1tom - 0458.htm
510
ui
з: x
ш
о.
О
516
неск. тыс. градусов) тсмп-ры, прич╦м часто возникает излучающая свет область ≈ пламя.
Отличит, особенность Г.≈ протекание хим. реакций в условиях е╦ самоускорения. Скорость хим. реакции резко возрастает с увеличением темп-ры и выделяющаяся в реакции теплота вс╦ более ей ускоряет. С другой стороны, возможно самоускорение вследствие лавинообразного роста (в процессе разветвл╦нно-цепной реакции) концентрации активных частиц ≈ атомов или радикалов, стимулирующих хим. превращение (см. Взрыв]. Поэтому различают тепловое и цепное Г.
Основная и важнейшая особенность процесса Г.≈ способность к распространению в пространстве. Вследствие процессов переноса (диффузии и теплопроводности) теплота или активные центры, накапливающиеся в горящем объ╦ме, могут передаваться в соседние участки горючей смеси а инициировать там Г. В результате возникает движущийся в пространстве фронт Г., его скорость и наз. линейной скоростью Г. Массовая скорость Г. ттг=рмт где р ≈ плотность исходной смеси. В отличие от детонации, где хим. реакция возникает в результате быстрого и сильного сжатия вещества ударной волной, скорость Г. невелика (10~3≈10 м/с), поскольку оно обусловлено сравнительно медленными процессами переноса. Если движение газовой среды турбулентно, то скорость Г. увеличивается вследствие турбулентного перемешивания.
В зависимости от агрегатного состояния исходного вещества и продуктов Г. различают три основных типа Г.: гомогенное Г., Г. взрывчатых веществ и порохов, гетерогенное Г.
Гомогенное горение. Исходные вещества и продукты при таком Г. находятся в одинаковом агрегатном состоянии. К этому типу относится Г. газовых смесей (природного газа, водорода и т. п. с окислителен ≈ обычно кислородом воздуха), Г. негазифицирующихся конденсиров. веществ (напр., термитов ≈ смесей алюминия с окислами ра.зл. металлов) и изотермическое Г,≈ распространение цепной разветвл╦нной реакции в газовой смеси без значит, разогрева. На рис. изображена структура фронта Г. в смеси газообразных горючего и окислителя. Хим. реакция происходит в очень
Структура фронта горения: 1 ≈ зона про-греиа, 2 ≈ ;*она химической реакции, 3 ≈ продукты горения; F ≈ концентрация горючего или окислителя, Р ≈ концентрация продуктов горения, Т ≈ температура, w ≈ скорость тепловыделения, х ≈ пространственная координата.
узкой зоне (10~& м) при темп-ре, близкой к темп-ре Г.: Tl=T0-i-Q/Cp (Т9≈ темп-pa исходной смеси, Q ≈ теплота сгорания, ср ≈ тепло╦мкость газа при пост, давлении). В зоне подогрева темп-pa газа раст╦т за сч╦т тепла, выделившегося при Г. предыдущих порций смеси. В этой зоне происходит также убывание (вследствие диффузии) концентрации исходного вещества, хим. реакция ид╦т в очень обедн╦нной смеси. Скорость тепловыделения w (х] имеет резкий максимум, связанный с тем, что в начале реакции низка те.чп-ра, а в конце
е╦ нет горючего. Скорость Г. ы^^х/т, т~ехр (≈S/ftTj), где х ≈ коэффициент температуропроводности, а т ≈ характерное время хим. реакции в зоне Г., к-рое определяется в основном энергией активации 8 и темп-рой Г, (R ≈ универсальная газовая постоянная).
Теория распространения фронта Г. в гомогенной газовой смеси строится на основе механики сплошных сред И кинетики химической. Для случая одномерного стационарного распространения ламинарного пламени в смеси перемешанных горючего и окислителя теория
приводит к ур-пиям теплопроводности и диффузии, учитывающим хим. источник тепла и продуктов реакции (сток исходных веществ). В связи с малостью скорости Г. по сравнению со скоростью звука давление газа в области Г-можно считать постоянным. В системе координат, в к-рой фронт пламени покоится (исходное вещество натекает извне со скоростью Г. и), эти уравнения имеют следующий вид:
d (П.-/Р)
I ≈≈ J- ^ Mf ∙ « . 71 f
где £ ≈ пространств, координата, а/ ≈ концентрации исходных веществ, промежуточных и конечных продуктов реакции, h и />,- ≈ коэффициенты теплопроводности и диффузии; Ф ≈ удельная скорость тепловыделения (кол-во теплоты, генерируемое хим. реакцией в единице объ╦ма в единицу времени), Ф/ ≈ скорость изменения концентрации вещества в простейшей хим. реакции (также отнес╦нная к единице объ╦ма и единице времени). Вид функций Ф и Ф,- конкретизируется при задании механизма хим. реакции.
К системе ур-иий (*) должны быть добавлены граничные условия, определяющие значения темп-ры и концентраций в исходной смеси (х≈>-≈оо) и постоянство этих величин (равенство нулю производных по координате) в продуктах Г. Решение системы (*) дозволяет определить собственные значения задачи ≈ скорости Г. и, а также распределения темп-ры и концентраций веществ в пространстве: Т(х),а,-(х). В более сложных случаях соответствующие системы ур-ний решаются аналитически или приближ╦нно, а также с использованием ЭВМ.
При Г- негазифицирующихся кондснсиров. систем диффузия обычно по играет роли и процесс определяет только теплопроводность. Наоборот, при изотермическом Г. осн. процессом переноса является диффузия.
Гетерогенное горение. Исходные вещества при этом находятся в разных агрегатных состояниях. Важнейшие техн. процессы гетерогенного Г.: Г. угля, частиц металлов, сжигание жидких топлив в нефтяных топках, нек-рых двигателях внутр. сгорания, камерах сгорания ракетных двигателей. Процесс гетерогенного Г. обычно очень сложен. Хим. превращение сопровождается дроблением и испарением капель и частиц, образованием окисных пл╦нок на частицах металла, турбулизацией газовой смеси и т. п.
Горение взрывчатых веществ и порохов. Мн. конденсиров. взрывчатые вещества (ВВ), кроме быстрого (взрывного) протекания реакции (см. Взрыв, Детонация}, способны к значительно более медленному хим. превращению пут╦м Г. В отличие от обычных тв╦рдых и жидких топлив при горении В В не требуется подводить извне окислитель, т. к. горючее и окислитель во ВВ перемешаны на молекулярном уровне.
Г. ВВ связано с переходом вещества из конденсиров. состояния в газ. При этом на поверхности раздела фаз происходит сложный физико-хим. процесс, при к-ром в результате хим. реакции выделяется теплота и горючие газы, догорающие в зоне Г., отстоящей от поверхности на нек-ром расстоянии. Процесс Г. усложняется явлением диспергирования ≈ переходом части конденсиров. вещества в газовую фазу в виде небольших частичек или капель.
Важной особенностью процесса Г. является наличие критич. условий. Распространение Г. возможно лишь в нек-рых интервалах изменения состава смеси, темп-ры и давления, условий теплоотвода во внеш. среду. Кри-тич. значения этих параметров наз. пределами Г. Скорость Г, на пределе отлична от нуля, а при переходе через продол Г. прекращается.
При эксперим. исследовании Г. изучается зависимость скорости Г. от рнзл. параметров Г.: состава смеси, дис-
")
}
