1.1. Основные явления при горении

При сжигании каменного угля, дров, нефтепродуктов, при работе двигателей внутреннего сгорания протекают процессы горения, такие же процессы сопровождают пожары в зданиях и сооружениях. Имея одинаковую физико-химическую природу, процессы горения внутри топочных устройств и при пожарах различаются масштабами и условиями тепло- и массообмена. Поэтому, рассматривая закономерности возникновения и развития горения, необходимо учитывать, что описываемые явления надо рассматривать с точки зрения обеспечения пожаровзрывобезопасности.

Основная особенность явлений горения заключается в возможности их самоподдерживания и саморазвития. Реализуясь при высокой температуре, реакции горения сами и создают эту температуру. Горение – это процесс протекания экзотермических химических реакций в условиях прогрессивного самоускорения, обусловленного накоплением в горючей системе тепла или катализирующих продуктов реакции.

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 частиц. Во всех процессах горения, независимо от их химической природы, основную роль играют критические явления при возникновении горения и 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 непрерывными функциями температуры, которые отражаются законом Аррениуса:

k = A·e ^–E/RT, (1.1)

где k − константа скорости реакции; А − предэкспоненциальный множитель, Е − энергия активации; R − универсальная газовая постоянная; Т − температура.

Критические условия возникновения горения являются результатом 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 теплового импульса принимают электрическую искру или накаленную поверхность. При впуске холодной горючей смеси в сосуд с нагретыми стенками возможен непрерывный переход от самовоспламенения к зажиганию. Его можно рассматривать как процесс зажигания, в котором роль горячей поверхности играет вся поверхность стенок сосуда. Повышая начальную температуру горючей смеси до температуры стенок сосуда, можно осуществить непрерывный переход к самовоспламенению.

Простейшим примером возникновения горения можно считать тепловое самовоспламенение, которое возникает при нарушении 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. Условие самовоспламенения характеризует невозможность сохранения теплового равновесия в объёме 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 важна не начальная температура смеси, а температура, развивающаяся при горении. Схема распространения пламени по горючей газовой смеси показана на рисунке 1.1.

Направление распространения пламени

Горючая смесь

Горючая смесь

Зона реакций (светящееся пламя)

Зона реакции

Радикалы

Продукты горения

Продукты горения

Температура

Рис. 1.1. Схема распространения пламени по горючей газовой смеси

В левой части рисунка 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 рисунка 1.1. Заметные превращения компонентов исходной смеси начинаются при температуре примерно 700 К; в зоне реакции температура достигает 1500−1600 К. За зоной активной реакции наблюдается некоторое увеличение температуры, далее имеет место область примерно постоянной температуры, в которой потери тепла на излучение, конвекцию и диффузионное охлаждение компенсируются выделениями тепла за счет рекомбинации радикалов и догорания избытка топлива. Затем пламя охлаждается и превращается в горячий газ. Ширина зоны 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.

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.