Горение — combustion

Физика процесса

Огнём называют бурное окисление материалов в процессе необратимой экзотермической реакции с выделением энергии в виде тепла и света. Огонь возникает как результат воспламенения горючего при достаточном количестве кислорода, позволяющем поддерживать скорость окисления на уровне цепной реакции. Пламя — видимая газообразная часть огня. Над жидкостью оно возникает в результате её испарения, над твёрдым топливом благодаря выделению из него горючего газа в процессе пиролиза.

Огонь – бурное окисление материалов в процессе необратимой экзотермической реакции с выделением энергии в виде тепла и света

Доминирующий цвет пламени меняется с температурой открытого огня. Хорошей иллюстрацией этого явления может быть горение традиционного костра. Рядом с дровами, где происходит самая бурная реакция, огонь белый, переходящий в жёлтый. Над этой областью цвет меняется на оранжевый, маркирующий зону, в которой холоднее. Следующий, ещё более холодный участок — красный. Над ним реакция практически не происходит, а выше можно наблюдать такие несгоревшие частицы углерода как дым. Диапазон температур горения костра в соответствии с цветовой гаммой выглядит так:

• едва заметный красный — 500°C;
• вишнёвый тёмный — 800°C;
• вишнёво-красный яркий —1000°C;
• глубокий красно-оранжевый — 1100°C;
• яркий оранжево-жёлтый — 1200°C;
• белесовато-жёлтый — 1300°C;
• яркий белый 1400°C;
• ослепительно белый — 1500°C.

Теория горения[править | править код]

При адиабатическом сжигании горючей смеси могут быть рассчитаны количество выделившегося при горении тепла, температура Т_Г, которая была бы достигнута при полном сгорании (адиабатическая температура горения) и состав продуктов, если известны состав исходной смеси и термодинамические функции исходной смеси и продуктов. Если состав продуктов заранее известен, Т_Г может быть рассчитана из условия равенства внутренней энергии системы при постоянном объёме или её энтальпии при постоянном давлении в исходном и конечном состояниях с помощью соотношения: Т_Г = Т0 + Q_r/C, где Т — начальная температура смеси, С — средняя в интервале температур от Т до Т_Г удельная теплоёмкость исходной смеси (с учетом её изменения при возможных фазовых переходах), Q_r — удельная теплота сгорания смеси при температуре Т_Г. При относительном содержании а в смеси компонентов, полностью расходуемых в реакции, Q_Г = Q*а где Q — тепловой эффект реакции горения. Значение Т_Г при постоянном объеме больше, чем при постоянном давлении, поскольку в последнем случае часть внутренней энергии системы расходуется на работу расширения. На практике условия адиабатичекого горения обеспечиваются в тех случаях, когда реакция успевает завершиться прежде, чем станет существенным теплообмен между реакционным объёмом и окружающей средой, например в камерах сгорания крупных реактивных двигателей, в больших реакторах, при быстро распространяющихся волнах горения.
Термодинамический расчёт даёт лишь частичную информацию о процессе — равновесный состав и температуру продуктов. Полное описание горения, включающее также определение скорости процесса и критических условий при наличии тепло- и массообмена с окружающей средой, можно провести только в рамках макрокинетического подхода, рассматривающего химическую реакцию во взаимосвязи с процессами переноса энергии и вещества.
В случае заранее перемешанной смеси горючего и окислителя реакция горения может происходить во всём пространстве, занятом горючей смесью (объёмное горение), или в сравнительно узком слое, разделяющем исходную смесь и продукты и распространяющемся по горючей смеси в виде так называемой волны горения. В неперемешанных системах возможно диффузионное горение, при котором реакция локализуется в относительно тонкой зоне, отделяющей горючее от окислителя, и определяется скоростью диффузии реагентов в эту зону.

Объёмное горениеправить | править код

Объемное горение происходит, например, в теплоизолированном реакторе идеального перемешивания, в который поступает при температуре Т исходная смесь с относительным содержанием горючего а; при другой температуре горения реактор покидает смесь с иным относительным содержанием горючего а. При полном расходе G через реактор условия баланса энтальпии смеси и содержания горючего при стационарном режиме горения могут быть записаны уравнениями:
1. G(Qa + CT) = G(Qa + CT)
2. Ga — Ga = w(a, T)V
где w(а, Т) — скорость реакции горения, V — объём реактора. Используя выражение для термодинамической температуры Т_Г, можно из (1) получить:а = а(Т_Г — Т)/(Т_Г — Т)
и записать (2) в виде:q_—T = q₊T
где q_—T = GC(T — Т) — скорость отвода тепла из реактора с продуктами сгорания, q₊T = Qw(a, Т)V — скорость выделения тепла при реакции. Для реакции n-ного порядка с энергией активации:

Скорость распространения

Распространение пламени по предварительно перемешанной среде (невозмущенной), происходит от каждой точки фронта пламени по нормали к поверхности пламени. Величина такой нормальной скорости распространения пламени (далее – НСРП) является основной характеристикой горючей среды. Она представляет собой минимальную возможную скорость пламени. Значения НСРП отличаются у различных горючих смесей – от 0,03 до 15 м/с.

Распространение пламени по реально существующим газовоздушным смесям всегда осложнено внешними возмущающими воздействиями, обусловленными силами тяжести, конвективными потоками, трением и т.д. Поэтому реальные скорости распространения пламени всегда отличаются от нормальных. В зависимости от характера горения скорости распространения пламени имеют следующие диапазоны величин при:

• дефлаграционном горении – до 100 м/с;
• взрывном горении – от 300 до 1000 м/с;
• детонационном горении – свыше 1000 м/с.

Вещества и материалы

Согласно ГОСТ 12.1.044-89 по горючести вещества и материалы подразделяются на следующие группы (за исключением строительных, текстильных и кожевенных материалов):

1. Негорючие.
2. Трудногорючие.
3. Горючие.

Негорючие – это вещества и материалы, неспособные гореть в воздухе. Негорючие вещества могут быть пожаровзрывоопасными (например, окислители или вещества, выделяющие горючие продукты при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом).

Трудногорючие – это вещества и материалы, способные гореть в воздухе при воздействии источника зажигания, но неспособные самостоятельно гореть после его удаления.

Горючие – это вещества и материалы, способные самовозгораться, а также возгораться при воздействии источника зажигания и самостоятельно гореть после его удаления.

Сущность экспериментального метода определения горючести заключается в создании температурных условий, способствующих горению, и оценке поведения исследуемых веществ и материалов в этих условиях.

Твердые (в т.ч. пыли)

Материал относят к группе негорючих, если соблюдены следующие условия:

• среднеарифметическое изменение температуры в печи, на поверхности и внутри образца не превышает 50 °С;
• среднеарифметическое значение потери массы для пяти образцов не превышает 50% от их среднего значения первоначальной массы после кондиционирования;
• среднеарифметическое значение продолжительности устойчивого горения пяти образцов не превышает 10 с. Результаты испытаний пяти образцов, в которых продолжительность устойчивого горения составляет менее 10 с, принимают равными нулю.

По значению максимального приращения температуры (Δt_max) и потере массы (Δm) материалы классифицируют:

• трудногорючие: Δt_max < 60 °С и Δm < 60%;
• горючие: Δt_max ≥ 60 °С или Δm ≥ 60%.

Горючие материалы подразделяют в зависимости от времени (τ) достижения (t_max) на:

• трудновоспламеняемые: τ > 4 мин;
• средней воспламеняемости: 0,5 ≤ τ ≤ 4 мин;
• легковоспламеняемые: τ < 0,5 мин.

Газы

При наличии концентрационных пределов распространения пламени газ относят к горючим; при отсутствии концентрационных пределов распространения пламени и наличии температуры самовоспламенения газ относят к трудногорючим; при отсутствии концентрационных пределов распространения пламени и температуры самовоспламенения газ относят к негорючим.

Жидкости

При наличии температуры воспламенения жидкость относят к горючим; при отсутствии температуры воспламенения и наличии температуры самовоспламенения жидкость относят к трудногорючим. При отсутствии температур вспышки, воспламенения, самовоспламенения, температурных и концентрационных пределов распространения пламени жидкость относят к группе негорючих.

Горючие жидкости с температурой вспышки не более 61 °С в закрытом тигле или 66 °С в открытом тигле, зафлегматизированных смесей, не имеющих вспышку в закрытом тигле, относят к легковоспламеняющимся. Особо опасными называют легковоспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки не более 28 °С.

65. Виды горения, их характеристики

23.04.2009 22:36

Александр

Горение – это химический процесс соединения горючего вещества с окислителем, сопровождающийся интенсивным выделением теплоты и излучением света.Условием возникновения горения является превышение скорости выделения теплоты химической реакцией над скоростью отвода теплоты в окружающую среду. Если это условие обеспечивается, то происходит саморазогрев горючей смеси и скорость реакции увеличивается. И наоборот, превышение скорости отвода теплоты над скоростью ее выделения приводит к затуханию процесса горения.Различают несколько видов горения:• Вспышка – быстрое сгорание горючей смеси без образования повышенного давления газов.• Возгорание – возникновения горения от источника зажигания.• Воспламенение – возгорание, сопровождающееся появлением пламени.• Самовозгорание – горение, возникающее при отсутствии внешнего источника зажигания.• Самовоспламенение – самовозгорание, сопровождающееся появлением пламени.• Взрыв – чрезвычайно быстрое горение, при котором происходит выделение энергии и образование сжатых газов, способных производить механические разрушения.Горение газов является в диффузионной (когда кислород проникает в зону горения), так и в кинетической (однородная горючая смесь) области и может носить характер взрывного или детонационного (высокая скорость перемещения пламени) горения.При горении жидкости происходит её испарение и сгорание паровоздушной смеси над поверхностью жидкости. Определяющим является процесс испарения жидкости, который зависит от ее физико-химических свойств, теплового процесса в ней и т. п. Процесс горения паров не отличается от горения газов.Горение твердых веществ – гетерогенно-диффузионное (то есть горение в разных фазах с проникновением – плавление, разложение и испарение с выделением газообразных продуктов, которые образуют с воздухом горючую смесь).Повышенную пожарную опасность имеет пыль. Причем с увеличением дисперсности (это по сути насыщенность, отношение площади поверхности частиц к занимаемому ими объёму) пыли возрастает ее химическая активность, снижается температура самовоспламенения, что повышает ее пожарную опасность. Скорость горения высокодисперсной пыли приближается к скорости горения газа. Взрывоопасной является не только взвешенная, но и осевшая пыль, так как при воспламенении она переходит во взвешенное состояние, что приводит ко вторичным взрывам.Кратенько не получится 🙂

Твердое топливо

Что такое горение твердого топлива? Чаще всего это процесс окисления веществ, используемых в различных снарядах и патронах. Например, это может быть артиллерийский или реактивный снаряд. Другое применение находит себя в конструировании и эксплуатации межконтинентальных ракет баллистического типа. Многоразовые шаттлы выводятся на орбиту Земли посредством применения ускорителей, основанных на твердом топливе.

Те вещества, что используются в качестве топлива для ракет, делятся на две формы: смесевую и баллиститную. В первом случае разделение горючего вещества и окислителя не наблюдается, а сгорание происходит послойным способом. Их именуют гомогенным порохом. Главный компонент – это нитроцеллюлоза, которую добывают путем желатинизации в толще нитроглицерина.

Характеристики

Здесь пять характеристик: фазы, параметры, зоны, опасные факторы и проявления опасных факторов.

Говоря о фазах развития пожаров, надо понимать, что это параметры, которые зафиксированы в определенный временной промежуток. Это напоминает стадии горения, но здесь другие критерии.

Сколько фаз пожара существует:

• Начало с нарастанием интенсивности.
• Быстрое нарастание.
• Стабильное протекание.
• Снижение активности до полного затухания.

Затухающий пожар

Вторая характеристика – параметры. Здесь достаточно большой список. Но есть основные параметры, которые берутся за основу отчетов и расчетов.

• площадь территории, охваченной огнем;
• временной отрезок времени, в течение которого продолжается горение материалов;
• температура внутри очага;
• с какой скоростью происходит распространение огня;
• с какой скоростью сгорают горючие материалы (в основе лежит огнестойкость);
• задымленность пространства: плотность и интенсивность;
• газообмен;
• горючая нагрузка;
• коэффициент поверхностного горения;
• и прочее.

Третья характеристика – зоны. Условно разделение ведется на три зоны. Чтобы было понятно, о чем идет речь, посмотрите на фото ниже, где под номером один располагается зона горения, под вторым номером зона теплового воздействия, и под третьи зона задымленности. Четвертое – это горючее вещество.

Зоны пожара

Четвертая характеристика – опасные факторы. Необходимо понимать, что пожар – это зона с высокой температурой горения. И это основной опасный фактор, под действием которого разрушаются даже самые твердые материалы. Кроме него есть и другие факторы:

• сам огонь, который раскидывает на достаточно внушительные расстояния искры, становящиеся дополнительными очагами возгорания;
• тепловая нагрузка, поддерживающая огонь и температуру, плюс создающая огромный слой непроходимый для человека;
• токсичные продукты сгорания, надышавшись которыми человек просто умирает, задохнувшись, то же самое касается птиц и животных;
• концентрация кислорода минимальная;
• нулевая видимость.

Поражающие факторы пожара

И пятая характеристика – сопутствующие проявления опасных факторов. Следствия ужасают:

• разрушение всего, что создал человек, не выдерживают ни огромные бетонные строения, ни больших размеров техника и оборудование;
• токсичные и радиоактивные вещества, как последствия сгорания материалов и предметов, разлетающиеся на огромные расстояния;
• опасные последствия взрыва, если таковой случился;
• высокое напряжение на металлических конструкциях, если во время не удалось отключить напряжение;
• негативное воздействие огнетушащих веществ.

Фазы горения

По сути, деревья — концентрат энергии излучения Солнца. Листья растений работают как небольшие солнечные панели, поглощающие световую энергию, чтобы с её помощью преобразовать воду, углекислый газ и минералы в органические вещества. Горение можно рассматривать как процесс обратный фотосинтезу. Поджигание дров освобождает накопленную за время жизни растения энергию, реализуя её в виде высокой температуры огня в костре. Горение древесины проходит три фазы:

• Испарение влаги под воздействием температуры открытого пламени. Любая древесина содержит влагу, после поджигания вода в ней закипает и испаряется через трещины. Поскольку значительная часть подводимого тепла затрачивается на испарение, успешное поджигание либо требует сухих дров, либо большого количества тепла. Первая фаза завершается при достижении древесиной 100°C.
• Повышение температуры и газификация древесины. При 150 °C дерево начинает разлагаться на угли и летучие горючие вещества, оптимальная температура для этого процесса — от 280°C. Воспламенение газов происходит при температурах между 260 и 315°C с дальнейшим заметным пламенным горением. При 700°C и выше начинается процесс выделения и сжигания газов с высокой теплотворной способностью. Фаза заканчивается с прекращением образования летучих горючих веществ.
• Углеродное горение. После выделения первичных и вторичных газов остаются углеродные цепи и несгораемые вещества. Углерод, или древесный уголь, горит долго и без видимого пламени. Стадия заканчивается полным сгоранием твёрдых веществ в древесине до негорючей золы.

Температура

Температура пламени зависит от природы горючего вещества и интенсивности подвода окислителя. Например:

• Температура воспламенения для большинства твёрдых материалов – 300 °С.
• Температура пламени в горящей сигарете – 250-300 °С.
• Температура пламени спички 750-1400 °С; при этом 300 °С – температура воспламенения дерева, а температура горения дерева равняется примерно 800–1000 °С.
• Температура горения пропан-бутана – 800-1970 °С.
• Температура пламени керосина – 800 °С, в среде чистого кислорода – 2000 °С.
• Температура горения бензина – 1300-1400 °С.
• Температура пламени спирта не превышает 900 °С.
• Температура горения магния – 2200 °С; значительная часть излучения в УФ-диапазоне.

Наиболее высокие известные температуры горения:

• дицианоацетилен C₄N₂ 5260 К (4990 °C) в кислороде и до 6000 К (5730 °C) в озоне;
• дициан (CN)₂ 4525 °C в кислороде.

Так как вода обладает очень большой теплоёмкостью, отсутствие водорода в горючем исключает потери тепла на образование воды и позволяет развить большую температуру.

Подземные

Возникают при лесном пожаре или за счёт самовозгорания. Также может иметь место человеческий фактор на болоте с присутствием осушенного слоя торфа. Такие пожары характерны для тайги, лесотундры и тундры, где наблюдается высокое содержание торфяных залежей. Глубина проникновения огня составляет 3 метра и больше. Скорость распространения таких возгораний может доходить до нескольких сотен метров в сутки.

Торфяные пожары на искусственно осушенных болотах имеют одну особенность: они случаются из-за сильного нагрева поверхности. Кроме этого, длительность горения может доходить до нескольких месяцев и даже лет. Природные осадки влияют на динамику пожара лишь на его начальных стадиях либо в случае малой мощности торфа. Если огонь появляется внутри торфяного горизонта, то его распространение зависит от влажности верхних и нижних слоёв органического вещества.

Данные виды пожаров имеют не такую обширную географию, как предыдущие (лесные и степные). Однако с учётом большого объёма выброса углерода, они представляют не меньшую опасность. Так как торф обладает хорошей водоудерживающей способностью, увлажнить горящий очаг извне очень трудно. Поэтому для тушения такого пожара нужно очень много воды. То есть это связано с существенными экономическими потерями, а также с риском для жизни людей. К примеру, в 1972 году при тушении подземных пожаров в Московской области под горящий торф провалились несколько машин. Это привело к гибели большого количества человек.

Скрытые

При скрытых пожарах процесс горения происходит в вентиляционных каналах и шахтах, нишах строительных конструкций, внутренних слоях торфяной залежи. При этом из щелей выходит дым, сильно нагреваются конструкции, и меняется цвет штукатурки. Бывает видно огонь при разборке или вскрытии конструкций и штабелей.

С изменением обстановки меняются и классы пожаров. Например, внутреннее скрытое горение может перерасти в открытое. Также внутреннее возгорание может стать наружным, и наоборот.

Ещё пожары различают по месту возникновения. Они случаются на открытых складских площадках, в сооружениях, зданиях и на сгораемых массивах (торфяных, степных, лесных и на хлебных полях).

В населённых пунктах и на промышленных предприятиях возгорания могут быть отдельными (в сооружении или здании) и массовыми (совокупность возгораний, охватывающих больше 90% застройки).

Классификация пламени

Классифицируют свечение огня следующим образом.

• По восприятию визуальному: цветные, прозрачные, коптящие.
• По высоте: короткие и длинные.
• По скорости распространения: быстрые и медленные.
• По температурному показателю: высокотемпературные, низкотемпературные, холодные.
• По характеру перемещения среды реакционной: пульсирующие, турбулентные, ламинарные.
• По состоянию горючей среды: предварительно перемешанные и диффузионные.
• По излучению: бесцветные, окрашенные, светящиеся.
• По агрегатному состоянию горючих веществ: пламя аэродисперсных и твёрдых реагентов, жидких и газообразных.

В диффузном ламинарном пламени выделяют три оболочки (зоны). Внутри конуса пламени существует:

• зона тёмная, где нет горения из-за малого количества окислителя — 300−350 градусов;
• зона светящаяся, где осуществляется термическое разложение горючего и оно сгорает частично — 500−800 градусов;
• зона слегка светящаяся, где окончательно сгорают продукты разложения горючего и достигается максимальный температурный показатель в 900−1500 градусов.

Температурный параметр пламени зависит от интенсивности подвода окислителя и природы горючего вещества. Пламя распространяется по предварительно перемешанной среде. Происходит распространение по нормали от каждой точки фронта к поверхности пламени.

По реально существующим смесям газовоздушным распространение всегда осложнено возмущающими внешними воздействиями, которые обусловлены трением, конвективными потоками, силами тяжести и прочими факторами.

Именно из-за этого реальная скорость распространения от нормальной всегда отличается. В зависимости от того, какой характер носит скорость распространения, различают такие диапазоны:

• При горении детонационном — более 1000 метров в секунду.
• При взрывном — 300−1000.
• При дефлаграционном — до 100.

Виды горения[править | править код]

Беспламенное горениеправить | править код

В отличие от обычного горения, когда наблюдаются зоны окислительного пламени и восстановительного пламени, возможно создание условий для беспламенного горения. Примером может служить каталитическое окисление органических веществ на поверхности подходящего катализатора, например, окисление этанола на платиновой черни.

Тлениеправить | править код

Вид горения, при котором пламя не образуется, а зона горения медленно распространяется по материалу. Тление обычно наблюдается у пористых или волокнистых материалов с высоким содержанием воздуха или пропитанных окислителями. Тление в определённых условиях приводит к самовозгоранию материалов.

Автогенное горениеправить | править код

Самоподдерживающиеся горение. Термин используется в технологиях сжигания отходов. Возможность автогенного (самоподдерживающегося) горения отходов определяется предельным содержанием балластирующих компонент: влаги и золы. На основе многолетних исследований шведский ученый Таннер предложил для определения границ автогенного горения использовать треугольник-схему с предельными значениями: горючих более 25%, влаги менее 50%, золы менее 60%.

Характеристики

Быстрое сгорание

Эксперимент, демонстрирующий большое количество энергии, выделяющейся при сгорании этанола. 2016 г.

Быстрое горение — это форма горения, при которой выделяется большое количество тепла и энергии в виде света, что приводит к возникновению огня. Он используется в некоторых машинах, таких как двигатели внутреннего сгорания или термобарическое оружие .

Медленное горение

Медленное горение — это реакция, протекающая при низких температурах.

Мы можем привести пример клеточного дыхания  : эта медленность обусловлена определенными ферментами, которые позволяют усилить окислительно-восстановительные реакции и, таким образом, получить очень хороший выход за счет восстановления значительной части энергии.

Полное или стехиометрическое сгорание

Во время полного сгорания реагент будет реагировать с окислителем до тех пор, пока не будут образовываться продукты, которые больше не могут быть окислены, то есть эти продукты больше не могут реагировать с окислителем: продукты достигли степени стабильности, которую реакция горения не может изменить. В случае реакции углеводорода с кислородом продуктами сгорания являются диоксид углерода и вода. Для каждого элемента существует стабильный продукт сгорания, поэтому полное сгорание дает одни и те же продукты реакции независимо от реагентов.

Полное сгорание обеспечивает максимальное количество энергии, доступной для вещества, и эта энергия определяется как теплотворная способность .

Турбулентное горение

Турбулентное горение — это горение, характеризующееся тепловыми потоками. Его часто используют в промышленности (например, в газовых турбинах и двигателях с искровым зажиганием ), потому что тепло способствует смешиванию топлива и окислителя .

Неполное сгорание

Неполное сгорание имеет место, когда количество окислителя недостаточно для обеспечения полной реакции топлива или когда время контакта при температуре, делающей возможным сгорание, слишком мало. Он производит остатки сгорания в виде золы, которая выделяет пары  : определенные соединения, такие как окись углерода (смертоносный газ), частицы чистого углерода ( сажа , смола , зола ), оксиды азота (NО _х), углеводороды (например, канцерогенный бензол ) очень токсичны для человека и окружающей среды или высокотоксичны, например, ПАУ или летучие органические соединения (ЛОС).

Реакция горения обычно неполная. Только контроль условий позволяет добиться полного сгорания, например, путем подачи избытка кислорода при высокой температуре. В случае неполного сгорания, можно лечить пары , чтобы уменьшить несгоревшие выбросы, как это делают выхлопные трубы и твердые частицы фильтров автомобильных двигателей. Присутствие катализаторов обеспечивает второе сгорание при более низкой температуре. твердых частиц также разрабатываются для оборудования для сжигания древесины , твердое топливо особенно подвержено риску неполного сгорания.