-pa, а в конце её нет горючего. Скорость Г. , где - коэффициент температуропроводности, а - характерное время хим. реакции в зоне Г., к-рое определяется в основном энергией активации и темп-рой Г. (R - универсальная газовая постоянная).

Структура фронта горения: 1 - зона прогрева, 2 - зона химической реакции, 3 - продукты горения; F- концентрация горючего или окислителя, P - концентрация продуктов горения, T - температура, - скорость тепловыделения, х - пространственная координата.

Теория распространения фронта Г. в гомогенной газовой смеси строится на основе механики сплошных сред и кинетики химической. Для случая одномерного стационарного распространения ламинарного пламени в смеси перемешанных горючего и окислителя теория приводит к ур-ниям теплопроводности и диффузии, учитывающим хим. источник тепла и продуктов реакции (сток исходных веществ). В связи с малостью скорости Г. по сравнению со скоростью звука давление газа в области Г. можно считать постоянным. В системе координат, в к-рой фронт пламени покоится (исходное вещество натекает извне со скоростью Г. и), эти уравнения имеют следующий вид:

где х - пространств. координата, а_i - концентрации исходных веществ, промежуточных и конечных продуктов реакции, и D_i- - коэффициенты теплопроводности и диффузии; Ф - удельная скорость тепловыделения (кол-во теплоты, генерируемое хим. реакцией в единице объёма в единицу времени), Ф_i - скорость изменения концентрации вещества в простейшей хим. реакции (также отнесённая к единице объёма и единице времени). Вид функций Ф и Ф_i конкретизируется при задании механизма хим. реакции.

К системе ур-ний (*) должны быть добавлены граничные условия, определяющие значения темп-ры и концентраций в исходной смеси и постоянство этих величин (равенство нулю производных по координате) в продуктах Г. Решение системы (*) позволяет определить собственные значения задачи - скорости Г. и, а также распределения темп-ры и концентраций веществ в пространстве: T(x), a_i(x). В более сложных случаях соответствующие системы ур-ний решаются аналитически или приближённо, а также с использованием ЭВМ.

При Г. негазифицирующихся конденсиров. систем диффузия обычно не играет роли и процесс определяет только теплопроводность. Наоборот, при изотермическом Г. осн. процессом переноса является диффузия.

Гетерогенное горение. Исходные вещества при этом находятся в разных агрегатных состояниях. Важнейшие техн. процессы гетерогенного Г.: Г. угля, частиц металлов, сжигание жидких топлив в нефтяных топках, нек-рых двигателях внутр. сгорания, камерах сгорания ракетных двигателей. Процесс гетерогенного Г. обычно очень сложен. Хим. превращение сопровождается дроблением и испарением капель и частиц, образованием окисных плёнок на частицах металла, турбулизацией газовой смеси и т. п.

Горение взрывчатых веществ и пороков. Mн. конденсиров. взрывчатые вещества (BB), кроме быстрого (взрывного) протекания реакции (см. Взрыв, Детонация), способны к значительно более медленному хим. превращению путём Г. В отличие от обычных твёрдых и жидких топлив при горении BB не требуется подводить извне окислитель, т. к. горючее и окислитель во BB перемешаны на молекулярном уровне.

Г. BB связано с переходом вещества из конденсиров. состояния в газ. При этом на поверхности раздела фаз происходит сложный физико-хим. процесс, при к-ром в результате хим. реакции выделяется теплота и горючие газы, догорающие в зоне Г., отстоящей от поверхности на нек-ром расстоянии. Процесс Г. усложняется явлением диспергирования - переходом части конденсиров. вещества в газовую фазу в виде небольших частичек или капель.

Важной особенностью процесса Г. является наличие критич. условий. Распространение Г. возможно лишь в нек-рых интервалах изменения состава смеси, темп-ры и давления, условий теплоотвода во внеш. среду. Критич. значения этих параметров наз. пределами Г. Скорость Г. на пределе отлична от нуля, а при переходе через предел Г. прекращается.

При эксперим. исследовании Г. изучается зависимость скорости Г. от разл. параметров Г.: состава смеси, дисперености компонентов, структуры фронта Г., скорости хим. реакций, пределов Г. При этом используются оптич. методы (высокоскоростная киносъёмка, голография), микротермопары (толщина их измеряется микронами), манометрические и калориметрич. бомбы.

Лит.. Семенов H. H., Цепные реакции, Л., 1934; Франк-Каменец кий Д. А., Диффузия и теплопередача в химической кинетике, 2 изд., M., 1967; Льюис Б., Эльбе Г., Горение, пламя и взрывы в газах, пер. с англ., 2 изд., M., 1968; Xитрин Л. H., Физика горения и взрыва, M. 1957; Щелкин К. И., Tрошин Я. К., Газодинамика горения, M., 1963; Вильяме Ф. А., Теория горения, пер. с англ., M., 1971; Hовожилов Б. В., Цепное и тепловое пламя, M., 1980; Математическая теория горения и взрыва, M., 1980. Б. В. Новожилов.

   <<      Предметный указатель      >>