Горение

Горение (далее Г) сложное, быстро протекающее превращение, сопровождающееся выделением значительного количества тепла и обычно ярким свечением (пламенем). В большинстве случаев основу Г составляют экзотермические окислительные реакции вещества, способного к Г (горючего), с окислителем. Современная физико- теория Г относит к Г все процессы, связанные с быстрым превращением и тепловым или диффузионным их ускорением, в том числе разложение взрывчатых веществ, озона, и др.; соединение ряда веществ с и т. д.; взаимодействие многих металлов с окисей и с двуокисью и т. д. реакция Г в большинстве случаев является сложной, т. е. состоит из большого числа элементарных процессов. Кроме того, превращение при Г тесно связано с рядом физических процессов — переносом тепла и масс и характеризуется соответствующими гидро- и газодинамическими закономерностями. В силу комплексной природы Г, суммарная скорость Г практически никогда не тождественна скорости чисто взаимодействия реагентов системы. Более того, для гетерогенных процессов скорость Г часто эквивалентна скорости того или иного лимитирующего чисто физического процесса (испарения, диффузии и т. д.).   Наиболее общее свойство Г — возможность при известных условиях прогрессивного самоускорения превращения — воспламенения, связанного с накоплением в реагирующей системе тепла или активных продуктов цепной реакции, Характерная черта явлений Г — способность к пространственному распространению, вследствие передачи тепла или диффузии активных частиц; в первом случае говорят о тепловом, во втором — о диффузионном механизме распространения пламени. Другая характерная особенность Г — наличие критических условий, т. е. определенных, характерных для данной горючей системы областей значений параметров (состав смеси, давление, содержание примесей, начальная температура смеси и т. д.), вне которых реакция горения протекает стационарно, а внутри области — самоускоряется. Диффузионный механизм Г обычно наблюдается при низких давлениях. Г широко применяется в технике для получения тепла в топках, печах и камерах сгорания двигателей. При этом очень часто используется так называемое диффузионное Г, при котором распространение пламени определяется взаимной диффузией (кондуктивной или турбулентной) горючего и окислителя.   Для любого вида Г характерны две типичные стадии — воспламенение и последующее сгорание (догорание) вещества до продуктов полного Г Время, затрачиваемое на обе стадии, составляет общее время Г Обеспечение минимального суммарного времени Г при максимальной полноте Г (полноте тепловыделения) — основная задача техники сжигания. Для технического Г важны также физические процессы подготовки смеси: испарение, перемешивание и т. д. Основные термодинамические характеристики горючей смеси — теплотворная способность и теоретическая (или адиабатическая) температура Г, т. е. та температура, которая могла бы быть достигнута при полном сгорании без потерь тепла.   По агрегатному состоянию горючего и окислителя различают: 1) гомогенное Г — Г газов и парообразных горючих в среде газообразного окислителя (большей частью воздуха); 2) горение взрывчатых веществ и порохов; 3) гетерогенное Г — Г жидких и твердых горючих в среде газообразного окислителя; Г в системе жидкая горючая смесь — жидкий окислитель (например, кислота).   Гомогенное горение. Наиболее простой случай представляет Г заранее перемешанных смесей. Большей частью реакции являются цепными (см. Цепные реакции). В обычных условиях Г при их развитии (зарождении и развитии цепей) определяющее значение имеет предварительное нагревание вещества (термическая активация).   Для начала Г необходим начальный энергетический импульс, чаще всего нагревание горючего. Различают 2 способа воспламенения: самовоспламенение и вынужденное воспламенение, или зажигание (накаленным телом, пламенем, электрической искрой и др.).   Важнейший вопрос теории Г — распространение пламени (зоны резкого возрастания температуры и интенсивной реакции). Различают нормальное распространение Г, или дефлаграцию, где ведущим процессом является передача тепла теплопроводностью, и детонацию, где поджигание производится ударной волной. Нормальное Г, в свою очередь, подразделяется на ламинарное и турбулентное.   Ламинарное пламя обладает вполне определенной скоростью перемещения относительно неподвижного газа, которая зависит от состава смеси, давления и температуры и определяется только кинетикой и молекулярной теплопроводностью. Эта нормальная скорость является физико- константой смеси.   Скорость распространения турбулентного пламени зависит от скорости потока, а также степени и масштаба турбулентности. Г в потоке (факельный процесс) — Г струи при ее истечении из трубы (сопла) в открытое пространство или камеру — очень распространенный в технике вид Г Различают Г при истечении заранее перемешанной смеси и Г при раздельном истечении горючего и окислителя, когда процесс определяется перемешиванием (диффузией) двух потоков.   В условиях Г в потоке большое практическое значение имеет вопрос удержания пламени на горелке или в камере. Задача обычно решается или путем непрерывного зажигания смеси от специального зажигательного устройства, или с помощью установки поперек потока плохо обтекаемых тел (стабилизирующих экранов), обеспечивающих обратную циркуляцию горячих продуктов Г   Г взрывчатых веществ (ВВ) — самораспространение зоны экзотермической реакции разложения взрывчатого вещества или взаимодействия его компонентов посредством передачи от слоя к слою энергии реакции в виде тепла. В том случае, когда газообразные продукты Г могут свободно оттекать от горячего заряда, Г ВВ, в отличие от их детонации, обычно не сопровождается значительным повышением давления и не принимает характера взрыва. Конденсированные ВВ, аналогично смесям газообразных горючих и окислителей, не требуют подвода извне.   Скорость Г зависит от природы ВВ, а также от давления, температуры, плотности заряда и др. факторов и при атмосферном давлении для различных ВВ изменяется от долей мм до нескольких м в сек. Для инициирующих ВВ она, как правило, в десятки и сотни раз больше, чем для вторичных.   Гетерогенное горение. Для Г жидких веществ большое значение имеет процесс их испарения. Г легко испаряющихся горючих практически относится к гомогенному Г, т. к. такие горючие еще до воспламенения полностью или почти полностью успевают испариться. Применительно к жидким горючим различают 2 характеристики: температуру вспышки и температуру обычного самовоспламенения.   Широко распространенной жидкой гетерогенной системой является высокодисперсная капельная система, для которой определяющее значение имеют законы воспламенения и Г каждой отдельной капли. В отличие от гомогенного Г ,в этом случае стадия воспламенения играет относительно меньшую роль.   Г твердых веществ в простейшем случае не сопровождается разложением вещества с выделением их летучих компонентов (например, Г металлов). В технике большое значение имеет Г твердого 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 называеть летучей, а газы — летучими. При быстром нагревании частиц топлива (что возможно для частиц малого размера) летучие компоненты могут не успеть выделиться и сгорают вместе с При медленном нагревании наблюдается четкая стадийность начального этапа Г — сначала выход летучих компонентов и их воспламенение, затем воспламенение и Г твердого, так называемого коксового, остатка, который кроме содержит минеральную часть топлива — золу.   Каталитическое, или, вернее, поверхностное каталитическое, Г газовых смесей относится к классу гомогенно-гетерогенных процессов Г: процесс может протекать как в объеме, так и на катализирующей твердой поверхности (например, на В зависимости от конкретных условий может проявляться гомогенный или гетерогенный тип Г При высоких температурах, когда объемное Г идет быстро, роль поверхностно-каталитического Г, как правило, мала и может быть заметной только в случае, когда смесь течет в узких каналах, пористых материалах или мелкозернистых засыпках из катализатора. Применяемый в технике термин "беспламенное" Г газовых смесей не всегда эквивалентен понятию поверхностно-каталитического Г Скорее он является характеристикой Г без светящегося пламени.   Лит.: Семенов Н. Н., О некоторых проблемах кинетики и реакционной способности, М., 1954; Кондратьев В. Н., Кинетика газовых реакций, М.,1958; Хитрин Л. Н. Физика горения и взрыва, М., 1957; 3ельдович Я. Б., Г М. — Л.,1949; Франк-Каменецкий Д. А., Диффузия и теплопередача в кинетике, М. — Л., 1947: Льюис Б. и Эльбе Г Г, пламя и взрывы в газах, пер. с англ., M .,1948; Иост В., Взрывы и горение в газах, пер. с нем., М., 1952; Щелкин К. И. и Трошин Я. К., Газодинамика горения, М., 1963; Гейдон А. Г и Волфгард Х. Г, Пламя, его структура, излучение и температура, пер. с англ.. М., 1959; Беляев А. Ф., Г, детонация и работа взрыва конденсированных систем, М., 1968; Чугаев Л. А., Открытие и теория горения в связи с философскими учениями древнего мира. Избр. труды, т. 3, М., 1962, С.350—94; Gregory J. С., Combustion from Heracleitos to Lavoisier, L., 1934.