Лекция № 7. Горение как физико-химический процесс. Необходимые и достаточные условия для возникновения горения

7.1 Горение как физико-химический процесс

Горение - самораспространяющийся, высокотемпературный, физико-химический процесс распространения ярко выраженной зоны химической реакции с механизмом передачи энергии из зоны реакции к слою исходного ВМ путем теплопередачи и массопереноса.

Поскольку процессы теплопередачи и массопереноса протекают сравнительно медленно, то и горение процесс медленный, дозвуковой. Конденсированные взрывчатые системы горят со скоростями, от нескольких долей мм/с до сотен мм/с, газовые взрывчатые системы – от метров до десятков метров в секунду.

При нормальном горении газообразные продукты реакции, расширяясь, движутся в сторону противоположную направлению распространения фронта горения. При этом ударная волна сформироваться не может.

Рис. 1 Схема процесса горения ВМ

Процесс горения протекает за счет взаимодействия горючего с окислителем. Эти компоненты обязательно входят в состав горючих систем как смесевых, так и индивидуальных.

Например:

(NH₄)₂Cr₂O₇, 2Al+Fe₂O₃

Необходимые условия горения:

• реакция должна быть сильно экзотермической;

• скорость такой реакции должна в значительной степени зависеть от температуры.

Достаточные условия:

• должны выполняться критические условия (по диаметру заряда, температуре, давлению и т.д.), при которых скорость теплоприхода за счет химической реакции оказывается больше теплопотерь в окружающую среду.

Горение наблюдается в газовых, жидких, твердых и смешанных горючих смесях.

Например: CH₄+2O₂=CO₂+2H₂O

2Ti+N₂=2TiN

В качестве продуктов горения могут быть также различные по агрегатному состоянию вещества. Не обязательно, чтобы продуктами горения были газы.

Горючие системы могут гореть только при определенных соотношениях горючего и окислителя, т.е. только в определенных концентрационных пределах.

Наиболее высокие скорости и температуры горения наблюдаются при соотношении горючего и окислителя близком к стехиометрическому.

Этот эффект хорошо виден при изучении газовых горючих систем (ГГС)- смеси газообразного или парообразного горючего с газообразным окислителем. Воспламенить ГГС можно двумя путями:

1. Путем нагрева всей газовой смеси.

При нагревании до высокой температуры химические реакции взаимодействия достигают критической скорости, что приводит к воспламенению всей смеси.

2. Путем поджигания от источника высокой температуры (нагретое тело, искра, пламя).

ГГС могут гореть только при определенных соотношениях горючего и окислителя, т.е. только в определенных концентрационных пределах.

Все они имеют нижний и верхний концентрационные пределы горения, которые определяются по содержанию горючего компонента.

Нижний концентрационный предел (НКП) – это максимальное содержание горючего, при котором смесь может воспламениться и гореть.

Верхний концентрационный предел (ВКП) – это максимальное содержание горючего, при котором смесь может воспламениться и гореть.

На величину КП оказывают влияние различные факторы: