Горение предварительно смешанной среды

Процессы воспламененния и горения

Горе́ние — сложный физико-химический процесс превращения компонентов горючей смеси в продукты сгорания с выделением теплового излучения, света и лучистой энергии. Описать природу горения можно как бурно идущее окисление.

Дозвуковое горение (дефлаграция) в отличие от взрыва и детонации протекает с низкими скоростями и не связано с образованием ударной волны. К дозвуковому горению относят нормальное ламинарное и турбулентное распространения пламени, к сверхзвуковому — детонацию.

Горение подразделяется на тепловое и цепное. В основе теплового горения лежит химическая реакция, способная протекать с прогрессирующим самоускорением вследствие накопления выделяющегося тепла. Цепное горение встречается в случаях некоторых газофазных реакций при низких давлениях.

Условия термического самоускорения могут быть обеспечены для всех реакций с достаточно большими тепловыми эффектами и энергиями активации.
Горение может начаться самопроизвольно в результате самовоспламенения либо быть инициированным зажиганием. При фиксированных внешних условиях непрерывное горение может протекать в стационарном режиме, когда основные характеристики процесса — скорость реакции, мощность тепловыделения, температура и состав продуктов — не изменяются во времени, либо в периодическом режиме, когда эти характеристики колеблются около своих средних значений. Вследствие сильной нелинейной зависимости скорости реакции от температуры, горение отличается высокой чувствительностью к внешним условиям. Это же свойство горения обусловливает существование нескольких стационарных режимов при одних и тех же условиях (гистерезисный эффект).

Процесс возникновения горения подразделяется на несколько видов: вспышка, возгорание, воспламенение, самовозгорание, самовоспламенение, взрыв и детонация. Кроме того, существуют и особые виды горения: тление и холоднопламенное горение. Вспышка — процесс мгновенного сгорания паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, вызванный непосредственным воздействием источника воспламенения. Возгорание — явление возникновения горения под действием источника зажигания. Воспламенение — возгорание, сопровождающееся появлением пламени. При этом вся остальная масса горючего вещества остается относительно холодной. Самовозгорание — явление резкого увеличения скорости экзотермических реакций в веществе, приводящее к возникновению горения при отсутствии источника зажигания. Самовоспламенение — это самовозгорание, сопровождающееся появлением пламени. В производственных условиях могут самовозгораться древесные опилки, промасленная ветошь. Самовоспламеняться может бензин, керосин. Взрыв — быстрое химическое превращение вещества (взрывное горение), сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных производить механическую работу.

Теория горения

При адиабатическом сжигании горючей смеси могут быть рассчитаны количество выделившегося при горении тепла, температура Т_Г, которая была бы достигнута при полном сгорании (адиабатическая температура горения) и состав продуктов, если известны состав исходной смеси и термодинамические функции исходной смеси и продуктов. Если состав продуктов заранее известен, Т_Г может быть рассчитана из условия равенства внутренней энергии системы при постоянном объёме или её энтальпии при постоянном давлении в исходном и конечном состояниях с помощью соотношения: Т_Г = Т0 + Q_r/C, где Т₀ — начальная температура смеси, С — средняя в интервале температур от Т₀ до Т_Г удельная теплоёмкость исходной смеси (с учетом её изменения при возможных фазовых переходах), Q_r — удельная теплота сгорания смеси при температуре Т_Г. При относительном содержании а₀ в смеси компонентов, полностью расходуемых в реакции, Q_Г = Q*а₀ где Q — тепловой эффект реакции горения. Значение Т_Г при постоянном объёме больше, чем при постоянном давлении, поскольку в последнем случае часть внутренней энергии системы расходуется на работу расширения. На практике условия адиабатичекого горения обеспечиваются в тех случаях, когда реакция успевает завершиться прежде, чем станет существенным теплообмен между реакционным объёмом и окружающей средой, например в камерах сгорания крупных реактивных двигателей, в больших реакторах, при быстро распространяющихся волнах горения.
Термодинамический расчёт даёт лишь частичную информацию о процессе — равновесный состав и температуру продуктов. Полное описание горения, включающее также определение скорости процесса и критических условий при наличии тепло- и массообмена с окружающей средой, можно провести только в рамках макрокинетического подхода, рассматривающего химическую реакцию во взаимосвязи с процессами переноса энергии и вещества.
В случае заранее перемешанной смеси горючего и окислителя реакция горения может происходить во всём пространстве, занятом горючей смесью (объёмное горение), или в сравнительно узком слое, разделяющем исходную смесь и продукты и распространяющемся по горючей смеси в виде так называемой волны горения. В неперемешанных системах возможно диффузионное горение, при котором реакция локализуется в относительно тонкой зоне, отделяющей горючее от окислителя, и определяется скоростью диффузии реагентов в эту зону.

Описание процессов горения

Важность процесса горения в технических устройствах способствовала созданию различных моделей, позволяющих с необходимой точностью его описывать. Так называемое нулевое приближение включает описание химических реакций, изменение температуры, давления и состава реагентов во времени без изменения их массы. Оно соответствует процессам происходящим в закрытом объёме, в который была помещена горючая смесь и нагрета выше температуры воспламенения. Одно-, двух- и трёхмерные модели уже включает в себя перемещение реагентов в пространстве. Количество измерений соответствует количеству пространственных координат в модели. Режим горения бывает как и газодинамическое течение: ламинарным или турбулентным. Одномерное описание ламинарного горения позволяет получить аналитически важные выводы о фронте горения, которые затем используются в более сложных турбулентных моделях.

Объёмное горение

Объемное горение происходит, например, в теплоизолированном реакторе идеального перемешивания, в который поступает при температуре Т₀ исходная смесь с относительным содержанием горючего а₀; при другой температуре горения реактор покидает смесь с иным относительным содержанием горючего а. При полном расходе G через реактор условия баланса энтальпии смеси и содержания горючего при стационарном режиме горения могут быть записаны уравнениями:

1. G(Qa₀ + CT₀) = G(Qa + CT)
2. Ga₀ — Ga = w(a, T)V

где w(а, Т) — скорость реакции горения, V — объём реактора. Используя выражение для термодинамической температуры Т_Г, можно из (1) получить:

а = а₀(Т_Г — Т)/(Т_Г — Т₀)

и записать (2) в виде:

q_-T = q₊T

где q_-T = GC(T — Т₀) — скорость отвода тепла из реактора с продуктами сгорания, q₊T = Qw(a, Т)V — скорость выделения тепла при реакции. Для реакции n-ного порядка с энергией активации:

Диффузионное горение

Характеризуется раздельным подачей в зону горения горючего и окислителя. Перемешивание компонентов происходит в зоне горения. Пример: горение водорода и кислорода в ракетном двигателе, горение газа в бытовой газовой плите.

Горение предварительно смешанной среды

Как следует из названия, горение происходит в смеси, в которой одновременно присутствуют горючее и окислитель. Пример: горение в цилиндре двигателя внутреннего сгорания бензиново-воздушной смеси после инициализации процесса свечой зажигания.

Беспламенное горение

В отличие от обычного горения, когда наблюдаются зоны окислительного пламени и восстановительного пламени, возможно создание условий для беспламенного горения. Примером может служить каталитическое окисление органических веществ на поверхности подходящего катализатора, например, окисление этанола на платиновой черни.

Твердофазное горение

Это автоволновые экзотермические процессы в смесях неорганических и органических порошков, не сопровождающиеся заметным газовыделением, и приводящие к получению исключительно конденсированных продуктов. В качестве промежуточных веществ, обеспечивающих массо-перенос, образуются газовые и жидкие фазы, не покидающие, однако, горящую систему. Известны примеры реагирующих порошков, в которых образование таких фаз не доказано (тантал-углерод).

Как синонимы используются тривиальные термины «безгазовое горение» и «твердопламенное горение».

Примером таких процессов служит СВС (самораспространяющийся высокотемпературный синтез) в неорганических и органических смесях.

Тление

Вид горения, при котором пламя не образуется, а зона горения медленно распространяется по материалу. Тление обычно наблюдается у пористых или волокнистых материалов с высоким содержанием воздуха или пропитанных окислителями.

Автогенное горение

Самоподдерживающиеся горение. Термин используется в технологиях сжигания отходов. Возможность автогенного (самоподдерживающегося) горения отходов определяется предельным содержанием балластирующих компонентов: влаги и золы. На основе многолетних исследований шведский учёный Таннер предложил для определения границ автогенного горения использовать треугольник-схему с предельными значениями: горючих более 25 %, влаги менее 50 %, золы менее 60 %.

Процесс воспламенения, независимо от механизма ( цепного или теплового), можно рассматривать состоящим из двух стадий испарения и собственно воспламенения. Развитие первой стадии определяется свойствами горючего и состоянием внешней среды, включая теплообмен горючего с внешней средой. Развитие второй стадии определяется условиями смешения горючего в паровой фазе с окислителем, реакционной способностью образовавшейся смеси и условиями теплообмена. Физическая составляющая характеризует процесс испарения топлива до момента образования условий воспламенения, химическая - развитие химической реакции окисления топлива до момента появления пламени.

ВОСПЛАМЕНЕНИЕ

ВОСПЛАМЕНЕНИЕ, начальная стадия горения, в течение к-рой энергия, подводимая к системе от внеш. источника, приводит к резкому ускорению хим. р-ции из-за прогрессивного накопления тепла (тепловое воспламенение) или активных промежут. в-в (цепное воспламенение). Возможны два предельных режима теплового воспламенения: 1) самовоспламенение, при к-ром подводимое тепло успевает равномерно распределиться по всему реакц. объему; ускорение р-ции начинается в центре этого объема, где условия теплоотвода наихудшие; 2) зажигание, к-рое происходит при столь интенсивном прогреве системы от внеш. источника, что подводимое тепло не успевает равномерно распределиться по всему объему и ускорение р-ции начинается в поверхностных слоях в-ва. Самовоспламенение обычно приводит к объемному горению, зажигание - к волне горения. Аналогичные предельные режимы можно выделить и при цепном воспламенении.

Самовоспламенение. Тепловое самовоспламенение характерно для р-ций с сильной зависимостью скорости от т-ры и значит. тепловым эффектом. Выделяемое в ходе р-ции тепло частично рассеивается в окружающую среду путем теплоотвода, частично остается в системе. Если тепловыделение больше теплоотвода, т-ра системы прогрессивно повышается, что приводит к очень быстрому хим. превращению всего исходного в-ва. Поэтому часто вместо термина "самовоспламенение" употребляют термин "тепловой взрыв".

Для теплового самовоспламенения существуют т. наз. критич. параметры системы (св-ва исходного в-ва, размеры реакц. сосуда, характеристики теплообмена с окружающей средой и др.), при незначит. изменении к-рых обычные скорости р-ции резко, скачком увеличиваются до взрывных. Чаще всего тепловое самовоспламенение определяется критич. т-рой или критич. размером сосуда при фиксиров. значениях остальных параметров. Важная характеристика теплового самовоспламенения - время индукции (t_инд), в течение к-рого т-ра достигает очень больших значений, а скорость р-ции становится максимальной. В случаях, когда скорость тепловыделения намного превосходит скорость теплоотвода (адиабатич. условия теплового самовоспламенения), t_инд минимально.