Классификация видов и режимов горения

История развития знаний о горении

 

По данным археологии, люди начали пользоваться огнем для обогрева и приготовления пищи 600 тысяч лет назад, а научились получать огонь — 30 тысяч лет назад. Порох был изобретен в Китае, а также использовался в Японии более трех тысяч лет назад. Огню отводилось значительное место в ранних мифах и легендах, например, в греческом мифе о Прометее, похитившем огонь у богов и отдавшем его людям.

В связи с развитием металлургии в XVII в. возникла необходимость в разработке теории горения.

Возникла ошибочная флогистонная теория:

металл + нагрев = флогистон + окалина металла;

окалина металла + флогистон + нагрев = металл.

Теория флогистона была опровергнута и окончательно отвергнута во второй половине XVIII века в результате введения в химию точных методов исследования.

М.В. Ломоносов впервые доказал, что сущность процесса горения заключается в химическом соединении горючего вещества с воздухом.

Французский ученый Лавуазье в 1773 году доказал, что окислителем является не весь воздух, а только входящий в его состав кислород. Так, во второй половине XVIII в. было научно доказано, что горение – это реакция окисления.

В конце XIX в. русский академик А.Н. Бах разработал теорию автоокисления и доказал, что горение является частным случаем общих процессов окисления (через образование пероксидных соединений, которые неустойчивы, склонны к разложению и распадаются с выделением наиболее активного атомарного кислорода).

Основа теории теплового ускорения реакции горения, сформулированная в 1884 г. Вант-Гоффом, была развита в 1928 г. Академиком Н.Н. Семеновым, за что он в 1956 г. был удостоен Нобелевской премии. Н.Н. Семенов является также автором теории цепных реакций горения.

Физико-химические основы горения

Горение - это сложный физико-химический процесс, в основе которого лежит быстрая химическая реакция, протекающая с выде­лением большого количества тепла и света.

Са­мыми распространенными реакциями горения являются реакции взаимо­действия веществ с кислородом.

Горение — экзотермическая реакция окисления вещества, сопровождающаяся, по крайней мере, одним из трёх факторов: пламенем, свечением, выделением дыма.

Реакции горения протекают при высоких температурах (Т > 1000 К), поэтому они происходят быстро и до конца (т. е. до полного окисления го­рючего вещества). При горении в основном образуются продукты полного окисления: для углерода - это СО₂, для водорода - Н₂О, для серы - SО₂ и т. д.

Горение веществ может происходить не только при их взаимодейст­вии с кислородом, но и при взаимодействии с другими окислителями, та­кими, как хлор, фтор, окислы азота.

Для возникновения горения необходимо образование смеси горючего вещества и окислителя в определенном соотношении и наличие источника зажигания. Условия возникновения горения иллюстрирует треугольник горения:

 

Классификация видов и режимов горения

4.1. В зависимости от условий смесеобразования горючих компонентов и соотношения скорости реакции горения и скорости смесеобразования различают два режима горения: кинетический и диффузионный.

Кинетическое горение – процесс горения гомогенной однородной (предварительно перемешанной) горючей смеси.

Скорость кинетического горения определяется скоростью химической реакции.

Диффузионное горение — процесс горения неоднородной (предварительно не перемешанной) горючей смеси, в котором существенную роль играют процессы диффузии окислителя к фронту пламени.

Скорость диффузионного горения лимитируется скоростью диффузии окислителя к зоне горения.

В условиях пожара газы, жидкости и твёрдые вещества горят диффузионным пламенем.

4.2 В зависимости от механизма распространения зоны горения по горючей смеси различают два характерных режима горения:

дефлаграционное горение — горение, при котором передача тепловой энергии к свежей горючей смеси осуществляется за счет излучения и теплопроводности (скорость движения тепловой волны по горючей смеси от 0,5 до 50 м/с);

детонационное горение — горение, при котором передача тепловой энергии к свежей горючей смеси осуществляется за счет быстрого сжатия в ударной волне. Происходит адиабатическое воспламенение (без теплообмена с окружающей средой). Скорость движения тепловой волны по горючей смеси более 50 м/с (до нескольких тысяч м/с).

4.2. В зависимости от агрегатного состояния компонентов горючей смеси различают гомогенное и гетерогенное горение.

Гомогенное горение — процесс взаимодействия горючего и окислителя, находящихся в зоне химической реакции в одинаковом агрегатном состоянии.

(горение горючих газов и паров жидкостей, газообразных продуктов термического распада большинства твёрдых горючих веществ, а в ряде случаев пылевого аэрозоля в среде газообразного окислителя).

Гетерогенное горение — процесс взаимодействия горючего и
окислителя, находящихся в различных агрегатных состояниях, горение происходит на поверхности раздела фаз. Примерами являются горение антрацита, кокса, древесного угля, нелетучих металлов. Беспламенное горение называют тлением.

4.3 По газодинамическим параметрам различают ламинарное и турбулентное горение (пламя).

4.4 В зависимости от объёма окислителя, давления и температуры, горение вещества может быть полным и неполным.

При полном сгорании веществ образуются продукты, не способные к дальнейшему взаимодействию (СО₂, Н₂О, НСl).

При неполном сгорании образуются продукты, способные к дальнейшему горению (СО, НСN, NН₃).

Пламя

Горение большинства горючих веществ сопровождается появлением пламени. Пламя образуется при горении тех веществ, которые при разложении, испарении или окислении выделяют горючие газы и пары, которые при горении нагреваются и светят.

Пламя — это газовый объём, в котором непосредственно происходит реакция горения.

Характер свечения пламени зависит от состава горючего вещества (главным образом от процентного соотношения углерода и кислорода)

Процентное содержание элементов рассчитывают по формуле:

 

где А – атомный вес элемента,

n – число атомов данного элемента в формуле горючего вещества,

молекулярная масса горючего вещества