Гомогенное, гетерогенное и диффузионное горение

Глава 1.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ

Основные явления при горении.

В природе и технике большое значение имеют быстропротекающие экзотермические процессы, сопровождающиеся выделением огромного количества тепла - процессы горения. При возникновении и развитии лесных пожаров, при сжигании каменного угля, дров, нефтепродуктов, при работе двигателей внутреннего сгорания протекают процессы горения. Эти же процессы сопровождают пожары в зданиях и сооружениях.

Имея одинаковую физико-химическую природу, процессы горения внутри топочных устройств и при пожарах различаются масштабами, условиями тепло- и массообмена.

Поэтому, рассматривая закономерности возникновения и развития горения, мы будем учитывать, что описываемые явления относятся, прежде всего, к пожарам в зданиях и сооружениях.

Основная особенность явлений горения заключается в возможности их самоподдерживания и саморазвития. Реализуясь при высокой температуре, реакции горения сами и создают эту температуру. Под горением мы будем понимать процесс протекания экзотермических химических реакций в условиях прогрессивного самоускорения, обусловленного накоплением в горючей системе тепла или катализирующих продуктов реакции. При этом мы будем разделять тепловые и цепные (автокаталитические) процессы при горении. Во втором случае решающее значение для реализации процессов горения имеют реакции с разветвляющимися цепями.

Особенности явлений горения заключаются в наличии критических условий их возникновения и в способности распространения по горючей смеси. При тепловом горении распространение пламени происходит посредством передачи тепла из зоны реакции в свежую смесь, при цепном -посредством передачи активных веществ.

При тепловом горении цепные реакции также имеют место, но в отличие от чисто цепных процессов повышение температуры является основной причиной ускорения реакции. Поскольку скорость реакции зависит от температуры по экспоненциальному закону, а от концентраций реагирующих веществ только по степенному, то влияние нагрева, как правило, существеннее.

Во всех процессах горения, независимо от их химической природы основную роль играют критические явления при возникновении горения условия распространения зоны реакции. Критические явления при возникновении горения характеризуются резким изменением режима протекания процесса при незначительном изменении внешних условий. Скорости всех элементарных химических процессов являются непрерывным функциями температуры, которые отражаются законом Аррениуса:

k=А*е^-Е^/^RT

где к - константа скорости реакции; А - предэкспоненциальный множитель, Е - энергия активации; R - универсальная газовая постоянная: Т -температура.

Критические условия возникновения горения являются результате нарушения теплового равновесия между реагирующей системой и окружающей средой.

К критическим условиям относятся самовоспламенение, зажигание и условия распространения пламени. При этом разница между самовоспламенением и зажиганием по существу условна.

В теории горения самовоспламенением называют возникновение горения в горючей смеси, помещенной в нагретый сосуд, температура стенок которого принимается равной начальной температуре смеси.

Зажиганием (или вынужденным воспламенением) называют возникновение горения под действием местного теплового импульса, воздействующего на небольшую часть горючей смеси. В качестве теплого импульса принимают электрическую искру или накаленную поверхность. Электрическая искра рассматривается как чисто тепловой импульс, нагревающий малый объем газа до высокой температуры. При впуске холодной горючей смеси в сосуд с нагретыми стенками возможен непрерывный переход от самовоспламенения к зажиганию. Его можно рассматривать как процесс зажигания котором роль горячей поверхности играет вся поверхность стенок сосу, Повышая начальную температуру горючей смеси до температуры стенок сосуда, можно осуществить непрерывный переход к самовоспламенению.

Простейшим примером возникновения горения можно считать тепловое самовоспламенение, описанное Вант-Гоффом. Согласно его представлениям условием теплового воспламенения является нарушение теплового равновесия между реагирующей системой и окружающей средой. Академиком Н. Н. Семеновым и его учениками было открыто и детально исследовано явление цепного самовоспламенения, реализация которого происходит при нарушении равновесия между образованием и расходованием активных продуктов автокаталитической реакции. Условие возникновения самовоспламенения связывает все параметры, влияющие на скорость реакции и на отвод тепла или активных продуктов в окружающую среду. Самовоспламенение происходит при изменении любого из этих параметров: либо свойств горючей смеси (температуры, давления, состава, коэффициентов теплопроводности или диффузии), либо размеров сосуда, в котором протекает реакция. Наибольшее влияние на скорость реакции по сравнению с другими факторами имеет температура.

Критические условия зажигания местным тепловым импульсом также заключаются в нарушении теплового равновесия горючей системы. Условие самовоспламенения в простейшем случае (для чисто гомогенной реакции) включает только свойства и объем горючей смеси. Температура стенок сосуда, в котором находится смесь, предполагается заданной и постоянной. За время развития процесса самовоспламенения она практически не изменяется. При этих допущениях, хотя воспламенение и зависит от условий теплоотдачи, последние могут приниматься независящими от свойств стенок сосуда. Поэтому задача о воспламенении считается одной из простейших задач теории горения. А условие самовоспламенения - непосредственной характеристикой горючей смеси[1].

Условие самовоспламенения характеризует невозможность сохранения теплового равновесия в объеме горючей смеси с определенными размерами и свойствами. Условия же зажигания характеризуют нарушение этого равновесия при заданных начальных условиях.

При увеличении размеров зажигающей поверхности вплоть до полного окружения его объема горючей смеси реализуется непрерывный переход от зажигания к самовоспламенению.

После зажигания смеси каким-либо источником возможны два варианта: затухание пламени вблизи источника зажигания или его распространение на весь объем горючей смеси. Реализация того или иного варианта зависит прежде всего от состава смеси, от концентрации горючего компонента. Для возможности распространения пламени существенна начальная температура смеси, а температура, развивающаяся при горе Схема распространения пламени по горючей газовой смеси показана рис. 1.1.

В левой части рис. 1.1 показана вертикально расположенная трубка заполненная горючей газовой смесью. При инициировании горения каким-либо источником в трубке формируется зона реакции (зона светящегося пламени), которая поднимается вверх. При этом наблюдается послойное сгорание смеси. Распределение температуры в окрестности зоны реакции показано на диаграмме в правой части рис. 1.1. Заметные превращения компонентов исходной смеси начинаются при температуре примерно 700К; в зоне реакции температура достигает 1500-1600 К. За зоной активной реакции наблюдается некоторое увеличение температуры. Далее имеет область примерно постоянной температуры, в которой потери тепла, лучение, конвекцию и диффузионное охлаждение компенсируются выделениями тепла за счет рекомбинации радикалов и догорания избытка топлива. Затем пламя охлаждается и превращается в горячий газ. Ширина реакции составляет 0,2-0,4 мм.

Распространение пламени по горючей газовой смеси характеризуется величиной нормальной скорости горения. Нормальным горением

называется распространение пламени при отсутствии газодинамических эффектов, обусловленных градиентами давления или турбулентностью. Скорость распространения этого идеализированного процесса называется нормальной скоростью пламени (горения). Она зависит только от кинетики реакции горения, коэффициентов диффузии и теплопроводности.

В начальных условиях процесс горения всегда сопровождается движением газа. Если такое движение и не создается искусственно, оно возникает самопроизвольно вследствие термического расширения сгоревших объемов. При неоднородном движении газа искривление фронта пламени приводит к увеличению скорости горения. При возникновении турбулентности механизм ускорения горения определяется соотношением между масштабом турбулентности и толщиной фронта пламени. (Под толщиной фронта пламени понимается зона, в которой происходят химические реакции горения.) При крупномасштабной турбулентности (т. е. когда масштаб турбулентности существенно больше толщины фронта пламени) увеличивается поверхность пламени и, соответственно, скорость горения. При мелкомасштабной турбулентности меняется механизм тепломассопередачи во фронте пламени. Она осуществляется уже не молекулярной, а турбулентной теплопроводностью и диффузией.

При сверхзвуковом движении газа в нем возникают ударные волны -поверхности, где резкое сжатие происходит на расстоянии порядка свободного пробега молекул. В этих условиях работа сжатия преобразуется в тепловую энергию. Происходящий при этом разогрев приводит к самовоспламенению горючей смеси. Распространение горения посредством воспламенения ударной волной называется детонацией. Скорость детонации превосходит скорость распространения звука. В механизме детонации теплопередача и диффузия активных центров в свежую смесь не играют существенной роли. Теплопотери из зоны реакции могут быть существенны только для пределов детонации.

Гомогенное, гетерогенное и диффузионное горение

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.

К гомогенному относится горение предварительно перемешанных газов[2]. 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 случая) не всегда выполняется условие полного предварительного перемешивания. Поэтому всегда возможны комбинации гомогенного с другим 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 со ответственно увеличения площади контакта реагирующих веществ при крупномасштабной турбулентности или ускорения процессов тепломассопереноса 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 процесса 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 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 макросмешение 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 гетерогенно - 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] В практике обеспечения пожарной безопасности принято использовать понятие «стандартная температура самовоспламенения» или просто «температура самовоспламенения».

[2] Подобное горение зачастую называют кинетическим.

Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 1063; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!