Сгорание

Горение спички

Горение натрия

Горение — это сложный физико-химический процесс превращения компонентов горючей смеси в продукты сгорания с выделением теплового излучения, света и лучистой энергии. Приближенно можно описать природу горения как бурно идущее окисление.

Дозвуковое горение (дефлаграция) в отличие от взрыва и детонации протекает с низкими скоростями и не связано с образованием ударной волны. К дозвуковому горению относят нормальное ламинарное и турбулентное распространения пламени, к сверхзвуковому — детонацию.

Горение подразделяется на тепловое и цепное. В основе теплового горения лежит химическая реакция, способная протекать с прогрессирующим самоускорением вследствие накопления выделяющегося тепла. Цепное горение встречается в случаях некоторых газофазных реакций при низких давлениях.

Условия термического самоускорения могут быть обеспечены для всех реакций с достаточно большими тепловыми эффектами и энергиями активации.
Горение может начаться самопроизвольно в результате самовоспламенения либо быть инициированным зажиганием. При фиксированных внешних условиях непрерывное горение может протекать в стационарном режиме, когда основные характеристики процесса — скорость реакции, мощность тепловыделения, температура и состав продуктов — не изменяются во времени, либо в периодическом режиме, когда эти характеристики колеблются около своих средних значений. Вследствие сильной нелинейной зависимости скорости реакции от температуры горение отличается высокой чувствительностью к внешним условиям. Это же свойство горения обусловливает существование нескольких стационарных режимов при одних и тех же условиях (гистерезисный эффект).

Теория горения

При адиабатическом сжигании горючей смеси могут быть рассчитаны количество выделившегося при горении тепла, температура Т_Г, которая была бы достигнута при полном сгорании (адиабатическая температура горения) и состав продуктов, если известны состав исходной смеси и термодинамические функции исходной смеси и продуктов. Если состав продуктов заранее известен, Т_Г может быть рассчитана из условия равенства внутренней энергии системы при постоянном объёме или её энтальпии при постоянном давлении в исходном и конечном состояниях с помощью соотношения: Т_Г = Т0 + Q_r/C, где Т₀ — начальная температура смеси, С — средняя в интервале температур от Т₀ до Т_Г удельная теплоёмкость исходной смеси (с учетом её изменения при возможных фазовых переходах), Q_r — удельная теплота сгорания смеси при температуре Т_Г. При относительном содержании а₀ в смеси компонентов, полностью расходуемых в реакции, Q_Г = Q*а₀ где Q — тепловой эффект реакции горения. Значение Т_Г при постоянном объеме больше, чем при постоянном давлении, поскольку в последнем случае часть внутренней энергии системы расходуется на работу расширения. На практике условия адиабатичекого горения обеспечиваются в тех случаях, когда реакция успевает завершиться прежде, чем станет существенным теплообмен между реакционным объёмом и окружающей средой, например в камерах сгорания крупных реактивных двигателей, в больших реакторах, при быстро распространяющихся волнах горения.
Термодинамический расчёт даёт лишь частичную информацию о процессе — равновесный состав и температуру продуктов. Полное описание горения, включающее также определение скорости процесса и критических условий при наличии тепло- и массообмена с окружающей средой, можно провести только в рамках макрокинетического подхода, рассматривающего химическую реакцию во взаимосвязи с процессами переноса энергии и вещества.
В случае заранее перемешанной смеси горючего и окислителя реакция горения может происходить во всём пространстве, занятом горючей смесью (объёмное горение), или в сравнительно узком слое, разделяющем исходную смесь и продукты и распространяющемся по горючей смеси в виде так называемой волны горения. В неперемешанных системах возможно диффузионное горение, при котором реакция локализуется в относительно тонкой зоне, отделяющей горючее от окислителя, и определяется скоростью диффузии реагентов в эту зону.

Описание процессов горения

Важность процесса горения в технических устройствах способствовала созданию различных моделей, позволяющих с необходимой точностью его описывать. Так называемое нулевое приближение включает описание химических реакций, изменение температуры, давления и состава реагентов во времени без изменения их массы. Оно соответствует процессам происходящим в закрытом объёме, в который была помещена горючая смесь и нагрета выше температуры воспламенения. Одно-, двух- и трёхмерные модели уже включает в себя перемещение реагентов в пространстве. Количество измерений соответствует количеству пространственных координат в модели. Режим горения бывает как и газодинамическое течение: ламинарным или турбулентным. Одномерное описанное ламинарного горения позволяет получить аналитически важные выводы о фронте горения, которые затем используются в более сложных турбулентных моделях.

Объёмное горение

Объемное горение происходит, например, в теплоизолированном реакторе идеального перемешивания, в который поступает при температуре Т₀ исходная смесь с относительным содержанием горючего а₀; при другой температуре горения реактор покидает смесь с иным относительным содержанием горючего а. При полном расходе G через реактор условия баланса энтальпии смеси и содержания горючего при стационарном режиме горения могут быть записаны уравнениями:

1. G(Qa₀ + CT₀) = G(Qa + CT)
2. Ga₀ — Ga = w(a, T)V

где w(а, Т) — скорость реакции горения, V — объём реактора. Используя выражение для термодинамической температуры Т_Г, можно из (1) получить:

а = а₀(Т_Г — Т)/(Т_Г — Т₀)

и записать (2) в виде:

q_-T = q₊T

где q_-T = GC(T — Т₀) — скорость отвода тепла из реактора с продуктами сгорания, q₊T = Qw(a, Т)V — скорость выделения тепла при реакции. Для реакции n-ного порядка с энергией активации:

Диффузионное горение

Характеризуется раздельным подачей в зону горения горючего и окислителя. Перемешивани комонентов происходит в зоне горения. Пример: горение водорода и кислорода в ракетном двигателе.

Горение предварительно смешанной среды

Как следует из названия, горения происходит в смеси, в которой одновременно присутсвуют горючее и окислитель. Пример: горение в цилиндре двигателя внутреннего сгорания бензиново-воздушной смеси после инициализации процесса свечой зажигания.

Особенности горения в различных средах

Беспламенное горение

В отличие от обычного горения, когда наблюдаются зоны окислительного пламени и восстановительного пламени, возможно создание условий для беспламенного горения. Примером может служить каталитическое окисление органических веществ на поверхности подходящего катализатора, например, окисление этанола на платиновой черни.

Тление

Вид горения, при котором пламя не образуется, а зона горения медленно распространяется по материалу. Тление обычно наблюдается у пористых или волокнистых материалов с высоким содержанием воздуха или пропитанных окислителями.

Автогенное горение

Самоподдерживающиеся горение. Термин используется в технологиях сжигания отходов. Возможность автогенного (самоподдерживающегося) горения отходов определяется предельным содержанием балластирующих компонент: влаги и золы. На основе многолетних исследований шведский ученый Таннер предложил для определения границ автогенного горения использовать треугольник-схему с предельными значениями: горючих более 25%, влаги менее 50%, золы менее 60%.

Тестовые очаги горения

Тестовый очаг пожара - устройство, предназначенное для горения строго определенных материалов, обеспечивающих заданные параметры среды в стандартном испытательном помещении.^[1]

Для проведения испытаний пожарных извещателей устанавливают шесть видов тестовых очагов пожара обозначаемых ТП-1, ТП-2, ТП-3, ТП-4, ТП-5, ТП-6.^[2]

Обозначение ТП	Тип горения	Интенсивность тепловыделения	Восходящий поток	Дым	Описание	время срабатывания извещателя, не более, с.
ТП-1	Открытое горение древесины	Высокая	Сильный	Есть	При испытаниях используют 70 деревянных брусков (бук, сосна, ель, осина) размерами 10×20×250 мм каждый, уложенных в 7 слоев на основании размерами 500×500 мм. Перед испытаниями деревянные бруски высушивают. Источником воспламенения горючего материала является (5 ± 1) мл спирта или иного вида легковоспламеняющейся жидкости, налитой в емкость диаметром (50 ± 5) мм, установленную в центре основания тестового очага. Поджог осуществляют открытым пламенем или высоковольтным искровым разрядом.	370
ТП-2	Пиролизное тление древесины	Очень незначительная	Слабый	Есть	При проведении испытаний в качестве горючего материала используется 10 высушенных деревянных (бук, сосна, ель, осина) брусков размерами 75×25×20 мм, расположенных на поверхности электрической плиты мощностью не менее 1 кВт. При проведении испытаний напряжение, подаваемое на электроплиту, должно обеспечивать подъем температуры на поверхности плиты до 600 °С за не более 660 с. Контроль температуры на поверхности плиты осуществляют термопарой.	840
ТП-3	Тление со свечением хлопка	Очень незначительная	Очень слабый	Есть	При проведении испытаний используют хлопковые фитили длиной (800 ± 10) мм и массой примерно 3 г каждый, прикрепленные к проволочному кольцу диаметром (100 ± 5) мм, подвешенному на штативе таким образом, чтобы расстояние от нижнего края фитилей до основания штатива не превышало 50 мм. Количество фитилей — не менее 80. Тление фитилей достигается следующим образом: собранные в пучок концы фитилей поджигают открытым пламенем, затем пламя задувают до появления тления, сопровождающегося свечением.	750
ТП-4	Горение полимерных материалов	Высокая	Сильный	Есть	При испытаниях используют три мата из пенополиуретана плотностью 20 кг/м3 и размерами 500×500×20 мм каждый, уложенные один на другой на поддоне из алюминиевой фольги размерами 540×540×20 мм (допуск на размеры и плотность — 5 %). Перед испытаниями пенополиуретановые маты должны быть выдержаны в течение 48 ч при влажности не более 50 %. Источником воспламенения горючего материала является (5 ± 1) мл спирта или иного вида легковоспламеняющейся жидкости, налитой в емкость диаметром (50 ± 5) мм, установленную в центре основания тестового очага. Поджог осуществляют открытым пламенем или высоковольтным искровым разрядом.	180
ТП-5	Горение легковоспла- меняющейся жидкости с выделением дыма	Высокая	Сильный	Есть	При испытаниях используют (650 ± 20) г смеси Н-гептана, налитого в поддон из листовой стали толщиной 2 мм размерами 330×330×50 мм (допуск на размеры — 5 %).	240
ТП-6	Горение легковоспла- меняющейся жидкости	Высокая	Сильный	Нет	При испытаниях используют (2000 ± 100) г этилового спирта. Спирт наливают в поддон размерами 435×435×50 мм, изготовленный из листовой стали толщиной 2 мм (допуск на размеры – 5 %). Зажигание смеси осуществляют открытым пламенем или высоковольтным искровым разрядом.	510

См. также

• Пламя

Примечания

1. ↑ ГОСТ Р 53289—2009 Установки водяного пожаротушения автоматические. ОРОСИТЕЛИ СПРИНКЛЕРНЫЕ ДЛЯ ПОДВЕСНЫХ ПОТОЛКОВ. Огневые испытания
2. ↑ ГОСТ Р 53325 — 2009 ТЕХНИКА ПОЖАРНАЯ. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПОЖАРНОЙ АВТОМАТИКИ. Общие технические требования. Методы испытаний -М.:Стандартинформ 2009