Общие сведения о горении

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГОРЕНИИ

           Горение представляет собой процесс окисления, или взаимодействия горючего вещества с кислородом воздуха. Окислителями в процессе горения могут быть также хлор, бром, азотная кислота, бертолетова соль, пероксид натрия и некоторые другие вещества.

           Для возникновения и развития процесса горения необходимы горю­чее вещество, окислитель и источник зажигания, инициирующий реакцию между горючим и окислителем.

           Горючее и окислитель должны находиться в определенных соотношениях друг с другом.

           Горение, как правило, происходит в газовой фазе, поэтому горю­чие вещества, находящиеся в конденсированном состоянии для возникновения и поддержания го­рения должны подвергаться газификации (испарению, разложе­нию), в результате чего они образуют газообразную горючую смесь.

           В зависимости от агрегатного состояния горе­ние бывает гомогенным и гетерогенным.

           Гомогенное горение характерно для горючих смесей, в которых компоненты находятся в газообразном состоянии. Причем если компоненты предвари­тельно перемешаны, то такое горение называют кинетическим. Если компоненты предварительно не перемешаны, то происходит диффузионное горение.

           Гетерогенное горение, характеризуется наличием поверхности раздела фаз в горючей системе.

Рекомендуемые материалы

           Горение различается также по скорости распространения пла­мени:

1. Дефлаграционное горение (несколько метров в секунду)

2. Взрывное горение (до сотен метров в секунду)

3. Детонационное (скорость детонации несколько тысяч метров в секунду)

              Различают: ламинарное и турбулентное.

Лами­нарное горение характеризуется послойным распространением фронта пламени по свежей горючей смеси.

Турбулентное горение характеризуется перемешиванием слоев потока и повышенной скоростью сгорания.

           В зависимости от соотношения горючего и окислителя горю­чие смеси подразделяются на:

           1. Бедные - содержащие в избытке окислитель по сравнению со стехиометрическим соотношением компонентов.

           2.   Богатые - содержащие в избытке горючее.

              Стехиометрическое отношение - исходное соотношение компонентов го­рючей смеси, при сгорании которой ни один из исходных компо­нентов не остается в избытке в продуктах реакции.

Расчет стехиометрического содержания горючего вещества для наиболее распространённых углеводородов и их производных осуществляется по формуле:

Стехиометрический коэффициент равен: 

здесь n_с, n_н, n₀ — соответственно числа атомов С, Н и О в молекуле горючего.

Для СН₄:                                         

Реальные пожары характеризуются, как правило, диффузион­ным, гетерогенным, турбулентным и дефлаграционным горением.

Взрывное горение происходит при утечке горючего газа из трубопроводов или испарении разлитой жидкости, при содержании горючей пыли в воздухе.

Горение может осуществляться в двух режимах:

1. В режиме само­воспламенения, заключающемся в самопроизвольном возникнове­нии пламенного горения предварительно нагретой до некоторой критической температуры горючей смеси (называемой темпера­турой самовоспламенения) и проявляющегося в одновременном (в виде вспышки) сгорании всей горючей смеси;

2. В режиме рас­пространения волны горения (распространения фронта пламени) по холодной смеси при ее локальном зажигании (воспламенении) внешним источником.

Пламя — это видимая зона горения, в которой наблюдаются свечение и излучение тепла. Возникшее в результате воспламене­ния пламя само становится источником потока тепла и химически активных частиц в прилегающие слои свежей горючей смеси.

Для изучения распространения волны горения поставим опыт. Поместим гомогенную горючую смесь в стеклянную трубку, открытую с одного конца и воспламеним ее источником зажигания у открытого конца. Тепло из зоны реакции благодаря теплопроводности распространяется на исходную холодную смесь и нагревает ее.

Свежая горючая смесь и продукты сгорания разделены узкой зоной, называемой фронтом пламени, представляющим собой тонкий сферический слой (толщиной менее 10^{-6 м), где происходит прогрев горючей смеси и быстрая химическая реакция. Тепло из зоны реакции благодаря теплопроводности распространяется на исходную холодную смесь и нагревает её.} Происхо­дит также диффузия продуктов реакции и активных радикалов из зоны реакции в исходную смесь и исходной смеси в зону реакции. Таким образом, зона реакции перемещается в на­правлении исходной горючей смеси. Такое ламинарное горение на­зывается нормальным.

Рис. 1. Изменение температуры перед фронтом пламени и за ним:

1 — зона продуктов горения; 2 — фронт пла­мени; 3 — зона самовоспламенения;

4 — зона предварительного прогрева; 5 — исходная смесь.

Ско­рость перемещения пламени по неподвижной смеси вдоль нормали к его поверхности — нормаль­ной скоростью распространения пламени U_н. Величина U_н, являясь физико-химической константой горючей смеси, представляет со­бой минимально возможную величину, которая не зависит от ус­ловий, а определяется лишь химическим составом горючей смеси и соотношением горючего и окислителя.

При закрытой трубке продукты горения давят на фронт пламени и стенки, увеличивая скорость его перемещения. Суммарная скорость такого перемещения называется видимой скоростью.

где ., ε – степень расширения продуктов сгорания; Т_Г и T_Н — температуры горения и начальная; η – отношение числа молей про­дуктов сгорания к числу молей исходной смеси (для углеводородных горючих ве­ществ значение η близко к единице).

При воспламенении горючей смеси в длинной трубе в резуль­тате расширения продуктов сгорания возникают волны сжатия; фронт пламени вместе с горючей смесью вовлекается в быстрое движение со скоростью, в 10—20 раз выше чем величина .

Дальнейшее развитие процесса связано с турбулизацией потока газа перед фронтом пламени и увеличением скорости распространения пламени. В конечном счёте, возникают условия для адиабатического самовоспламенения горючей смеси – т.е. детонации.

Таким образом, при детонации пламя распространяется не в результате теплопроводности, а вследствие ударной волны, приводящей к быстрому нагреву и самовоспламенению смеси. За ударной волной возникает зона быстрой реакции; вместе они образуют детонационную волну, которая распространяется со скоростью 1,5—3,5 км/с.

         В случае диффузионного горения, схема которого показана на рис., пламя как бы стоит на месте, а в него втекают с одной стороны (область а) горючие пары, а с другой стороны (область в) — воздух. Наиболее характерным примером диффузионного пламени является горящая свеча.

Схема диффузионного ламинарного горения:

а — зона горючих паров;

б — зона горения;

в — окружаю­щая среда (воздух).

Важнейшей особенностью процесса горения является самоускоряющийся характер химического превращения, переходящего в реакцию горения. Такой процесс возникновения горения называется самовоспламенением. Самовоспламенение может быть тепловое и цепное. При тепловом самовоспламенении причиной ускорения реакции окисления и возникновения горения является превышение скорости выделения тепла над скоростью теплоотвода, а при цепном — превышение вероятности разветвления цепей над вероятностью их обрывов.

Теории механизмов самоускоряющихся превращений при горении разработаны лауреатом Нобелевской премии академиком Н. Н. Семеновым.

При низкой температуре Т₀ реакция между горючим и окислителем практически не протекает, так как отсутствуют активные молекулы. Для того чтобы они появились и началась реакция окисления, нужно горючую смесь нагреть до более высокой температуры Т₁.

Возникшая при этом реакция окисления сопровождается выделением тепла, за счет чего горючая смесь нагревается. Скорость выделения тепла q₁ будет пропорциональна скорости реакции окисления и теплоте сгорания смеси:

где Q — теплота сгорания горючего вещества; V — объем горючей смеси; к₀ — пред экспоненциальный множитель; с — концентрация горючего в смеси; ν — суммарный порядок реакции; е — основание натурального логарифма; Е — энер­гия активации; R — универсальная газовая постоянная; Т₁ – температура стенок сосуда.

Как только температура горючей смеси превысит температуру стенок сосуда и внешней среды Т₁  и поднимется до Т₂ сразу возникает теплоотвод от горючей смеси и внешней среды через стенки сосуда.

Скорость теплоотвода равна:

где α — коэффициент теплоотдачи от горючей смеси к стенкам сосуда; S — общая поверхность стенок сосуда; Т₂ — температура горючей смеси; Т₁ — температура стенок сосуда.

График зависимос­ти скоростей тепловыделе­ния (q₁) и теплоотвода (q₂) от температуры (Т) горючей смеси:

При создавшейся разности температур Т₁ и Т₂, нагрев горючей смеси будет зависеть от соотношения скорости тепловыделения q₁ и теплоотвода q₂.

1. Если q₁ > q₂, то горючая смесь, окисляясь саморазогревается.

2. Если q₁ = q₂, то горючая смесь окисляется при постоянной температуре, но горения не происходит.

Информация в лекции "2.2. Свойства гидростатического давления" поможет Вам.

Угол наклона прямой теплоотвода зависит от численного значения множителя (αS). При температуре стенки, а значит, и начальной температуре горючей смеси Т_о^’’  q₁ > q₂ следовательно, происходит саморазог­рев горючей смеси до возникновения горения, т. е. самовоспла­менение. При температуре же стенки T_о^’ саморазогрев горючей смеси происходит только до температуры Т (точка А), B (точка А) q₁=q₂, выше этой температуры нагревание невозможно, т.к. q₁<q₂.

Грани­цей между областями неограниченного и ограниченного разогрева горючей смеси является прямая теплоотвода при температуре стенки Т_с. Эта прямая ка­сается кривой тепловыделения в точке С, где существует неустойчивое тепло­вое равновесие. Даже незначительное повышение температуры Т_с’ вызовет прогрессивный саморазогрев смеси, приводящий к самовоспламенению.

Следовательно, температурой самовоспламенения является та минимальная температура горючей сме­си, при которой начинается саморазогрев, приводящий к возник­новению горения.

Температура самовоспламенения горючей смеси обычно отно­сится к горючему веществу. Она не является постоянной для од­ного и того же горючего вещества и зависит от его концентрации, давления, от размеров, формы и материала сосудов и других фак­торов. Определяется температура самовоспламенения экспери­ментальным путем при нормальном давлении и стехиометрической концентрации горючих газов или паров в воздухе.

При цепном самовоспламенении причиной ускорения реакции окисления является превышение скорости разветвления цепей над скоростью их обрыва.

Чисто цепное самовоспламенение — довольно редкое явление, так как оно протекает при таких низких давлениях (значительно ниже 0,1 МПа).