Гомогенним називається горіння при якому. Гетерогенне горіння. Теоретичні основи горіння та вибуху

Пальне середовище

Окислювачі

Окислювачі – це речовини, атоми яких у хімічних перетвореннях приймають електрони. Серед простих речовин до них відносяться всі галогени та кисень.

Найбільш поширеним у природі окислювачем є кисень повітря.

На реальних пожежах горіння в основному протікає в повітрі, однак у багатьох технологічних процесахвикористовується повітря, збагачене киснем, і навіть чистий кисень (наприклад металургійні виробництва, газове зварювання, різання тощо). З атмосферою, збагаченою киснем можна зустрітися у підводних та космічних апаратах, доменних процесах тощо. Такі горючі системи мають підвищену пожежну небезпеку. Це необхідно враховувати при розробці систем пожежогасіння, пожежно-профілактичних заходів та пожежно-технічної експертизи пожеж.

Крім кисню повітря і галогенів, окислювачами в реакціях горіння можуть виступати і складні речовини, наприклад, солі кисневмісних кислот - нітрати, хлорати і т.п., що застосовуються у виробництві порохів, бойових та промислових вибухових речовин та різних піротехнічних складів.

Суміш пального та окислювача в однаковому агрегатному стані певних пропорціях та здатну горіти (а горіння можливе лише за певних їх співвідношеннях), називають пальним середовищем.

Виділяють два види горючих середовищ: однорідну та неоднорідну.

Однорідним пальним середовищем називається попередньо перемішана суміш пального з окислювачем, а відповідно неоднорідне пальне середовище – коли пальне та окислювач не перемішані.

Вплив на процес горіння великої кількості чинників зумовлює різноманіття видів та режимів горіння. Так, залежно від агрегатного стану компонентів горючої сумішігоріння може бути гомогенним та гетерогенним, від умов змішування компонентів – горінням попередньо приготовленої суміші (кінетичне) та дифузійним, від газодинамічних умов – ламінарним та турбулентним, тощо.

Основними видами горіння є гомогенне та гетерогенне.

Гомогенне горіння - це процес взаємодії пального та
окислювача, що знаходяться в однаковому агрегатному стані. Найбільш
широко поширене гомогенне горіння газів та парів у повітрі.

Гетерогенне горіння- це горіння твердих горючих матері-
алів безпосередньо на їх поверхні. Характерною особливістю
Гетерогенним горінням є відсутність полум'я. Прикладами його
є горіння антрациту, коксу, деревного вугілля, нелетких металів.
Безполум'яне горіння у ряді випадків називають тлінням.

Як очевидно з визначень, важливою відмінністю гомогенного горіння від гетерогенного, і те, що у першому випадку пальне і окислювач перебувають у одному агрегатному стані, у другому – у різних.

При цьому необхідно відзначити, що далеко не завжди горіння твердих речовин і матеріалів є гетерогенним. Це механізмом горіння твердих речовин.

Так, наприклад, горіння деревини у повітрі. Для того, щоб запалити її, необхідно піднести якесь джерело тепла, наприклад полум'я від сірника або запальнички, і почекати деякий час. Виникає питання: чому вона спалахує не відразу? Це тим, що у початковий період, джерело запалювання повинен нагріти деревину до певної температури, коли він починається процес піролізу, чи інакше кажучи термічне розкладання. При цьому в результаті розкладання целюлози та інших складових починають виділятися продукти їх розкладання – горючі гази – вуглеводні. Очевидно, що чим більше нагрівання, тим більша швидкість розкладання та, відповідно, швидкість виділення горючих газів. І тільки тоді, коли швидкість виділення ГГ буде достатньою до створення певної їх концентрації повітря, тобто. утворення горючого середовища може виникнути горіння. До чого горіння не деревини, а продуктів її розкладання горючих газів.Саме тому горіння деревини, в більшості випадків – гомогенне горіння, а не гетерогенне.

Ви можете заперечити: деревина починає тліти, а тління, як було сказано вище - це гетерогенне горіння. Так і є. Справа в тому, що кінцевими продуктами розкладання деревини є в основному горючі гази та кутистий залишок, так званий кокс. Цей самий кутистий решту всі ви бачили і навіть купували для приготування шашликів. Ці вугілля приблизно на 98% складаються з чистого вуглецю і не можуть виділяти ГГ. Вугілля горять вже в режимі гетерогенного горіння, тобто тліють.

Таким чином, деревина горить спочатку в режимі гомогенного горіння, потім при температурі приблизно 800°С полум'яне горіння переходить у тління, тобто. стає гетерогенним. Також відбувається і з іншими твердими речовинами.

Як горять рідини у повітрі? Механізм горіння рідин полягає в тому, що спочатку відбувається її випаровування, і саме пари утворюють горючу суміш із повітрям. Тобто в цьому випадку також відбувається гомогенне горіння. горить не рідка фаза, а пари рідини

Механізм горіння металу такий самий, як і рідин, за винятком того, що металу необхідно спочатку розплавитися і після цього нагрітися до високої температури, щоб швидкість випаровування була достатньою для утворення горючого середовища. Деякі метали горять на поверхні.

У гомогенному горінні виділяють два режими: кінетичне та дифузійне горіння.

Кінетичне горіння– це горіння попередньо перемішаної горючої суміші, тобто. однорідної суміші. Швидкість горіння визначається лише кінетикою окисно-відновної реакції.

Дифузійне горіння– це горіння неоднорідної суміші, коли пальне та окислювач попередньо не перемішані, тобто. неоднорідний. У цьому випадку змішування пального та окислювача відбувається у фронті полум'я за рахунок дифузії. Для неорганізованого горіння характерний саме дифузійний режим горіння, більшість горючих матеріалів на пожежі можуть горіти лише у цьому режимі. Однорідні суміші, звичайно, можуть утворюватися і при реальній пожежі, проте їх утворення швидше передує пожежі або забезпечує початкову стадію розвитку.

Принциповою відмінністю цих видів горіння полягає в тому, що в однорідній суміші молекули пального і окислювача вже знаходяться в безпосередній близькості і готові вступити в хімічну взаємодію, при дифузійному горінні ці молекули спочатку повинні наблизитися один до одного за рахунок дифузії, і тільки після цього вступити у взаємодію.

Цим зумовлюється відмінність швидкості протікання процесу горіння.

Повний час горіння t г, складається з тривалості фізи-
ських та хімічних процесів:

t г = t ф + t х.

Кінетичний режим горінняхарактеризується тривалістю лише хімічних процесів, тобто. t г » t х, оскільки в цьому випадку фізичних процесівпідготовки (перемішування) непотрібен, тобто. t ф » 0 .

Дифузійний режим горіннянавпаки, залежить в основному від
швидкості підготовки однорідної горючої суміші (грубо кажучи зближення молекул), у разі t ф >> t x, і тому останнім можна знехтувати, тобто. тривалість його визначається переважно швидкістю протікання фізичних процесів.

Якщо t ф »t х, тобто. вони співмірні, то горіння протікає в так
званої проміжної області.

Для прикладу, уявіть собі два газові пальники (рис. 1.1): в одній з них у соплі є отвори для доступу повітря (а), в іншій їх немає (б). У першому випадку повітря засмоктуватиметься інжекцією в сопло, де воно перемішується в горючим газом, таким чином, утворюється однорідна горюча суміш, яка згоряє на виході з сопла в кінетичному режимі . У другому випадку (б) повітря перемішується з горючим газом в процесі горіння за рахунок дифузії, в цьому випадку - горіння дифузійне .

Рис. 1.1Приклад кінетичного (а) та дифузійного (б) горіння

Інший приклад: у приміщенні відбувається витік газу. Газ поступово перемішується з повітрям, утворюючи однорідну горючу суміш. І у разі появи після цього джерела запалення відбувається вибух. Це і є горіння у кінетичному режимі.

Аналогічно при горінні рідин, наприклад, бензину. Якщо його налити у відкриту ємність та підпалити, відбуватиметься дифузійне горіння. Якщо ж помістити цю ємність у закрите приміщення і почекати деякий час, бензин частково випарується, перемішається з повітрям і тим самим утворює однорідну горючу суміш. При внесенні джерела запалювання, як вам відомо, станеться вибух, це кінетичне горіння.

У якому режимі відбувається горіння на реальних пожежах? Звичайно, в основному в дифузійному. У деяких випадках пожежа може початися і з кінетичного горіння, як у наведених прикладах, однак після вигоряння однорідної суміші, що відбувається дуже швидко, горіння продовжиться вже в дифузійному режимі.

При дифузійному горінні, у разі нестачі кисню повітря, наприклад, при пожежах у закритих приміщеннях, можливе неповне згоряння пального з утворенням продуктів неповного згоряння таких як СО – чадний газ. Всі продукти неповного згоряння дуже токсичні та становлять велику небезпеку на пожежі. Найчастіше саме вони є винуватцями загибелі людей.

Отже, основними видами горіння є гомогенне та гетерогенне. Візуальна відмінність цих режимів – полум'я.

Гомогенне горіння може протікати у двох режимах: дифузійному та кінетичному. Візуально, їхня відмінність полягає у швидкості горіння.

Слід зазначити, що виділяють ще один вид горіння – спалювання вибухових речовин. Вибухові речовини включають до свого складу пальне та окислювач у твердій фазі. Оскільки і пальне та окислювач перебувають у однаковому агрегатному стані, таке горіння – гомогенне.

На реальних пожежах переважно відбувається полум'яне горіння. Полум'я, як відомо, виділяють як один із небезпечних факторів пожежі. Що ж таке полум'я та які процеси в ньому протікають?

Виходячи з розглянутих прикладів, залежно від агрегатного стану суміші пального та окислювача, тобто. від кількості фаз у суміші, розрізняють:

1. Гомогенне горіннягазів і парів горючих речовин у середовищі газообразного окислювача. Таким чином, реакція горіння протікає у системі, що складається з однієї фази (агрегатного стану).

2. Гетерогенне горіннятвердих горючих речовин у середовищі газоподібного окислювача. У цьому випадку реакція протікає на поверхні поділу фаз, тоді як гомогенна реакція йде у всьому обсязі.

Це горіння металів, графіту, тобто. практично нелетких матеріалів. Багато газових реакцій мають гомогенно-гетерогенну природу, коли можливість перебігу гомогенної реакції обумовлена походженням одночасно гетерогенної реакції.

Горіння всіх рідких і багатьох твердих речовин, з яких виділяються пари або гази (летючі речовини) протікає в газовій фазі. Тверда і рідка фази відіграють роль резервуарів продуктів, що реагують.

Наприклад, гетерогенна реакція самозаймання вугілля перетворюється на гомогенну фазу горіння летких речовин. Коксовий залишок горить гетерогенно.

4.3. Дифузійне та кінетичне горіння.

За ступенем підготовки горючої суміші розрізняють дифузійне та кінетичне горіння.

Розглянуті види горіння (крім вибухівки) відносяться до дифузійного горіння. Полум'я, тобто. зона горіння суміші пального з повітрям, для забезпечення стійкості повинна постійно підживлюватися пальним і киснем повітря. Надходження пального газу залежить від швидкості його подачі в зону горіння. Швидкість надходження займистої рідини залежить від інтенсивності її випаровування, тобто. від тиску пари над поверхнею рідини, а, отже, від температури рідини. Температурою запаленняназивається найменша температура рідини, за якої полум'я над її поверхнею не згасне.

Горіння твердих речовин відрізняється від горіння газів наявністю стадії розкладання та газифікації з наступним займанням летких продуктів піролізу.

Піроліз– це нагрівання органічних речовин до високих температур без повітря. У цьому відбувається розкладання, чи розщеплення, складних сполук більш прості (коксування вугілля, крекінг нафти, суха перегонка дерева). Тому згоряння твердого пального речовини в продукт горіння не зосереджено тільки в зоні полум'я, а має багатостадійний характер.

Нагрів твердої фази викликає розкладання та виділення газів, які займаються та згоряють. Тепло від факела нагріває тверду фазу, викликаючи її газифікацію і процес повторюється, таким чином підтримуючи горіння.

Модель горіння твердої речовини передбачає наявність наступних фаз (рис. 17):

Рис. 17. Модель горіння

твердої речовини.

прогрівання твердої фази. У речовин, що плавляться в цій зоні відбувається плавлення. Товщина зони залежить від температури провідності речовини;

піролізу, або реакційної зони в твердій фазі, в якій утворюються газоподібні горючі речовини;

передполум'яної в газовій фазі, в якій утворюється суміш з окислювачем;

полум'я, або реакційної зони в газовій фазі, в якій перетворення продуктів піролізу в газоподібні продукти горіння;

продуктів горіння.

Швидкість подачі кисню до зони горіння залежить з його дифузії через продукт горіння.

Загалом, оскільки швидкість хімічної реакції в зоні горіння в видах горіння, що розглядаються, заздрості від швидкості надходження реагуючих компонентів і поверхні полум'я шляхом молекулярної або кінетичної дифузії, цей вид горіння і називають дифузійним.

Структура полум'я дифузійного горіння складається із трьох зон (рис.18):

У 1 зоні знаходяться гази чи пари. Горіння у цій зоні не відбувається. Температура не перевищує 500 0 С. Відбувається розкладання, піроліз летких та нагрівання до температури самозаймання.

Рис. 18. Структура полум'я.

У 2 зоні утворюється суміш парів (газів) з киснем повітря і відбувається неповне згоряння до СО з частковим відновленням до вуглецю (мало кисню):

C n H m + O 2 → CO + CO 2 + Н 2 Про;

У 3 зовнішній зоні відбувається повне згоряння продуктів другої зони та спостерігається максимальна температура полум'я:

2CO+O 2 =2CO 2;

Висота полум'я пропорційна коефіцієнту дифузії та швидкості потоку газів і обернено пропорційна щільності газу.

Усі види дифузійного горіння притаманні пожежам.

Кінетичнимгорінням називається горіння заздалегідь перемішаного пального газу, пари або пилу з окислювачем. В цьому випадку швидкість горіння залежить тільки від фізико-хімічних властивостей паливної суміші (теплопровідності, теплоємності, турбулентності, концентрації речовин, тиску тощо). Тому швидкість горіння різко зростає. Такий вид горіння притаманний вибухам.

У даному випадку при підпалюванні горючої суміші в будь-якій точці фронт полум'я рухається від продуктів згоряння у свіжу суміш. Таким чином, полум'я при кінетичному горінні найчастіше нестаціонарно (рис. 19).

Рис. 19. Схема поширення полум'я в горючій суміші: - Джерело запалювання; - Напрями руху фронту полум'я.

Хоча, якщо попередньо перемішати горючий газ з повітрям і подати в пальник, то при підпалюванні утворюється стаціонарне полум'я, за умови, що швидкість подачі суміші дорівнює швидкості поширення полум'я.

Якщо швидкість подачі газів збільшити, полум'я відривається від пальника і може згаснути. А якщо швидкість зменшити, то полум'я втягнеться у пальники з можливим вибухом.

За ступенем згоряння, тобто. повноти перебігу реакції горіння до кінцевих продуктів, горіння буває повним та неповним.

Так було в зоні 2 (рис.18) горіння неповне, т.к. недостатньо надходить кисень, який частково витрачається в 3 зоні, і утворюються проміжні продукти. Останні догоряють у 3 зоні, де кисню більше, до повного згоряння. Наявність сажі в диму говорить про неповне горіння.

Інший приклад: при нестачі кисню вуглець згорає до чадного газу:

Якщо додати O, то реакція йде до кінця:

2СО+O 2 =2СО 2 .

Швидкість горіння залежить від характеру руху газів. Тому розрізняють ламінарне та турбулентне горіння.

Так, прикладом ламінарного горіння може бути полум'я свічки в нерухомому повітрі. При ламінарному горіннішари газів течуть паралельно, не завихряючись.

Турбулентне горіння- Вихровий рух газів, при якому інтенсивно перемішуються згоряючі гази, і фронт полум'я розмивається. Кордоном між цими видами служить критерій Рейнольдса, який характеризує співвідношення між силами інерції і силами тертя в потоці:

, (4.1)

де:  - Швидкість газового потоку;

 - кінетична в'язкість;

l- Характерний лінійний розмір.

Число Рейнольдса, при якому відбувається перехід ламінарного прикордонного шару в турбулентний, називається критичним Re кр, Re кр ~ 2320.

Турбулентність збільшує швидкість горіння через більш інтенсивну передачу тепла від продуктів горіння у свіжу суміш.

Перелічені у попередньому розділі фізичні явищаспостерігаються в найрізноманітніших процесах, що відрізняються як за природою хімічних реакцій, так і за агрегатним станом речовин, що беруть участь у горінні.

Розрізняють гомогенне, гетерогенне та дифузійне горіння.

До гомогенного відноситься горіння попередньо перемішаних газів. Численними прикладами гомогенного горіння є процеси згоряння газів або пари, в яких окислювачем є кисень повітря: горіння сумішей водню, сумішей оксиду вуглецю та вуглеводнів з повітрям. У практично важливих випадках) не завжди виконується умова повного попереднього перемішування. Тому завжди можливі комбінації гомогенного з іншими видами горіння.

Гомогенне горіння може бути реалізовано у двох режимах ламінарному та турбулентному. Турбулентність прискорює процес горіння за рахунок дроблення фронту полум'я на окремі фрагменти та відповідно збільшення площі контакту реагуючих речовин при великомасштабній турбулентності або прискорення процесів тепломасоперенесення у фронті полум'я при дрібномасштабному. Турбулентному горінню властива автомодельність: турбулентні вихори збільшують швидкість горіння, що призводить до збільшення турбулентності.

Усі параметри гомогенного горіння проявляються і в процесі окислювачем виступає не кисень, а інші гази. Наприклад, фтор, хлор чи бром.

Під час пожеж найбільш поширені процеси дифузійного горіння. Вони всі реагуючі речовини перебувають у газової фазі, але попередньо не перемішані. У разі горіння рідин твердих речовин процес окислення пального в газовій фазі відбувається одночасно з процесом випаровування рідини (або розкладання твердого матеріалу) та процесом змішування.

Найпростішим прикладом дифузійного горіння є горіння природного газув газовому пальнику. На пожежах реалізується режим дифузійного турбулентного горіння, коли швидкість горіння визначається швидкістю турбулентного змішування.

При цьому розрізняють макрозмішування та мікрозмішування. Процес турбулентного змішування включає послідовне дроблення газу: все більш малі обсяги і перемішування їх між собою. На останній стадії остаточне молекулярне змішування відбувається молекулярною дифузією, швидкість якої збільшується зі зменшенням масштабу дроблення. Після завершення макрозмішення швидкість горіння визначається процесами мікрозмішування всередині малих обсягів пального та повітря.

Гетерогенне горіння відбувається на поверхні поділу фаз. При цьому одна з реагуючих речовин знаходиться в конденсованому стані, інша (зазвичай кисень повітря) надходить за рахунок дифузії газової фази. Обов'язковою умовою гетерогенного горіння є висока температура кипіння (або розкладання) конденсованої фази. При недотриманні цієї умови горінню передує випар або розкладання. Від поверхні до зони горіння надходить потік пари або газоподібних продуктів розкладання, і горіння відбувається у газовій фазі. Таке горіння можна віднести до дифузійних квазігетерогенних, але не гетерогенних, оскільки процес горіння відбувається вже не на межі фаз. Розвиток такого горіння здійснюється за рахунок теплового потокувід факела полум'я до поверхні матеріалу, який забезпечує подальше випаровування або розкладання та надходження пального до зони горіння. У таких ситуаціях виникає змішаний випадок, коли реакції горіння частково протікають гетерогенно - на поверхні конденсованої фази, частково гомогенно - обсягом газової суміші.

Прикладом гетерогенного горіння є горіння кам'яного та деревного вугілля. При згорянні цих речовин протікають реакції подвійного роду. Деякі сорти кам'яного вугілля виділяють при нагріванні леткі компоненти. Згоряння такого вугілля передує їх часткове термічне розкладання з виділенням газоподібних вуглеводнів і водню, що згоряють у газовій фазі. Крім того, при згорянні чистого вуглецю може утворюватися оксид вуглецю, що догоряє в обсязі. При достатньому надлишку повітря та високій температурі поверхні вугілля об'ємні реакції протікають настільки близько від поверхні, що у певному наближенні дає підставу вважати такий процес гетерогенним.

Прикладом гетерогенного горіння є горіння тугоплавких нелетких металів. Ці процеси можуть ускладнюватися утворенням оксидів, що покривають поверхню, що горить, і перешкоджають контакту з киснем. При великій різниці у фізико-хімічних властивостях між металом та його окислом у процесі горіння окисна плівка розтріскується, і доступ кисню до зони горіння забезпечується.

Тема 4. ВИДИ ГОРЕННЯ.

За різними ознаками та особливостями процеси горіння можна поділити на такі види:

За агрегатним станом пального речовини:

Горіння газів;

Горіння рідин і твердих речовин, що плавляться;

Горіння твердих пилоподібних і компактних речовин, що неплавляться.

За фазовим складом компонентів:

Гомогенне горіння;

Гетерогенне горіння;

Горіння вибухових речовин.

За підготовленістю паливної суміші:

дифузійне горіння (пожежа);

Кінетичне горіння (вибух).

За динамікою фронту полум'я:

Стаціонарне;

Нестаціонарне.

За характером руху газів:

Ламінарне;

Турбулентний.

За ступенем згоряння паливної речовини:

Неповне.

За швидкістю поширення полум'я:

Нормальне;

Дефлаграційне;

Детонаційне.

Розглянемо докладніше ці види.

4.1. Горіння газоподібних, рідких та твердих речовин.

Залежно від агрегатного стану пального речовини розрізняють горіння газів, рідин, пилоподібних та компактних твердих речовин.

Відповідно до ГОСТ 12.1.044-89:

1. Гази - це речовини, критична температура яких менше 50 про С. Т кр - це мінімальна температура нагріву 1 моля речовини в закритому посудині, при якому вона повністю перетворюється на пару (див. § 2.3).

2. Рідини – це речовини з температурою плавлення (каплепадіння) менше 50 о С (див. § 2.5).

3. Тверді речовини – це речовини з температурою плавлення (краплі-падіння) понад 50 0С.

4. Пили – це подрібнені тверді речовини розміром частинок менше 0,85 мм.

Зона, де відбувається хімічна реакція в горючій суміші, тобто. горіння називається фронтом полум'я.

Розглянемо процеси горіння у повітряному середовищі на прикладах.

Горіння газів у газовому пальнику.Тут спостерігаються 3 зони полум'я (рис. 12):

Рис. 12. Схема горіння газу: 1 - прозорий конус - це вихідний нагрівається газ (до температури самозаймання); 2 - зона фронту полум'я, що світиться; 3 - продукти згоряння (бувають майже невидимі при повному згорянні газів і, особливо при горінні водню, коли не утворюється сажа).

Ширина фронту полум'я у газових сумішах становить десятки частки міліметра.

Горіння рідини у відкритій посудині.При горінні у відкритому посудині є 4 зони (рис. 13):

Рис. 13. Горіння рідини: 1 – рідина; 2 – пари рідини (темні ділянки); 3 – фронт полум'я; 4 - продукти горіння (дим).

Ширина фронту полум'я у разі більше, тобто. реакція протікає повільніше.

Горіння твердих речовин, що плавляться.Розглянемо горіння свічки. У разі спостерігається 6 зон (рис. 14):

Рис. 14. Горіння свічки: 1 – твердий віск; 2 - розплавлений (рідкий) віск; 3 – темний прозорий шар парів; 4 – фронт полум'я; 5 – продукти горіння (дим); 6 - гніт.

Гарячий гніт служить для стабілізації горіння. У нього вбирається рідина, піднімається ним, випаровується і горить. Ширина фронту полум'я збільшується, що збільшує площу світності, так як використовуються більш складні вуглеводні, які, випаровуючись, розпадаються, а потім вже вступають у реакцію.

Горіння твердих речовин, що неплавляться.Цей вид горіння розглядаємо на прикладі горіння сірника і сигарети (рис. 15 і 16).

Тут також є 5 ділянок:

Рис. 15. Горіння сірника: 1 – свіжа деревина; 2 - обвужена деревина; 3 - гази (газифіковані або випаровані леткі речовини) - це темна прозора зона; 4 – фронт полум'я; 5 – продукти згоряння (дим).

Видно, що обгорілий ділянку сірника набагато тонше і має чорний колір. Це означає, частина сірника обвуглилась, тобто. залишилася нелетюча частина, а летюча частина випарувалася і згоріла. Швидкість горіння вугілля значно повільніше, ніж газів, тому він не встигає повністю вигоріти.

Рис.16. Горіння сигарети: 1 - вихідна тютюнова суміш; 2 – тліючий ділянку без фронту полум'я; 3 – дим, тобто. продукт згорілих частинок; 4 - дим, що втягується в легені, який являє собою в основному газифіковані продукти; 5 – смола, що сконденсувалася на фільтрі.

Безполум'яне термоокислювальне розкладання речовини називається тлінням. Воно виникає при недостатній дифузії кисню в зону горіння і може протікати навіть при дуже малій його кількості (1-2%). Дим має сизий, а не чорний колір. Значить у ньому більше газифікованих, а не згорілих речовин.

Поверхня попелу майже біла. Отже, за достатнього надходження кисню відбувається повне згоряння. Але всередині та на межі палаючого шару зі свіжими – чорна речовина. Це свідчить про неповне згоряння обвуглених частинок. До речі, на фільтрі конденсуються пари смолистих речовин, що відлетіли.

Такий вид горіння спостерігається під час горіння коксу, тобто. вугілля, з якого видалені леткі речовини (гази, смоли), або графіту.

Таким чином, процес горіння газів, рідин і більшості твердих речовин протікає в газоподібному вигляді і супроводжується полум'ям. Деякі тверді речовини, у тому числі мають схильність до самозаймання, горять у вигляді тління на поверхні і всередині матеріалу.

Горіння пилоподібних речовин.Горіння шару пилу відбувається так, як і в компактному стані, тільки швидкість горіння зростає через збільшення поверхні контакту з повітрям.

Горіння пилоподібних речовин як аэровзвеси (пилової хмари) може протікати як іскор, тобто. горіння окремих частинок, у разі малого вмісту летких речовин, не здатних при випаровуванні утворити достатню кількість газів для єдиного фронтуполум'я.

Якщо утворюється достатня кількість газифікованих летких речовин, виникає полум'яне горіння.

Горіння вибухових речовин.До цього виду відноситься горіння вибухівки та пороху, так званих конденсованих речовин, в яких вже знаходиться хімічно або механічно пов'язані пальне та окислювач. Наприклад: у тринітротолуолу (тротилу) C 7 H 5 O 6 N 3 ×C 7 H 5 ×3NO 2 окислювачами служать O 2 і NO 2 ; у складі пороху – сірка, селітра, вугілля; у складі саморобної вибухівки алюмінієва пудра та аміачна селітра, сполучна - солярове масло.

4.2. Гомогенне та гетерогенне горіння.

4.3. Дифузійне та кінетичне горіння.

За ступенем підготовки горючої суміші розрізняють дифузійне та кінетичне горіння.

Модель горіння твердої речовини передбачає наявність наступних фаз (рис. 17):

Рис. 17. Модель горіння

твердої речовини.

Прогрівання твердої фази. У речовин, що плавляться в цій зоні відбувається плавлення. Товщина зони залежить від температури провідності речовини;

Піролізу, або реакційної зони в твердій фазі, в якій утворюються газоподібні горючі речовини;

Передполум'яної в газовій фазі, в якій утворюється суміш з окислювачем;

Полум'я, або реакційної зони в газовій фазі, в якій перетворення продуктів піролізу в газоподібні продукти горіння;

Продукти горіння.

Швидкість подачі кисню до зони горіння залежить з його дифузії через продукт горіння.

Структура полум'я дифузійного горіння складається із трьох зон (рис.18):

Рис. 18. Структура полум'я.

C n H m + O 2 → CO + CO 2 + Н 2 Про;

2CO+O 2 =2CO 2;

Усі види дифузійного горіння притаманні пожежам.

В даному випадку при підпалюванні горючої суміші в будь-якій точці фронт полум'я рухається від продуктів згоряння у свіжу суміш. Таким чином, полум'я при кінетичному горінні найчастіше нестаціонарно (рис. 19).

Рис. 19. Схема поширення полум'я в горючій суміші: - Джерело запалювання; - Напрями руху фронту полум'я.

Інший приклад: при нестачі кисню вуглець згоряє до чадного газу:

Якщо додати O, то реакція йде до кінця:

2СО+O 2 =2СО 2 .

Швидкість горіння залежить від характеру руху газів. Тому розрізняють ламінарне та турбулентне горіння.

де: u- Швидкість газового потоку;

n- кінетична в'язкість;

l- Характерний лінійний розмір.

4.4. Нормальне горіння.

Залежно від швидкості поширення полум'я при кінетичному горінні може реалізуватися або нормальне горіння (у межах кількох м/с), або вибухове дефлаграційне (десятки м/с), або детонаційне (тисячі м/с). Ці види горіння можуть переходити один до одного.

Нормальне горіння– це горіння, у якому поширення полум'я відбувається за відсутності зовнішніх збурень (турбулентності чи зміни тиску газів). Воно залежить від природи пального речовини, тобто. теплового ефекту, коефіцієнтів теплопровідності та диф-фузії. Тому є фізичною константою суміші певного складу. І тут зазвичай швидкість горіння становить 0,3-3,0 м/с. Нормальним горіння названо тому, що вектор швидкості його поширення перпендикулярний фронту полум'я.

4.5. Дефлаграційне (вибухове) горіння.

Нормальне горіння нестійке і закритому просторі схильне до самоприскорення. Причиною цього є викривлення фронту полум'я внаслідок тертя газу стінки судини і зміни тиску в суміші.

Розглянемо процес поширення полум'я у трубі (рис. 20).

Рис. 20. Схема виникнення вибухового горіння.

Спочатку біля відкритого кінця труби полум'я поширюється з нормальною швидкістю, т.к. продукти горіння вільно розширюються і виходять на-ружу. Тиск суміші не змінюється. Тривалість рівномірного поширення полум'я залежить від діаметра труби, роду пального та його концентрації.

У міру просування фронту полум'я всередину труби продукти реакції, маючи більший об'єм у порівнянні з вихідною сумішшю, не встигають виходити назовні і їх тиск зростає. Цей тиск починає тиснути на всі боки, і тому попереду фронту полум'я вихідна суміш починає рухатися у бік розповсюдження полум'я. Прилеглі до стін шари гальмуються. Найбільшу швидкість має полум'я у центрі труби, меншу – біля стін (через тепловідведення у яких). Тому фронт полум'я витягується у бік поширення полум'я, а поверхня його збільшується. Пропорційно цьому збільшується кількість спалюваної суміші в одиницю часу, що тягне за собою зростання тиску, а то у свою чергу - збільшує швидкість руху газу і т.д. Таким чином, відбувається ла-виноподібне підвищення швидкості поширення полум'я до сотень метрів в секунду.

Процес поширення полум'я по горючій газовій суміші, при якому самоприскорювальна реакція горіння поширюється внаслідок розігріву шляхом теплопровідності від сусіднього шару продуктів реакції, називається дефлаграцією. Зазвичай швидкості дефлаграционного горіння дозвукові, тобто. менше 333 м/с.

4.6. Детонаційне горіння.

Якщо розглядати згоряння горючої суміші пошарово, то результаті термічного розширення обсягу продуктів згоряння щоразу попереду фронту полум'я виникає хвиля стиснення. Кожна наступна хвиля, рухаючись по щільнішому середовищі, наздоганяє попередню і накладається неї. Поступово ці хвилі поєднуються в одну ударну хвилю (рис. 21).

Рис. 21. Схема утворення детонаційної хвилі: Ро< 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.

У ударній хвилі в результаті адіабатичного стиску миттєво збільшується щільність газів і підвищується температура до Т 0 самозаймання. В результаті відбувається запалення горючої суміші ударною хвилею і виникає детонація- Розповсюдження горіння шляхом займання ударною хвилею. Детонаційна хвиля не гасне, т.к. підживлюється ударними хвилями від полум'я, що рухається слідом за нею.

Особливість детонації - вона відбувається з певною для кожного складу суміші надзвуковою швидкістю 1000-9000 м / с, тому є фізичною константою суміші. Вона залежить тільки від калорійності горючої суміші та теплоємності продуктів згоряння.

Зустріч ударної хвилі з перешкодою веде до утворення відбитої ударної хвилі і ще більшого тиску.

Детонація – найнебезпечніший вид поширення полум'я, т.к. має максимальну потужність вибуху (N=A/t) та величезну швидкість. Фактично «знешкодити» детонацію можна лише з переддетонаційному ділянці, тобто. на відстані від точки запалення до місця виникнення детонаційного горіння. Для газів довжина цієї ділянки від 1 до 10 м-коду.

Перелічені в попередньому розділі фізичні явища спостерігаються в найрізноманітніших процесах, що відрізняються як за природою хімічних реакцій, так і за агрегатним станом речовин, що беруть участь у горінні.

Розрізняють гомогенне, гетерогенне та дифузійне горіння.

Глава 1. Основніпоняття теорії горіння

До гомогенного відноситься горіння попередньо перемішаних газів*. Численними прикладами гомогенного горіння є процеси згоряння газів або пари, в яких окислювачем є кисень повітря: горіння сумішей водню, сумішей оксиду вуглецю та вуглеводнів з повітрям. У важливих випадках який завжди виконується умова повного попереднього перемішування. Тому завжди можливі комбінації гомогенного з іншими видами горіння.

Гомогенне горіння може бути реалізовано у двох режимах: ламінарному та турбулентному. Турбулентність прискорює процес горіння за рахунок дроблення фронту полум'я на окремі фрагменти і відповідно збільшення площі контакту реагуючих речовин при великомасштабній турбулентності або прискорення процесів тепло-перенесення у фронті полум'я при дрібномасштабному. Турбулентному горінню властива автомодельність: турбулентні вихори збільшують швидкість горіння, що призводить до збільшення турбулентності.

Усі параметри гомогенного горіння виявляються і процесах, у яких окислювачем виступає не кисень, інші гази. Наприклад, фтор, хлор чи бром.

Під час пожеж найбільш поширені процеси дифузійного горіння. Вони всі реагуючі речовини перебувають у газової фазі, але попередньо не перемішані. У разі горіння рідин та твердих речовин процес окислення пального в газовій фазі відбувається одночасно з процесом випаровування рідини (або розкладання твердого матеріалу) та з процесом змішування.

Найпростішим прикладом дифузійного горіння є горіння газу в газовому пальнику. На пожежах реалізується режим дифузійного турбулентного горіння, коли швидкість горіння визначається швидкістю турбулентного змішування.

При цьому розрізняють макрозмішування та мікрозмішування. Процес турбулентного змішування включає послідовне дроблення газу на більш малі обсяги і перемішування їх між собою. На останній стадії остаточне молекулярне змішування відбувається молекулярною дифузією, швидкість якої збільшується зі зменшенням масштабу дроблення. Після завершення макрозмішування

* Подібне горіння найчастіше називають кінетичним.

Корольченка А Я.Процеси горіння та вибуху

Швидкість горіння визначається процесами мікрозмішування всередині малих обсягів пального та повітря.

Гетерогенне горіння відбувається на поверхні поділу фаз. При цьому одна з реагуючих речовин знаходиться в конденсованому стані, інша (зазвичай кисень повітря) надходить за рахунок дифузії газової фази. Обов'язковою умовою гетерогенного горіння є висока температура кипіння (або розкладання) конденсованої фази. При недотриманні цієї умови горінню передує випар або розкладання. Від поверхні до зони горіння надходить потік пари або газоподібних продуктів розкладання, і горіння відбувається у газовій фазі. Таке горіння можна віднести до дифузійних квазігетерогенних, але не гетерогенних, оскільки процес горіння відбувається вже не на межі фаз. Розвиток такого горіння здійснюється за рахунок теплового потоку від факела полум'я до поверхні матеріалу, який забезпечує подальше випаровування або розкладання та надходження палива до зони горіння. У подібних ситуаціях виникає змішаний випадок, коли реакції горіння частково протікають гетерогенно - на поверхні конденсованої фази, частково гомогенно - в обсязі газової суміші.

Глава 1. Основні поняття теорії горіння

Схожі статті

Обговорюють:

Бонус-код багаторазовий у World of Tanks:Оновлено (25-10-2019, 20:46): T2 Light Tank Кожному гравцю у World of...
Рейтинг бронесайту як вважається:У багатьох гравців, хто не вникає в різну статистику свого облікового запису,...
Як використовувати баг на вічний засвіт ворога «Лінія фронту» World of Tanks:Вміння правильно танкувати на своєму танку безумовно дуже важливе і корисне.
Найкращий гравець у World of Tanks Найкращий статист у world of tanks:У грі World of Tanks найбільший вплив має стата гравців World of...