Ktorý stav horľavej látky sa vyznačuje homogénnym spaľovaním. Druhy a spôsoby spaľovania. Spaľovanie plynných, kvapalných a pevných látok

horľavé prostredie

Oxidačné činidlá

Oxidačné činidlá sú látky, ktorých atómy pri chemických premenách prijímajú elektróny. Medzi jednoduché látky patria všetky halogény a kyslík.

Najbežnejším oxidačným činidlom v prírode je vzdušný kyslík.

Pri skutočných požiaroch horenie prebieha najmä na vzduchu, ale mnohé technologické procesy využívajú vzduch obohatený kyslíkom, dokonca aj čistý kyslík (napríklad hutnícka výroba, zváranie plynom, rezanie a pod.). S atmosférou obohatenou kyslíkom sa možno stretnúť pri podvodných a kozmických lodiach, procesoch vo vysokej peci atď. Takéto horľavé systémy majú zvýšenú nebezpečenstvo ohňa. Toto je potrebné vziať do úvahy pri vývoji hasiacich systémov, protipožiarnych a preventívnych opatrení a pri požiarnej a technickej expertíze požiarov.

Okrem vzdušného kyslíka a halogénov môžu ako oxidačné činidlá pri spaľovacích reakciách pôsobiť aj komplexné látky, napríklad soli kyselín s obsahom kyslíka - dusičnany, chlorečnany a pod., používané pri výrobe strelného prachu, vojenských a priemyselných trhavín a rôznych pyrotechnické kompozície.

Zmes paliva a okysličovadla v rovnakom stave agregácie určité proporcie a schopné horenia (a spaľovanie je možné len pri určitých pomeroch), sa nazýva horľavé médium.

Existujú dva typy horľavých médií: homogénne a heterogénne.

Homogénne horľavé médium sa nazýva vopred zmiešaná zmes paliva s oxidačným činidlom a podľa toho nehomogénne horľavé médium – keď palivo a okysličovadlo nie sú zmiešané.

Vplyv veľkého množstva faktorov na proces spaľovania určuje rozmanitosť typov a spôsobov spaľovania. Takže v závislosti od agregovaného stavu komponentov horľavá zmes spaľovanie môže byť homogénne a heterogénne, v závislosti od podmienok miešania zložiek - spaľovanie vopred pripravenej zmesi (kinetické) a difúzie, v závislosti od plynodynamických podmienok - laminárne a turbulentné a pod.

Hlavné typy spaľovania sú homogénne a heterogénne.

homogénne spaľovanie - je proces interakcie medzi palivom a
oxidačné činidlo v rovnakom stave agregácie. Väčšina
rozšírené je homogénne spaľovanie plynov a pár vo vzduchu.

heterogénne spaľovanie- ide o spaľovanie tuhých horľavých látok
aj priamo na ich povrchu. charakteristický znak
heterogénne spaľovanie je neprítomnosť plameňa. Príklady toho
spaľujú antracit, koks, drevené uhlie, neprchavé kovy.
Bezplameňové spaľovanie sa niekedy nazýva kaz.

Ako je zrejmé z definícií, zásadný rozdiel medzi homogénnym spaľovaním a heterogénnym spaľovaním je v tom, že v prvom prípade sú palivo a okysličovadlo v rovnakom stave agregácie, v druhom sú v rôznych stavoch.

Zároveň je potrebné poznamenať, že spaľovanie pevných látok a materiálov nie je ani zďaleka vždy heterogénne. Je to spôsobené mechanizmom spaľovania pevných látok.

Napríklad spaľovanie dreva vo vzduchu. Aby ste ho zapálili, musíte si priniesť nejaký zdroj tepla, napríklad plameň zo zápalky alebo zapaľovača, a chvíľu počkať. Vynára sa otázka: prečo sa nerozsvieti okamžite? Vysvetľuje to skutočnosť, že v počiatočnom období musí zdroj vznietenia zahriať drevo na určitú teplotu, pri ktorej začína proces pyrolýzy, alebo inými slovami, tepelný rozklad. Zároveň sa v dôsledku rozkladu celulózy a iných zložiek začínajú uvoľňovať produkty ich rozkladu – horľavé plyny – uhľovodíky. Je zrejmé, že čím väčšie je zahrievanie, tým väčšia je rýchlosť rozkladu a teda aj rýchlosť uvoľňovania horľavých plynov. A to až vtedy, keď bude rýchlosť uvoľňovania GH dostatočná na vytvorenie určitej koncentrácie vo vzduchu, t.j. horľavá atmosféra, môže dôjsť k horeniu. Čo robí horiace nie drevo, ale produkty jeho rozkladu - horľavé plyny. Preto je spaľovanie dreva vo väčšine prípadov homogénne a nie heterogénne.

Možno namietnete, že drevo nakoniec začne tlieť a tlenie, ako už bolo spomenuté vyššie, je heterogénne spaľovanie. A existuje. Faktom je, že konečnými produktmi rozkladu dreva sú najmä horľavé plyny a uhlíkový zvyšok, takzvaný koks. Všetci ste videli a dokonca ste si kúpili tento najviac uhlíkatý zvyšok na grilovanie. Tieto uhlie sú asi z 98 % čistý uhlík a nemôžu emitovať HG. Uhlie horí už v režime heterogénneho spaľovania, teda tlčie.

Drevo teda horí najskôr v režime homogénneho spaľovania, potom pri teplote okolo 800 °C horenie plameňom prechádza do tlenia, t.j. sa stáva heterogénnym. To isté platí pre ostatné pevné látky.

Ako horia kvapaliny na vzduchu? Mechanizmus spaľovania kvapalín spočíva v tom, že sa najskôr vyparí a sú to pary, ktoré tvoria so vzduchom horľavú zmes. To znamená, že v tomto prípade dochádza aj k homogénnemu spaľovaniu. nehorí kvapalná fáza, ale výpary kvapaliny

Mechanizmus spaľovania kovu je rovnaký ako u kvapalín, s tým rozdielom, že kov sa musí najskôr roztaviť a potom zahriať na vysokú teplotu, aby rýchlosť odparovania bola dostatočná na vytvorenie horľavého média. Niektoré kovy horia na ich povrchu.

Pri homogénnom spaľovaní sa rozlišujú dva režimy: kinetické a difúzne spaľovanie.

Kinetické spaľovanie- ide o spaľovanie vopred namiešanej horľavej zmesi, t.j. homogénna zmes. Rýchlosť horenia je určená iba kinetikou redoxnej reakcie.

Difúzne spaľovanie- ide o spaľovanie nehomogénnej zmesi, kedy palivo a okysličovadlo nie sú vopred zmiešané, t.j. heterogénne. V tomto prípade dochádza k zmiešaniu paliva a okysličovadla v čele plameňa v dôsledku difúzie. Pre neorganizované spaľovanie je charakteristický práve difúzny režim horenia, väčšina horľavých materiálov v ohni môže horieť iba v tomto režime. Homogénne zmesi, samozrejme, môžu vzniknúť aj pri skutočnom požiari, ale ich vznik skôr požiaru predchádza alebo poskytuje počiatočnú fázu vývoja.

Zásadný rozdiel medzi týmito typmi spaľovania je v tom, že v homogénnej zmesi sú molekuly paliva a oxidantu už v tesnej blízkosti a sú pripravené vstúpiť do chemickej interakcie, zatiaľ čo pri difúznom spaľovaní sa tieto molekuly musia v dôsledku difúzie najskôr priblížiť k sebe a až potom vstúpiť do interakcie.

To spôsobuje rozdiel v rýchlosti spaľovacieho procesu.

Celková doba horenia t g, pozostáva z trvania fyz
obloha a chemické procesy:

t g = t f + t x.

Kinetický režim spaľovania charakterizované trvaním iba chemických procesov, t.j. t g » t x, pretože v tomto prípade fyzikálnych procesov príprava (miešanie) sa nevyžaduje, t.j. t f » 0 .

Difúzny režim spaľovania, Naopak, záleží hlavne na
rýchlosť prípravy homogénnej horľavej zmesi (približne povedané priblíženie molekúl), V tomto prípade t f >> t x, a preto možno tú druhú zanedbať, t.j. jeho trvanie je určené najmä rýchlosťou fyzikálnych procesov.

Ak t f » t x, t.j. sú úmerné, potom spaľovanie prebieha takýmto spôsobom
nazývaná stredná oblasť.

Predstavme si napríklad dva plynové horáky (obr. 1.1): v jednom z nich sú v dýze otvory pre prístup vzduchu (a), v druhom nie (b). V prvom prípade bude vzduch nasávaný vstrekovaním do dýzy, kde sa zmieša s horľavým plynom, čím sa vytvorí homogénna horľavá zmes, ktorá horí na výstupe z dýzy v kinetický režim . V druhom prípade (b) sa vzduch zmiešava s horľavým plynom počas spaľovania v dôsledku difúzie, v tomto prípade - difúzne spaľovanie .

Ryža. 1.1Príklad kinetického (a) a difúzneho (b) spaľovania

Ďalší príklad: v miestnosti dochádza k úniku plynu. Plyn sa postupne zmiešava so vzduchom a vytvára homogénnu horľavú zmes. A ak sa potom objaví zdroj vznietenia, dôjde k výbuchu. Ide o spaľovanie v kinetickom režime.

Podobne aj pri spaľovaní kvapalín, napríklad benzínu. Ak sa naleje do otvorenej nádoby a zapáli, dôjde k difúznemu horeniu. Ak túto nádobu umiestnite do uzavretej miestnosti a chvíľu počkáte, benzín sa čiastočne odparí, zmieša so vzduchom a vytvorí tak homogénnu horľavú zmes. Keď sa zavedie zdroj vznietenia, ako viete, dôjde k výbuchu, ide o kinetické spaľovanie.

Aký je spôsob horenia pri skutočných požiaroch? Samozrejme, hlavne v difúzii. V niektorých prípadoch môže požiar začať aj kinetickým horením, ako v uvedených príkladoch, avšak po vyhorení homogénnej zmesi, ku ktorému dôjde veľmi rýchlo, bude horenie pokračovať v difúznom režime.

Pri difúznom spaľovaní, v prípade nedostatku kyslíka vo vzduchu, napríklad pri požiaroch v uzavretých priestoroch, je možné nedokonalé spálenie paliva so vznikom produktov nedokonalého spaľovania ako CO - oxid uhoľnatý. Všetky produkty nedokonalého spaľovania sú veľmi toxické a predstavujú veľké nebezpečenstvo požiaru. Vo väčšine prípadov sú to práve oni, kto je zodpovedný za smrť ľudí.

Hlavné typy spaľovania sú teda homogénne a heterogénne. Vizuálny rozdiel medzi týmito režimami je prítomnosť plameňa.

Homogénne spaľovanie môže prebiehať v dvoch režimoch: difúznom a kinetickom. Vizuálne ich rozdiel spočíva v rýchlosti horenia.

Treba poznamenať, že sa rozlišuje iný typ spaľovania - spaľovanie výbušnín. Výbušniny zahŕňajú palivo a oxidačné činidlo v tuhej fáze. Pretože palivo aj okysličovadlo sú v rovnakom stave agregácie, je takéto spaľovanie homogénne.

Pri skutočných požiaroch dochádza najmä k horeniu plameňom. Plameň, ako je známe, je izolovaný ako jeden z nebezpečných faktorov požiaru. Čo je plameň a aké procesy v ňom prebiehajú?

Téma 4. TYPY SPAĽOVANIA.

Podľa rôznych znakov a vlastností možno procesy spaľovania rozdeliť do nasledujúcich typov:

Podľa stavu agregácie horľavej látky:

Horiace plyny;

Spaľovanie kvapalín a topiacich sa pevných látok;

Spaľovanie nekonzumovateľných pevných prachovitých a kompaktných látok.

Podľa fázového zloženia komponentov:

homogénne spaľovanie;

heterogénne spaľovanie;

Horiace výbušniny.

Podľa pripravenosti horľavej zmesi:

Difúzne spaľovanie (oheň);

Kinetické horenie (výbuch).

Podľa dynamiky čela plameňa:

Stacionárne;

Nestacionárne.

Podľa povahy pohybu plynov:

laminárne;

Búrlivé.

Podľa stupňa horenia horľavej látky:

Neúplné.

Podľa rýchlosti šírenia plameňa:

Normálne;

deflagrácia;

Detonácia.

Poďme sa na tieto typy pozrieť bližšie.

4.1. Spaľovanie plynných, kvapalných a pevných látok.

V závislosti od stavu agregácie horľavej látky sa rozlišuje spaľovanie plynov, kvapalín, prašných a kompaktných pevných látok.

Podľa GOST 12.1.044-89:

1. Plyny sú látky, ktorých kritická teplota je nižšia ako 50 °C. T cr je minimálna teplota ohrevu 1 mólu látky v uzavretej nádobe, pri ktorej sa úplne zmení na paru (pozri § 2.3).

2. Kvapaliny sú látky s bodom topenia (bodom kvapnutia) nižším ako 50 °C (pozri § 2.5).

3. Pevné látky sú látky s bodom topenia (spádom) vyšším ako 50 0 C.

4. Prachy sú časticové pevné látky s veľkosťou častíc menšou ako 0,85 mm.

Zóna, v ktorej prebieha chemická reakcia v horľavej zmesi, t.j. spaľovanie sa nazýva čelo plameňa.

Zvážte spaľovacie procesy vo vzduchu na príkladoch.

Spaľovanie plynov v plynovom horáku. Existujú 3 zóny plameňa (obr. 12):

Ryža. 12. Schéma spaľovania plynu: 1 - priehľadný kužeľ - ide o počiatočný ohrev plynu (na teplotu samovznietenia); 2 – svetelná zóna čela plameňa; 3 - produkty spaľovania (pri úplnom spaľovaní plynov a najmä pri spaľovaní vodíka, keď sa netvoria sadze, sú takmer neviditeľné).

Šírka čela plameňa v zmesiach plynov je desiatky zlomkov milimetra.

Spaľovanie kvapalín v otvorenej nádobe. Pri spaľovaní v otvorenej nádobe existujú 4 zóny (obr. 13):

Ryža. 13. Kvapalné horenie: 1 - kvapalina; 2 - kvapalná para (tmavé oblasti); 3 - čelo plameňa; 4 - produkty spaľovania (dym).

Šírka čela plameňa je v tomto prípade väčšia; reakcia prebieha pomalšie.

Spaľovanie topiacich sa pevných látok. Zvážte zapálenie sviečky. V tomto prípade sa pozoruje 6 zón (obr. 14):

Ryža. 14. Pálenie sviečky: 1 - tvrdý vosk; 2 - roztavený (tekutý) vosk; 3 – tmavá transparentná parná vrstva; 4 - čelo plameňa; 5 - produkty spaľovania (dym); 6 - knôt.

Horiaci knôt slúži na stabilizáciu horenia. Kvapalina sa do nej absorbuje, stúpa pozdĺž nej, vyparuje sa a horí. Šírka čela plameňa sa zväčšuje, čím sa zväčšuje plocha svietivosti, pretože sa používajú zložitejšie uhľovodíky, ktoré sa odparujú, rozkladajú a následne reagujú.

Spaľovanie nekonzumovateľných pevných látok. Tento typ spaľovania budeme uvažovať na príklade horenia zápalky a cigarety (obr. 15 a 16).

Nachádza sa tu aj 5 pozemkov:

Ryža. 15. Pálenie zápalky: 1 - čerstvé drevo; 2 - zuhoľnatené drevo; 3 - plyny (splynené alebo odparené prchavé látky) - je to tmavá priehľadná zóna; 4 - čelo plameňa; 5 - produkty spaľovania (dym).

Je vidieť, že spálená oblasť zápalky je oveľa tenšia a má čiernu farbu. To znamená, že časť zápasu bola spálená, t.j. neprchavá časť zostala a prchavá časť sa odparila a zhorela. Rýchlosť horenia uhlia je oveľa pomalšia ako u plynov, takže nemá čas úplne vyhorieť.

Obr.16. Spaľovanie cigariet: 1 - počiatočná tabaková zmes; 2 - tlejúca oblasť bez čela plameňa; 3 - dym, t.j. produkt spálených častíc; 4 - dym vtiahnutý do pľúc, čo sú hlavne splynované produkty; 5 - živica kondenzovaná na filtri.

Bezplameňový tepelno-oxidačný rozklad látky sa nazýva tlenie. Vzniká pri nedostatočnej difúzii kyslíka do spaľovacej zóny a môže sa vyskytnúť aj pri veľmi malom množstve (1-2%). Dym je modrý, nie čierny. To znamená, že obsahuje viac splyňovaných ako spálených látok.

Povrch popola je takmer biely. To znamená, že pri dostatočnom prísune kyslíka dochádza k úplnému spáleniu. Ale vo vnútri a na hranici horiacej vrstvy s čerstvými je čierna látka. To naznačuje nedokonalé spaľovanie zuhoľnatených častíc. Mimochodom, na filtri kondenzujú výpary prchavých živicových látok.

Podobný typ horenia sa pozoruje pri spaľovaní koksu, t.j. uhlie, z ktorého boli odstránené prchavé látky (plyny, živice), alebo grafit.

Proces spaľovania plynov, kvapalín a väčšiny pevných látok teda prebieha v plynnej forme a je sprevádzaný plameňom. Niektoré tuhé látky, vrátane tých, ktoré majú sklon k samovznieteniu, horia vo forme tlenia na povrchu a vo vnútri materiálu.

Spaľovanie prašných látok. K horeniu prachovej vrstvy dochádza rovnako ako v kompaktnom stave, len sa zvyšuje rýchlosť horenia v dôsledku zväčšenia kontaktnej plochy so vzduchom.

Spaľovanie prachových látok vo forme aerosuspenzie (prachového oblaku) môže prebiehať vo forme iskier, t.j. spaľovanie jednotlivých častíc, v prípade nízkeho obsahu prchavých látok, ktoré nie sú schopné odparovať za vzniku dostatočného množstva plynov na jednotný front plameň.

Ak sa vytvorí dostatočné množstvo splynených prchavých látok, dochádza k horeniu plameňom.

Horiace výbušniny. Tento typ zahŕňa spaľovanie výbušnín a pušného prachu, takzvaných kondenzovaných látok, v ktorých je palivo a okysličovadlo už chemicky alebo mechanicky viazané. Napríklad: v trinitrotoluéne (TNT) C 7 H 5 O 6 N 3 × C 7 H 5 × 3NO 2, O 2 a NO 2 slúžia ako oxidačné činidlá; v zložení strelného prachu - síra, ledok, uhlie; ako súčasť podomácky vyrobených trhavín, hliníkového prášku a dusičnanu amónneho, spojivo - solárny olej.

4.2. Homogénne a heterogénne spaľovanie.

Na základe uvažovaných príkladov v závislosti od stavu agregácie zmesi paliva a okysličovadla, t.j. podľa počtu fáz v zmesi rozlišujú:

1. Homogénne spaľovanie plyny a pary horľavých látok v prostredí plynného okysličovadla. Reakcia spaľovania teda prebieha v systéme pozostávajúcom z jednej fázy (agregátový stav).

2. Heterogénne spaľovanie tuhé horľavé látky v prostredí plynného okysličovadla. V tomto prípade reakcia prebieha na rozhraní, zatiaľ čo homogénna reakcia prebieha v celom objeme.

Ide o spaľovanie kovov, grafitu, t.j. prakticky neprchavé materiály. Mnohé reakcie plynov sú homogénno-heterogénneho charakteru, keď možnosť vzniku homogénnej reakcie je spôsobená vznikom súčasne heterogénnej reakcie.

Spaľovanie všetkých kvapalných a mnohých pevných látok, z ktorých sa uvoľňujú pary alebo plyny (prchavé látky), prebieha v plynnej fáze. Tuhá a kvapalná fáza zohrávajú úlohu zásobníkov pre reagujúce produkty.

Napríklad heterogénna reakcia samovznietenia uhlia prechádza do homogénnej fázy horenia prchavých látok. Zvyšky koksu horia heterogénne.

4.3. Difúzne a kinetické spaľovanie.

Podľa stupňa prípravy horľavej zmesi sa rozlišuje difúzne a kinetické spaľovanie.

Uvažované typy spaľovania (okrem výbušnín) sú difúzne spaľovanie. Plameň, t.j. spaľovacia zóna zmesi paliva so vzduchom, aby sa zabezpečila stabilita, musí byť neustále zásobovaná palivom a kyslíkom vo vzduchu. Prúd horľavého plynu závisí len od rýchlosti jeho prívodu do spaľovacej zóny. Rýchlosť vstupu horľavej kvapaliny závisí od intenzity jej vyparovania, t.j. na tlaku pár nad povrchom kvapaliny a následne na teplote kvapaliny. Teplota vznietenia nazývaná najnižšia teplota kvapaliny, pri ktorej plameň nad jej povrchom nezhasne.

Spaľovanie pevných látok sa líši od spaľovania plynov prítomnosťou štádia rozkladu a splyňovania, po ktorom nasleduje vznietenie prchavých produktov pyrolýzy.

Pyrolýza- ide o ohrev organických látok na vysoké teploty bez prístupu vzduchu. V tomto prípade dochádza k rozkladu alebo štiepeniu komplexných zlúčenín na jednoduchšie (koksovanie uhlia, krakovanie ropy, suchá destilácia dreva). Preto spaľovanie tuhej horľavej látky do splodiny horenia nie je sústredené len v zóne plameňa, ale má viacstupňový charakter.

Zahrievanie tuhej fázy spôsobuje rozklad a vývoj plynov, ktoré sa vznietia a horia. Teplo z horáka ohrieva pevnú fázu, čo spôsobuje jej splyňovanie a proces sa opakuje, čím sa podporuje horenie.

Model tuhého spaľovania predpokladá prítomnosť nasledujúcich fáz (obr. 17):

Ryža. 17. Model spaľovania

pevný.

Zahrievanie tuhej fázy. Pri topiacich sa látkach dochádza k topeniu v tejto zóne. Hrúbka zóny závisí od teploty vodivosti látky;

Pyrolýza alebo reakčná zóna v tuhej fáze, v ktorej vznikajú plynné horľavé látky;

Predpálenie v plynnej fáze, v ktorej sa vytvorí zmes s oxidačným činidlom;

Plameň alebo reakčná zóna v plynnej fáze, v ktorej dochádza k premene produktov pyrolýzy na plynné produkty horenia;

produkty spaľovania.

Rýchlosť prívodu kyslíka do spaľovacej zóny závisí od jeho difúzie cez produkt horenia.

Vo všeobecnosti, keďže rýchlosť chemickej reakcie v spaľovacej zóne pri uvažovaných typoch spaľovania závisí od rýchlosti príchodu reagujúcich zložiek a povrchu plameňa molekulárnou alebo kinetickou difúziou, tento typ spaľovania sa nazýva tzv. difúzia.

Štruktúra plameňa difúzneho spaľovania pozostáva z troch zón (obr. 18):

Zóna 1 obsahuje plyny alebo výpary. V tejto zóne nedochádza k horeniu. Teplota nepresahuje 500 0 C. Dochádza k rozkladu, pyrolýze prchavých látok a zahrievaniu na teplotu samovznietenia.

Ryža. 18. Štruktúra plameňa.

V zóne 2 sa tvorí zmes pár (plynov) so vzdušným kyslíkom a dochádza k nedokonalému spaľovaniu na CO s čiastočnou redukciou na uhlík (málo kyslíka):

CnHm + 02 -> CO + C02 + H20;

V 3. vonkajšej zóne sú produkty druhej zóny úplne spálené a je pozorovaná maximálna teplota plameňa:

2CO+02 \u003d 2CO2;

Výška plameňa je úmerná koeficientu difúzie a prietoku plynov a je nepriamo úmerná hustote plynu.

Všetky typy difúzneho spaľovania sú vlastné požiarom.

Kinetický spaľovanie je spaľovanie vopred zmiešaného horľavého plynu, pár alebo prachu s oxidačným činidlom. Rýchlosť horenia v tomto prípade závisí len od fyzikálno-chemických vlastností horľavej zmesi (tepelná vodivosť, tepelná kapacita, turbulencia, koncentrácia látok, tlak a pod.). Preto sa rýchlosť horenia prudko zvyšuje. Tento typ spaľovania je vlastný výbuchom.

V tomto prípade, keď sa horľavá zmes v určitom bode zapáli, čelo plameňa sa presunie zo spaľovacích produktov do čerstvej zmesi. Plameň pri kinetickom spaľovaní je teda najčastejšie nestabilný (obr. 19).

Ryža. 19. Schéma šírenia plameňa v horľavej zmesi: - zdroj vznietenia; - smer pohybu čela plameňa.

Hoci, ak sa horľavý plyn zmieša so vzduchom a privedie sa do horáka, potom sa počas zapaľovania vytvorí stacionárny plameň za predpokladu, že rýchlosť prívodu zmesi sa rovná rýchlosti šírenia plameňa.

Ak sa zvýši rýchlosť prívodu plynu, plameň sa odtrhne od horáka a môže zhasnúť. A ak sa rýchlosť zníži, plameň sa vtiahne do vnútra horáka s možným výbuchom.

Podľa stupňa spaľovania, t.j. úplnosť reakcie spaľovania na konečné produkty, dochádza k spaľovaniu úplné a neúplné.

Takže v zóne 2 (obr. 18) je spaľovanie neúplné, pretože nedostáva sa dostatok kyslíka, ktorý sa čiastočne spotrebúva v zóne 3 a vznikajú medziprodukty. Ten vyhorí v zóne 3, kde je viac kyslíka, až do úplného spálenia. Prítomnosť sadzí v dyme naznačuje nedokonalé spaľovanie.

Ďalší príklad: v neprítomnosti kyslíka sa uhlík spáli oxid uhoľnatý:

Ak pridáte O, reakcia skončí:

2CO + O2 \u003d 2CO2.

Rýchlosť horenia závisí od charakteru pohybu plynov. Preto sa rozlišuje laminárne a turbulentné spaľovanie.

Príkladom laminárneho spaľovania je teda plameň sviečky v nehybnom vzduchu. O laminárne spaľovanie vrstvy plynov prúdia paralelne, ale bez vírenia.

Turbulentné spaľovanie- vírivý pohyb plynov, pri ktorom sa horiace plyny intenzívne miešajú a čelo plameňa sa vymýva. Hranicou medzi týmito typmi je Reynoldsovo kritérium, ktoré charakterizuje vzťah medzi silami zotrvačnosti a silami trenia v prúde:

kde: u- prietok plynu;

n- kinetická viskozita;

l- charakteristická lineárna veľkosť.

Reynoldsovo číslo, pri ktorom dochádza k prechodu laminárnej hraničnej vrstvy na turbulentnú, sa nazýva kritické Re cr, Re cr ~ 2320.

Turbulencia zvyšuje rýchlosť horenia v dôsledku intenzívnejšieho prenosu tepla zo splodín horenia do čerstvej zmesi.

4.4. Normálne spaľovanie.

V závislosti od rýchlosti šírenia plameňa pri kinetickom spaľovaní je možné realizovať buď normálne horenie (v priebehu niekoľkých m/s), alebo explozívne vzplanutie (desiatky m/s), alebo detonáciu (tisíce m/s). Tieto typy spaľovania môžu prechádzať jeden do druhého.

Normálne spaľovanie- ide o spaľovanie, pri ktorom k šíreniu plameňa dochádza bez vonkajších porúch (turbulencie alebo zmeny tlaku plynu). Záleží len na charaktere horľavej látky, t.j. tepelný efekt, koeficienty tepelnej vodivosti a difúzie. Ide teda o fyzikálnu konštantu zmesi určitého zloženia. V tomto prípade je rýchlosť horenia zvyčajne 0,3-3,0 m/s. Normálne spaľovanie je pomenované, pretože vektor rýchlosti jeho šírenia je kolmý na čelo plameňa.

4.5. Deflačné (výbušné) spaľovanie.

Normálne spaľovanie je nestabilné a má tendenciu samovoľne sa zrýchľovať v uzavretom priestore. Dôvodom je zakrivenie čela plameňa v dôsledku trenia plynu o steny nádoby a zmien tlaku v zmesi.

Uvažujme o procese šírenia plameňa v potrubí (obr. 20).

Ryža. 20. Schéma výskytu výbušného horenia.

Po prvé, na otvorenom konci potrubia sa plameň šíri normálnou rýchlosťou, pretože produkty spaľovania voľne expandujú a vystupujú. Tlak zmesi sa nemení. Trvanie rovnomerného šírenia plameňa závisí od priemeru potrubia, druhu paliva a jeho koncentrácie.

Keď sa čelo plameňa pohybuje vo vnútri potrubia, reakčné produkty, ktoré majú väčší objem v porovnaní s počiatočnou zmesou, nemajú čas ísť von a ich tlak sa zvyšuje. Tento tlak začne tlačiť vo všetkých smeroch, a preto sa pred čelom plameňa začne počiatočná zmes pohybovať v smere šírenia plameňa. Vrstvy susediace so stenami sú spomalené. Plameň má najvyššiu rýchlosť v strede potrubia a najnižšiu rýchlosť má pri stenách (kvôli odvodu tepla v nich). Čelo plameňa sa preto rozširuje v smere šírenia plameňa a jeho povrch sa zväčšuje. V pomere k tomu sa množstvo horľavej zmesi zvyšuje za jednotku času, čo má za následok zvýšenie tlaku a potom naopak zvyšuje rýchlosť pohybu plynu atď. Dochádza teda k lavínovému zvýšeniu rýchlosti šírenia plameňa až na stovky metrov za sekundu.

Proces šírenia plameňa horľavou zmesou plynov, pri ktorom sa v dôsledku zahrievania vedením tepla zo susednej vrstvy produktov reakcie šíri samourýchľujúca sa spaľovacia reakcia, sa nazýva tzv. deflagrácia. Zvyčajne sú rýchlosti deflagračného spaľovania podzvukové, t.j. menej ako 333 m/s.

4.6. detonačné spaľovanie.

Ak uvažujeme spaľovanie horľavej zmesi vo vrstvách, potom v dôsledku tepelnej expanzie objemu produktov spaľovania vždy pred čelom plameňa nastane kompresná vlna. Každá nasledujúca vlna, ktorá sa pohybuje cez hustejšie médium, dobieha predchádzajúcu a je na ňu superponovaná. Postupne sa tieto vlny spájajú do jednej rázovej vlny (obr. 21).

Ryža. 21. Schéma vzniku detonačnej vlny: R o< Р 1 < Р 2 < Р 3 < Р 4 < Р 5 < Р 6 < Р 7 ; 1-7 – нарастание давления в слоях с 1-го по 7-ой.

Pri rázovej vlne sa v dôsledku adiabatickej kompresie hustota plynov okamžite zvýši a teplota stúpne na T 0 samovznietenia. V dôsledku toho sa horľavá zmes zapáli rázovou vlnou a detonácia- šírenie horenia vznietením rázovou vlnou. Detonačná vlna nezhasne, pretože poháňané rázovými vlnami z plameňa pohybujúceho sa za ním.

Charakteristickým znakom detonácie je, že k nej dochádza pri nadzvukovej rýchlosti 1000-9000 m/s, stanovenej pre každé zloženie zmesi, preto je fyzikálnou konštantou zmesi. Závisí len od výhrevnosti horľavej zmesi a tepelnej kapacity splodín horenia.

Stretnutie rázovej vlny s prekážkou vedie k vzniku odrazenej rázovej vlny a ešte väčšiemu tlaku.

Detonácia je najnebezpečnejšia forma šírenia plameňa, pretože. má maximálnu silu výbuchu (N=A/t) a obrovskú rýchlosť. V praxi sa detonácia dá „neutralizovať“ len v preddetonačnej časti, t.j. vo vzdialenosti od bodu vznietenia po bod detonačného horenia. Pre plyny je dĺžka tohto úseku od 1 do 10 m.

Uvedené v predchádzajúcej časti fyzikálnych javov sa pozorujú v širokej škále procesov, ktoré sa líšia tak povahou chemických reakcií, ako aj stavom agregácie látok podieľajúcich sa na spaľovaní.

Existuje homogénne, heterogénne a difúzne spaľovanie.

Homogénne spaľovanie zahŕňa vopred zmiešané plyny. Početnými príkladmi homogénneho spaľovania sú procesy spaľovania plynov alebo pár, v ktorých je oxidačným činidlom vzdušný kyslík: spaľovanie zmesí vodíka, zmesí oxidu uhoľnatého a uhľovodíkov so vzduchom. V prakticky dôležitých prípadoch nie je vždy splnená podmienka úplného predbežného premiešania. Preto sú vždy možné kombinácie homogénneho spaľovania s inými typmi spaľovania.

Homogénne spaľovanie je možné realizovať v dvoch režimoch: laminárnom a turbulentnom. Turbulencia urýchľuje proces spaľovania v dôsledku fragmentácie čela plameňa na samostatné fragmenty, a teda zväčšenie kontaktnej plochy reaktantov v prípade veľkej turbulencie alebo zrýchlenia procesov prenosu tepla a hmoty v plameni. vpredu v prípade turbulencií malého rozsahu. Turbulentné spaľovanie sa vyznačuje sebepodobnosťou: turbulentné víry zvyšujú rýchlosť spaľovania, čo vedie k zvýšeniu turbulencie.

Všetky parametre homogénneho spaľovania sa prejavujú aj v procese, v ktorom oxidačným činidlom nie je kyslík, ale iné plyny. Napríklad fluór, chlór alebo bróm.

Pri požiaroch sa najčastejšie vyskytujú difúzne spaľovacie procesy. V nich sú všetky reaktanty v plynnej fáze, ale nie sú predbežne zmiešané. V prípade spaľovania pevných kvapalín prebieha proces oxidácie paliva v plynnej fáze súčasne s procesom vyparovania kvapaliny (resp. rozkladu tuhého materiálu) a s procesom miešania.

Najjednoduchším príkladom difúzneho spaľovania je spaľovanie zemný plyn v plynovom horáku. Pri požiaroch sa realizuje režim turbulentného difúzneho horenia, kedy je rýchlosť horenia určená rýchlosťou turbulentného miešania.

Rozlišuje sa makromixovanie a mikromixovanie. Proces turbulentného miešania zahŕňa postupné drvenie plynu: na stále menšie objemy a ich zmiešavanie. V poslednom štádiu dochádza ku konečnému molekulárnemu zmiešaniu molekulárnou difúziou, ktorej rýchlosť sa zvyšuje so znižujúcou sa mierou fragmentácie. Po dokončení makromiešania je rýchlosť horenia určená procesmi mikromiešania v malých objemoch paliva a vzduchu.

Na rozhraní dochádza k heterogénnemu spaľovaniu. V tomto prípade je jedna z reagujúcich látok v kondenzovanom stave, druhá (zvyčajne vzdušný kyslík) vstupuje v dôsledku difúzie plynnej fázy. Predpokladom pre heterogénne spaľovanie je veľmi vysoký bod varu (alebo rozklad) kondenzovanej fázy. Ak táto podmienka nie je splnená, horeniu predchádza odparovanie alebo rozklad. Z povrchu vstupuje do spaľovacej zóny prúd pary alebo plynných produktov rozkladu a horenie prebieha v plynnej fáze. Takéto spaľovanie možno pripísať difúzii kvázi-heterogénnej, ale nie úplne heterogénnej, pretože proces spaľovania sa už nevyskytuje na fázovej hranici. Vývoj takéhoto spaľovania sa uskutočňuje v dôsledku tepelný tok z plameňa na povrch materiálu, čo zabezpečuje ďalšie vyparovanie alebo rozklad a prúdenie paliva do spaľovacej zóny. V takýchto situáciách nastáva zmiešaný prípad, keď spaľovacie reakcie prebiehajú čiastočne heterogénne - na povrchu kondenzovanej fázy, čiastočne homogénne - v objeme plynnej zmesi.

Príkladom heterogénneho spaľovania je spaľovanie uhlia a dreveného uhlia. Počas spaľovania týchto látok prebiehajú dva druhy reakcií. Niektoré druhy uhlia pri zahrievaní emitujú prchavé zložky. Spaľovanie takýchto uhlia predchádza ich čiastočný tepelný rozklad s uvoľňovaním plynných uhľovodíkov a vodíka, ktoré horia v plynnej fáze. Okrem toho pri spaľovaní čistého uhlíka môže vznikať oxid uhoľnatý CO, ktorý horí vo veľkom. Pri dostatočnom prebytku vzduchu a vysokej teplote povrchu uhlia prebiehajú objemové reakcie tak blízko pri povrchu, že v určitej aproximácii dáva dôvod považovať takýto proces za heterogénny.

Príkladom skutočne heterogénneho spaľovania je spaľovanie žiaruvzdorných neprchavých kovov. Tieto procesy môžu byť komplikované tvorbou oxidov, ktoré pokrývajú horiaci povrch a bránia kontaktu s kyslíkom. Pri veľkom rozdiele vo fyzikálno-chemických vlastnostiach medzi kovom a jeho oxidom dochádza pri spaľovaní k praskaniu filmu oxidu a je zabezpečený prístup kyslíka do spaľovacej zóny.

Všeobecné informácie o pálení. Homogénne a heterogénne spaľovanie

Horenie je intenzívna chemická oxidačná reakcia, ktorá je sprevádzaná uvoľňovaním tepla a luminiscencie. K horeniu dochádza v prítomnosti horľavej látky, oxidačného činidla a zdroja vznietenia. Ako oxidanty v procese spaľovania môžu pôsobiť kyslík, kyselina dusičná, peroxid sodný, Bertoletova soľ, chloristany, nitrozlúčeniny atď.. Mnohé organické zlúčeniny, síra, sírovodík, pyrity, väčšina kovov vo voľnej forme, oxid uhoľnatý, vodík atď. Spaľovanie sa tiež líši v rýchlosti šírenia plameňa av závislosti od tohto faktora môže byť: - deflačné (rýchlosť plameňa v rozmedzí niekoľkých metrov za sekundu); výbušné (rýchlosť plameňa až stovky metrov za sekundu); - detonácia (rýchlosť plameňa rádovo tisícky metrov za sekundu). Homogénne spaľovanie. Pri homogénnom spaľovaní sú východiskové látky a produkty spaľovania v rovnakom stave agregácie. Tento typ zahŕňa spaľovanie zmesí plynov (zemný plyn, vodík a pod. s okysličovadlom - spravidla vzdušným kyslíkom), spaľovanie nesplyňujúcich kondenzovaných látok (napríklad termity - zmesi hliníka s oxidmi rôznych kovov), ako napr. ako aj izotermické spaľovanie - šírenie reťazovej rozvetvenej reakcie v zmesi plynov bez výrazného zahrievania. Pri spaľovaní nesplynujúcich kondenzovaných látok väčšinou nedochádza k difúzii a proces šírenia horenia nastáva až v dôsledku vedenia tepla. Pri exotermickom spaľovaní je naopak hlavným procesom prenosu difúzia. heterogénne spaľovanie. Pri heterogénnom spaľovaní sú východiskové látky (napríklad tuhé alebo kvapalné palivo a plynné okysličovadlo) v rôznom stave agregácie. Najdôležitejšie technologických procesov heterogénne spaľovanie - spaľovanie uhlia, kovov, spaľovanie kvapalných palív v olejových peciach, spaľovacích motoroch, spaľovacích komorách raketových motorov. Proces heterogénneho spaľovania je zvyčajne veľmi zložitý. Chemická premena je sprevádzaná rozdrvením horľavej látky a jej prechodom do plynnej fázy vo forme kvapiek a častíc, tvorbou oxidových filmov na kovových časticiach, turbulenciou zmesi atď. Homogénne spaľovanie: zložky horľavá zmes je v plynnom stave. Okrem toho, ak sú zložky zmiešané, potom sa spaľovanie nazýva kinetické. Ak - nie zmiešané - difúzne spaľovanie. Heterogénne spaľovanie: charakterizované prítomnosťou fázovej separácie v horľavej zmesi (spaľovanie kvapalných a pevných horľavých látok v plynnom oxidačnom médiu).

Fyzikálne javy uvedené v predchádzajúcej časti sú pozorované v širokej škále procesov, ktoré sa líšia tak povahou chemických reakcií, ako aj stavom agregácie látok podieľajúcich sa na spaľovaní.

Existuje homogénne, heterogénne a difúzne spaľovanie.

Kapitola 1 koncepcie teórie spaľovania

Homogénne spaľovanie zahŕňa vopred zmiešané plyny*. Početnými príkladmi homogénneho spaľovania sú procesy spaľovania plynov alebo pár, v ktorých je oxidačným činidlom vzdušný kyslík: spaľovanie zmesí vodíka, zmesí oxidu uhoľnatého a uhľovodíkov so vzduchom. V prakticky dôležitých prípadoch nie je vždy splnená podmienka úplného predbežného premiešania. Preto sú vždy možné kombinácie homogénneho spaľovania s inými typmi spaľovania.

Homogénne spaľovanie je možné realizovať v dvoch režimoch: laminárnom a turbulentnom. Turbulencia urýchľuje proces spaľovania v dôsledku fragmentácie čela plameňa na samostatné fragmenty, a teda zväčšenie kontaktnej plochy reaktantov s veľkou turbulenciou alebo zrýchlenie procesov prenosu tepla a hmoty v čele plameňa s malými - turbulencie vodného kameňa. Turbulentné spaľovanie sa vyznačuje sebepodobnosťou: turbulentné víry zvyšujú rýchlosť spaľovania, čo vedie k zvýšeniu turbulencie.

Všetky parametre homogénneho spaľovania sa prejavujú aj v procesoch, v ktorých oxidačným činidlom nie je kyslík, ale iné plyny. Napríklad fluór, chlór alebo bróm.

Pri požiaroch sa najčastejšie vyskytujú difúzne spaľovacie procesy. V nich sú všetky reaktanty v plynnej fáze, ale nie sú predbežne zmiešané. V prípade spaľovania kvapalín a tuhých látok prebieha proces oxidácie paliva v plynnej fáze súčasne s procesom vyparovania kvapaliny (resp. rozkladu tuhého materiálu) a s procesom miešania.

Najjednoduchším príkladom difúzneho spaľovania je spaľovanie zemného plynu v plynovom horáku. Pri požiaroch sa realizuje režim turbulentného difúzneho horenia, kedy je rýchlosť horenia určená rýchlosťou turbulentného miešania.

Rozlišuje sa makromixovanie a mikromixovanie. Proces turbulentného miešania zahŕňa postupné drvenie plynu na stále menšie objemy a ich zmiešavanie. V poslednom štádiu dochádza ku konečnému molekulárnemu zmiešaniu molekulárnou difúziou, ktorej rýchlosť sa zvyšuje so znižujúcou sa mierou fragmentácie. Po dokončení makromiešania

* Takéto spaľovanie sa často nazýva kinetické.

Korolčenko A JA procesy spaľovania a výbuchu

rýchlosť spaľovania je určená procesmi mikromiešania v malých objemoch paliva a vzduchu.

Na rozhraní dochádza k heterogénnemu spaľovaniu. V tomto prípade je jedna z reagujúcich látok v kondenzovanom stave, druhá (zvyčajne vzdušný kyslík) vstupuje v dôsledku difúzie plynnej fázy. Predpokladom pre heterogénne spaľovanie je veľmi vysoký bod varu (alebo rozklad) kondenzovanej fázy. Ak táto podmienka nie je splnená, horeniu predchádza odparovanie alebo rozklad. Z povrchu vstupuje do spaľovacej zóny prúd pary alebo plynných produktov rozkladu a horenie prebieha v plynnej fáze. Takéto spaľovanie možno pripísať difúzii kvázi-heterogénnej, ale nie úplne heterogénnej, pretože proces spaľovania sa už nevyskytuje na fázovej hranici. Vývoj takéhoto spaľovania sa uskutočňuje v dôsledku tepelného toku z plameňa na povrch materiálu, ktorý zabezpečuje ďalšie odparovanie alebo rozklad a prúdenie paliva do spaľovacej zóny. V takýchto situáciách nastáva zmiešaný prípad, keď spaľovacie reakcie prebiehajú čiastočne heterogénne - na povrchu kondenzovanej fázy, čiastočne homogénne - v objeme plynnej zmesi.

Príkladom heterogénneho spaľovania je spaľovanie uhlia a dreveného uhlia. Počas spaľovania týchto látok prebiehajú dva druhy reakcií. Niektoré druhy uhlia pri zahrievaní emitujú prchavé zložky. Spaľovanie takýchto uhlia predchádza ich čiastočný tepelný rozklad s uvoľňovaním plynných uhľovodíkov a vodíka, ktoré horia v plynnej fáze. Okrem toho pri spaľovaní čistého uhlíka môže vznikať oxid uhoľnatý CO, ktorý horí vo veľkom. Pri dostatočnom prebytku vzduchu a vysokej teplote povrchu uhlia prebiehajú objemové reakcie tak blízko pri povrchu, že v určitej aproximácii dáva dôvod považovať takýto proces za heterogénny.

Príkladom skutočne heterogénneho spaľovania je spaľovanie žiaruvzdorných neprchavých kovov. Tieto procesy môžu byť komplikované tvorbou oxidov, ktoré pokrývajú horiaci povrch a bránia kontaktu s kyslíkom. Pri veľkom rozdiele vo fyzikálno-chemických vlastnostiach medzi kovom a jeho oxidom dochádza pri spaľovaní k praskaniu filmu oxidu a je zabezpečený prístup kyslíka do spaľovacej zóny.

1.3. Spaľovanie v pohybujúcom sa plyne

Termín „normálna rýchlosť plameňa“* sa používa na opis procesov spaľovania. Charakterizuje rýchlosť čela plameňa v stacionárnej zmesi plynov. Takýto idealizovaný stav sa dá vytvoriť iba laboratórnym experimentom. V skutočných podmienkach spaľovania plameň vždy existuje v pohybujúcich sa prúdoch.

Správanie plameňa za takýchto podmienok podlieha dvom zákonom ustanoveným ruským vedcom V. A. Mikhelsonom.

Prvý z nich stanovuje, že zložka rýchlosti prúdenia plynu v pozdĺž normály k čelu plameňa šíriaceho sa stacionárnou zmesou sa rovná normálnej rýchlosti šírenia plameňa a delí sa cos

kde je uhol medzi normálou k povrchu plameňa a smerom prúdenia plynu.

Hodnota v charakterizuje množstvo plynu, ktoré zhorí za jednotku času v šikmom plameni. Zvykom sa to nazýva skutočná rýchlosť horenia v prúde. Skutočná rýchlosť sa vo všetkých prípadoch rovná normálnej rýchlosti alebo ju prekračuje.

Tento zákon platí len pre ploché plamene. Zovšeobecnenie na skutočné plamene so zakrivením čela plameňa dáva formuláciu druhého zákona - zákona plôch.

Predpokladajme, že v prúde plynu s rýchlosťou v a prierez stacionárneho zakriveného čela plameňa so spoločným povrchom S. V každom bode čela plameňa sa plameň šíri pozdĺž normály k jeho povrchu rýchlosťou a. Potom objem horľavej zmesi horiacej za jednotku času bude:

V súlade s bilanciou zdrojového plynu sa rovnaký objem rovná:

* Tento výraz je adekvátny pojmu "normálna rýchlosť horenia".

Prirovnaním ľavých častí (1.2) a (1.3) dostaneme:

V referenčnom rámci, v ktorom sa čelo plameňa pohybuje cez stacionárnu zmes plynov, vzťah (1.4) znamená, že plameň sa šíri vzhľadom na plyn rýchlosťou v. Vzorec (1.4) je matematickým vyjadrením plošného zákona, z ktorého vyplýva dôležitý záver: keď je čelo plameňa zakrivené, rýchlosť horenia sa zvyšuje úmerne so zväčšovaním jeho povrchu. Preto nehomogénny pohyb plynu vždy zintenzívni spaľovanie.

1.4. Turbulentné spaľovanie

Zo zákona plôch vyplýva, že turbulencia zvyšuje rýchlosť horenia. Pri požiaroch sa to prejavuje silným zosilnením procesu šírenia plameňa.

Rozlišovať (Obr. 1.2) dva typy turbulentného horenia: spaľovanie homogénnej zmesi plynov a mikrodifúzne turbulentné spaľovanie.

Ryža. 1.2. Klasifikácia turbulentného spaľovania

Keď homogénna zmes horí v režime turbulentného spaľovania, sú možné dva prípady: výskyt malého a veľkého rozsahu

Kapitola 1. Základné pojmy teórie horenia

turbulencie centrály. Takéto rozdelenie sa robí v závislosti od pomeru mierky turbulencie a hrúbky čela plameňa. V mierke turbulencie menšej ako je hrúbka čela plameňa sa označuje ako malá a vo väčšom meradle - veľká. Mechanizmus pôsobenia turbulencie malého rozsahu je spôsobený zintenzívnením spaľovacích procesov v dôsledku zrýchlenia procesov prenosu tepla a hmoty v zóne plameňa. Pri opise turbulencie malého rozsahu vo vzorcoch pre rýchlosť šírenia plameňa sú koeficienty difúzie a tepelnej difúzie nahradené koeficientom turbulentnej výmeny.

Najvyššie rýchlosti horenia sú pozorované počas veľkých turbulencií. V tomto prípade sú možné dva mechanizmy zrýchlenia spaľovania: povrchový a objemový.

Povrchový mechanizmus spočíva v zakrivení čela plameňa turbulentnými pulzáciami. V tomto prípade sa rýchlosť horenia zvyšuje úmerne s nárastom prednej plochy. To však platí len pre podmienky, keď sú chemické premeny v plameni ukončené rýchlejšie, ako má čas nastať turbulentné miešanie. V tomto prípade, keď turbulentné miešanie predbehne chemickú reakciu, je reakčná zóna vymývaná turbulentnými pulzáciami. Takéto procesy sú opísané zákonmi objemového turbulentného spaľovania.

Turbulentný čas miešania sa rovná pomeru stupnice

turbulencie na kolísavú rýchlosť Preto to zrýchlenie

plameň v dôsledku turbulentných pulzácií vzniká podľa povrchového mechanizmu, ak je splnená nasledujúca podmienka:

Korolčenko A.Ya. procesy spaľovania a výbuchu

kde je čas chemickej reakcie pri teplote horáka

Ak podmienka (1.5) nie je splnená, nastáva mechanizmus hromadného turbulentného spaľovania.

Čas chemickej reakcie možno vyjadriť makroskopickými veličinami: normálna rýchlosť hrúbka plameňa a čela plameňa

Potom má kritérium povrchového zrýchlenia tvar:

(1.8)

Na odhad rýchlosti šírenia turbulentný plameň s povrchovým zrýchlením K. I. Shchelkin navrhol vzorec:

kde AT - slabo sa meniace číslo nepresahujúce jednu. V limite so silnou turbulenciou má turbulentná rýchlosť plameňa tendenciu k pulzačnej rýchlosti, t.j. AT- k jednotke.

1.5. Vlastnosti horiacich výbušnín

Výbušniny sú jednotlivé látky alebo ich zmesi, ktoré sú schopné vplyvom akéhokoľvek vonkajšieho vplyvu (zahriatie, náraz, trenie, výbuch inej výbušniny) k rýchlej samošíriacej sa chemickej premene za uvoľnenia veľkého množstva tepla a vzniku plynov.

Z bežných horľavých látok, ktorých horenie nastáva pri interakcii s kyslíkom alebo inými vonkajšími okysličovadlami, výbušniny, ktoré sú v kondenzovanej (pevnej alebo kvapalnej) fáze, obsahujú všetky zložky podieľajúce sa na spaľovaní. Výbušniny môžu byť jednotlivé chemické zlúčeniny aj mechanické zmesi.

Väčšina jednotlivých výbušnín sú nitrozlúčeniny: trinitrotoluén, tetryl, hexogén, oktogén, nitroglycerín.

Kapitola 1. Základné pojmy teórie horenia

cerín, dusičnany celulózy atď. Chlorečnany, chloristany, azidy, organické peroxidy majú tiež výbušné vlastnosti.

Molekuly organických nitrozlúčenín obsahujú slabo viazaný kyslík vo forme nitroskupiny – Jedna molekula teda obsahuje palivo aj okysličovadlo. Ich spaľovanie v dôsledku intramolekulárnej oxidácie môže začať s menšími vonkajšími vplyvmi.

Významnú skupinu výbušnín tvoria endotermické zlúčeniny, ktorých molekuly neobsahujú kyslík. Zdrojom energie v tomto prípade nie je oxidácia, ale priamy rozpad. Tieto zlúčeniny zahŕňajú azidy olova, striebra a iných kovov. Mechanické zmesi zahŕňajú zmesi tuhých palív a pevných oxidačných činidiel. Príkladom takejto zmesi je čierny prášok.

1.6. Termodynamika spaľovania

zmesi uhľovodíkov a vzduchu

Zákony termodynamiky umožňujú vypočítať parametre potrebné na popis procesov spaľovania: koeficient rozťažnosti splodín horenia za počiatočných podmienok pre pomer tepelných kapacít pri konštantnom tlaku a konštantnom objeme, a to ako pre čerstvú zmes, tak aj pre splodiny horenia; maximálny tlak výbuchu p e; adiabatická teplota splodín horenia za izobarických a izochorických podmienok, zloženie splodín horenia

V tejto časti je popísaný algoritmus na výpočet rovnovážneho stavu splodín horenia horľavín obsahujúcich C-H-0-N- vo vzduchu v širokom rozsahu počiatočných teplôt, tlakov a koncentrácií, vyvinutý prof. V.V. Molkov. Algoritmus je založený na zovšeobecnení a systematizácii termodynamických a matematických metód s využitím čo najpresnejších údajov o termodynamických vlastnostiach jednotlivých látok.

Na zvýšenie spoľahlivosti výsledkov vo výpočtoch je potrebné vziať do úvahy nielen kyslík a dusík vo vzduchu, ale aj iné plyny zahrnuté v jeho zložení - , H20, C02. Zvýšenie počtu zložiek splodín horenia na 19 (H 2, H 2 0, CO 2, N 2, Ag, C-plyn, H, O, N, CO, CH 4, HCN, 0 2,

A vykonávanie výpočtov s prihliadnutím na zloženie

Korolčenko A.Ya. procesy spaľovania a výbuchu

duch strednej vlhkosti

Nekomplikujú výpočty na počítači, ktorého použitie môže výrazne skrátiť čas výpočtov a zároveň zvýšiť ich presnosť v porovnaní s približným prístupom bez použitia počítača.

Celkovú reakciu pre spaľovanie paliva vo vzduchu so strednou vlhkosťou na mól čerstvej zmesi možno zapísať ako

kde je objemová koncentrácia paliva v čerstvej zmesi: -

počet atómov uhlíka, vodíka, kyslíka a dusíka v molekule paliva; je počet mólov i-tej zložky produktov spaľovania;

- th zložka produktov spaľovania.

Celkový počet atómov v systéme vypočítaný zo zloženia čerstvej zmesi je

Pomery počtu atómov uhlíka, vodíka, dusíka a argónu k počtu atómov kyslíka sú konštanty pre konkrétnu zmes a nezávisia od termodynamického stavu uzavretého systému:

Počet atómov kyslíka v systéme.

Kapitola 1. Základné pojmy teórie horenia

Pre adiabatický spaľovací proces za izobarických podmienok je zákon zachovania energie ekvivalentný zákonu zachovania entalpie uzavretého systému.

Ahoj = Hj,(1.15)

kde H je entalpia a indexy a j označujú parametre čerstvej zmesi a produktov spaľovania. Molová entalpia čerstvej zmesi

kde a sú entalpia paliva a vzduchu, v tomto poradí, kedy

počiatočná teplota Závislosť entalpie paliva a vzduchu od počiatočnej teploty v rozmedzí od 250 do 500 K je daná polynómom štvrtého stupňa.

kde(298) je entalpia vzniku látky pri teplote 298 K;

Entalpia pri teplote T;- číselné koeficienty,

určuje sa riešením sústavy lineárnych rovníc, napríklad Gaussovou-Jordanovou eliminačnou metódou; T 0 - nejaká ľubovoľná konštantná hodnota teploty.

Entalpia produktov spaľovania získaná spaľovaním mólu čerstvej zmesi

kde súčet v zátvorkách sa rovná počtu mólov produktov pri spaľovaní jedného mólu čerstvej zmesi; - molárny zlomok tej zložky produktov spaľovania; - entalpia produktu spaľovania pri teplote

turné T.

Hodnoty entalpie

sú určené zo závislosti redukovanej Gibbsovej energie od teploty Ф(Т) v teplotnom rozsahu od 500 do 6000 K. Je známe, že

Korolčenko A.Ya. procesy spaľovania a výbuchu

kde T e - rovnovážna teplota splodín horenia v bombe.

Výbušný tlak zmesi plynov v uzavretej bombe je určený pomerom stavových rovníc ideálneho plynu pre produkty spaľovania a čerstvej zmesi

Na zistenie rovnovážneho zloženia produktov spaľovania je potrebné vyriešiť systém, ktorý obsahuje 5 lineárnych (rovnice zachovania hmoty) a 14 nelineárnych (rovnice chemickej rovnováhy) algebraických rovníc.

Pre izobarický proces sa odporúča napísať rovnice zachovania hmoty z hľadiska mólových podielov produktov spaľovania

Kapitola 1. Základné pojmy teórie horenia

Korolčenko A.Ya. procesy spaľovania a výbuchu

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

kde R je tlak, pri ktorom reakcia prebieha, atm. Závislosť chemických rovnovážnych konštánt od teploty je prevzatá z referenčných údajov pre disociačné reakcie

čo je rovnovážna konštanta disociačnej reakcie (1,43 a)

pri teplote – redukované Gibbsove energie zodpovedajú

reaktantov - tepelný účinok reakcie (1.44)

pri absolútnej nulovej teplote.

Adiabatické parametre pre čerstvú zmes a produkty spaľovania sa určujú pomocou Mayerovej rovnice podľa vzorca

Pre čerstvú zmes sa hodnoty určujú diferenciačným výrazom (1.17) pre entalpiu plynov počiatočnej zmesi (palivo a vzduch) vzhľadom na teplotu; pre produkty spaľovania výrazmi získanými ako výsledok diferenciačnej rovnice (1,19) vzhľadom na teplotu T.

Pri výpočte spaľovacích procesov v konštantnom objeme platí rovnovážna konštanta, ktorá pre ideálny plyn závisí len od teploty,

pri ktorej sa počíta rovnováha a nezávisí od tlaku, je vhodné písať ju nie v mólových zlomkoch, ako sa to robilo pri výpočte spaľovania za izobarických podmienok v rovniciach (1.30) - (1.43), ale v zmysle počet krtkov P,. Potom napríklad pre reakciu (1.31) máme

kde Г je teplota, pri ktorej sa vypočítava rovnovážna konštanta; R, a Г sú počiatočné hodnoty tlaku a teploty čerstvej zmesi. Keď pe-

Korolčenko A.Ya. procesy spaľovania a výbuchu

pri prechode z mólových zlomkov na počet mólov v izochorickom procese v rovniciach zachovania hmoty (15)-(18) je potrebné nahradiť hodnoty zodpovedajúcimi. Potom sa zapíše rovnica (19). vo forme

Po vynásobení oboch častí rovnice (1.28) jednou možno vypočítať množstvo potrebné na výpočet výbuchového tlaku plynnej zmesi v bombe konštantného objemu podľa rovnice (1.22).

Popíšme si metódu riešenia sústavy rovníc (1.15), (1.23)-(1.43), obsahujúcej 21 neznámych veličín: 19 mólových zlomkov splodín horenia, celkový počet mólov splodín pri horení móla čerstvého zmesou a entalpiou produktov spaľovania. Molové frakcie vodíka, vody, oxidu uhličitého, dusíka a argónu sú vybrané ako nezávislé premenné.

podiely zostávajúcich 14 produktov spaľovania sú vyjadrené pomocou rovnovážnych konštánt a vybraných nezávislých premenných z rovníc (1.29)-(1.43). Ďalej rovnice (1.23)-(1.26) a (1.28) prepíšeme do tvaru

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

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

H(A,B,C,D,.E) = 0, (1,49)

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

I (A, B, C, D, E) = 0.

Po linearizácii systému rovníc (1.49) rozšírením v Taylorovom rade až na členy obsahujúce prvé derivácie dostaneme

kde atď. (index 0 označuje použitie

vstupné hodnoty). Sústava rovníc (1,50) obsahuje päť neznámych – čo sú prírastky k originálu

Kapitola 1. Základné pojmy teórie horenia

známe – čo sú prírastky k originálu

molové zlomky A B C D E. Systém je možné riešiť rôznymi metódami, napríklad výpočtom a delením determinantov zodpovedajúcich matíc sústavy rovníc (1.50) alebo pomocou Gaussovej-Jordanovej eliminačnej metódy.

Pri predpokladanej hodnote rovnovážnej teploty splodín horenia T vypočítajte hodnoty rovnovážnych konštánt .. Potom určte

sú založené na počiatočných hodnotách nezávislých premenných A B C D E hodnoty zostávajúcich molárnych frakcií produktov spaľovania, a teda koeficienty sústavy rovníc (1,50). Potom sa vyriešením tohto systému rovníc nájdu nové hodnoty

Iteračný proces sa opakuje, kým absolútne hodnoty pomerov neklesnú pod určitú hodnotu, rovnajúcu sa napríklad (pri , výsledky výpočtu sa prakticky nemenia). Rovnovážne zloženie produktov spaľovania sa teda určí pri očakávanej teplote T. Podľa rovnovážneho zloženia produktov sa podľa rovnice (1.27) zistí hodnota £u, -, čo umožňuje vypočítať hodnoty entalpie. hj produkty spaľovania podľa vzorca (1.18).

Pre spaľovanie za izochorických podmienok je poradie výpočtov podobné ako je opísané vyššie. Rozdiel, ako už bolo uvedené, spočíva v tom, že výpočet sa nevykonáva pre mólové frakcie, ale pre počet mólov a namiesto entalpií sa vypočítava vnútorná energia čerstvej zmesi a produktov spaľovania.

V tabuľke. Tabuľka 1.1 ukazuje vypočítané termodynamické parametre pre stechiometrické zmesi metánu, propánu, hexánu, heptánu, acetónu, izopropylalkoholu a benzénu so vzduchom.

Tabuľka 1.1. Maximálny tlak adiabatického výbuchu v uzavretej nádobe, teplota produktov spaľovania, adiabatické indexy čerstvej zmesi a produktov spaľovania Ei pre stechiometrické uhľovodíkové zmesi pri

počiatočná teplota = 298,15 tis

Korolčenko A.Ya. procesy spaľovania a výbuchu

		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

Stechiometrická koncentrácia paliva počas spaľovania vo vzduchu so strednou vlhkosťou a v suchom vzduchu sa určuje podľa vzorcov:

kde je stechiometrický koeficient kyslíka rovný počtu mólov kyslíka na 1 mól horľavej látky pri jej úplnom spálení.

Kapitola 1. Základné pojmy teórie horenia

Na ryža. 1.3 ako príklad je uvedená vypočítaná zmena teploty spaľovania a molárnych podielov hlavných zložiek produktov spaľovania v závislosti od objemovej koncentrácie paliva pre zmes hexán-vzduch.

Ryža. 1.3. Závislosť zloženia a teploty produktov spaľovania

zmes hexán-vzduch pri tlaku 0,101 MPa a počiatočnej teplote

298,15 K z koncentrácie hexánu