Основные явления при горении.

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.