1.3. Виды и режимы горения

Процесс горения определяется следующими характеристиками:

•механизмом распространения зоны химической реакции (де­ флаrрационное и детонационное горение);

•природой химических реакций в зоне их протекания (гомоген­ ное и гетерогенное горение);

•кинетическими параметрами режима горения (кинетическое и диффузионное горение);

•газодинамическими параметрами режима горения (ламинарное и турбулентное горение).

1.3.1. Распространение зоны химической реакции

Различают две характерных разновидности горения в зависимо­ сти от механизма распространения зоны химических реакций горе­

ния по горючей смеси: дефлаграционное и детонационное горение.

Дефлаграция - это процесс горения, сопровождающийся выделе­ нием огромного количества теплоты при сравнительно медленном распространении зоны химической реакции, со скоростью движения тепловой волны по горючей смеси от 0,5 до 50 мfс.

Детонация - это горение, при котором распространение зоны

химической экзотермической реакции протекает со скоростью удар­ ной волны, от нескольких сотен метров в секунду до нескольких ки­ лометров в секунду.

1.3.2. Гомогенное и гетерогенное горение

В зависимости от агрегатного состояния компонентов горючей смеси (горючего вещества и окислителя) непосредственно в зоне про­ текания химических реакций различают два вида (режима) горения:

• гомогенное горение, когда оба компонента находятся в одной

фазе (однородные горючие смеси);

• гетерогенное горение, когда агрегатное состояние у компонентов горючей системы различное (неоднородные горючие смеси).

Поскольку в качестве окислителя в реакциях горения чаще всего участвует кислород воздуха, т. е. один их компонентов горючей систе­ мы находится всегда в газообразном состоянии, гомогенное горение

угля. В этом случае диффузии кислорода к зоне горения также nре­ nятствуют nродукты сгорания, как видно из схемы , nредставленной

на рис. 1.2. Концентрация кислорода в объеме (С1) значительно боль­

ше концентрации его вблизи зоны горения (С0). В отсутствие доста­

точного количества кислорода в зоне горения химическая реакция го­

рения тормозится.

1.3.3. Кинетические параметры процесса горения

Гомогенное или гетерогенное горение может nротекать в кинети­ ческом или диффузионном режимах горения.

Наличие того или иного режима горения оnределяется временем сгорания горючего вещества. Рассмотрим nротекание nроцесса горе­ ния в зависимости от времени сгорания. Обозначим время сгорания

горючей смеси тr>· время контакта между горючим веществом и окис­ лителем (кислородом) - 'tк и время nротекания самой химической

реакция - 'tx. Тогда nолное время сгорания горючей смеси 'tr будет складывается из времени, необходимого для возникновения контакта

между горючим веществом и окислителем (кислородом) 'tк и времени, в течение которого nротекает сама химическая реакция тх:

( 1 . 1 8)

В зависимости от соотношения этих двух слагаемых в уравнении ( 1 . 1 8) различают горение кинетическое и диффузное. При горении твердых горючих веществ время, необходимое для nроникновения (диффузии) кислорода к nоверхности вещества, гораздо больше вре­

мени собственно химической реакции, 'tк>> 'tx. Поэтому общая ско­ рость горения nолностью оnределяется скоростью диффузии кисло­ рода к горючему веществу. Горение таких веществ наиболее часто встречается в nрактике и называется диффузионным. В этом случае го­ ворят, что nроцесс горения nротекает в диффузионной области или диффузионном режиме, nри этом общее время горения nрактически

можно рассматривать как: 'tr = 'tк. Это означает, что nроцесс горения оnределяется в основном диффузией кислорода к горючему веществу.

Горение, скорость которого оnределяется скоростью химической реакции, называется кинетическим. Необходимым условием для ки­

нетического горения является nреобладание 'tx над 'tк , т. е. 'tx>> 'tк. В этом случае можно nринять 'tr = 'tx. Следовательно, nроцесс горения

кислорода хорошо перемешаны с молекулами горючего вещества и не затрачивается время на смесеобразование. Так как скорость химиче­ ской реакции при высокой температуре велика, горение таких смесей происходит мгновенно и носит характер взрыва.

Горение предварительно равномерно перемешанных газаили па­ ровоздушных смесей всегда протекает в кинетическом режиме, так как смесь горючего с окислителем (равномерная на молекулярном уровне смешения) существует еще до момента ее воспламенения и суммарная скорость процесса горения лимитируется только скоростью химиче­ ских реакций окисления и скоростью перемещения зоны реакций го­ рения по горючей смеси. Если горение такой газовоздушной смеси происходит в замкнутом или ограниченном объеме, оно воспринима­ ется как взрыв, так как энергия, выделяющаяся при сгорании смеси, не успевает отводиться за пределы рассматриваемого объема, давление возрастает и может привести к разрушению конструкции.

Примерам спокойного кинетического горения является горение газовоздушной смеси на конфорках кухонной газовой плиты, когда смесь хорошо подготовлена и пламя имеет равномерную сине-голу­ бую окраску (без желтых или красноватых оконечностей языков пла­ мени). Появление желто-оранжевых зон в пламени - признак недо­ статка воздуха, плохого смешения, образования продуктов непалнога сгорания, в том числе светящихся желтым светом сажистых частиц. Также кинетическим горением является сгорание метана в устье газо­ вого факела. При истечении метана под большим давлением смеши­ вание его с воздухом перед факелом пламени будет столь интенсив­ ным и равномерным, что пламя будет почти полностью кинетиче­ ским.

Примерам диффузионного горения является горение фонтани­ рующей нефти, горение при пожарах в резервуарах с легковоспламе­

няющимися жидкостями (Л ВЖ), горючими жидкостями или штабе­ лей древесины.

1.3.4. Газодинамические параметры режима горения

В зависимости от газодинамического состояния горючей смеси, а именно характера потока горючей смеси и окислителя, различают ла­

минарный и турбулентный режимы горения.

Газодинамическое состояние характеризуется интенсивностью поступления в зону реакции горючей смеси.

Ламинарный режим горения характеризуется спокойным поступ­ лением в зону горения компонентов горючей смеси. При таком режи­

ме горения наблюдается плавный переход от зоны смесеобразования к зоне горения и далее - к зоне формирования потока продуктов го­

рения. На рис. 1 .3 дана схема ламинарно-диффузионного режима го­ рения. Зона горения представляет собой тонкий слой, в котором про­ текает непосредственно горение. В этом слое возникают диффузион­ ные процессы: соприкосновение слоев воздуха и горючего.

11

1

11\

Воздух\1'\ 1 Зона

паров

Жидкость

Рис. 1 .3. Схема ламинарно-диффузионного горения

При турбулентном режиме горения компоненты горючей смеси

поступают в зону горения бурно, образуя завихрения. Такой режим характерен для горения газов.

Под турбулентностью следует понимать поступление газовоздуш­ ных смесей из емкостей или аппаратов с большой скоростью движе­ ния газового потока. При таком режиме происходит интенсивное пе­

ремешивание горючих газов.

На рис. 1 .4 показаны режимы ламинарного и турбулентного горе­

ния газовоздушной горючей смеси. Зона горения при ламинарном ре-