что такое процесс горения

Горение

Что такое горение

Горение – это совокупность одновременно протекающих физических процессов (плавление, испарение, ионизация) и химических реакций окисления горючего вещества и материала, сопровождающееся, как правило, световым и тепловым излучением и выделением дыма. В основе горения лежит взаимодействие горючего вещества с окислителем, преимущественно с кислородом воздуха.

Однако горения может осуществляться без доступа воздуха (кислорода), если в состав горючей массы (среды) входит окислитель в виде примеси или составной части молекулы. В производственных условиях или ракетной технике горения может осуществляться в атмосфере таких окисляющих газов, как фтор, хлор, окислы азота и другие.

Некоторые вещества (порошкообразные титан и цирконий) способны гореть в атмосфере азота, двуокиси углерода, не относящимся к традиционным окислителям.

Виды горения

В зависимости от способа подвода окислителя различают:

При пожаре отмечается смешанный тип горения. В зависимости от скорости горение может быть медленным (тление), нормальным (дефлаграция) и взрывообразным (взрыв), переходящим в детонационное (детонация).

По внешнему проявлению горение может быть пламенным или беспламенным.

Беспламенное горение может возникнуть в результате дефицита окислителя (тление) или при низком давлении насыщенных паров горючего вещества (горение тугоплавких металлов и кокса).

По механизму развития горение может быть тепловым, при котором причиной самоускорения реакций окисления является повышение температуры, и автокаталитическим (цепным), когда ускорение процесса достигается накоплением промежуточных катализирующих продуктов (активных центров). Автокаталитическое горение осуществляется при сравнительно низких температурах. При достижении определенных концентраций промежуточных каталитических продуктов автокаталитическое горение может переходить в тепловое. При этом температура горения резко возрастает.

Горение может возникать и развиваться спонтанно, стихийно (пожар), но может быть специально организованным, целесообразным: энергетическое горение (в целях получения тепловой или электрической энергии) и технологическое горение (доменный процесс, металлотермия, синтез тугоплавких неорганических соединений и т.д.).

Характеристики горения

Горение характеризуется такими величинами, как: температура, скорость, полнота, состав продуктов. Располагая данными о механизме горения и его характерных особенностях, можно увеличивать скорость и температуру горения (промотирование горения) или снижать их вплоть до прекращения горения (ингибирование горения).

Источники: Основные характеристики горения. Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. —М., 1977; Процессы горения в химической технологии и металлургии. Мержанов А.Г. —Черноголовка, 1975; Физика горения и взрыва. Хитрин Л.Н. —М., 1957.

Источник

Что такое горение? Значение слова, суть химического процесса

Здесь читатель найдет ответ на вопрос о том, что такое горение. В этой статье мы рассмотрим этот процесс, ознакомимся с характеристиками и классификацией, изучим исторические сведения и определим место в природе и жизни человека. Также уделим внимание конкретным параметрам для определенных видов горения.

Введение

Когда человек слышит слово «горение», скорее всего, в его воображении возникает образ пламени, который охватывает что-либо. Этот процесс имеет исторически, даже эволюционно, огромное значение для человека.

Горение – химические процесс, в ходе которого исходный ряд веществ преобразуется в продукт сгорания. Это экзотермический тип реакции, при которой интенсивно выделяется тепло. Энергетические ресурсы, запасенные в веществах, участвующих в процессе горения, могут выделяться, принимать вид излучения света.

Общие сведения

Ответив на вопрос о том, что такое горение, человек смог сделать его главным ресурсом, из которого мы до сих пор черпаем энергию. Около 90 % всех энергетических ресурсов, производимых на Земле людьми, выпадают на процессы сжигания ископаемых видов топлива. Однако в обозримом будущем (приблизительно до 2040 года) этот показатель снизится на 10 %. Это связано с истощением ресурсов Земли, которые не подлежат восстановлению, а также загрязнением мира, явлением глобального потепления.

Горение – химический процесс, обычно идущий по пути разветвленно-цепного механизма. Здесь прогрессирует самостоятельное ускорение благодаря теплу, которое выделяется в ходе реакций. Особенностями, которые выделяют горение, можно считать наличие больших показателей выделения тепла и потребность в относительно огромных ресурсах, необходимых для активации реакции. Эти два фактора напрямую влияют на скорость, при которой она будет проходить.

Исторические факты

Буркеном и Шуманном в 1928 году была рассмотрена задача о явлении диффузионного пламени. Они показали, что при наличии скорости сгорания веществ, участвующих в реакции, выше скорости подвода реагентов, поставляемых диффузией, зона горения становится тонкой до бесконечности. Это значит, что в такой области процессов происходит автоматическое установление стехиометрического соотношения между веществами, отвечающими за окисление, и горючими материалами. Максимальные температурные показатели приближаются к адиабатическим.

Теория горения в своем современном виде началась с трудов Н.Н. Семенова, который изучал явление теплового взрыва. Это произошло в 1920 году. Через восемнадцать лет, в 1938 году, Д.А. Франком-Каменецким была развита теория тепловых взрывов.

Уже в 1940 году была развита общая теория детонации – ZND. Ее основателем считается Я.Б. Зельдович. Название происходит от имен З. Неймана, Деринга и, собственно, Зельдовича. Это связано с тем, что независимо друг от друга исследователи пришли к схожим итогам и выводам на основе своих экспериментов и вычислений.

Классификационные данные

Сущность процесса горения позволяет классифицировать его в соответствии с определенными параметрами. Например, в зависимости от скорости сгорания веществ, его делят на детонацию и дефлаграцию. Последнее бывает ламинарным и турбулентным. Детонация – только турбулентная.

Если газ – это исходный и основной компонент смеси, которая горит, то реакцию можно назвать гомогенной. Этот процесс характеризуется взаимодействием окислителя и горючего вещества в газофазном горении. Разделение горючих веществ и их постепенное слияние, вызывающее рассматриваемый процесс, называют диффузией. Гетерогенной можно назвать реакцию, в которой окислители и горючее имеют разное положение фазы. Кроме перечисленного выше, выделяют: процесс тления, беспламенное, холоднопламенное и (термо)ядерное горение.

Пламя

Отвечая на вопрос о том, что такое горение, человек смог выделить в нем явление пламени, которое представляет собой зону, излучающую свет и образующуюся в ходе реакций горения. Ее температурные показатели определяются составом смесей и условиями, при которых протекает процесс. Сгорание природных газов позволяет разгонять температуру до двух тысяч кельвинов и выше.

Теория горения

Суть процесса горения, несмотря на большой практический опыт и применение, исследовалась в течение многих лет и остается одной из самых сложных загадок человечества. Наука, изучающая явление горения, является междисциплинарной и располагается на стыке газодинамики, химической термодинамики, химкинетики, молекулярной и химической физики, а также материаловедения и моделирования с использованием компьютерных технологий.

Рассмотрим следующие положения теории горения: полноту сгорания и его термодинамический механизм. Положение полноты сгорания включает в себя информацию о том, что исходные компоненты горючих смесей характеризуются молярной и массовой долей элемента, а также начальными показателями давления и температуры. Подобрав вещество, способное в ходе сгорания и окисления полностью превратиться в продукт рассматриваемого явления, можно получить стехиометрическую реакцию. Смесь, обладающая избытком горючего вещества, что не может полностью разложиться из-за нехватки окислителей, именуется богатой. Вещество с нехваткой топливного ресурса называют бедным.

Термодинамические данные позволяют нам утверждать, что горение, протекающее адиабатическим путем при наличии постоянного показателя объема, сохранит полную энергию внутренней системы. Если имеется постоянное давление, то наблюдается энтальпия структурных компонентов. Условия, при которых протекает адиабатическое давление, практически применяются и реализуются в пламени, что распространяется свободными путями. При этом расчетом теплопотери пренебрегают.

Гетерогенность

Гетерогенные процессы наблюдаются в случае, когда взаимодействуют несколько фаз (от двух). Это могут быть газы и жидкости. Такое же явление можно отслеживать в «территории» границы разделения между фазами. В терминологии это слово используют для описания процессов горения, в которых окислительное и горючее вещество пребывают в разных состояниях фазы. Сюда относится даже испарение топлива, происходящее в газовой форме. Ярким примером может послужить взаимодействие угля и кислорода, содержащегося в воздухе. В ходе этого образуется угарный газ, который может подвергаться дальнейшему сгоранию в состоянии газа и превращаться в CO2.

Твердое топливо

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.

Общие данные о сгорании твердого топлива

Процесс разложения пороха включает в себя несколько этапов, которые отличаются типом экзотермической реакции, а именно проходят в двух фазах газа и конденсации. Проведение опытов с горением баллиститных порохов в пространстве вакуума и при показателе давления ниже двух мм.рт.ст. показало, что экзотермические реакции происходят лишь в приповерхностном уровне фазы конденсации. При диапазоне давления от пяти до двадцати мм.рт.ст. можно увидеть пламя, но заметное только в темноте, а реакции протекают в газовом этапе.

Медленный тип горения

Твердофазный тип горения

Существует явление, которое можно наблюдать в порошках неорганической и органической природы. Оно характеризуется автоволновой экзотермической реакцией, в ходе которой заметное выделение газа не наблюдается, но образуются продукты в конденсированной форме. Однако это конечный результат реакции, а в промежутках между фазами отслеживается создание газов или жидкостей.

Самостоятельно распространяющийся высокотемпературный синтез на практике основывается именно на безгазовом или твердопламенном горении. Ниже расскажем о том, как охарактеризовать слово «горение».

Сведения о слове

Разбор слова «горение» по составу показывает нам, что оно образуется с помощью:

Это три составных элемента, которые включены в общую структуру термина.

Чтобы ответить на вопрос о том, как пишется слово «горение», достаточно вслух сказать его. Произношение слова совпадает с правописанием. Гласными буквами, образующими эту языковую единицу, являются: «о», «и», «е». Ударение ставим на первую «е». Проверочное слово у «горения» отсутствует, однако можно определить правильность написания путем чередования гласных «а» и «о». Их варьирование подчиняется правилам правописания корней «гор» и «гар».

Подводя итоги

Анализируя полученную информацию, скажем, что слово «горение» означает химический процесс, взаимосвязанный с физическими явлениями. Он является главным источником энергии для всего населения планеты и основывается на сжигании различного вида топлив. Включает в себя множество разновидностей и имеет огромное значение для людей. Горение играло немаловажную роль в истории развития человечества, а детальное изучение его позволило стремительно расти технологическому процессу.

Источник

eponim2008

Жизнь замечательных имен

Короткие истории о вещах и о людях, давших им свое имя

Что такое процесс горения?

Овладение огнем было первым шагом человека на пути к цивилизации. Шаг этот был, надо сказать, гигантским. Он навсегда отделил предков человека от прочих представителей животного мира. Ведь все живые существа, кроме человека, боятся огня и убегают от него. Человек же научился использовать процесс горения, и использовал его тысячи лет. А вот задумываться о том, что такое огонь и что такое горение, люди стали гораздо позже.

Древнегреческие философы считали огонь одной из четырех стихий, которые составляют мир. Зороастрийцы поклонялись огню. Об этом можно прочесть в статье «Что такое природный газ?», опубликованной 18.09.2013. В 18-м веке ученые-естествоиспытатели считали, что горючие вещества содержат особую составляющую – флогистон (от греческого слова «флогистос» – «горючий»). Флогистон, сгорая, выделяет тепло и превращается в золу. В 1770-х годах был открыт кислород, а в 1775 году Антуан Лоран Лавуазье поставил несколько довольно простых опытов, доказывающих, что процесс горения – это процесс окисления, и в отсутствие кислорода горение не происходит. Флогистон был изгнан из науки.

Процесс горения оказался достаточно сложным и его серьезные научные исследования до сих пор продолжаются. Этапными на этом пути были исследования советских ученых Н.Н.Семенова (1896 — 1986) (получившего за свои исследования Нобелевскую премию по химии в 1956 году), Я.Б.Зельдовича и Д.А.Франк-Каменецкого.

Итак, что сейчас говорит наука о том, что такое горение?

Не всякое окисление – горение. От других процессов окисления горение отличается интенсивностью, большим количеством выделяющегося тепла. Горению также свойственна высокая энергией активации процесса. Иначе говоря, чтобы костер загорелся, его надо разжечь. Зато потом – только дровишки подбрасывай! Выделяющейся энергии хватает и на поддержание реакции окисления, и на обогрев окружающего пространства. Если нет ограничений на подачу топлива или окислителя, процесс горения ускоряется и становится катастрофическим.

Лучше всего изучен процесс горения в газовых средах. Это связано с несколькими причинами. Во-первых, теорию горения в газах развить оказалось проще, чем теорию горения в конденсированных средах. Во-вторых, горючие жидкости и твердые горючие материалы перед тем, как воспламениться, испаряются и, таким образом, их горение происходит уже в газообразной среде. Наконец, именно горение в газовой среде представляет максимальный практический интерес: двигатели внутреннего сгорания, газовые горелки, взрывчатые вещества, и даже термоядерная реакция описываются сходными теориями и похожими формулами.

То место, где происходит процесс горения называется областью пламени. Пламя характеризуется выделением тепла и свечением. При горении конденсированных систем, например, торфа или угольных отвалов происходит беспламенное горение. О том, что такое угольные отвалы (терриконы) и как они загораются написано в статье от 21.06.2013.

При горении газовой смеси происходит процесс распространения пламени от того места, где горение уже произошло и где образовались продукты горения в сторону, где концентрация горючего газа и окислителя высока. Распространение пламени может происходить с разной скоростью. Если фронт пламени перемещается со скоростью несколько метров в секунду, такое горение называется дефлаграцией. Когда скорость движения фронта пламени достигает нескольких десятков или сотен метров в секунду, но не превышает скорости звука, горение называется взрывом. При движении фронта пламени со сверхзвуковой скоростью горение называется детонацией.

Одна и та же газовая смесь при различных концентрациях горючего вещества и окислителя может гореть, взрываться или детонировать. Добавление в газовую смесь особых веществ снижает вероятность детонации. Для этого, например, в бензин добавляют изооктан. Концентрация изооктана характеризуется октановым числом. Благодаря изооктану, в бензиновых двигателях не происходит детонация, которая может разнести двигатель, повредив автомобиль и водителя.

Газовые смеси горят почти бесцветным или синеватым пламенем. Светимость пламени повышают частицы твердых веществ, сгорающие в пламени. Часть из несгоревших твердых частиц улетает вместе с дымом.

Пожарные гасят огонь двумя способами: либо снижая температуру пламени (например, заливая пламя водой, которая отбирает много тепла), либо перекрывая доступ окислителя к месту горения. Несмотря на их усилия и на передовую технику, пожары ежегодно приносят огромные убытки, а часто и человеческие жертвы.

Источник

ГОРЕНИЕ

ГОРЕНИЕ — совокупность одновременно протекающих физических процессов (плавление, испарение, ионизация) и химических реакций окисления горючего вещества и материала, сопровождающееся, как правило, световым и тепловым излучением и выделением дыма (см. ДЫМ ) [1].

ГОРЕНИЕ — сложный физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, характеризующийся самоускоряющимися превращениями исходных компонентов реакционноспособной смеси в продукты горения и сопровождающийся выделением большого количества тепла, дыма и света. Выделение тепла происходит непосредственно в зоне химической реакции превращения исходных компонентов горючей смеси в продукты горения [2].

Зона протекания химической реакции обычно локализована в сравнительно небольшой части пространства. Она может быть неподвижна, а может перемещаться в пространстве в зависимости от условий протекания процесса горения.

Горение происходит в два этапа:

1. Создание молекулярного контакта между молекулами горючего и окислителя (физический процесс).

2. Взаимодействие молекул с образованием продуктов реакции (химический процесс).

При этом второй этап наступает только при выполнении некоторых дополнительных условий. Молекулы должны находиться в особом энергетически или химически возбужденном состоянии и определенном количественном соотношении.

Горение является неравновесным процессом. При горении обязательно возникают неоднородности в составе молекул, их концентрации, неравномерности поля температур и скоростей потоков. В основе процесса горения лежат химические реакции окисления, то есть соединения исходных горючих веществ с кислородом.

При горении на пожарах (см. ПОЖАР) в качестве окислителя чаще всего выступает кислород воздуха, окружающий зону протекания химических реакций. В этом случае интенсивность горения определяется не скоростью протекания самих химических реакций, а скоростью поступления кислорода из окружающего пространства в зону горения, то есть непосредственно в зону протекания химических реакций.

Скорость протекания химических реакций горения значительно превосходит скорость таких физических процессов, как диффузия недостающих компонентов в зону реакции и передача тепла из зоны горения горючим веществам для подготовки их к химическому взаимодействию. Эти два процесса — диффузия и теплопередача — являются лимитирующими. Они определяют суммарную скорость горения, а, следовательно, и интенсивность процесса тепловыделения и образования продуктов горения. Поэтому считают, что процессы горения на пожаре развиваются в чисто диффузионной области и рассматривать их следует лишь с физической стороны.

ГЕТЕРОГЕННОЕ ГОРЕНИЕ — горение материалов в конденсированном (твердом или жидком) состоянии, когда реакции, определяющие развитие процесса горения, протекают в газовой фазе, а горючие компоненты поступают в эту фазу в результате испарения и разложения веществ и материалов.

ДИФФУЗИОННОЕ ГОРЕНИЕ — горение неперемешанных газо-, паровоздушных смесей с воздухом. Оно свойственно конденсированным горючим веществам — жидкостям и твердым материалам. Для диффузионного горения характерно наличие светящегося пламени. В зависимости от диаметра трубопровода, а также давления, при котором происходит истечение газов, диффузионное горение может быть ламинарным и турбулентным.

ЛАМИНАРНОЕ ГОРЕНИЕ — вид горения, характеризуемый газодинамически невозмущенным фронтом пламени, а также скоростью распространения пламени, не превышающей нескольких метров в секунду. Ламинарное горение зависит от теплообмена и других макрокинетических факторов. Процесс ламинарного горения заключается в передаче в свежую горючую смесь тепла и активных частиц, обеспечивающих распространение пламени. Скорость распространения пламени относительно свежей смеси, измеренная по нормали к фронту, называется нормальной скоростью распространения пламени [3].

ТУРБУЛЕНТНОЕ ГОРЕНИЕ — горение в турбулентных потоках смеси горючего с воздухом (кислородом), характеризующееся неупорядоченным, пульсирующим движением малых объемов таких смесей. Смешение компонентов при турбулентном горении происходит более интенсивно, чем при ламинарном горении, вследствие чего скорость турбулентного горения превышает скорость ламинарного горения.

Турбулентное горение, то есть горение смеси, течение которой является турбулентным, — это наиболее часто встречающийся в практических устройствах режим горения и одновременно наиболее сложный для изучения.

Турбулентное горение может быть вызвано автотурбулизацией пламени, заключающейся в том, что искривления фронта пламени самопроизвольно возрастают, плоская зона нормального горения перестает существовать, уступая место турбулентному пламени.

Различают турбулентнодиффузионное горение и турбулентное горение однородной горючей смеси. Первое — реализуется при сжигании предварительно не перемешанных газов в турбулентном потоке и широко используется в различных технически устройствах (промышленных печах, горелках, камерах сгорания газотурбинных двигателей и т. д.). Второе — реализуется при сжигании предварительно перемешанных газов или газовзвесей (смесей горючей пыли с газообразным окислителем) в турбулентном потоке и встречается в ряде технических устройств (двигателях внутреннего сгорания, форсажных камерах газотурбинных двигателей и т. д.) [4].

ВРЕМЯ ГОРЕНИЯ — длительность протекания процесса горения с момента зажигания горючего вещества (материала) до окончания пламенного горения или тления. Время горения регистрируется при испытаниях электрических изделий на пожарную опасность, служит в качестве показателя при определении предела огнестойкости строительных конструкций, а также критерием оценки допустимости изготовления различных изделий и их эксплуатации [5].

ВРЕМЯ ВЫГОРАНИЯ — время, в течение которого прекращается горение вещества (материала) в заданных условиях. Время выгорания зависит от:

— физико-химических свойств (теплоты сгорания, давления насыщенных паров, агрегатного состояния и пр.) вещества (материала) и его горючести;

— вида горения (гомогенного или гетерогенного) и скорости распространения пламени [5].

1. И.Н. Зверев, Н. Н. Смирнов. Газодинамика горения. — М.: Изд-во Моск. ун-та., 1987. — С. 165. — 307 с.

2. Теория горения и взрыва: конспект лекций / сост. П.П. Воднев. — Ульяновск: УВАУ ГА(И), 2010. — 180 с.

3. Теория горения и взрыва / Под ред. Ю.В. Фролова. М., 1981 г.

4. Баратов А.Н. Горение — Пожар — Взрыв — Безопасность. — М., 2003 г.

5. Кузнецов В.Р, Сабельников В.А. Турбулентность и горение. — М., 1986 г.

Источник