Основы физики горения

1. Общие представления о горении

Горение - физикохимический процесс быстрого окисления горючих веществ (топлив), сопровождающийся высокой скоростью тепловыделения.

В качестве топлива используются вещества в газообразном ( метан, пропан, природный газ, ацетилен, водород ...), жидком (керосин, бензин, нефть, спирт ...) и твердом (уголь, древесина ...) состояниях. Окислителем в большинстве случаев является воздух, а в специальных случаях чистый газообразный или жидкий кислород.

Далее рассматриваются горение газообразного и жидкого топлива. Исследования показали, что горение жидкостей происходит после их испарения, т.е. в газообразной фазе. Если испарение произошло до области (зоны) горения, то процесс горения подчиняется тем же законам, что и в случае изначально газообразного топлива. Горение твердого топлива имеет более сложный характер и требует отдельного специального рассмотрения.

Особенностью процесса горения является то, что эта цепная, самоускоряющаяся реакция.

Горение может возникнуть по двум причинам:

- за счет повышения температуры горючей смеси (смеси топлива и окислителя) до некоторого значения - температуры самовоспламенения, зависящей от состава смеси и окружающих условий. В этом случае говорят о самовоспламенении. Например, для водорода температура самовоспламенения ~ 773 К (500^о С), для метана ~ 973 К (700^о С).

- за счет введения в горючую смесь источника теплоты. В этом случае происходит локальное повышение температуры, причем выделяющейся теплоты достаточно для того, чтобы очаг горения распространился по всей смеси. Это вынужденное воспламенение, которое обычно применяется на практике. Источником зажигания могут служить небольшое пламя, раскаленный предмет, искра.

На практике применяется второй способ, позволяющий начать процесс горения быстро и в необходимый момент времени.

По способу подготовки смеси различают два вида горения:

- диффузное горение. Топливо и окислитель подаются раздельно, горючая смесь образуется непосредственно в зоне горения за счет взаимодиффузии. Примерами являются пламя свечи, спички, пламя над выходным отверстием трубки, когда по ней подается только горючий газ, а кислород диффундирует в зону горения из окружающего воздуха.

- горение однородной (гомогенной) смеси. В этом случае топливо и окислитель заранее перемешиваются в необходимой пропорции и в зону горения поступает уже готовая смесь. Например, пламя над трубкой, когда по ней подается смесь горючего газа и воздуха.

Исследования показали, что при любом виде горения топливо и окислитель, образующие горючую смесь, должны быть в определенном соотношении. С этой целью вводится так называемое стехиометрическое число - число килограммов кислорода, необходимое для полного сгорания 1 кг горючего. Если горючее - газ, то обычно используют стехиометрическое число - число объемов кислорода, необходимых для полного сгорания 1 м³ горючего.

Т.к. в большинстве случаев в качестве окислителя применяют воздух, то удобно использовать стехиометрические числа по воздуху Например, для водорода и окиси углерода , а у метана - 2, ацетилена -2,5, пропана -5. Для полного сгорания 1 кг бензина требуется 3,45 кг кислорода, т.е. Для пропана -

Для оценки состава смеси используют объемную концентрацию горючего газа в смеси либо коэффициент избытка воздуха , равный отношению количества воздуха в смеси к стехиометрическому значению, т.е. . Если , смесь стехиометрическая, при воздуха не хватает, а горючее в избытке, говорят “богатая” смесь, при горючего не хватает и смесь - “бедная”.

После воспламенения смеси в некоторой точке поток теплоты прогревает ближайшие слои смеси, ускоряет химическую реакцию их окисления, т.е. зажигает их. Выделяющаяся теплота нагревает следующие слои, воспламеняет их и т.д. По смеси распространяется волна горения, или как чаще говорят в настоящее время, фронт пламени. Наблюдения показали, что распространение фронта пламени в каждой точке происходит по нормали к фронту в направлении несгоревшей смеси (Рис.1). Позади фронта остаются продукты сгорания - горячие сгоревшие газы, образующиеся после завершения химической реакции.

Скорость, с которой фронт пламени распространяется по неподвижной горючей смеси, называется скоростью горения в зарубежной литературе, а в отечественной - нормальной скоростью распространения пламени,

В общем случае зависит от состава и температуры смеси, давления, при котором происходит горение, состава окислителя. Для всех углеводородных топлив кривые имеют параболический вид (Рис.2), нижний и верхний пределы и . Максимальное значение приходится на значение , которое всегда несколько меньше единицы, т.е. когда смесь несколько переобогащена. Например, для пропана , паров бензина и керосина 0,25 и 1,9. Максимальное значение для водорода равно 2,5 м/с, для метана 0,48 м/с, пропана 0,42 м/с.

Повышение температуры смеси расширяет границы по и увеличивает , а повышение давления и увеличение содержания инертных газов в смеси, например, азота, дают противоположный эффект.

Если взять систему отсчета, движущуюся вместе с фронтом пламени, или рассмотреть случаи, когда пламя с помощью специальных устройств (стабилизаторов) удерживается в движущемся потоке горючей смеси, тогда горючая смесь набегает на неподвижный фронт пламени со скоростью , направленной в сторону продуктов сгорания. Т.к. эта скорость определяет количество смеси, сгорающее в единицу времени на единице площади фронта пламени, то модуль нормальной скорости распространения пламени оказывается равным скорости горения, понимая под этой величиной массу смеси, сгорающую на единице площади фронта пламени в единицу времени, т.к. - это массовый расход (кг/c).