Гомогенное, гетерогенное и диффузионное горение

Различают гомогенное, гетерогенное и диффузионное горение. К гомогенному относится горение предварительно перемешанных газов. Примерами гомогенного горения являются процессы сгорания газов или паров, в которых окислителем является кислород воздуха: горение смесей водорода, смесей оксида углерода и углеводородов с воздухом. В практически важных случаях не всегда выполняется условие полного предварительного перемешивания. Поэтому всегда возможны комбинации гомогенного с другими видами горения.

Гомогенное горение может быть реализовано в двух режимах: ламинарном и турбулентном. Турбулентность ускоряет процесс горения за счет дробления фронта пламени на отдельные фрагменты и, соответственно, увеличения площади контакта реагирующих веществ при крупномасштабной турбулентности или ускорения процессов тепломассопереноса во фронте пламени при мелкомасштабной. Турбулентному горению присуща автомодельность: турбулентные вихри увеличивают скорость горения, что приводит к увеличению турбулентности.

При пожарах наиболее распространены процессы диффузионного горения. В них все реагирующие вещества находятся в газовой фазе, но предварительно не перемешаны. В случае горения жидкостей и твердых веществ процесс окисления горючего в газовой фазе происходит одновременно с процессом испарения жидкости (или разложения твердого материала) и с процессом смешивания. Простейшим примером диффузионного горения является горение природного газа в газовой горелке. На пожарах реализуется режим турбулентного диффузионного горения, когда скорость горения определяется скоростью турбулентного смешивания. При этом различают макросмешение и микросмешение. Процесс турбулентного смешения включает последовательное дробление газа на все более малые объемы и перемешивание их между собой.

Гетерогенное горение происходит на поверхности раздела фаз. При этом одно из реагирующих веществ находится в конденсированном состоянии, другое (обычно кислород воздуха) поступает за счет диффузии газовой фазы. Обязательным условием гетерогенного горения является очень высокая температура кипения (или разложения) конденсированной фазы. При несоблюдении этого условия горению предшествует испарение или разложение. От поверхности в зону горения поступает поток пара или газообразных продуктов разложения, и горение происходит в газовой фазе. Развитие такого горения осуществляется за счет теплового потока от факела пламени к поверхности материала, который обеспечивает дальнейшее испарение или разложение и поступление горючего в зону горения. В подобных ситуациях возникает смешанный случай, когда реакции горения частично протекают гетерогенно − на поверхности конденсированной фазы, частично гомогенно − в объеме газовой смеси.

Примером гетерогенного горения является горение каменного и древесного угля. При сгорании этих веществ протекают реакции двоякого рода. Некоторые сорта каменного угля выделяют при нагревании летучие компоненты. Сгоранию таких углей предшествует их частичное термическое разложение с выделением газообразных углеводородов и водорода, сгорающих в газовой фазе. Кроме того, при сгорании чистого углерода может образовываться оксид углерода СО, догорающий в объёме.

Горение газов

Для описания процессов горения обычно используется термин нормальная скорость пламени, который характеризует скорость обычного фронта пламени в неподвижной газовой смеси. В реальных условиях горения пламя всегда существует в движущихся потоках.

Поведение пламени в таких условиях подчиняется двум законам:

– первый из них устанавливает, что составляющая скорости газового потока v по нормали к фронту пламени, распространяющегося по непод-

вижной смеси, равна нормальной скорости распространения пламени и, деленной на cos :

v = u/cos φ, (1.2)

где − угол между нормалью к поверхности пламени и направлением газового потока.

Этот закон применим только к плоскому пламени. Обобщение его на реальный случай с искривлением фронта пламени дает формулировку второго закона − закона площадей.

Предположим, что в газовом потоке, имеющем скорость v и поперечное сечение , стационарно расположен искривленный фронт пламени с общей поверхностью S. В каждой точке фронта пламени пламя распространяется по нормали к его поверхности со скоростью U.Тогда объём горючей смеси, сгорающей в единицу времени , составит

ω = U · S. (1.3)

С другой стороны, в соответствии с балансом исходного газа этот же объём равен

ω = v ∙ ε. (1.4)

Приравнивая левые части(1.2) и (1.3), получаем

v = U · S/ε. (1.5)

В системе отсчёта, в которой фронт пламени перемещается по неподвижной газовой смеси, соотношение (1.5) означает, что пламя распространяется относительно газа со скоростью v. Формула (1.5) является математическим выражением закона площадей, из которого следует важный вывод: при искривлении фронта пламени скорость горения вырастает пропорционально увеличению его поверхности. Поэтому неоднородное движение газа всегда интенсифицирует горение.

Из закона площадей следует, что турбулентность увеличивает скорость горения. На пожарах это выражается сильной интенсификацией процесса распространения пламени. Различают два вида турбулентного горения: горение однородной газовой смеси и микродиффузионное турбулентное горение. В свою очередь, при горении однородной смеси в режиме турбулентного горения возможны два случая: возникновение мелкомасштабной и крупномасштабной турбулентности. Такое разделение производится в зависимости от соотношения масштаба турбулентности и толщины фронта пламени. При масштабе турбулентности, меньшем толщины фронта пламени, ее относят к мелкомасштабной, при большем −
к крупномасштабной. Механизм действия мелкомасштабной турбулентности обусловлен интенсификацией процессов горения за счёт ускорения процессов тепломассопереноса в зоне пламени. Наибольшие скорости горения наблюдаются при крупномасштабной турбулентности. В этом случае возможны два механизма ускорения горения: поверхностный и объёмный.

Одним из видов горения газов является дефлаграционное горение. Состав горючих смесей может быть различным. В общем случае содержание горючего компонента может колебаться от нуля до ста процентов, однако, не все смеси горючего и окислителя способны распространять пламя. Распространение возможно лишь в определённом интервале концентраций. При зажигании смесей, состав которых выходит за эти пределы, реакция горения, инициированная зажигающим импульсом, затухает на небольшом расстоянии от места зажигания. Для смесей горючего и окислителя, находящихся в газообразном состоянии, существуют минимальная и максимальная концентрации горючего, которые ограничивают область горючих смесей. Эти концентрации называются соответственно нижним и верхним концентрационными пределами распространения пламени. Вне пределов распространение пламени по данной смеси невозможно. Рассмотрим причины, обусловливающие наличие предельных условий распространения пламени по газовым смесям. В начальный момент инициирования горения (искрой, накаленным телом или открытым пламенем) в горючей смеси возникает зона высокой температуры, из которой тепловой поток будет направлен в окружающее пространство. Часть тепла поступает в свежую (еще не сгоревшую) смесь, другая часть − в продукты горения. Если поток тепла в свежую смесь недостаточен для возбуждения в ней реакции горения, первоначальный очаг пламени затухает.

Таким образом, наличие пределов распространения пламени по газовым смесям объясняется теплопотерями из зоны реакции. Детонацией называется процесс превращения горючей смеси или взрывчатого вещества, сопровождающийся выделением теплоты и распространяющийся с постоянной скоростью, превышающей скорость распространения звука в данной смеси или веществе.

В отличие от дефлаграционного горения, где распространение пламени обусловлено относительно медленными процессами диффузии и теплопроводности, детонация представляет собой комплекс мощной ударной волны и следующей за её фронтом зоны химического превращения. Благодаря резкому повышению температуры и давления за фронтом ударной волны химическое превращение исходных веществ в продукты горения протекает чрезвычайно быстро в очень тонком слое, непосредственно прилегающем к фронту ударной волны (рис. 1.2).

Зона хими- ческого превращени

Взрывчатое вещество

Распределение давления в детонационной волне

Продукты Химической реакции

Рис. 1.2. Схема детонационной волны

Ударная волна сжимает и нагревает горючую смесь (или взрывчатое вещество), вызывая химическую реакцию, продукты которой сильно расширяются – происходит взрыв. Энергия, выделяющаяся в результате химического превращения, поддерживает существование ударной волны, не давая ей затухать. Скорость перемещения детонационной волны постоянна для каждой горючей смеси ивзрывчатого вещества и достигает
1000–3000 м/с в газовых смесях и 8000–9000 м/с – в конденсированных взрывчатых веществах (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Скорость детонации некоторых горючих смесей
и взрывчатых веществ

Смесь или вещество	Агрегатное состояние	Плотность, г /см3	Скорость детонации, м/с
2H2+O2	газ	−
CH4+2O2	газ	−
CS2+3O2	газ	−
Нитроглицерин, C3H5(ONO2)	жидкость	1,60

Окончание табл. 1.1

Тринитрол (тротил), C7H5(ONO2)3 CH3	тв. в-во	1,62
Пентаэритритетранитрат, C5H8 (ONO2)4	тв. в-во	1,77
Циклотриметилентринитроамин (гексоген) C3H6O6N6	тв. в-во	1,80

Давление во фронте ударной волны при детонации газовых смесей достигает 1–5 МПа (10–50 атм.), а конденсированных веществ − 10 ГПа.
В газообразных горючих смесях распространение детонации возможно только при условиях, когда концентрация горючего газа (или паров горючей жидкости) находится в определенных пределах, зависящих от химической природы горючей смеси, давления и температуры. Например, в смеси водорода с кислородом при комнатной температуре и атмосферном давлении детонационная волна способна распространяться, если концентрация водорода находится в пределах от 20 до 90 % об.

Переход дефлаграционного горения в детонацию в газовоздушных смесях возможен в следующих случаях:

● при обогащении горючей смеси кислородом;

● при очень больших размерах газовых облаков;

● при наличии турбулизаторов горения.

В горючих облаках достаточно больших размеров неизбежен переход от дефлаграционного горения к детонации, при этом аналитическая оценка приводит к следующим критическим размерам облаков, при которых вероятность возникновения детонации высока: для водорода воздушных смесей − 70 м, для пропановоздушных − 3500 м, для метановоздушных − 5000 м. Турбулизация процесса горения газовых смесей с помощью различных препятствий по пути распространяющегося пламени приводит к существенному сокращению критических размеров газовых облаков, и возникающая в этом случае детонационная волна становится источником возбуждения детонации в неограниченном пространстве.