1. Общие сведения о процессах горения

Процессы горения и взрыва играют большую роль в жизнедеятельности человека. С одной стороны, эти процессы широко используются в различных отраслях современной техники и технологии. Отметим лишь такие важнейшие отрасли как теплоэнергетика, двигателестроение, транспорт, ракетная техника и авиация, в которых основными источниками энергии являются управляемые процессы горения. С другой стороны, процессы горения и взрыва часто приводят к катастрофическим последствиям – лесные пожары, взрывы паровых котлов и газопроводов, ядерные взрывы и т.д. Для оценки характеристик и последствий этих явлений необходимо знать основные закономерности процессов, протекающих при горении и взрыве различных веществ.

1.1. Основные понятия физики горения и взрыва

Горение – это сложный физико-химический процесс, при котором превращение вещества сопровождается интенсивным выделением тепла, ярким свечением и тепломассообменом с окружающей средой. В большинстве случаев горение происходит в результате экзотермического окисления вещества, способного к горению (горючего), некоторым окислителем (кислородом воздуха, хлором, закисью азота и т.д.). При этом в процессе участвуют два основных компонента – горючее и окислитель. По этому механизму происходит горение газов, нефти, бензина, керосина, древесины, торфа и других горючих веществ – углеводородов, содержащих в химической формуле углерод и водород.

Однако процесс горения может протекать не только при реакциях соединения горючего вещества с окислителем, но и при других реакциях, связанных с выделением значительного количества теплоты и с быстрым химическим превращением. К ним относятся разложение взрывчатых веществ и озона, взаимодействие оксидов натрия и бария с диоксидом углерода, распад ацетилена и т. д.

Горение может начаться самопроизвольно в результате самовоспламенения (например, бурта зерна или торфяника), либо инициировано зажиганием (свеча автомобильного двигателя, спичка, искра короткого замыкания, раскаленные капли металла при электросварке и т. д.). Переход первоначально медленной химической реакции в режим горения обусловлен нелинейной зависимостью скорости реакции от температуры, определяемой законом Аррениуса.

Горение представляет собой комплекс взаимосвязанных химических и физических процессов. Важнейшие процессы при горении – это теплоперенос и массоперенос (перенос теплоты и вещества). Наиболее общим свойством горения является способность возникшего очага пламени перемещаться по всей горючей смеси путем передачи теплоты или путем диффузионного переноса нагретых частиц из зоны горения в свежую смесь. В первом случае механизм распространения пламени называется тепловым, во втором – диффузионным. Обычно горение протекает по комбинированному механизму, включающему как теплообмен, так и диффузию горючих компонентов и продуктов горения.

Для процессов горения характерно наличие критических условий возникновения и распространения пламени – некоторых фиксированных значений давления, температуры, размеров системы, состава горючей смеси и т.д., при достижении которых происходит воспламенение смеси, распространение пламени или его погасание. Во всех случаях для процесса горения характерны три стадии – возникновение, распространение и погасание пламени.

В зависимости от агрегатного состояния горючих компонентов (окислителя или горючего) различают три вида горения.

• Гомогенное горение – горение газов и парообразных горючих веществ в среде газообразного окислителя.

• Гетерогенное горение – горение жидких и твердых топлив (горючих веществ) в среде газообразного окислителя. Разновидностью гетерогенного горения является горение жидких капель топлива.

• Горение взрывчатых веществ и порохов.

По скорости распространения пламени горение подразделяется на дефлаграцию и детонацию. Дефлаграционное горение – это такой режим горения, при котором пламя распространяется с дозвуковой скоростью. При детонации пламя распространяется со сверхзвуковой скоростью, например, в воздухе – со скоростью более 300 м/с. Дозвуковое горение подразделяется на ламинарное и турбулентное. Скорость ламинарного горения зависит от состава смеси, начальных значений температуры и давления, а также от скорости химических превращений в пламени. Скорость распространения турбулентного пламени помимо указанных факторов зависит от скорости потока, степени и масштаба турбулентности.

Предельным случаем горения является взрыв – процесс чрезвычайно быстрого выделения большого количества энергии. В результате взрыва взрывоопасная смесь, заполняющая объем, в котором произошло выделение энергии, практически мгновенно превращается в сильно нагретый газ с высоким давлением. Этот газ с большой силой воздействует на окружающую среду, вызывая образование ударной волны. Разрушения, вызванные взрывом, обусловлены именно действием ударной волны. По мере удаления от места взрыва механическое воздействие ударной волны снижается. Источником взрыва может быть не только химическое превращение, но и любой высокоэнергетический процесс (атомная или термоядерная реакция, высокое давление пара в котле, молния в атмосфере, извержение вулкана, цунами, падение метеорита и т.д.).