1.2. Вспышка и воспламенение гомогенных и гетерогенных систем
Различают гомогенное и гетерогенное горение. При гомогенном горючее и окислитель находятся в одной фазе (обычно в газовой, например, смесь метана с воздухом). При гетерогенном они находятся в разных фазах, окислитель, как правило, газообразный (например, О2), а восстановитель твердый (уголь С, древесина, торф) или жидкий (бензин, мазут, дизельное топливо).
Отступление. Фаза – однородная часть системы, обладающая одинаковыми физическими и химическими свойствами и отделенная от других частей системы поверхностью раздела. Система – совокупность взаимосвязанных частей, выделенных из окружающей среды и выступающих по отношению к ней как целое.
Наиболее общим свойством горения гомогенных горючих газовых смесей является проявление в определенных условиях прогрессивного самоускорения процесса – воспламенения.
Воспламенение – начальная стадия горения, в течение которой энергия, подводимая к системе от внешнего источника энергии, приводит к резкому ускорению химической реакции из-за прогрессивного накопления энергии (тепловое воспламенение) или активных промежуточных частиц (цепное воспламенение).
Роль воспламенителя может выполнять пламя, искра, накаленное тело или механическое воздействие в результате резкого сжатия горючей смеси (так происходит воспламенение горючей смеси в дизельном двигателе) или, например, трение различных материалов друг о друга.
При воспламенении необходимо, чтобы концентрации горючего и окислителя находилась в определенном соотношении.
Классическим явлением воспламенения является процесс возникновения горения в небольшой части горючей смеси. Остальная часть прореагирует за счет распространения процесса на всю смесь. Источники воспламенения, вызывающие такой процесс, называются тепловыми. К ним относится искра, накаленное тело, пламя, а также электрические явления (электрические искры, дуги, разряды атмосферного электричества). К воспламенению могут привести также оптические явления, например, фокусировка лучей линзами. Все тепловые источники нагревают очень незначительную часть горючей смеси, оставляя холодной остальную ее часть.
В отличие от воспламенения вспышка представляет собой воспламенение смеси воздуха с парами над жидкостью или твердым телом без загорания жидкости или твердого тела. Вспышка возможна только в том случае, если состав паровоздушной смеси находится между верхним и нижним пределами воспламенения (см. раздел ). Фактически вспышка – процесс неустойчивого, быстро прекращающегося горения.
1.3. Пламя
При воспламенении накаленными телами, чем меньше его размер, тем больше должна быть его температура. Тепловые источники очень маленьких размеров не могут воспламенить горючие смеси.
Не всякие искры одинаковы по своей способности воспламенять смеси. Искры, возникающие при точке металлических изделий на наждачном круге, не могут воспламенить смеси метана или бензина с воздухом. Искры, образующиеся при ударах металла о металл, металла о камень и при их трении, имеют разную воспламеняющую способность. Опытами установлено, что метано-воздушная смесь не воспламеняется от искр при сильных ударах стальных молотков о стальные образцы и от искр трения сталей о карборунд. Однако воспламенение метано-воздушных смесей может происходить от искр, возникающих при ударах между твердой породой и сталью, а также при трении твердой породы о породу. При трении о породу воспламенение происходит не от искр, образующихся при этом, а от теплового воздействия раскаленной зоны, которая может достигать 1200°С.
Опытным путем также установлено, что трение стали о сталь способно воспламенить смеси воздуха с водородом, ацетиленом, сероводородом, коксовым газом. Трение алюминиевых сплавов по стальным поверхностям, покрытым ржавчиной, вызывает воспламенение всех известных взрывоопасных газовых смесей. Причиной является экзотермическая реакция:
Al + Fe2O3 = Al2O3 + Fe; Н = 853,5 кДж/моль
вызывающая нагрев места трения.
Эти знания позволяют подбирать правильные материалы для разработки инструментов и механизмов, работающих на взрывоопасных участках (шахты, газовые месторождения, перекачивающие и заправочные станции и т.п.).
Различная воспламеняющая способность различных физико-химических процессов связана с энергией, которая выделяется в форме теплоты и способна нагреть участок горючей смеси. Наглядным примером важности энергии искр является воспламенение электрическими искрами. Для каждой смеси есть минимальная мощность электрической искры, способной ее воспламенить. Минимальная мощность зависит от состава, температуры, давления смеси. Увеличение мощности искр ведет к расширению области воспламенения газовых смесей. Однако при достижении определенной мощности искр ее увеличение уже не вызывает расширения пределов воспламенения смеси. Искры такой мощности называют насыщенными. Их использование в приборах по определению концентрационных или температурных пределов воспламенения дает такие же результаты, как воспламенение накаленными телами или пламенем. Насыщенные искры можно считать разновидностью высокотемпературных источников воспламенения.
Пламя всегда является эффективным источником воспламенения.
Воспламенение гетерогенных горючих смесей имеет свои особенности, отличающие их от гомогенных горючих смесей. Из твердых горючих веществ наиболее подвержены воспламенению волокнистые и мелкораздробленные материалы (хлопок, войлок, ткань, сено, шерсть, мучная и каменноугольная пыль и др.). Все они обладают малой теплопроводностью и большой поверхностью, что способствует сохранению тепловой энергии искры в небольшом объеме горючего вещества и быстрому нагреву. Так как искрой нагревается небольшой объем твердых горючих веществ, то образующихся газообразных продуктов разложения и энергии искры недостаточно для образования горючей смеси. Поэтому воспламенение искрами сопровождается не горением волокнистых веществ, а тлением углеродистого остатка. Только более мощные источники воспламенения и более длительное их действие (пламя, большие по величине накаленные тела) могут вызвать воспламенение твердых веществ с образованием пламени.
Пламя всегда является эффективным источником воспламенения (рис. ) не только гомогенных газовых смесей, но и гетерогенных.
Рис. 1 . Распределение температур в пламени при горении газообразных, жидких и твердых материалов
Для загорания твердых видов топлива их составляющие должны быть переведены в газообразное состояние или превращены в легковоспламеняющийся уголь. Для этого требуется нагрев до высокой температуры. При этом образуются горючие смеси с воздухом, которые воспламеняются. Так происходит воспламенение древесины и природного угля. Первой стадией является разложение топлива с образованием летучих горючих веществ, или испарение летучих органических веществ топлива. Потом происходит воспламенение горючей газовой смеси с воздухом. На следующем этапе от пламени воспламеняется само твердое топливо.
Горение жидкого топлива всегда сопровождается испарением топлива и горением его паров. В жидком виде топливо, как правило, не окисляется кислородом. В результате сгорает только та его часть, которая успела испариться. Поэтому в двигателях внутреннего сгорания важнейшую роль играет процесс впрыска и испарения капелек топлива. Чем более эффективны эти процессы, тем выше к.п.д. и мощность двигателя, и ниже расход топлива.
Фронт пламени
Как сказано выше, характерной особенностью горения гомогенных смесей является самопроизвольное пространственное распространение пламени. В процессе распространения горения газовая смесь делится на две части: сгоревший газ и несгоревшая смесь, а их граница называется фронтом пламени. Она представляет собой тонкий газовый слой, в котором происходит процесс горения. На рис. 2 представлена модель горения газовой смеси в трубе. Подожжена смесь справа. Пламя двигается справа налево.
Рис. 1. Движение фронта пламени в газовой трубе
Распространение пламени встречается двух видов: детонационная волна и волна горения.
Детонационная волна – один из видов ударной волны, распространение которой сопровождается тепловыделением благодаря реакциям во фронте. Это волна поджигает следующую порцию газа. Главный признак детонационной волны - огромная разница давлений перед фронтом и позади его. Скорость детонационной волны выше скорости звука (в твердых взрывчатых смесях она может достигать 7-10 км/с) и процесс протекает как взрыв. Большое давление перед фронтом сильно сжимает газовую смесь и образует высоконагретые продукты, которые самовоспламеняются.
Волна горения распространяется посредством диффузии активных частиц в соседние зоны и теплопередачи к соседним слоям газа. Скорость перемещения фронта пламени значительно ниже скорости звука и при этом отсутствует большая разница давлений.