ГОРЕНИЕ

Сложная хим. реакция, протекающая в условиях прогрессивного самоускорения, связанного с накоплением в системе теплоты или катализирующих продуктов реакции.

При Г. могут достигаться высокие (до неск. тыс. К) темп-ры, причём часто возникает излучающая свет область — пламя. К Г. относятся, напр., разл. экзотермич. реакции высокотемпературного окисления топлива, разложение взрывчатых в-в (ВВ), озона, ацетилена, соединения ряда в-в с хлором, фтором и др. Г. в большинстве случаев состоит из многих элем. хим. процессов и тесно связано с явлениями тепло- и массопереноса.

Отличит. особенность Г.— протекание хим. реакции в условиях её самоускорения. Механизмов самоускорения два — тепловой и ц е п н о й. При тепловом типе Г. скорость хим. реакции резко возрастает с ростом темп-ры и выделяющаяся в реакции теплота всё более её ускоряет. При цепном Г. самоускорение происходит вследствие лавинообразного роста (в процессе разветвлённо-цепной реакции) концентрации активных ч-ц— атомов или радикалов, стимулирующих хим. превращение.

Характерное св-во процесса Г.— способность к распространению в пр-ве. Благодаря процессам переноса (диффузии и теплопроводности) теплота или активные центры, накапливающиеся в горящем объёме, могут передаваться в соседние участки горючей смеси и инициировать там Г. В результате возникает движущийся фронт горения. Его скорость распространения наз. линейной скоростью Г. и. Массовая скорость Г. m=ru, где r — плотность исходной смеси. В отличие от детонации, где хим. реакция начинается вследствие быстрого и сильного сжатия в-ва ударной волной (см. ВЗРЫВ), скорость Г. невелика (=10-3—10 м/с), поскольку определяется сравнительно медленными процессами диффузии и теплопроводности. Если движение среды турбулентно, то скорость Г. увеличивается вследствие интенсивного турбулентного перемешивания.

Различают две стадии Г.— воспламенение и последующее сгорание (догорание) в-ва. Воспламенение может быть вынужденным (зажигание), кроме того, может наблюдаться самовоспламенение. В зависимости от агрегатного состояния исходного в-ва и продуктов Г. различают гомогенное Г., Г. взрывчатых в-в, гетерогенное Г.

При гомогенном Г. исходные в-ва и продукты Г. находятся в одинаковом агрегатном состоянии. К этому типу относится Г. газовых смесей (природного газа, водорода и т. п. с окислителем — обычно кислородом воздуха), Г. негазифицирующихся конденсиров. в-в (напр., термитов — смесей алюминия с окислами разл. металлов), а также изотермич. Г.— распространение цепной разветвлённой реакции в газовой смеси без значит. разогрева. На рисунке изображена структура фронта горения в смеси газообразных горючего и окислителя. Хим. реакция происходит в очень узкой зоне (=10-5 м) при темп-ре, близкой к темп-ре Г.: Т= T0+Q/cp (Т0 — темп-pa исходной смеси, Q — теплота сгорания, ср — теплоёмкость газа при пост. давлении р). .

Изменение скорости тепловыделения w, концентраций продуктов горения Р и горючего (или окислителя) F, темп-ры Т во фронте гомогенного горения: 1 — зона подогрева; 2 — зона хим. реакции; 3 — продукты горения; х — пространств. координата.

В зоне подогрева темп-pa газа растёт за счёт теплоты, выделившейся при Г. предыдущих порций смеси. В этой зоне происходит также убывание (вследствие диффузии) концентрации исходного в-ва так, что хим. реакция идёт в очень обеднённой смеси. Скорость тепловыделения w имеет резкий максимум, связанный с тем, что в начале реакции низка темп-pa, а в конце её нет горючего. Скорость Г. u = Oc/t, t=ехр(E/RT), где c — коэфф. температуропроводности; t — характерное время хим. реакции в зоне Г., к-рое определяется в осн. энергией активации Е и темп-рой Г.; R — универс. газовая постоянная.

При Г. негазифицирующихся конденсиров. в-в диффузия обычно не происходит и процесс распространения Г. идёт только за счёт теплопроводности. При изотермич. Г., напротив, осн. процессом переноса явл. диффузия.

Г. взрывчатых веществ связано с переходом в-ва из конденсиров. состояния в газ. При этом на поверхности раздела фаз происходит сложный физ.-хим. процесс, при к-ром в результате хим. реакции выделяются теплота и горючие газы, догорающие в зоне Г. на нек-ром расстоянии от поверхности. Процесс Г. усложняется явлением диспергирования — переходом части конденсированного ВВ в газовую фазу в виде небольших частичек или капель.

При гетерогенном Г. исходные в-ва (напр., тв. или жидкое горючее и газообразный окислитель) находятся в разных агрегатных состояниях. Важнейшие техн. процессы гетерогенного Г.— Г. угля, металлов, сжигание жидких топлив в нефтяных топках, двигателях внутр. сгорания, камерах сгорания ракетных двигателей. Процесс гетерогенного Г. обычно очень сложен. Хим. превращение сопровождается дроблением горючего в-ва и переходом его в газовую фазу в виде капель и ч-ц, образованием окисных плёнок на ч-цах металла, турбулизацией смеси и т. д.

Важной особенностью процесса Г. явл. наличие критич. условий. Распространение Г. возможно лишь для определённых, характерных для данной горючей системы, областей изменения параметров (состава смеси, темп-ры и давления, условий теплоотвода во внеш. среду и др.). Критич. значения этих параметров наз. пределами Г. За этими пределами Г. прекращается. При эксперим. исследовании Г. обычно изучают зависимость скорости Г. от разл. параметров Г., дисперсности компонентов, структуры фронта Г., скорости хим. реакции, пределов Г. При этом используются разл. оптич. методы (высокоскоростная киносъёмка, голография), микротермопары, манометрич. и калориметрич. бомбы.