Гомогенное и гетерогенное горение. Гетерогенное горение Горение каких горючих смесей называют гетерогенным

При горении твердого топлива самой химической реакции предше­ствует процесс подвода окислителя к реагирующей поверхности. Сле­довательно, процесс горения твердого топлива является сложным гете­рогенным физико-химическим процессом, состоящим из двух стадий: подвода кислорода к поверхности топлива турбулентной и молекуляр­ной диффузией и химической реакции на ней.

Рассмотрим общую теорию гетерогенного горения на примере го­рения сферической частицы углерода, принимая следующие условия. Концентрация кислорода по всей поверхности частицы одинакова; ско­рость реагирования кислорода с углеродом пропорциональна концен­трации кислорода у поверхности, т. е. имеет место реакция первого по­рядка, что для гетерогенных процессов наиболее вероятно; реакция протекает на поверхности частицы с образованием конечных продуктов сгорания, а вторичные реакции в объеме, а также и на поверхности ча­стицы отсутствуют.

В такой упрощенной обстановке скорость горения углерода можно представить зависящей от скорости двух основных его стадий, а имен­но от скорости подвода кислорода к межфазщш поверхности и от ско­рости самой химической реакции, протекающей на поверхности части­цы. В результате взаимодействия этих процессов наступает дина­мически, равновесное состояние между количеством доставляемого диффузией и расходуемого на химическое реагирование кислорода при определенной величине его концентрации на поверхности углерода.

Скорость химической реакции /(°2 г кислорода/(см2-с), определяемая

Как количество кислорода, потребляемого единицей реакционной по­верхности за единицу времени, может быть выражена в следующем виде:

В уравнении:

К - константа скорости химической реакции;

Св - концентрация кислорода у поверхности частицы.

С. другой стороны, скорость горения равна удельному потоку ки­

Слорода к реагирующей поверхности, доставляемого диффузией:

К°" = ад(С, - С5). (15-2)

В уравнении:

Ад--коэффициент диффузионного обмена;

Со - концентрация кислорода в потоке, в котором сгорает частица углерода.

Подставив значение Св, найденное из уравнения (15-1), в уравне­ние (15-2), получим следующее выражение для скорости гетерогенного горения через количество кислорода, потребляемого единицей поверхно­сти частицы за единицу времени:

" . С° , ■’ (15-3)

Обозначая через

Ккаж - - Ц - , (15-4)

Можно выражение (15-3) представить в виде

/<°’ = /СкажС„. (15-5)

По своей структуре выражение (15-5) подобно кинетическому урав­нению (15-1) реакции первого порядка. В ней константа скорости реак­ции "£ заменена коэффициентом Ккаж, который зависит как от реакцион­ных - свойств горючего, так и от закономерностей переноса и поэтому назван кажущейся константой скорости горения твердого углерода.

Скорость химических реакций горения зависит от природы топлива и физических условий: концентрации реагирующего газа на поверхнос­ти, температуры и давления. Температурная зависимость скорости хими­ческой"реакции является наиболее сильной. В области низких темпера­тур скорость химической реакции мала и по потреблению кислорода во много; раз меньше скорости, с которой кислород может быть доставлен диффузией. Процесс горения ограничивается скоростью самой химиче­ской реакции и не зависит от условий подвода кислорода, т. е. скорости воздушного потока, размера частиц и т. д. Поэтому эта область проте­кания гетерогенного горения называется кинетической.

В кинетической области горения ад>-£, поэтому в формуле (15-3) величиной 1/ад можно пренебречь по сравнению с 1/& и тогда получим:

К°32 = кС0. (15-6)

Равновесие между количеством доставляемого диффузией и расхо­дуемого на реакцию кислорода устанавливается при малом градиенте его концентрации, благодаря чему величина концентрации кислорода на реакционнной поверхности мало отличается от его значения в потоке. При высоких температурах кинетическое горение может наступать при больших скоростях воздушного потока и малых размерах частиц топли­ва, т. е. при таком улучшении условий подвода кисловода, когда по­следний может быть доставлен в значитель­но большем количестве "по сравнению с по­требностью химической реакции.

Различные области протекания гетеро­генного горения графически изображены на рис. 15-1. Кинетическая область I характе­ризуется кривой 1, которая показывает, что с ростом температуры скорость горения рез­ко возрастает согласно закону Аррениуса.

При некоторой температуре скорость химической реакции становится соизмери­мой со скоростью доставки кислорода к ре­акционной поверхности и тогда скорость го­рения становится зависящей не только от скорости химической реакции, но и от скорости доставки кислорода. В этой области, называемой промежуточной (рис. 15-1, область II, кри­вая 1-2), скорости протекания этих двух стадий соизмеримы, ни одной из них нельзя пренебречь и поэтому скорость процесса горения опреде­ляется формулой (15-3). С увеличением температуры скорость горения увеличивается, но в меньшей степени, чем в кинетической области, при­чем рост ее постепенно замедляется и, наконец, достигает своего макси­мума при переходе в диффузную область (рис. 15-1, область III, кривая 2-3), оставаясь далее не зависящей от температуры. При более высо­ких температурах в этой области скорость химической реакции настоль­ко возрастает, что доставляемый диффузией кислород мгновенно вступа­ет в химическую реакцию, в результате чего концентрация кислорода на поверхности становится практически равной нулю. В формуле (15-3) можно пренебречь значением 1/& по сравнению с 1/ад, тогда получим, что скорость горения определяется скоростью диффузии кислорода к ре­акционной поверхнрсти, т. е.

И поэтому эта область горения называется диффузионной. В диффузи­онной области скорость горения практически не зависит от свойств топ­лива и температуры. Влияние температуры сказывается лишь на измене­нии физических констант. В этой области на скорость горения сильно влияют условия доставки кислорода, а именно гидродинамические фак­торы: относительная скорость газового потока и размер частиц топлива. С увеличением скорости газового потока и уменьшением размера час­тиц, т. е, с ускорением доставки кислорода, скорость диффузионного горения увеличивается.

В процессе горения устанавливается динамическое равновесие меж­ду химическим процессом потребления кислорода и диффузионным про­цессом его доставки при определенной величине концентрации кислорода у реакционной поверхности. Концентрация кислорода у поверхности частицы зависит от соотношения скоростей этих двух процессов, при преобладании скорости диффузии она будет приближаться к концентра­ции в потоке, повышение же скорости химической реакции вызывает ее понижение.

Процесс горения, протекающий в диффузионной области, может перейти в промежуточную (кривая 1"-2") или даже в кинетическую область при усилении диффузии, например, при повышении скорости потока или уменьшении размера частицы.

Таким образом, при увеличении скорости газового потока и при пе­реходе к мелким частицам процесс сдвигается в сторону кинетического горения. Рост температуры сдвигает процесс в сторону диффузионного горения (рис. 15-1, кривая 2"-3").

Протекание гетерогенного горения в той или иной области для ка­кого-либо частного случая зависит от данных конкретных условий. Ос­новной задачей исследования процесса гетерогенного горения является установление областей протекания горения и выявление количественных закономерностей для каждой области.

Гетерогенное горение - жидких и твердых горючих веществ в газообразном окислителе. Для гетерогенного горения жидких веществ большое значение имеет их испарения. Гетерогенное горение легкоиспаряющихся горючих веществ практически относится к гомогенному горению, т.к. такие горючие еще до воспламенения полностью или почти полностью успевают испариться. В технике большое значение имеет гетерогенное горение твёрдого топлива, главным образом углей, содержащих и некоторое количество органических веществ, которые при нагревании топлива разлагаются и выделяются в виде паров и газов. Термически неустойчивую часть топлива принято называть летучей, а - летучими. При медленном нагревании наблюдается четкая стадийность начала этапа горения - сначала летучих компонентов и их воспламенение, затем воспламенение и горение твердого, так называемого коксового остатка, который кроме углерода содержит минеральную часть топлива-золу.
Смотри также:
-
-
-
-

Энциклопедический словарь по металлургии. - М.: Интермет Инжиниринг . Главный редактор Н.П. Лякишев . 2000 .

Смотреть что такое "гетерогенное горение" в других словарях:

гетерогенное горение - Горение жидких и тв. горючих вещ в в газообраз. окислителе. Для г. г. жидких вещ в большое значение имеет процесс их испарения. Г. г. легкоиспаряющихся горючих веш в практ. относится к гомогенному г., т.к. такие горючие веш ва еще до… … Справочник технического переводчика

гетерогенное горение - heterogeninis degimas statusas T sritis chemija apibrėžtis Skysčio ar kietosios medžiagos degimas. atitikmenys: angl. heterogeneous combustion rus. гетерогенное горение … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

гетерогенное горение - heterogeninis degimas statusas T sritis Energetika apibrėžtis Degimas, kai reaguojančiosios medžiagos yra skirtingos agregatinės būsenos ir reakcija vyksta jų skirtingų fazių sąlyčio paviršiuose. atitikmenys: angl. heterogeneous combustion vok.… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

Горение - сложное, быстро протекающее химическое превращение, сопровождающееся выделением значительного количества тепла и обычно ярким свечением (пламенем). В большинстве случаев основу Г. составляют экзотермические окислительные реакции вещества … Большая советская энциклопедия

Сложное, быстрое химическое превращение вещества, например, топлива, сопровождающееся выделением значительного количества тепла и ярким свечением (пламенем). В большинстве случаев основу горения составляют экзотермические… …

Горение (́реакция) - (a. combustion, burning; н. Brennen, Verbrennung; ф. combustion; и. combustion) быстро протекающая реакция окисления, сопровождаемая выделением значит. кол ва тепла; обычно сопровождается ярким свечением (пламенем). В большинстве случаев… … Геологическая энциклопедия

Горение - экзотермическая реакция окисления горючего вещества, сопровождающаяся, как правило, видимым электромагнитным излучением и выделением дыма. В основе Г. лежит взаимодействие горючего вещества с окислителем, чаще всего кислородом воздуха. Различают… … Российская энциклопедия по охране труда

ГОРЕНИЕ - сложная хим. реакция, протекающая в условиях прогрессивного самоускорения, связанного с накоплением в системе теплоты или катализирующих продуктов реакции. При Г. могут достигаться высокие (до неск. тыс. К) темп ры, причём часто возникает… … Физическая энциклопедия

ГОРЕНИЕ - сложное, быстро протекающее хим. превращение, сопровождающееся выделением теплоты. Обычно протекает в системах, содержащих горючее (напр., уголь, природный газ) и окислитель (кислород, воздух и др.). Может быть г о м о г е н н ы м (в заранее… … Большой энциклопедический политехнический словарь

Горение газов и парообразных горючих веществ в газообразном окислителе. Для начала горения необходим начальный энергетический импульс. Различают само и вынужденное воспламенение или зажигание; нормально распространяющееся … Энциклопедический словарь по металлургии

Книги

• Гетерогенное горение частиц твердых топлив , Гремячкин Виктор Михайлович. Рассмотрены теоретические основы процессов горения частиц твердых топлив, к которым относят не только традиционные углеводородные топлива, содержащие углерод, нои частицы металлов, которые…

Горючая среда

Окислители

Окислители – это вещества, атомы которых в химических превращениях принимают электроны. Среди простых веществ к ним относятся все галогены и кислород.

Наиболее распространенным в природе окислителем является кислород воздуха.

На реальных пожарах, горение в основном протекает в воздухе, однако во многих технологических процессах используется воздух, обогащенный кислородом, и даже чистый кислород (например металлургические производства, газовая сварка, резка и т.д.). С атмосферой, обогащенной кислородом можно встретиться в подводных и космических аппаратах, доменных процессах и т.п. Такие горючие системы имеют повышенную пожарную опасность. Это необходимо учитывать при разработке систем пожаротушения, пожарно-профилактических мероприятий и при пожарно-технической экспертизе пожаров.

Помимо кислорода воздуха и галогенов, окислителями в реакциях горения могут выступать и сложные вещества, например, соли кислородсодержащих кислот – нитраты, хлораты и т.п., применяемые в производстве порохов, боевых и промышленных взрывчатых веществ и различных пиротехнических составов.

Смесь горючего и окислителя в одинаковом агрегатном состоянии в определенных пропорциях и способную гореть (а горение возможно только при определенных их соотношениях), называют горючей средой.

Выделяют два вида горючих сред: однородную и неоднородную .

Однородной горючей средой называется предварительно перемешанная смесь горючего с окислителем, а, соответственно неоднородная горючая среда – когда горючее и окислитель не перемешаны.

Влияние на процесс горения большого числа факторов обусловливает многообразие видов и режимов горения. Так, в зависимости от агрегатного состояния компонентов горючей смеси горение может быть гомогенным и гетерогенным, от условий смешения компонентов – горением предварительно приготовленной смеси (кинетическое) и диффузионным, от газодинамических условий – ламинарным и турбулентным, и т.д.

Основными видами горения являются гомогенное и гетерогенное.

Гомогенное горение - это процесс взаимодействия горючего и
окислителя, находящихся в одинаковом агрегатном состоянии. Наиболее
широко распространено гомогенное горение газов и паров в воздухе.

Гетерогенное горение - это горение твердых горючих матери-
алов непосредственно на их поверхности. Характерной особенностью
гетерогенного горения является отсутствие пламени. Примерами его
являются горение антрацита, кокса, древесного угля, нелетучих металлов.
Беспламенное горение в ряде случаев называют тлением.

Как видно из определений, принципиальным отличием гомогенного горения от гетерогенного, является то, что в первом случае горючее и окислитель находятся в одном агрегатном состоянии, во втором – в разных.

При этом необходимо отметить, далеко не всегда горение твердых веществ и материалов является гетерогенным. Это объясняется механизмом горения твердых веществ.

Так, например, горение древесины в воздухе. Для того, чтобы зажечь ее, необходимо поднести какой-либо источник тепла, например пламя от спички или зажигалки, и подождать некоторое время. Возникает вопрос: почему она загорается не сразу? Это объясняется тем, что в начальный период, источник зажигания должен нагреть древесину до определенной температуры, при которой начинается процесс пиролиза, или иными словами термическое разложение. При этом, в результате разложения целлюлозы и других составляющих, начинают выделяться продукты их разложения – горючие газы – углеводороды. Очевидно, что чем больше нагрев, тем больше скорость разложения и, соответственно, скорость выделения горючих газов. И вот только тогда, когда скорость выделения ГГ будет достаточной для создания определенной их концентрации в воздухе, т.е. образования горючей среды, может возникнуть горение. При чем горение не древесины, а продуктов ее разложения – горючих газов. Именно по этому, горение древесины, в большинстве случаев – гомогенное горение, а не гетерогенное.

Вы можете возразить: древесина, в конце концов, начинает тлеть, а тление, как было сказано выше – это гетерогенное горение. Так и есть. Дело в том, что конечными продуктами разложения древесины являются в основном горючие газы и углистый остаток, так называемый кокс. Этот самый углистый остаток все вы видели и даже покупали для приготовления шашлыков. Эти угли примерно на 98% состоят из чистого углерода и не могут выделять ГГ. Угли горят уже в режиме гетерогенного горения, то есть тлеют.

Таким образом, древесина горит сначала в режиме гомогенного горения, затем, при температуре примерно 800°С пламенное горение переходит в тление, т.е. становится гетерогенным. Так же происходит и с другими твердыми веществами.

Как горят жидкости в воздухе? Механизм горения жидкостей заключается в том, что сначала происходит ее испарение, и именно пары образуют горючую смесь с воздухом. То есть в этом случае также происходит гомогенное горение. горит не жидкая фаза, а пары жидкости

Механизм горения металла такой же, как и жидкостей, за исключением того, что металлу необходимо сначала расплавиться и после этого нагреться до высокой температуры, чтобы скорость испарения была достаточной для образования горючей среды. Некоторые металлы горят на их поверхности.

В гомогенном горении выделяют два режима: кинетическое и диффузионное горение.

Кинетическое горение – это горение предварительно перемешанной горючей смеси, т.е. однородной смеси. Скорость горения определяется только кинетикой окислительно-восстановительной реакции.

Диффузионное горение – это горение неоднородной смеси, когда горючее и окислитель предварительно не перемешаны, т.е. неоднородной. В этом случае, смешивание горючего и окислителя происходит во фронте пламени за счет диффузии. Для неорганизованного горения характерен именно диффузионный режим горения, большинство горючих материалов на пожаре могут гореть только в этом режиме. Однородные смеси, конечно, могут образовываться и при реальном пожаре, однако их образование скорее предшествует пожару или обеспечивает начальную стадию развития.

Принципиальным отличием этих видов горения заключается в том, что в однородной смеси молекулы горючего и окислителя уже находятся в непосредственной близости и готовы вступить в химическое взаимодействие, при диффузионном же горении эти молекулы сначала должны приблизится друг к другу за счет диффузии, и только после этого вступить во взаимодействие.

Этим обуславливается различие в скорости протекания процесса горения.

Полное время горения t г, складывается из длительности физиче-
ских и химических процессов:

t г = t ф + t х.

Кинетический режим горения характеризуется длительностью только химических процессов, т.е. t г » t х, поскольку в этом случае физических процессов подготовки (перемешивания) не требуется, т.е. t ф » 0.

Диффузионный режим горения, наоборот, зависит в основном от
скорости подготовки однородной горючей смеси (грубо говоря сближения молекул), В этом случае t ф >> t х, и поэтому последним можно пренебречь, т.е. длительность его определяется в основном скоростью протекания физических процессов.

Если t ф » t х, т.е. они соизмеримы, то горение протекает в так
называемой промежуточной области.

Для примера, представьте себе две газовые горелки(рис. 1.1): в одной из них в сопле имеются отверстия для доступа воздуха (а), в другой их нет (б). В первом случае воздух будет засасываться инжекцией в сопло, где он перемешивается в горючим газом, таким образом, образуется однородная горючая смесь, которая сгорает на выходе из сопла в кинетическом режиме . Во втором случае (б), воздух перемешивается с горючим газом в процессе горения за счет диффузии, в этом случае – горение диффузионное .

Рис. 1.1 Пример кинетического (а) и диффузионного (б) горения

Другой пример: в помещении происходит утечка газа. Газ постепенно перемешивается с воздухом, образуя однородную горючую смесь. И в случае появления после этого источника зажигания, происходит взрыв. Это и есть горение в кинетическом режиме.

Аналогично при горении жидкостей, например бензина. Если его налить в открытую емкость и поджечь, будет происходить диффузионное горение. Если же поместить эту емкость в закрытое помещение и подождать некоторое время, бензин частично испарится, перемешается с воздухом и образует тем самым однородную горючую смесь. При внесении источника зажигания, как вам известно, произойдет взрыв, это – кинетическое горение.

В каком режиме протекает горение на реальных пожарах? Конечно в основном в диффузионном. В некоторых случаях пожар может начаться и с кинетического горения, как в приведенных примерах, однако после выгорания однородной смеси, что происходит очень быстро, горение продолжится уже в диффузионном режиме.

При диффузионном горении, в случае недостатка кислорода воздуха, например при пожарах в закрытых помещениях, возможно неполное сгорание горючего с образованием продуктов неполного сгорания таких как СО – угарный газ. Все продукты неполного сгорания очень токсичны и представляют большую опасность на пожаре. В большинстве случаев именно они являются виновниками гибели людей.

Итак, основными видами горения являются гомогенное и гетерогенное. Визуальное отличие этих режимов – наличие пламени.

Гомогенное горение может протекать в двух режимах: диффузионном и кинетическом. Визуально, их отличие заключается в скорости горения.

Следует отметить, что выделяют еще один вид горения – горение взрывчатых веществ. Взрывчатые вещества включают в свой состав горючее и окислитель в твердой фазе. Поскольку и горючее и окислитель находятся в одинаковом агрегатном состоянии, такое горение – гомогенное.

На реальных пожарах, в основном, происходит пламенное горение. Пламя, как известно, выделяют как один из опасных факторов пожара. Что же такое пламя и какие процессы в нем протекают?

Газов и парообразных горючих веществ в газообразном окислителе. Для начала горения необходим начальный энергетический импульс. Различают само- и вынужденное воспламенение или зажигание; нормально распространяющееся горение или дефлаграцию (ведущий процесс-передача тепла теплопроводностью) и детонацию (с поджиганием ударной волной). Нормальное горение подразделяется на ламинарное (струйчатое) и турбулентное (вихревое). Различают горение при истечении заранее перемешанной и горение при раздельном истечении горючего газа и окислителя, когда определяется перемешиванием (диффузией) двух потоков.
Смотри также:
-
-
-
-

Энциклопедический словарь по металлургии. - М.: Интермет Инжиниринг . Главный редактор Н.П. Лякишев . 2000 .

Смотреть что такое "гомогенное горение" в других словарях:

гомогенное горение - Горение газов и парообразных горючих вещ в в газообраз. окислителе. Для нач. горения необходим нач. энергетич. импульс. Различают само и вынужд. воспламенение или зажигание; норм. распространяющ. горение или дефлаграцию (ведущий процесс передача… …

гомогенное горение - homogeninis degimas statusas T sritis chemija apibrėžtis Dujų degimas. atitikmenys: angl. homogeneous combustion rus. гомогенное горение … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

гомогенное горение - homogeninis degimas statusas T sritis Energetika apibrėžtis Degimas, kai reaguojančiosios medžiagos yra vienodos agregatinės būsenos, vienodai pasiskirsčiusios ir reakcijos vyksta visame jų tūryje. atitikmenys: angl. homogeneous combustion vok.… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

локально гомогенное горение - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN locally homogeneous firingLHF … Справочник технического переводчика

Горение - сложное, быстро протекающее химическое превращение, сопровождающееся выделением значительного количества тепла и обычно ярким свечением (пламенем). В большинстве случаев основу Г. составляют экзотермические окислительные реакции вещества … Большая советская энциклопедия

Сложное, быстрое химическое превращение вещества, например, топлива, сопровождающееся выделением значительного количества тепла и ярким свечением (пламенем). В большинстве случаев основу горения составляют экзотермические… …

Горение (́реакция) - (a. combustion, burning; н. Brennen, Verbrennung; ф. combustion; и. combustion) быстро протекающая реакция окисления, сопровождаемая выделением значит. кол ва тепла; обычно сопровождается ярким свечением (пламенем). В большинстве случаев… … Геологическая энциклопедия

ГОРЕНИЕ - сложная хим. реакция, протекающая в условиях прогрессивного самоускорения, связанного с накоплением в системе теплоты или катализирующих продуктов реакции. При Г. могут достигаться высокие (до неск. тыс. К) темп ры, причём часто возникает… … Физическая энциклопедия

Горение - экзотермическая реакция окисления горючего вещества, сопровождающаяся, как правило, видимым электромагнитным излучением и выделением дыма. В основе Г. лежит взаимодействие горючего вещества с окислителем, чаще всего кислородом воздуха. Различают… … Российская энциклопедия по охране труда

Горение жидких и твердых горючих веществ в газообразном окислителе. Для гетерогенного горения жидких веществ большое значение имеет процесс их испарения. Гетерогенное горение легкоиспаряющихся горючих веществ… … Энциклопедический словарь по металлургии

Перечисленные в предыдущем разделе физические явления наблю­даются в самых разнообразных процессах, различающихся как по природе химических реакций, так и по агрегатному состоянию участвующих в го­рении веществ.

Различают гомогенное, гетерогенное и диффузионное горение.

Глава 1. Основные понятия теории горения

К гомогенному относится горение предварительно перемешан­ных газов*. Многочисленными примерами гомогенного горения явля­ются процессы сгорания газов или паров, в которых окислителем яв­ляется кислород воздуха: горение смесей водорода, смесей оксида уг­лерода и углеводородов с воздухом. В практически важных случаях не всегда выполняется условие полного предварительного перемеши­вания. Поэтому всегда возможны комбинации гомогенного с другими видами горения.

Гомогенное горение может быть реализовано в двух режимах: ламинарном и турбулентном. Турбулентность ускоряет процесс горе­ния за счет дробления фронта пламени на отдельные фрагменты и со­ответственно увеличения площади контакта реагирующих веществ при крупномасштабной турбулентности или ускорения процессов те-пломассопереноса во фронте пламени при мелкомасштабной. Турбу­лентному горению присуща автомодельность: турбулентные вихри увеличивают скорость горения, что приводит к увеличению турбу­лентности.

Все параметры гомогенного горения проявляются и в процессах, в которых окислителем выступает не кислород, а другие газы. Напри­мер, фтор, хлор или бром.

При пожарах наиболее распространены процессы диффузионно­го горения. В них все реагирующие вещества находятся в газовой фа­зе, но предварительно не перемешаны. В случае горения жидкостей и твердых веществ процесс окисления горючего в газовой фазе проис­ходит одновременно с процессом испарения жидкости (или разложе­ния твердого материала) и с процессом смешения.

Простейшим примером диффузионного горения является горе­ние природного газа в газовой горелке. На пожарах реализуется ре­жим турбулентного диффузионного горения, когда скорость горения определяется скоростью турбулентного смешения.

При этом различают макросмешение и микросмешение. Процесс турбулентного смешения включает последовательное дробление газа на все более малые объемы и перемешивание их между собой. На по­следней стадии окончательное молекулярное смешение происходит молекулярной диффузией, скорость которой увеличивается по мере уменьшения масштаба дробления. По завершении макросмешения

* Подобное горение зачастую называют кинетическим.

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва

скорость горения определяется процессами микросмешения внутри малых объемов горючего и воздуха.

Гетерогенное горение происходит на поверхности раздела фаз. При этом одно из реагирующих веществ находится в конденсированном со­стоянии, другое (обычно кислород воздуха) поступает за счет диффузии газовой фазы. Обязательным условием гетерогенного горения является очень высокая температура кипения (или разложения) конденсирован­ной фазы. При несоблюдении этого условия горению предшествует ис­парение или разложение. От поверхности в зону горения поступает по­ток пара или газообразных продуктов разложения, и горение происходит в газовой фазе. Такое горение можно отнести к диффузионным квазиге­терогенным, но не полностью гетерогенным, поскольку процесс горения происходит уже не на границе фаз. Развитие такого горения осуществля­ется за счет теплового потока от факела пламени к поверхности мате­риала, который обеспечивает дальнейшее испарение или разложение и поступление горючего в зону горения. В подобных ситуациях возникает смешанный случай, когда реакции горения частично протекают гетеро-генно - на поверхности конденсированной фазы, частично гомогенно - в объеме газовой смеси.

Примером гетерогенного горения является горение каменного и древесного угля. При сгорании этих веществ протекают реакции двояко­го рода. Некоторые сорта каменного угля выделяют при нагревании ле­тучие компоненты. Сгоранию таких углей предшествует их частичное термическое разложение с выделением газообразных углеводородов и водорода, сгорающих в газовой фазе. Кроме того, при сгорании чистого углерода может образовываться оксид углерода СО, догорающий в объ­еме. При достаточном избытке воздуха и высокой температуре поверх­ности угля объемные реакции протекают настолько близко от поверхно­сти, что в определенном приближении дает основание считать такой процесс гетерогенным.

Примером действительно гетерогенного горения является горение тугоплавких нелетучих металлов. Эти процессы могут осложняться об­разованием окислов, покрывающих горящую поверхность и препятст­вующих контакту с кислородом. При большой разнице в физико-химических свойствах между металлом и его окислом в процессе горе­ния окисная пленка растрескивается, и доступ кислорода в зону горения обеспечивается.

1.3. Горение в движущемся газе

Для описания процессов горения используется термин «нормальная скорость пламени»*. Он характеризует скорость движения фронта пламе­ни в неподвижной газовой смеси. Такое идеализированное состояние можно создать лишь в лабораторном эксперименте. В реальных условиях горения пламя всегда существует в движущихся потоках.

Поведение пламени в таких условиях подчиняется двум законам, ус­тановленным русским ученым В. А. Михельсоном.

Первый из них устанавливает, что составляющая скорости газового потока v по нормали к фронту пламени, распространяющегося по непод­вижной смеси, равна нормальной скорости распространения пламени и, деленной на cos

где - угол между нормалью к поверхности пламени и направлением газового потока.

Величина v характеризует количество газа, сгорающего в едини­цу времени в косом пламени. Ее принято называть действительной скоростью горения в потоке. Действительная скорость во всех случаях равна или превышает нормальную.

Этот закон применим только к плоскому пламени. Обобщение его на реальные пламена с искривлением фронта пламени дает формулировку второго закона - закона площадей.

Предположим, что в газовом потоке, имеющем скорость v и попе­речное сечение стационарно расположен искривленный фронт пламени с общей поверхностью S. В каждой точке фронта пламени пламя распро­страняется по нормали к его поверхности со скоростью и. Тогда объем горючей смеси, сгорающей в единицу времени составит:

В соответствии с балансом исходного газа этот же объем равен:

* Этот термин адекватен термину «нормальная скорость горения».

Приравнивая левые части (1.2) и (1.3) получаем:

В системе отсчета, в которой фронт пламени перемещается по не­подвижной газовой смеси, соотношение (1.4) означает, что пламя распро­страняется относительно газа со скоростью V. Формула (1.4) является ма­тематическим выражением закона площадей, из которого следует важный вывод: при искривлении фронта пламени скорость горения вырастает пропорционально увеличению его поверхности. Поэтому неоднородное движение газа всегда интенсифицирует горение.

1.4. Турбулентное горение

Из закона площадей следует, что турбулентность увеличивает ско­рость горения. На пожарах это выражается сильной интенсификацией процесса распространения пламени.

Различают (рис. 1.2) два вида турбулентного горения: горение одно­родной газовой смеси и микродиффузионное турбулентное горение.

Рис. 1.2. Классификация турбулентного горения

При горении однородной смеси в режиме турбулентного горения возможны два случая: возникновение мелкомасштабной и крупномас-

Глава 1. Основные понятия теории горения

штабной турбулентности. Такое разделение производится в зависимости от соотношения масштаба турбулентности и толщины фронта пламени. При масштабе турбулентности меньшем толщины фронта пламени ее от­носят к мелкомасштабной, при большем - к крупномасштабной. Меха­низм действия мелкомасштабной турбулентности обусловлен интенсифи­кацией процессов горения за счет ускорения процессов тепломассопере-носа в зоне пламени. При описании мелкомасштабной турбулентности в формулах для скорости распространения пламени коэффициенты диффу­зии и температуропроводности заменяются на коэффициент турбулентно­го обмена.

Наибольшие скорости горения наблюдаются при крупномасштабной турбулентности. В этом случае возможны два механизма ускорения горе­ния: поверхностный и объемный.

Поверхностный механизм состоит в искривлении фронта пламени турбулентными пульсациями. В этом случае скорость горения возрастает пропорционально увеличению поверхности фронта. Однако это справед­ливо лишь для условий, когда химические превращения в пламени завер­шаются быстрее, чем успеет произойти турбулентное смешение. В этом случае, когда турбулентное смешение обгоняет химическую реакцию, зо­на реакции размывается турбулентными пульсациями. Такие процессы описываются закономерностями объемного турбулентного горения.

Время турбулентного смешения равно отношению масштаба

турбулентности к пульсационной скорости Поэтому ускорение

пламени за счет турбулентных пульсаций происходит по поверхностному механизму, если выполняется условие:

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва

где - время протекания химической реакции при температуре горе-

Если условие (1.5) не выполняется, то имеет место механизм объем­ного турбулентного горения.

Время химической реакции может быть выражено.через макроско­пические величины: нормальную скорость пламени и толщину фронта пламени

Тогда критерий поверхностного ускорения принимает вид:

(1.8)

Для оценки скорости распространения турбулентного пламени при поверхностном ускорении К. И. Щелкиным предложена формула:

где В - слабо меняющееся число, не превышающее единицу. В пределе при сильной турбулентности турбулентная скорость пламени стремится к пульсационной скорости, т. е. В - к единице.

1.5. Особенности горения взрывчатых веществ

Взрывчатыми называются индивидуальные вещества или их смеси, способные под влиянием какого-либо внешнего воздействия (нагревания, удара, трения, взрыва другого взрывчатого вещества) к быстрому само­распространяющемуся химическому превращению с выделением большо­го количества тепла и образованием газов.

От обычных горючих веществ, горение которых происходит при взаимодействии с кислородом или другими внешними оксилителями, взрывчатые вещества, находясь в конденсированной (твердой или жид­кой) фазе, содержат в себе все компоненты, участвующие в горении. Взрывчатыми веществами могут быть как индивидуальные химические соединения, так и механические смеси.

Большинство индивидуальных взрывчатых веществ относятся к нитросоединениям: тринитротолуол, тетрил, гексоген, октоген, нитрогли-

Глава 1. Основные понятия теории горения

церин, нитраты целлюлозы и др. Взрывчатыми свойствами обладают так­же хлораты, перхлораты, азиды, органические перекиси.

Молекулы органических нитросоединений содержат слабо связан­ный кислород в виде нитрогруппы - Таким образом, в одной моле­куле содержатся и горючее, и окислитель. Их горение за счет внутримо­лекулярного окисления может начаться при незначительных внешних воздействиях.

Значительную группу взрывчатых веществ составляют эндотерми­ческие соединения, молекулы которых не содержат кислорода. В этом случае источником энергии является не окисление, а прямой распад. К таким соединениям относятся азиды свинца, серебра и других металлов. К механическим смесям относятся смеси твердых у глее о держащих горючих с твердыми окислителями. Примером подобной смеси является черный порох.

1.6. Термодинамика сгорания

углеводородовоздушных смесей

Законы термодинамики позволяют вычислить необходимые для описания процессов горения параметры: коэффициент расширения про­дуктов сгорания при начальных условиях отношения теп-лоемкостей при постоянном давлении и постоянном объеме как хтя свежей смеси, так и для продуктов сгорания; максимальное давление взрыва р е; адиабатическую температуру продуктов сгорания в изобариче­ских и изохорических условиях, состав продуктов сгорания

В настоящем разделе описан алгоритм расчета равновесного состоя­ния продуктов сгорания C-H-0-N- содержащих горючих в воздухе в ши­роком диапазоне начальных температур, давлений и концентраций, разра­ботанный проф. В.В. Мольковым. Алгоритм основан на обобщении и сис­тематизации термодинамических и математических методов с использо­ванием наиболее точных данных по термодинамическим свойствам инди­видуальных веществ.

Для повышения достоверности результатов в расчетах необходимо учитывать не только кислород и азот воздуха, но и другие входящие в его состав газы - , Н 2 0, С0 2 . Увеличение числа компонентов продуктов сгорания до 19 (Н 2 , Н 2 0, С0 2 , N 2 , Аг, С-газ, Н, О, N, CO, CH 4 , HCN, 0 2 ,

И проведение расчетов с учетом состава воз-

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва

духа средней влажности

Не усложняют вычислений на компьютере, использова­ние которого позволяет существенно сократить время расчетов при одно­временном повышении их точности в сравнении с приближенным подхо­дом без использования компьютера.

Брутто-реакция для сгорания горючего в воздухе средней влажности в расчете на моль свежей смеси может быть записана в виде

где - объемная концентрация горючего в свежей смеси: -

число атомов соответственно углерода, водорода, кислорода и азота в мо­лекуле горючего; - число молей -го компонента продуктов сгорания;

- -й компонент продуктов сгорания.

Суммарное число атомов в системе, вычисленное по составу свежей смеси, равно

Отношения числа атомов соответственно углерода, водорода, азота и аргона к числу атомов кислорода являются константами для конкретной смеси и не зависят от термодинамического состояния замкнутой системы:

Число атомов кислорода в системе.

Глава 1. Основные понятия теории горения

Для адиабатического процесса горения в изобарических условиях закон сохранения энергии эквивалентен закону сохранения энтальпии замкнутой системы

Hi = Hj, (1.15)

где Н - энтальпия, а индексы и j обозначают соответственно параметры свежей смеси и продуктов сгорания. Энтальпия моля свежей смеси

где и - энтальпия соответственно горючего и воздуха при на-

чальной температуре Зависимость энтальпии горючего и воздуха от начальной температуры в диапазоне от 250 до 500 К задается полиномом четвертой степени

где (298) - энтальпия образования вещества при температуре 298 К;

Энтальпия при температуре Т; - численные коэффициенты,

определяемые решением системы линейных уравнений, например, мето­дом исключения Гаусса-Жордана; Т 0 - некоторое произвольное постоян­ное значение температуры.

Энтальпия продуктов сгорания, полученных при сжигании моля свежей смеси

где сумма в круглых скобках равна числу молей продуктов при сгорании одного моля свежей смеси; - мольная доля -го компонента продуктов сгорания; - энтальпия -го продукта сгорания при темпера-

туре Т.

Значения энтальпий

определяются по зависимости приведенной энергии Гиббса от температу­ры Ф(Т) в диапазоне температур от 500 до 6000 К. Известно, что

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва

где Т е - равновесная температура продуктов сгорания в бомбе.

Давление взрыва газовой смеси в замкнутой бомбе определяется по отношению уравнений состояния идеального газа для продуктов сгорания и свежей смеси

Для нахождения равновесного состава продуктов сгорания необхо­димо решить систему, включающую в себя 5 линейных (уравнения сохра­нения массы) и 14 нелинейных (уравнения химического равновесия) ал­гебраических уравнений.

Для изобарического процесса целесообразно записать уравнения со­хранения массы через мольные доли продуктов сгорания

Глава 1. Основные понятия теории горения

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва

(1.34) (1.35) (1.36) (1.37) (1.38) (1.39) (1.40) (1.41) (1.42) (1.43)

где р - давление, при котором протекает реакция, атм. Зависимость кон­стант химического равновесия от температуры принимается по справочным данным для реакций диссоциации

котором - константа равновесияреакции диссоциации (1.43 а)

при температуре - приведенные энергии Гиббса соответ-

ственно реагентов - тепловой эффект-ой реакции (1.44)

при абсолютном нуле температуры.

Показатели адиабат для свежей смеси и продуктов сгорания опреде­ляются с использованием уравнения Майера по формуле

Для свежей смеси значения определяются дифференцированием выражения (1.17) для энтальпии газов исходной смеси (горючего и возду­ха) по температуре для продуктов сгорания - по выражениям, полу­ченным в результате дифференцирования уравнения (1.19) по температу­ре Т.

При расчетах процессов горения в постоянном объеме константу равновесия зависящую для идеального газа только от температуры,

при которой рассчитывается равновесие, и не зависящую от давления, це­лесообразно записать не через мольные доли как это сделано при рас­четах горения в изобарических условиях в уравнениях (1.30)-(1.43), а че­рез количество молей п,. Тогда, например, для реакции (1.31) имеем

где Г-температура, при которой вычисляется константа равновесия; р, и Г, - начальные значения давления и температуры свежей смеси. При пе-

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва

реходе от мольных долей к числу молей в изохорическом процессе в урав­нениях сохранения массы (15)-(18) необходимо заменить значения на соответствующие Уравнение (19) этом запишется в виде

После умножения обеих частей уравнения (1.28) на можно вы­числить сумму необходимую для вычисления давлениявзрыва газо­вой смеси в бомбе постоянного объема по уравнению (1.22).

Опишем метод решения системы уравнений (1.15), (1.23)-(1.43), со­держащей 21 неизвестную величину: 19 мольных долей продуктов сгора­ния суммарное число молей продуктов при сгорании моля свежей сме­си и энтальпию продуктов сгорания . В качестве независимых пе­ременных выбраны мольные доли водорода, воды, диоксида углерода, азота и аргона Мольные

доли остальных 14 продуктов сгорания выражаются через константы рав­новесия и выбранные независимые переменные из уравнений (1.29)-(1.43). Далее перепишем уравнения (1.23)-(1.26) и (1.28) соответственно в виде

F(A,B, C,D,E) = 0,

G (А, В, С, D, Е) = 0,

H(A,B,C,D,.E) = 0, (1.49)

J (А, В, С, D, Е) = 0,

I (А, В, С, D, Е) = 0.

Линеаризовав систему уравнений (1.49) разложением в ряд Тейлора с точностью до членов, содержащих первые производные, получаем

где и т. д. (индекс 0 обозначает ис-

ходные значения величин). Система уравнений (1.50) содержит пять неиз­вестных - являющихся приращениями к исходным

Глава 1. Основные понятия теории горения

вестных - являющихся приращениями к исходным

значениям мольных долей А, В, С, D, Е. Система может быть решена раз­личными методами, например вычислением и делением друг на друга де­терминантов соответствующих матриц системы уравнений (1.50) либо использованием метода исключения Гаусса-Жордана.

При предполагаемом значении равновесной температуры продуктов сгорания Т вычисляют значения констант равновесия .. Затем определя-

ют по исходным значениям независимых переменных А, В, С, D, Е значения остальных мольных, долей продуктов сгорания, а следовательно, и коэффици­енты системы уравнений (1.50). Затем, решив эту систему уравнений, находят новые значения

Итерационный процесс повторяют до тех пор, пока абсолютные значения от­ношений не станут меньше определенной величины, равной, например, (при результаты расчетов прак­тически не изменяются). Таким образом, определяют равновесный состав про­дуктов сгорания при предполагаемой температуре Т. По равновесному составу продуктов находят согласно уравнению (1.27) величину £и,-, что позволяет вы­числять значения энтальпии Hj продуктов сгорания по формуле (1.18).

При горении в изохорических условиях порядок вычислений аналогичен описанному выше. Отличие, как уже отмечалось, заключается в том, что рас­чет проводится не для мольных долей, а для числа молей и вместо энтальпий вычисляют внутреннюю энергию свежей смеси и продуктов сгорания.

В табл. 1.1 приведены рассчитанные термодинамические параметры для стехиометрических смесей метана, пропана, гексана, гептана, ацетона, изопропилового спирта и бензола с воздухом.

Таблица 1.1. Максимальное адиабатическое давление взрыва в замкнутом сосуде , температура продуктов сгорания , показатели адиабат свежей смеси и продуктов сгорания коэффициент расширения продуктов сгорания при начальных условиях Ei для стехиометрических углеводородных смесей при

начальной температуре = 298,15 К

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва

		0,06 0,04	5,188 3,439	2539,6 2521,9		1,247 1,248	2192,7 2183,2	7,412 7.385
	3,964	0,10 0,08 0,06 0,04	9,228 7,358 5,494 3,640	2604,4 2594,1 2580,5 2561,2	1,365	1,247 1,248 1,248 1,249	2245,2 2239,4 2231,7 2220,7	7,897 7,880 7,857 7,825
	2,126	0,10 0,08 0,06 0,04	9,378 7,478 5,583 3,699	2611,6 2601,2 2587,3 2567,8	1,360	1,248 1,248 1,249 1,249	2251,7 2245,8 2237,9 2226,7	8,025 8,008 7,984 7,951
	1,842	0,10 0,08 0,06 0,04	9,403 7,498 5,598 3,708	2613,0 2602,6 2588,7 2569,1	1,359	1,248 1,248 1,249 1,249	2253,0 2247,1 2239,1 2227,9	8,047 8,029 8,005 7,972
	4,907	0,10 0,08 0,06 0,04	9,282 7,401 5,527 3,661	2594,2 2583,7 2570,4 2550,9	1,357	1,245 1,245 1,246 1,246	2242,1 2236,2 2228,2 2216,9	7,962 7,944 7,921 7,888
	4,386	0,10 0,08 0,06 0,04	9,344 7,451 5,565 3,688	2574 3 2564,4 2551,8 2533,2	1,361	1,244 1,245 1,245 1,246	2219,7 2214,3 2206,9 2196,5	7,999 7,983 7,961 7,929
	2,679	0,10 0,08 0,06 0,04	9,299 7,411 5,532 3,662	2678,2 2666,0 2650,6 2628,2	1,377	1,251 1,251 1,252 1,252	2321,1 2313,7 2304,2 2290,4	7,990 7,969 7,942 7,902

Стехиометрическая концентрация горючего при сгорании в воздухе средней влажности и в сухом воздухе определяются соответственно по формулам:

где - стехиометрический коэффициент кислорода, равный числу молей кислорода, приходящихся на 1 моль горючего вещества при его полном сгорании.

Глава 1. Основные понятия теории горения

На рис. 1.3 в качестве примера показано рассчитанное изменение температуры горения и мольных долей основных компонентов продуктов сгорания в зависимости от объемной концентрации горючего для гекса-но-воздушной смеси.

Рис. 1.3. Зависимость состава и температуры продуктов сгорания

гексано-воздушной смеси при давлении 0,101 МПа и начальной температуре

298,15 К от концентрации гексана