Лекция 1.Физико-химические основы горения

1.1. Основные понятия и определения

Горением называется сложное, быстро протекающее химическое превращение, сопровождающееся выделением значительного количества тепла и обычно ярким свечением (пламенем). В большинстве случаев основу горения составляют экзотермические окислительные реакции вещества, способного к горению (горючего), с окислителем. Продукты этих окислительных реакций называются продуктами горения.

Пламя – это видимая зона горения, делящая газовую смесь на две части – сгоревший газ, через который пламя уже прошло, и несгоревший газ, который вскоре войдет в область пламени. Граница между этими двумя частями горящей газовой смеси называется фронтом пламени.

Процесс горения является сложным и состоит из многих связанных между собой отдельных процессов, как физических, так и химических. Физика горения сводится к процессам тепломассообмена и переноса в реагирующей системе. Химия горения заключается в протекании окислительно-восстановительных реакций, состоящих обычно из целого ряда элементарных актов и связанных с переходом электронов от одних веществ к другим – от восстановителя к окислителю.

Окислительно-восстановительные реакции горения могут быть межмолекулярными и внутримолекулярными. Межмолекулярные реакции протекают с изменением степени окисления атомов в разных молекулах. Внутримолекулярные реакции горения протекают с изменением степени окисления разных атомов в одной и той же молекуле (обычно это реакции термического разложения веществ).

Горение зависит от условий образования горючей среды, теплообмена с окружающей средой, отвода продуктов сгорания и многих других факторов. Все это объясняет многообразие видов горения.

В зависимости от свойств горючей системы горение может быть гомогенным и гетерогенным, предварительно перемешанных компонентов (кинетическим) и диффузионным, ламинарным и турбулентным и т.д.

Если горючее (в виде газа или пара) предварительно, еще до начала горения, смешано с воздухом или кислородом, то горючую смесь называют гомогенной, а горение – кинетическим. Для некоторых твердых материалов, например каменных углей, характерен переход от пламенного горения спустя определенное время, в течение которого завершится выделение летучих компонентов, к горению непосредственно конденсированной фазы (твердого вещества), проявляющемуся в появлении раскаленной поверхности. Такое горение является гетерогенным.

Если горючее подается в зону горения раздельно с кислородом или воздухом и перемешивается с ними в процессе горения, то происходит диффузионное горение.

При турбулентном диффузионном горении структура очага горения и способ распространения пламени в факеле менее ясны и существенно отличаются от гомогенного горения предварительно смешанных компонентов. Все типы пламени от кинетических до диффузионных наблюдаются в реальных устройствах и установках, использующих процессы горения как источники светового излучения или тепла.

Общая черта всех явлений и видов горения - высокая экзотермичность (интенсивное выделение тепла и резкое повышение температуры) химических превращений.

Возникновение и развитие процесса горения зависит как от скорости химического превращения горючей смеси и процессов тепло-массообмена между пламенем, еще не сгоревшим горючим веществом и окружающей средой, так и от внешних условий (сосуд или открытая среда).