ما هي العملية التي تسمى الاحتراق غير المتجانس. أنواع وأنماط الاحتراق

تمت ملاحظة الظواهر الفيزيائية المذكورة في القسم السابق في مجموعة متنوعة من العمليات التي تختلف في كل من طبيعة التفاعلات الكيميائية وفي حالة تراكم المواد المشاركة في الاحتراق.

هناك احتراق متجانس وغير متجانس وانتشار.

الفصل 1مفاهيم نظرية الاحتراق

يشمل الاحتراق المتجانس غازات مخلوطة مسبقًا *. العديد من الأمثلة على الاحتراق المتجانس هي عمليات احتراق الغازات أو الأبخرة التي يكون فيها المؤكسد هو الأكسجين الجوي: احتراق مخاليط الهيدروجين ، ومخاليط أول أكسيد الكربون والهيدروكربونات مع الهواء. في الحالات المهمة عمليًا ، لا يتم دائمًا استيفاء حالة الخلط الأولي الكامل. لذلك ، فإن مجموعات الاحتراق المتجانس مع أنواع الاحتراق الأخرى ممكنة دائمًا.

يمكن تنفيذ الاحتراق المتجانس في وضعين: رقائقي واضطراب. يعمل الاضطراب على تسريع عملية الاحتراق بسبب تجزئة مقدمة اللهب إلى شظايا منفصلة ، وبالتالي زيادة مساحة التلامس للمواد المتفاعلة مع الاضطراب على نطاق واسع أو تسريع عمليات نقل الحرارة والكتلة في مقدمة اللهب بجزء صغير -اضطراب النطاق. يتميز الاحتراق المضطرب بالتشابه الذاتي: تزيد الدوامات المضطربة من معدل الاحتراق ، مما يؤدي إلى زيادة الاضطراب.

تتجلى جميع معلمات الاحتراق المتجانس أيضًا في العمليات التي تعمل فيها غازات أخرى ، بدلاً من الأكسجين ، كعامل مؤكسد. على سبيل المثال ، الفلور أو الكلور أو البروم.

أثناء الحرائق ، تكون عمليات الاحتراق بالانتشار هي الأكثر شيوعًا. في نفوسهم ، تكون جميع المواد المتفاعلة في الطور الغازي ، لكن لا يتم خلطها مبدئيًا. في حالة احتراق السوائل والمواد الصلبة ، تحدث عملية أكسدة الوقود في الطور الغازي بالتزامن مع عملية تبخر السائل (أو تحلل المواد الصلبة) ومع عملية الخلط.

أبسط مثال على احتراق الانتشار هو احتراق الغاز الطبيعي في موقد غاز. في الحرائق ، يتم تحقيق طريقة الاحتراق بالانتشار المضطرب ، عندما يتم تحديد معدل الاحتراق بمعدل الخلط المضطرب.

يتم التمييز بين المزج الكبير والميكرو ميكس. تتضمن عملية الخلط المضطرب التكسير المتتالي للغاز إلى أحجام أصغر وأصغر وخلطها معًا. في المرحلة الأخيرة ، يحدث الخلط الجزيئي النهائي عن طريق الانتشار الجزيئي ، ويزداد معدله مع انخفاض مقياس التجزئة. عند الانتهاء من الخلط الكبير

* غالبًا ما يسمى هذا الاحتراق الحركي.

كورولتشينكو و انا.عمليات الاحتراق والانفجار

يتم تحديد معدل الاحتراق من خلال عمليات المزج الدقيق داخل كميات صغيرة من الوقود والهواء.

يحدث احتراق غير متجانس في الواجهة. في هذه الحالة ، تكون إحدى المواد المتفاعلة في حالة مكثفة ، وتدخل الأخرى (عادةً الأكسجين الجوي) بسبب انتشار الطور الغازي. الشرط الأساسي للاحتراق غير المتجانس هو نقطة غليان عالية جدًا (أو تحلل) للمرحلة المكثفة. إذا لم يتم استيفاء هذا الشرط ، فإن الاحتراق يسبقه التبخر أو التحلل. من السطح ، يدخل تيار من البخار أو منتجات التحلل الغازي منطقة الاحتراق ، ويحدث الاحتراق في الطور الغازي. يمكن أن يُعزى هذا الاحتراق إلى انتشار شبه غير متجانس ، ولكن ليس غير متجانس تمامًا ، لأن عملية الاحتراق لم تعد تحدث عند حدود الطور. يتم تطوير هذا الاحتراق بسبب تدفق الحرارة من اللهب إلى سطح المادة ، مما يضمن مزيدًا من التبخر أو التحلل وتدفق الوقود إلى منطقة الاحتراق. في مثل هذه الحالات ، تنشأ حالة مختلطة عندما تستمر تفاعلات الاحتراق جزئيًا بشكل غير متجانس - على سطح الطور المكثف ، بشكل متجانس جزئيًا - في حجم خليط الغاز.

مثال على الاحتراق غير المتجانس هو احتراق الفحم والفحم. أثناء احتراق هذه المواد ، يحدث نوعان من التفاعلات. تنبعث بعض درجات الفحم من مكونات متطايرة عند تسخينها. ويسبق احتراق هذه الأنواع من الفحم تحللها الحراري الجزئي مع إطلاق الهيدروكربونات الغازية والهيدروجين التي تحترق في الطور الغازي. بالإضافة إلى ذلك ، عندما يتم حرق الكربون النقي ، يمكن تكوين أول أكسيد الكربون ، والذي يحترق بكميات كبيرة. مع وجود فائض كاف من الهواء وارتفاع درجة حرارة سطح الفحم ، تستمر التفاعلات السائبة بالقرب من السطح لدرجة أنه ، في تقدير تقريبي معين ، يعطي أسبابًا لاعتبار هذه العملية غير متجانسة.

مثال على الاحتراق غير المتجانس حقًا هو احتراق المعادن المقاومة للصهر غير المتطايرة. يمكن أن تكون هذه العمليات معقدة بسبب تكوين أكاسيد تغطي السطح المحترق وتمنع ملامسة الأكسجين. مع وجود اختلاف كبير في الخصائص الفيزيائية والكيميائية بين المعدن وأكسيده ، يتشقق فيلم الأكسيد أثناء الاحتراق ، ويتم ضمان وصول الأكسجين إلى منطقة الاحتراق.

الفصل الأول: المفاهيم الأساسية لنظرية الاحتراق

الموضوع 4. أنواع الاحتراق.

وفقًا للعلامات والميزات المختلفة ، يمكن تقسيم عمليات الاحتراق إلى الأنواع التالية:

وفقًا لحالة تجميع المادة القابلة للاحتراق:

غازات محترقة

احتراق السوائل وذوبان المواد الصلبة ؛

احتراق المواد الصلبة غير المستهلكة الشبيهة بالغبار والمواد المدمجة.

حسب تكوين الطور للمكونات:

احتراق متجانس

احتراق غير متجانس

حرق المتفجرات.

حسب استعداد الخليط القابل للاحتراق:

الاحتراق بالانتشار (النار) ؛

الاحتراق الحركي (الانفجار).

حسب ديناميكيات جبهة اللهب:

ثابت؛

غير ثابتة.

حسب طبيعة حركة الغازات:

رقائقي؛

عنيف.

حسب درجة احتراق مادة قابلة للاحتراق:

غير مكتمل.

حسب سرعة انتشار اللهب:

طبيعي؛

احتراق.

تفجير.

دعونا نلقي نظرة فاحصة على هذه الأنواع.

4.1 احتراق المواد الغازية والسائلة والصلبة.

اعتمادًا على حالة تراكم مادة قابلة للاحتراق ، يتم تمييز احتراق الغازات والسوائل والمواد الصلبة المتربة والمضغوطة.

وفقًا لـ GOST 12.1.044-89:

1. الغازات عبارة عن مواد تقل درجة حرارتها الحرجة عن 50 درجة مئوية. T cr هي درجة حرارة التسخين الدنيا بمقدار 1 مول من مادة في وعاء مغلق ، حيث تتحول تمامًا إلى بخار (انظر الفقرة 2.3).

2. السوائل عبارة عن مواد ذات نقطة انصهار (نقطة تنقيط) أقل من 50 درجة مئوية (انظر الفقرة 2.5).

3. المواد الصلبة هي مواد ذات درجة انصهار (هبوط - سقوط) تزيد عن 50 درجة مئوية.

4. الغبار عبارة عن جسيمات صلبة بحجم جزيئات أقل من 0.85 مم.

المنطقة التي يحدث فيها التفاعل الكيميائي في خليط قابل للاحتراق ، أي يسمى الاحتراق بجبهة اللهب.

ضع في اعتبارك عمليات الاحتراق في الهواء على الأمثلة.

احتراق الغازات في موقد غاز.هناك 3 مناطق لهب (الشكل 12.):

أرز. 12. مخطط احتراق الغاز: 1 - مخروط شفاف - هذا هو الغاز الأولي الذي يتم تسخينه (إلى درجة حرارة الاشتعال الذاتي) ؛ 2 - المنطقة المضيئة من مقدمة اللهب ؛ 3 - منتجات الاحتراق (تكاد تكون غير مرئية أثناء الاحتراق الكامل للغازات وخاصة أثناء احتراق الهيدروجين عندما لا يتشكل السخام).

يبلغ عرض مقدمة اللهب في مخاليط الغاز عشرات كسور المليمتر.

احتراق السوائل في وعاء مفتوح.عند الاحتراق في وعاء مفتوح ، هناك 4 مناطق (الشكل 13):

أرز. 13. احتراق السائل: 1 - سائل. 2 - بخار سائل (مناطق مظلمة) ؛ 3 - جبهة اللهب ؛ 4- نواتج الاحتراق (الدخان).

عرض مقدمة اللهب في هذه الحالة أكبر ؛ يستمر التفاعل بشكل أبطأ.

احتراق المواد الصلبة الذائبة.ضع في اعتبارك حرق شمعة. في هذه الحالة ، يتم ملاحظة 6 مناطق (الشكل 14):

أرز. 14. شمعة مشتعلة: 1 - الشمع الصلب. 2 - الشمع المذاب (السائل) ؛ 3 - طبقة بخار شفافة داكنة ؛ 4 - جبهة اللهب ؛ 5 - منتجات الاحتراق (الدخان) ؛ 6 - الفتيل.

يعمل الفتيل المحترق على تثبيت الاحتراق. يمتص السائل فيه ، ويرتفع على طوله ، ويتبخر ويحترق. يزيد عرض مقدمة اللهب ، مما يزيد من منطقة اللمعان ، نظرًا لاستخدام الهيدروكربونات الأكثر تعقيدًا ، والتي تتبخر وتتحلل ثم تتفاعل.

احتراق المواد الصلبة غير الاستهلاكية.سننظر في هذا النوع من الاحتراق باستخدام مثال حرق عود ثقاب وسيجارة (الشكل 15 و 16).

يوجد أيضًا 5 قطع أراضي هنا:

أرز. 15. حرق عود ثقاب: 1 - خشب طازج. 2 - خشب متفحم 3 - الغازات (المواد المتطايرة المتطايرة أو المتبخرة) - هذه منطقة شفافة مظلمة ؛ 4 - جبهة اللهب ؛ 5- نواتج الاحتراق (الدخان).

يمكن ملاحظة أن المنطقة المحترقة من المباراة أرق بكثير ولها لون أسود. وهذا يعني أن جزءًا من المباراة كان متفحماً ، أي. يبقى الجزء غير المتطاير ، والجزء المتطاير يتبخر ويحترق. معدل حرق الفحم أبطأ بكثير من الغازات ، لذلك ليس لديه الوقت ليحترق تمامًا.

الشكل 16. حرق السجائر: 1 - خليط التبغ الأولي ؛ 2 - منطقة مشتعلة بدون واجهة لهب ؛ 3 - الدخان ، أي. نتاج الجسيمات المحروقة 4 - سحب الدخان إلى الرئتين ، وهو عبارة عن منتجات تغويز بشكل أساسي ؛ 5- راتنج مكثف على الفلتر.

يسمى التحلل الحراري المؤكسد لمادة ما بالاشتعال. يحدث عندما يكون هناك انتشار غير كافٍ للأكسجين في منطقة الاحتراق ويمكن أن يحدث حتى مع كمية صغيرة جدًا (1-2٪). الدخان أزرق وليس أسود. هذا يعني أنه يحتوي على مواد تغويز أكثر من مواد محترقة.

سطح الرماد أبيض تقريبا. هذا يعني أنه مع وجود كمية كافية من الأكسجين ، يحدث احتراق كامل. ولكن داخل وعلى حدود الطبقة المحترقة بأخرى جديدة توجد مادة سوداء. يشير هذا إلى احتراق غير كامل للجسيمات المتفحمة. بالمناسبة ، تتكثف أبخرة المواد الراتنجية المتطايرة على المرشح.

لوحظ نوع مشابه من الاحتراق أثناء احتراق فحم الكوك ، أي الفحم ، الذي أزيلت منه المواد المتطايرة (الغازات والراتنجات) أو الجرافيت.

وهكذا ، فإن عملية احتراق الغازات والسوائل ومعظم المواد الصلبة تتم في شكل غازي ويصاحبها لهب. بعض المواد الصلبة ، بما في ذلك تلك التي تميل إلى الاحتراق التلقائي ، تحترق في شكل احتراق على السطح وداخل المادة.

احتراق المواد المتربة.يحدث احتراق طبقة الغبار بنفس الطريقة كما في الحالة المدمجة ، ويزداد معدل الاحتراق فقط بسبب زيادة سطح التلامس مع الهواء.

يمكن أن يستمر احتراق المواد الشبيهة بالغبار في شكل تعليق هوائي (سحابة غبار) في شكل شرارات ، أي احتراق الجسيمات الفردية ، في حالة وجود محتوى منخفض من المواد المتطايرة غير القادرة على تكوين كمية كافية من الغازات أثناء التبخر لواجهة لهب واحد.

إذا تم تشكيل كمية كافية من المواد المتطايرة الغازية ، يحدث احتراق اللهب.

حرق المتفجرات.يشمل هذا النوع احتراق المتفجرات والبارود ، ما يسمى بالمواد المكثفة ، التي يرتبط فيها الوقود والمؤكسد بالفعل كيميائيًا أو ميكانيكيًا. على سبيل المثال: في trinitrotoluene (TNT) C 7 H 5 O 6 N 3 × C 7 H 5 × 3NO 2 ، O 2 و NO 2 تعمل كعوامل مؤكسدة ؛ في تكوين البارود - الكبريت والملح والفحم. كجزء من المتفجرات محلية الصنع ، مسحوق الألمنيوم ونترات الأمونيوم ، مادة رابطة - زيت الطاقة الشمسية.

4.2 احتراق متجانس وغير متجانس.

بناءً على الأمثلة المدروسة ، اعتمادًا على حالة تراكم خليط الوقود والمؤكسد ، أي من عدد مراحل الخليط يميزون:

1. الاحتراق المتجانسغازات وأبخرة المواد القابلة للاحتراق في بيئة مؤكسد غازي. وهكذا ، يستمر تفاعل الاحتراق في نظام يتكون من مرحلة واحدة (الحالة الكلية).

2. احتراق غير متجانسمواد صلبة قابلة للاحتراق في بيئة مؤكسدة غازية. في هذه الحالة ، يستمر التفاعل عند الواجهة ، بينما يستمر التفاعل المتجانس في جميع أنحاء المجلد.

هذا هو احتراق المعادن ، الجرافيت ، أي. مواد غير متطايرة عمليا. العديد من تفاعلات الغاز ذات طبيعة متجانسة وغير متجانسة ، عندما يكون احتمال حدوث تفاعل متجانس بسبب أصل تفاعل غير متجانس في نفس الوقت.

يتم احتراق جميع المواد السائلة والصلبة ، التي تنطلق منها الأبخرة أو الغازات (المواد المتطايرة) ، في الطور الغازي. تلعب المراحل الصلبة والسائلة دور الخزانات للمنتجات المتفاعلة.

على سبيل المثال ، ينتقل تفاعل غير متجانس للاحتراق التلقائي للفحم إلى مرحلة متجانسة من احتراق المواد المتطايرة. تحترق بقايا الكوك بشكل غير متجانس.

4.3 الانتشار والاحتراق الحركي.

وفقًا لدرجة تحضير الخليط القابل للاحتراق ، يتم تمييز الانتشار والاحتراق الحركي.

أنواع الاحتراق التي يتم النظر فيها (باستثناء المتفجرات) هي الاحتراق المنتشر. اللهب ، أي منطقة الاحتراق لمزيج من الوقود مع الهواء ، لضمان الاستقرار ، يجب أن يتم تغذيتها باستمرار بالوقود والأكسجين في الهواء. يعتمد تدفق الغاز القابل للاحتراق فقط على معدل إمداده بمنطقة الاحتراق. يعتمد معدل دخول السائل القابل للاشتعال على شدة تبخره ، أي على ضغط البخار فوق سطح السائل ، وبالتالي على درجة حرارة السائل. درجة حرارة الاشتعالتسمى أدنى درجة حرارة للسائل لا ينطفئ عندها اللهب فوق سطحه.

يختلف احتراق المواد الصلبة عن احتراق الغازات من خلال وجود مرحلة من التحلل والتغويز ، يتبعها اشتعال منتجات الانحلال الحراري المتطايرة.

الانحلال الحراري- هذا هو تسخين المواد العضوية إلى درجات حرارة عالية دون دخول الهواء. في هذه الحالة ، يحدث تحلل أو تقسيم المركبات المعقدة إلى مركبات أبسط (فحم الكوك ، تكسير الزيت ، التقطير الجاف للخشب). لذلك ، فإن احتراق مادة صلبة قابلة للاحتراق في منتج الاحتراق لا يتركز فقط في منطقة اللهب ، بل له طابع متعدد المراحل.

يتسبب تسخين المرحلة الصلبة في تحلل وتطور الغازات التي تشتعل وتحترق. تسخن الحرارة من الشعلة المرحلة الصلبة ، مما يؤدي إلى تغويزها وتتكرر العملية ، وبالتالي دعم الاحتراق.

يفترض نموذج الاحتراق الصلب وجود المراحل التالية (الشكل 17):

أرز. 17. نموذج الاحتراق

صلب.

تسخين المرحلة الصلبة. ذوبان المواد يحدث في هذه المنطقة. سمك المنطقة يعتمد على درجة حرارة التوصيل للمادة ؛

الانحلال الحراري ، أو منطقة التفاعل في الطور الصلب ، حيث تتكون المواد الغازية القابلة للاحتراق ؛

اللهب المسبق في الطور الغازي ، حيث يتكون خليط بعامل مؤكسد ؛

لهب ، أو منطقة تفاعل في الطور الغازي ، يتم فيها تحويل نواتج الانحلال الحراري إلى نواتج احتراق غازي ؛

منتجات الاحتراق.

يعتمد معدل إمداد الأكسجين إلى منطقة الاحتراق على انتشاره من خلال منتج الاحتراق.

بشكل عام ، نظرًا لأن معدل التفاعل الكيميائي في منطقة الاحتراق في أنواع الاحتراق قيد الدراسة يعتمد على معدل وصول المكونات المتفاعلة وسطح اللهب عن طريق الانتشار الجزيئي أو الحركي ، يسمى هذا النوع من الاحتراق تعريف.

يتكون هيكل اللهب لانتشار الاحتراق من ثلاث مناطق (الشكل 18):

تحتوي المنطقة 1 على غازات أو أبخرة. لا يوجد احتراق في هذه المنطقة. لا تتجاوز درجة الحرارة 500 درجة مئوية. يحدث التحلل والتحلل الحراري للمواد المتطايرة والتسخين إلى درجة حرارة الاشتعال الذاتي.

أرز. 18. هيكل الشعلة.

في المنطقة 2 ، يتكون خليط من الأبخرة (الغازات) مع الأكسجين الجوي ويحدث احتراق غير كامل في ثاني أكسيد الكربون مع اختزال جزئي للكربون (القليل من الأكسجين):

C n H m + O 2 → CO + CO 2 + H 2 O ؛

في المنطقة الخارجية الثالثة ، يتم حرق منتجات المنطقة الثانية بالكامل ويتم ملاحظة درجة حرارة اللهب القصوى:

2CO + O 2 \ u003d 2CO 2 ؛

يتناسب ارتفاع اللهب مع معامل الانتشار ومعدل تدفق الغازات ويتناسب عكسياً مع كثافة الغاز.

جميع أنواع الاحتراق بالانتشار متأصلة في الحرائق.

حركيةالاحتراق هو احتراق غاز أو بخار أو غبار مختلط مسبقًا مع عامل مؤكسد. في هذه الحالة ، يعتمد معدل الاحتراق فقط على الخصائص الفيزيائية والكيميائية للخليط القابل للاحتراق (التوصيل الحراري ، السعة الحرارية ، الاضطراب ، تركيز المواد ، الضغط ، إلخ). لذلك ، يزيد معدل الحرق بشكل حاد. هذا النوع من الاحتراق متأصل في الانفجارات.

في هذه الحالة ، عندما يتم إشعال الخليط القابل للاحتراق في مرحلة ما ، تتحرك مقدمة اللهب من منتجات الاحتراق إلى الخليط الطازج. وبالتالي ، فإن اللهب أثناء الاحتراق الحركي غالبًا ما يكون غير مستقر (الشكل 19).

أرز. 19. مخطط انتشار اللهب في خليط قابل للاحتراق: - مصدر الاشتعال. - اتجاه حركة مقدمة اللهب.

على الرغم من أنه إذا تم خلط الغاز القابل للاحتراق مع الهواء وإدخاله في الموقد ، فإن لهبًا ثابتًا يتشكل أثناء الاشتعال ، بشرط أن يكون معدل إمداد الخليط مساويًا لسرعة انتشار اللهب.

إذا زاد معدل إمداد الغاز ، ينفصل اللهب عن الموقد وقد ينطفئ. وإذا تم تقليل السرعة ، فسيتم سحب اللهب إلى داخل الموقد مع احتمال حدوث انفجار.

حسب درجة الاحتراق، بمعنى آخر. اكتمال تفاعل الاحتراق للمنتجات النهائية ، يحدث الاحتراق كاملة وغير كاملة.

لذلك في المنطقة 2 (الشكل 18) الاحتراق غير مكتمل ، لأن يتم توفير أكسجين غير كافٍ ، والذي يتم استهلاكه جزئيًا في المنطقة 3 ، ويتم تكوين المنتجات الوسيطة. يحترق الأخير في المنطقة 3 ، حيث يوجد المزيد من الأكسجين ، حتى الاحتراق الكامل. يشير وجود السخام في الدخان إلى احتراق غير كامل.

مثال آخر: عندما يكون هناك نقص في الأكسجين ، يحترق الكربون إلى أول أكسيد الكربون:

إذا قمت بإضافة O ، فإن رد الفعل ينتقل إلى النهاية:

2CO + O 2 \ u003d 2CO 2.

معدل الاحتراق يعتمد على طبيعة حركة الغازات. لذلك ، يتميز الاحتراق الرقائقي والاضطراب.

إذن ، مثال على الاحتراق الصفحي هو لهب الشمعة في الهواء الساكن. في الاحتراق الصفحيتتدفق طبقات من الغازات بشكل متوازٍ ، ولكن دون أن تلتف.

الاحتراق المضطرب- حركة دوامة للغازات ، حيث تختلط الغازات المحترقة بشكل مكثف وتغسل مقدمة اللهب. الحد بين هذه الأنواع هو معيار رينولدز ، الذي يميز العلاقة بين قوى القصور الذاتي وقوى الاحتكاك في التدفق:

أين: ش- معيار تدفق الجاز؛

ن- اللزوجة الحركية.

ل- الحجم الخطي المميز.

يسمى رقم رينولد الذي يحدث عنده انتقال الطبقة الحدودية الصفائحية إلى طبقة مضطربة Re cr الحرجة ، Re cr ~ 2320.

يزيد الاضطراب من معدل الاحتراق بسبب انتقال الحرارة الأكثر كثافة من منتجات الاحتراق إلى الخليط الطازج.

4.4 الاحتراق الطبيعي.

اعتمادًا على سرعة انتشار اللهب أثناء الاحتراق الحركي ، يمكن تحقيق إما الاحتراق العادي (في غضون بضع م / ث) ، أو الاحتراق المتفجر (عشرات م / ث) ، أو التفجير (آلاف م / ث). يمكن أن تنتقل هذه الأنواع من الاحتراق إلى بعضها البعض.

حرق طبيعي- هذا هو الاحتراق الذي يحدث فيه انتشار اللهب في حالة عدم وجود اضطرابات خارجية (اضطراب أو تغيرات في ضغط الغاز). يعتمد فقط على طبيعة المادة القابلة للاحتراق ، أي التأثير الحراري ومعاملات التوصيل الحراري والانتشار. لذلك ، فهو ثابت فيزيائي لمزيج من تركيبة معينة. في هذه الحالة ، عادة ما تكون سرعة الاحتراق 0.3-3.0 م / ث. تمت تسمية الاحتراق الطبيعي لأن متجه السرعة لانتشاره متعامد مع مقدمة اللهب.

4.5 الاحتراق (المتفجر) الاحتراق.

الاحتراق الطبيعي غير مستقر ويميل إلى التسريع الذاتي في مكان مغلق. والسبب في ذلك هو انحناء مقدمة اللهب بسبب احتكاك الغاز بجدران الوعاء والتغيرات في الضغط في الخليط.

ضع في اعتبارك عملية انتشار اللهب في الأنبوب (الشكل 20).

أرز. 20. مخطط حدوث الاحتراق المتفجر.

أولاً ، عند النهاية المفتوحة للأنبوب ، ينتشر اللهب بالسرعة العادية ، لأن تتوسع منتجات الاحتراق وتخرج بحرية. ضغط الخليط لا يتغير. تعتمد مدة الانتشار المنتظم للهب على قطر الأنبوب ونوع الوقود وتركيزه.

عندما تتحرك مقدمة اللهب داخل الأنبوب ، فإن منتجات التفاعل ، التي لها حجم أكبر مقارنة بالمزيج الأولي ، ليس لديها وقت للخروج ويزداد ضغطها. يبدأ هذا الضغط بالدفع في جميع الاتجاهات ، وبالتالي ، قبل مقدمة اللهب ، يبدأ الخليط الأولي في التحرك في اتجاه انتشار اللهب. تتباطأ الطبقات المجاورة للجدران. أعلى سرعة للشعلة في وسط الأنبوب ، وتكون أقل سرعة بالقرب من الجدران (بسبب إزالة الحرارة فيها). لذلك ، يتم تمديد مقدمة اللهب في اتجاه انتشار اللهب ، ويزداد سطحها. بالتناسب مع هذا ، تزداد كمية الخليط القابل للاحتراق لكل وحدة زمنية ، مما يستلزم زيادة في الضغط ، ثم يزيد بدوره من سرعة حركة الغاز ، إلخ. وبالتالي ، هناك زيادة تشبه الانهيار الجليدي في سرعة انتشار اللهب تصل إلى مئات الأمتار في الثانية.

تسمى عملية انتشار اللهب من خلال خليط غاز قابل للاشتعال ، حيث ينتشر تفاعل احتراق ذاتي التسارع بسبب التسخين بالتوصيل الحراري من طبقة مجاورة من نواتج التفاعل الاحتراق. عادة ، تكون معدلات الاحتراق دون سرعة الصوت ، أي أقل من 333 م / ث.

4.6 احتراق التفجير.

إذا أخذنا في الاعتبار احتراق خليط قابل للاحتراق في طبقات ، فنتيجة للتمدد الحراري لحجم نواتج الاحتراق ، في كل مرة تحدث موجة ضغط أمام مقدمة اللهب. كل موجة لاحقة ، تتحرك عبر وسط أكثر كثافة ، تلحق بالموجة السابقة ويتم فرضها عليها. تدريجيًا ، تندمج هذه الموجات في موجة صدمة واحدة (الشكل 21).

أرز. 21. مخطط تشكيل موجة تفجير: R o< Р 1 < Р 2 < Р 3 < Р 4 < Р 5 < Р 6 < Р 7 ; 1-7 – нарастание давления в слоях с 1-го по 7-ой.

في موجة الصدمة ، نتيجة للضغط ثابت الحرارة ، تزداد كثافة الغازات على الفور وترتفع درجة الحرارة إلى T 0 للاشتعال الذاتي. نتيجة لذلك ، يتم إشعال الخليط القابل للاشتعال بواسطة موجة صدمة و تفجير- انتشار الاحتراق عن طريق الاشتعال بموجة الصدمة. موجة تفجير لا تنطلق لأن مدعوم من موجات الصدمة من اللهب الذي يتحرك خلفه.

من سمات التفجير أنه يحدث بسرعة تفوق سرعة الصوت تبلغ 1000-9000 م / ث ، محددة لكل تركيبة من الخليط ، وبالتالي فهو ثابت فيزيائي للخليط. يعتمد فقط على القيمة الحرارية للمزيج القابل للاحتراق والقدرة الحرارية لمنتجات الاحتراق.

يؤدي التقاء موجة اهتزاز مع عائق إلى تكوين موجة صدمة منعكسة وضغط أكبر.

التفجير هو أخطر شكل من أشكال انتشار اللهب ، لأنه. لديه قوة انفجار قصوى (N = A / t) وسرعة هائلة. في الممارسة العملية ، لا يمكن "تحييد" التفجير إلا في قسم ما قبل التفجير ، أي على مسافة من نقطة الاشتعال إلى نقطة الاحتراق بالتفجير. بالنسبة للغازات ، يبلغ طول هذا القسم من 1 إلى 10 أمتار.

هناك احتراق متجانس وغير متجانس وانتشار.

الفصل 1مفاهيم نظرية الاحتراق

* غالبًا ما يسمى هذا الاحتراق الحركي.

كورولتشينكو و انا.عمليات الاحتراق والانفجار

يتم تحديد معدل الاحتراق من خلال عمليات المزج الدقيق داخل كميات صغيرة من الوقود والهواء.

1.3 الاحتراق في غاز متحرك

يستخدم مصطلح "سرعة اللهب العادية" * لوصف عمليات الاحتراق. يميز سرعة مقدمة اللهب في خليط غازي ثابت. لا يمكن إنشاء مثل هذه الحالة المثالية إلا في تجربة معملية. في ظروف الاحتراق الحقيقية ، يوجد اللهب دائمًا في التيارات المتحركة.

يخضع سلوك اللهب في ظل هذه الظروف لقانونين وضعه العالم الروسي في.أ.ميخلسون.

أولهما يثبت أن مكون سرعة تدفق الغاز الخامسعلى طول الخط الطبيعي لجبهة اللهب التي تنتشر من خلال خليط ثابت ، تساوي السرعة العادية لانتشار اللهب ومقسومة على cos

أين هي الزاوية بين العمودي لسطح اللهب واتجاه تدفق الغاز.

قيمة الخامسيميز كمية الغاز التي تحترق لكل وحدة زمنية في لهب مائل. من المعتاد أن نسميها معدل الحرق الفعلي في الدفق. السرعة الفعلية في جميع الحالات تساوي السرعة العادية أو تتجاوزها.

هذا القانون ينطبق فقط على اللهب المسطح. إن تعميمه على اللهب الحقيقي مع انحناء مقدمة اللهب يعطي صياغة القانون الثاني - قانون المناطق.

لنفترض أنه في تدفق الغاز بسرعة الخامسوالمقطع العرضي لواجهة اللهب المنحنية الثابتة بسطح مشترك س.في كل نقطة من مقدمة اللهب ، ينتشر اللهب على طول الخط الطبيعي إلى سطحه بسرعة و.ثم سيكون حجم حرق الخليط القابل للاحتراق لكل وحدة زمنية:

وفقًا لتوازن غاز المصدر ، فإن نفس الحجم يساوي:

* هذا المصطلح ملائم لمصطلح "معدل الحرق الطبيعي".

معادلة الأجزاء اليسرى من (1.2) و (1.3) نحصل على:

في الإطار المرجعي الذي تتحرك فيه مقدمة اللهب عبر خليط غازي ثابت ، تعني العلاقة (1.4) أن اللهب ينتشر بالنسبة إلى الغاز بسرعة الخامس.الصيغة (1.4) هي تعبير رياضي لقانون المنطقة ، ومنه يأتي نتيجة مهمة: عندما تكون مقدمة اللهب منحنية ، يزداد معدل الاحتراق بما يتناسب مع الزيادة في سطحها. لذلك ، فإن الحركة غير المتجانسة للغاز تؤدي دائمًا إلى تكثيف الاحتراق.

1.4 الاحتراق المضطرب

من قانون المناطق يترتب على ذلك الاضطراب يزيد من معدل الاحتراق. في الحرائق ، يتم التعبير عن ذلك من خلال التكثيف القوي لعملية انتشار اللهب.

يميز (الشكل 1.2)نوعان من الاحتراق المضطرب: احتراق خليط غاز متجانس وانتشار دقيق الاحتراق المضطرب.

أرز. 1.2 تصنيف الاحتراق المضطرب

عندما يحترق خليط متجانس في وضع الاحتراق المضطرب ، هناك حالتان ممكنتان: ظهور مقياس صغير وكبير الحجم

الفصل الأول: المفاهيم الأساسية لنظرية الاحتراق

اضطرابات المقر. يتم إجراء هذا التقسيم اعتمادًا على نسبة مقياس الاضطراب وسماكة مقدمة اللهب. في نطاق اضطراب أقل من سمك مقدمة اللهب ، يشار إليه على أنه نطاق صغير ، وعلى نطاق أوسع - على نطاق واسع. ترجع آلية عمل الاضطراب الصغير النطاق إلى تكثيف عمليات الاحتراق بسبب تسريع عمليات نقل الحرارة والكتلة في منطقة اللهب. عند وصف اضطراب صغير الحجم في معادلات سرعة انتشار اللهب ، يتم استبدال معاملات الانتشار والانتشار الحراري بمعامل التبادل المضطرب.

لوحظت أعلى معدلات الاحتراق أثناء الاضطرابات واسعة النطاق. في هذه الحالة ، من الممكن وجود آليتين لتسريع الاحتراق: السطح والحجم.

تتكون آلية السطح من انحناء مقدمة اللهب بواسطة نبضات مضطربة. في هذه الحالة ، يزيد معدل الاحتراق بما يتناسب مع الزيادة في السطح الأمامي. ومع ذلك ، هذا صحيح فقط للظروف التي تكتمل فيها التحولات الكيميائية في اللهب بشكل أسرع من الخلط المضطرب الذي يستغرق وقتًا لحدوثه. في هذه الحالة ، عندما يتجاوز الخلط المضطرب التفاعل الكيميائي ، يتم غسل منطقة التفاعل بواسطة نبضات مضطربة. هذه العمليات موصوفة بقوانين الاحتراق الحجمي المضطرب.

وقت الخلط المضطرب يساوي نسبة المقياس

اضطراب لتذبذب السرعة لذلك ، التسارع

يحدث اللهب بسبب النبضات المضطربة وفقًا لآلية السطح ، إذا تم استيفاء الشرط التالي:

كورولتشينكو أ. عمليات الاحتراق والانفجار

أين وقت التفاعل الكيميائي عند درجة حرارة الموقد

إذا لم يتم استيفاء الشرط (1.5) ، فستحدث آلية الاحتراق المضطرب السائب.

يمكن التعبير عن وقت التفاعل الكيميائي من حيث الكميات العيانية: سرعة اللهب العادية وسمك مقدمة اللهب

ثم يأخذ معيار تسريع السطح الشكل:

(1.8)

لتقدير سرعة انتشار اللهب المضطرب تحت تسارع السطح ، اقترح K. I Shchelkin الصيغة التالية:

أين في -رقم متفاوت بشكل ضعيف لا يتجاوز واحد. في حدود الاضطراب الشديد ، تميل سرعة اللهب المضطرب إلى سرعة النبض ، أي في- للوحدة.

1.5 ملامح حرق المتفجرات

المتفجرات هي مواد فردية أو مخاليط منها قادرة ، تحت تأثير بعض التأثيرات الخارجية (التسخين ، التأثير ، الاحتكاك ، انفجار مادة متفجرة أخرى) على تحول كيميائي سريع الانتشار ذاتيًا مع إطلاق كمية كبيرة من الحرارة والتكوين من الغازات.

من المواد القابلة للاحتراق العادية ، التي يحدث احتراقها عند التفاعل مع الأكسجين أو غيره من المؤكسدات الخارجية ، تحتوي المتفجرات ، كونها في مرحلة مكثفة (صلبة أو سائلة) ، على جميع المكونات المشاركة في الاحتراق. يمكن أن تكون المتفجرات عبارة عن مركبات كيميائية فردية ومخاليط ميكانيكية.

معظم المتفجرات الفردية عبارة عن مركبات نيترو: trinitrotoluene ، tetryl ، hexogen ، octogen ، nitroglycerin.

الفصل الأول: المفاهيم الأساسية لنظرية الاحتراق

الحبوب ، نترات السليلوز ، إلخ. للكلورات ، البركلورات ، الآزيدات ، الأكاسيد الفوقية العضوية أيضًا خصائص متفجرة.

تحتوي جزيئات مركبات النيترو العضوية على أكسجين ضعيف الارتباط في شكل مجموعة نيترو - وبالتالي ، يحتوي جزيء واحد على وقود ومؤكسد. يمكن أن يبدأ احتراقها بسبب الأكسدة داخل الجزيئية بتأثيرات خارجية طفيفة.

مجموعة كبيرة من المتفجرات عبارة عن مركبات ماصة للحرارة ، لا تحتوي جزيئاتها على الأكسجين. في هذه الحالة ، مصدر الطاقة ليس الأكسدة ، بل الاضمحلال المباشر. وتشمل هذه المركبات أزيد من الرصاص والفضة ومعادن أخرى. تشتمل المخاليط الميكانيكية على مخاليط من الوقود الصلب وعوامل مؤكسدة صلبة. مثال على هذا الخليط مسحوق أسود.

1.6 الديناميكا الحرارية للاحتراق

مخاليط الهيدروكربون والهواء

تتيح قوانين الديناميكا الحرارية حساب المعلمات اللازمة لوصف عمليات الاحتراق: معامل تمدد نواتج الاحتراق في ظل الظروف الأولية لنسبة السعات الحرارية عند ضغط ثابت وحجم ثابت ، لكل من الخليط الطازج ومنتجات الاحتراق ؛ أقصى ضغط للانفجار ص ه ؛درجة الحرارة الثابتة لمنتجات الاحتراق في ظل ظروف متساوية الضغط ومتساوية الضغط ، وتكوين منتجات الاحتراق

يصف هذا القسم الخوارزمية لحساب حالة التوازن لمنتجات الاحتراق من C-H-0-N- المحتوية على مواد قابلة للاحتراق في الهواء في نطاق واسع من درجات الحرارة الأولية والضغوط والتركيزات ، التي طورها الأستاذ. في. مولكوف. تعتمد الخوارزمية على تعميم وتنظيم الطرق الديناميكية الحرارية والرياضية باستخدام البيانات الأكثر دقة حول الخصائص الديناميكية الحرارية للمواد الفردية.

لزيادة موثوقية النتائج في الحسابات ، من الضروري مراعاة ليس فقط الأكسجين والنيتروجين في الهواء ، ولكن أيضًا الغازات الأخرى المدرجة في تركيبته - , H 2 0 ، C0 2. زيادة عدد مكونات منتجات الاحتراق إلى 19 (H 2، H 2 0، CO 2، N 2، Ag، C-gas، H، O، N، CO، CH 4، HCN، 0 2،

وإجراء العمليات الحسابية مع مراعاة تكوين

كورولتشينكو أ. عمليات الاحتراق والانفجار

روح الرطوبة المتوسطة

فهي لا تعقد العمليات الحسابية على جهاز الكمبيوتر ، حيث يمكن أن يؤدي استخدامها إلى تقليل وقت العمليات الحسابية بشكل كبير مع زيادة دقتها مقارنة بالنهج التقريبي دون استخدام جهاز كمبيوتر.

يمكن كتابة التفاعل العام لاحتراق الوقود في الهواء ذي الرطوبة المتوسطة لكل مول من الخليط الطازج على شكل

أين هو التركيز الحجمي للوقود في الخليط الطازج: -

عدد ذرات الكربون والهيدروجين والأكسجين والنيتروجين ، على التوالي ، في جزيء الوقود ؛ هو عدد مولات المكون i من نواتج الاحتراق ؛

- ذمكون من منتجات الاحتراق.

إجمالي عدد الذرات في النظام ، محسوبًا من تكوين الخليط الطازج ، هو

تعتبر نسب عدد ذرات الكربون والهيدروجين والنيتروجين والأرجون ، على التوالي ، إلى عدد ذرات الأكسجين ثوابت لمزيج معين ولا تعتمد على الحالة الديناميكية الحرارية للنظام المغلق:

عدد ذرات الأكسجين في النظام.

الفصل الأول: المفاهيم الأساسية لنظرية الاحتراق

بالنسبة لعملية احتراق ثابت الحرارة في ظل ظروف متساوية الضغط ، فإن قانون الحفاظ على الطاقة يعادل قانون حفظ المحتوى الحراري لنظام مغلق

مرحبًا = Hj ،(1.15)

أين حهو المحتوى الحراري والمؤشرات و يتشير إلى معلمات الخليط الطازج ومنتجات الاحتراق ، على التوالي. المحتوى الحراري الخلدى للخليط الطازج

أين و المحتوى الحراري للوقود والهواء ، على التوالي ، متى

درجة الحرارة الأولية يُعطى اعتماد المحتوى الحراري للوقود والهواء على درجة الحرارة الأولية في النطاق من 250 إلى 500 كلفن بواسطة متعدد الحدود من الدرجة الرابعة

أين(298) هو المحتوى الحراري لتكوين مادة عند درجة حرارة 298 كلفن ؛

المحتوى الحراري في درجة الحرارة تي ؛- معاملات عددية ،

يتم تحديدها من خلال حل نظام المعادلات الخطية ، على سبيل المثال ، بطريقة الحذف Gauss-Jordan ؛ تي 0 -بعض قيمة درجة الحرارة الثابتة التعسفي.

المحتوى الحراري لمنتجات الاحتراق التي يتم الحصول عليها عن طريق حرق جزيء من خليط طازج

أينالمجموع بين قوسين يساوي عدد مولات المنتجات أثناء احتراق مول واحد من الخليط الطازج ؛ - الجزء المولي من المكون الخامس لنواتج الاحتراق ؛ - المحتوى الحراري لمنتج الاحتراق عند درجة الحرارة

جولة ت.

قيم المحتوى الحراري

يتم تحديدها من اعتماد طاقة جيبس المخفضة على درجة الحرارة Ф (Т) في نطاق درجة الحرارة من 500 إلى 6000 كلفن ومن المعروف أن

كورولتشينكو أ. عمليات الاحتراق والانفجار

أين تي ه -درجة حرارة توازن نواتج الاحتراق في القنبلة.

يتم تحديد ضغط الانفجار لمزيج غازي في قنبلة مغلقة بنسبة معادلات حالة الغاز المثالي لمنتجات الاحتراق والمزيج الطازج

للعثور على تركيبة التوازن لمنتجات الاحتراق ، من الضروري حل نظام يتضمن 5 معادلات جبرية (معادلات حفظ الكتلة) خطية و 14 غير خطية (معادلات توازن كيميائي).

بالنسبة لعملية متساوية الضغط ، يُنصح بكتابة معادلات الحفظ الشامل من حيث الكسور الجزيئية لنواتج الاحتراق

الفصل الأول: المفاهيم الأساسية لنظرية الاحتراق

كورولتشينكو أ. عمليات الاحتراق والانفجار

(1.34) (1.35) (1.36) (1.37) (1.38) (1.39) (1.40) (1.41) (1.42) (1.43)

أين صهو الضغط الذي يبدأ التفاعل عنده ، atm. يؤخذ اعتماد ثوابت التوازن الكيميائي على درجة الحرارة من البيانات المرجعية لتفاعلات التفكك

وهو ثابت التوازن لتفاعل التفكك (1.43 أ)

عند درجة الحرارة - تتوافق طاقات جيبس المخفضة مع

من المتفاعلات - التأثير الحراري للتفاعل (1.44)

عند درجة حرارة الصفر المطلق.

يتم تحديد المعلمات الثابتة للمزيج الطازج ومنتجات الاحتراق باستخدام معادلة ماير بواسطة الصيغة

بالنسبة لخليط طازج ، يتم تحديد القيم عن طريق تمييز التعبير (1.17) عن المحتوى الحراري لغازات الخليط الأولي (الوقود والهواء) فيما يتعلق بدرجة الحرارة ؛ لمنتجات الاحتراق ، من خلال التعبيرات التي تم الحصول عليها نتيجة لمعادلة التفاضل (1.19) بالنسبة لدرجة الحرارة ت.

عند حساب عمليات الاحتراق في حجم ثابت ، فإن ثابت التوازن ، والذي يعتمد فقط على درجة الحرارة بالنسبة للغاز المثالي ،

حيث يتم حساب التوازن ، ولا يعتمد على الضغط ، فمن المستحسن كتابته ليس من حيث الكسور الجزيئية ، كما حدث عند حساب الاحتراق تحت ظروف متساوية الضغط في المعادلات (1.30) - (1.43) ، ولكن من حيث عدد الشامات ص.ثم ، على سبيل المثال ، لرد الفعل (1.31) لدينا

حيث Г هي درجة الحرارة التي يحسب عندها ثابت التوازن ؛ R ،و هي القيم الأولية لضغط ودرجة حرارة الخليط الطازج. عندما

كورولتشينكو أ. عمليات الاحتراق والانفجار

في الانتقال من الكسور الجزيئية إلى عدد المولات في عملية متساوية الصدور في معادلات حفظ الكتلة (15) - (18) ، من الضروري استبدال القيم بالقيم المقابلة. ستتم كتابة المعادلة (19) بعد ذلك في التشكيل

بعد ضرب كلا الجزأين من المعادلة (1.28) في واحد ، يمكن حساب الكمية اللازمة لحساب ضغط الانفجار لمزيج غازي في قنبلة ذات حجم ثابت وفقًا للمعادلة (1.22).

دعونا نصف طريقة لحل نظام المعادلات (1.15) ، (1.23) - (1.43) ، التي تحتوي على 21 كمية غير معروفة: 19 كسور مول من منتجات الاحتراق ، العدد الإجمالي لمولات المنتجات أثناء احتراق مول طازج الخليط والمحتوى الحراري لمنتجات الاحتراق. يتم اختيار الكسور الجزيئية للهيدروجين والماء وثاني أكسيد الكربون والنيتروجين والأرجون كمتغيرات مستقلة.

يتم التعبير عن حصص منتجات الاحتراق الـ 14 المتبقية من حيث ثوابت التوازن والمتغيرات المستقلة المختارة من المعادلات (1.29) - (1.43). بعد ذلك ، نعيد كتابة المعادلتين (1.23) - (1.26) و (1.28) على التوالي بالصيغة

و (أ ، ب ، ج ، د ، هـ) = 0 ،

G (أ ، ب ، ج ، د ، هـ) = 0 ،

ح (أ ، ب ، ج ، د ،. هـ) = 0 ، (1.49)

J (أ ، ب ، ج ، د ، ه) = 0 ،

أنا (أ ، ب ، ج ، د ، هـ) = 0.

بعد أن جعلنا نظام المعادلات خطيًا (1.49) من خلال التوسع في سلسلة تايلور حتى الحدود التي تحتوي على المشتقات الأولى ، نحصل على

أين ، وما إلى ذلك (يشير الفهرس 0 إلى استخدام

قيم الإدخال). يحتوي نظام المعادلات (1.50) على خمسة مجاهيل - وهي زيادات عن الأصل

الفصل الأول: المفاهيم الأساسية لنظرية الاحتراق

معروف - وهي زيادات عن الأصل

كسور الخلد أ ، ب ، ج ، د ، هـ.يمكن حل النظام بطرق مختلفة ، على سبيل المثال ، عن طريق حساب وقسمة محددات المصفوفات المقابلة لنظام المعادلات (1.50) أو باستخدام طريقة الحذف Gauss-Jordan.

بالقيمة المفترضة لدرجة حرارة التوازن لمنتجات الاحتراق تيتحسب قيم ثوابت الاتزان .. ثم تحدد

تستند إلى القيم الأولية للمتغيرات المستقلة أ ، ب ، ج ، د ، هـقيم الكسور الجزيئية المتبقية لنواتج الاحتراق ، ومن ثم معاملات نظام المعادلات (1.50). بعد ذلك ، من خلال حل نظام المعادلات هذا ، تم العثور على قيم جديدة

تتكرر العملية التكرارية حتى تصبح القيم المطلقة للنسب أقل من قيمة معينة ، تساوي ، على سبيل المثال ، (في ، نتائج الحساب عمليًا لا تتغير). وبالتالي ، يتم تحديد تركيبة التوازن لمنتجات الاحتراق عند درجة الحرارة المتوقعة ت.وفقًا لتكوين التوازن للمنتجات ، وفقًا للمعادلة (1.27) ، تم العثور على قيمة £ u ، - مما يجعل من الممكن حساب قيم المحتوى الحراري هجريةنواتج الاحتراق حسب المعادلة (1.18).

بالنسبة للاحتراق في ظل ظروف متساوية الصدمات ، يكون ترتيب الحسابات مشابهًا لتلك الموصوفة أعلاه. الاختلاف ، كما لوحظ بالفعل ، هو أن الحساب لا يتم إجراؤه للكسور الجزيئية ، ولكن لعدد المولات ، وبدلاً من المحتوى الحراري ، يتم حساب الطاقة الداخلية للمزيج الطازج ومنتجات الاحتراق.

في الجدول. يوضح الجدول 1.1 المعلمات الديناميكية الحرارية المحسوبة لخلائط القياس المتكافئ من الميثان والبروبان والهكسان والهبتان والأسيتون وكحول الأيزوبروبيل والبنزين مع الهواء.

الجدول 1.1. أقصى ضغط انفجاري ثابت الحرارة في وعاء مغلق ، ودرجة حرارة منتجات الاحتراق ، ومؤشرات ثابتة الحرارة للخليط الطازج ومنتجات الاحتراق إيلمخاليط الهيدروكربون المتكافئة في

درجة الحرارة الأولية = 298.15 ك

كورولتشينكو أ. عمليات الاحتراق والانفجار

	0,06 0,04	5,188 3,439	2539,6 2521,9		1,247 1,248	2192,7 2183,2	7,412 7.385
3,964	0,10 0,08 0,06 0,04	9,228 7,358 5,494 3,640	2604,4 2594,1 2580,5 2561,2	1,365	1,247 1,248 1,248 1,249	2245,2 2239,4 2231,7 2220,7	7,897 7,880 7,857 7,825
2,126	0,10 0,08 0,06 0,04	9,378 7,478 5,583 3,699	2611,6 2601,2 2587,3 2567,8	1,360	1,248 1,248 1,249 1,249	2251,7 2245,8 2237,9 2226,7	8,025 8,008 7,984 7,951
1,842	0,10 0,08 0,06 0,04	9,403 7,498 5,598 3,708	2613,0 2602,6 2588,7 2569,1	1,359	1,248 1,248 1,249 1,249	2253,0 2247,1 2239,1 2227,9	8,047 8,029 8,005 7,972
4,907	0,10 0,08 0,06 0,04	9,282 7,401 5,527 3,661	2594,2 2583,7 2570,4 2550,9	1,357	1,245 1,245 1,246 1,246	2242,1 2236,2 2228,2 2216,9	7,962 7,944 7,921 7,888
4,386	0,10 0,08 0,06 0,04	9,344 7,451 5,565 3,688	2574 3 2564,4 2551,8 2533,2	1,361	1,244 1,245 1,245 1,246	2219,7 2214,3 2206,9 2196,5	7,999 7,983 7,961 7,929
2,679	0,10 0,08 0,06 0,04	9,299 7,411 5,532 3,662	2678,2 2666,0 2650,6 2628,2	1,377	1,251 1,251 1,252 1,252	2321,1 2313,7 2304,2 2290,4	7,990 7,969 7,942 7,902

يتم تحديد تركيز الوقود المتكافئ أثناء الاحتراق في هواء متوسط الرطوبة وفي الهواء الجاف ، على التوالي ، بواسطة الصيغ:

أين هو معامل القياس المتكافئ للأكسجين ، الذي يساوي عدد مولات الأكسجين لكل 1 مول من مادة قابلة للاحتراق أثناء احتراقها الكامل.

الفصل الأول: المفاهيم الأساسية لنظرية الاحتراق

على ال أرز. 1.3كمثال ، يظهر التغير المحسوب في درجة حرارة الاحتراق والكسور الجزيئية للمكونات الرئيسية لنواتج الاحتراق اعتمادًا على تركيز حجم الوقود لخليط الهكسان والهواء.

أرز. 1.3 الاعتماد على تكوين ودرجة حرارة منتجات الاحتراق

خليط الهكسان والهواء عند ضغط 0.101 ميجا باسكال ودرجة حرارة ابتدائية

298.15 كلفن من تركيز الهكسان

احتراق متجانس وغير متجانس.

بناءً على الأمثلة المدروسة ، اعتمادًا على حالة تراكم خليط الوقود والمؤكسد ، أي من عدد مراحل الخليط يميزون:

وفقًا لدرجة تحضير الخليط القابل للاحتراق ، يتم تمييز الانتشار والاحتراق الحركي.

يفترض نموذج الاحتراق الصلب وجود المراحل التالية (الشكل 17):

أرز. 17. نموذج الاحتراق

صلب.

تسخين المرحلة الصلبة. ذوبان المواد يحدث في هذه المنطقة. سمك المنطقة يعتمد على درجة حرارة التوصيل للمادة ؛

الانحلال الحراري ، أو منطقة التفاعل في الطور الصلب ، حيث تتكون المواد الغازية القابلة للاحتراق ؛

اللهب المسبق في الطور الغازي ، حيث يتكون خليط بعامل مؤكسد ؛

لهب ، أو منطقة تفاعل في الطور الغازي ، يتم فيها تحويل نواتج الانحلال الحراري إلى نواتج احتراق غازي ؛

منتجات الاحتراق.

يعتمد معدل إمداد الأكسجين إلى منطقة الاحتراق على انتشاره من خلال منتج الاحتراق.

يتكون هيكل اللهب لانتشار الاحتراق من ثلاث مناطق (الشكل 18):

أرز. 18. هيكل الشعلة.

C n H m + O 2 → CO + CO 2 + H 2 O ؛

في المنطقة الخارجية الثالثة ، يتم حرق منتجات المنطقة الثانية بالكامل ويتم ملاحظة درجة حرارة اللهب القصوى:

2CO + O 2 \ u003d 2CO 2 ؛

يتناسب ارتفاع اللهب مع معامل الانتشار ومعدل تدفق الغازات ويتناسب عكسياً مع كثافة الغاز.

جميع أنواع الاحتراق بالانتشار متأصلة في الحرائق.

حركيةالاحتراق يسمى الاحتراق مقدما

مختلط غاز أو بخار أو غبار مع عامل مؤكسد. في هذه الحالة ، يعتمد معدل الاحتراق فقط على الخصائص الفيزيائية والكيميائية للخليط القابل للاحتراق (التوصيل الحراري ، السعة الحرارية ، الاضطراب ، تركيز المواد ، الضغط ، إلخ). لذلك ، يزيد معدل الحرق بشكل حاد. هذا النوع من الاحتراق متأصل في الانفجارات.

أرز. 19. مخطط انتشار اللهب في خليط قابل للاحتراق: - مصدر الاشتعال. - اتجاه حركة مقدمة اللهب.

حسب درجة الاحتراق، بمعنى آخر. اكتمال تفاعل الاحتراق للمنتجات النهائية ، يحدث الاحتراق كاملة وغير كاملة.

مثال آخر: عندما يكون هناك نقص في الأكسجين ، يحترق الكربون إلى أول أكسيد الكربون:

إذا قمت بإضافة O ، فإن رد الفعل ينتقل إلى النهاية:

2CO + O 2 \ u003d 2CO 2.

معدل الاحتراق يعتمد على طبيعة حركة الغازات. لذلك ، يتميز الاحتراق الرقائقي والاضطراب.

أين: ش- معيار تدفق الجاز؛

ن- اللزوجة الحركية.

ل- الحجم الخطي المميز.

يسمى رقم رينولد الذي يحدث عنده انتقال الطبقة الحدودية الصفائحية إلى طبقة مضطربة Re cr الحرجة ، Re cr ~ 2320.

يزيد الاضطراب من معدل الاحتراق بسبب انتقال الحرارة الأكثر كثافة من منتجات الاحتراق إلى الخليط الطازج.

عند حرق الوقود الصلب ، يسبق التفاعل الكيميائي نفسه عملية تزويد السطح المتفاعل بالمؤكسد. وبالتالي ، فإن عملية احتراق الوقود الصلب هي عملية فيزيائية وكيميائية غير متجانسة معقدة تتكون من مرحلتين: إمداد الأكسجين إلى سطح الوقود عن طريق الانتشار المضطرب والجزيئي والتفاعل الكيميائي عليه.

دعونا ننظر في النظرية العامة للاحتراق غير المتجانس باستخدام احتراق جسيم الكربون الكروي كمثال ، بافتراض الشروط التالية. تركيز الأكسجين على كامل سطح الجسيم هو نفسه ؛ يتناسب معدل تفاعل الأكسجين مع الكربون مع تركيز الأكسجين بالقرب من السطح ، أي يحدث تفاعل من الدرجة الأولى ، وهو على الأرجح لعمليات غير متجانسة ؛ يستمر التفاعل على سطح الجسيم مع تكوين نواتج الاحتراق النهائي ، ولا توجد تفاعلات ثانوية في الحجم ، وكذلك على سطح الجسيم.

في مثل هذا الإعداد المبسط ، يمكن تمثيل معدل احتراق الكربون على أنه يعتمد على معدل مرحلتين رئيسيتين ، أي على معدل إمداد الأكسجين إلى السطح البيني ومعدل التفاعل الكيميائي نفسه الذي يحدث على سطح الجسيم. نتيجة لتفاعل هذه العمليات ، تحدث حالة توازن ديناميكية بين كمية الأكسجين التي يتم توفيرها عن طريق الانتشار والمستهلكة للتفاعل الكيميائي للأكسجين عند قيمة معينة من تركيزه على سطح الكربون.

معدل التفاعل الكيميائي / (° 2 جم أكسجين / (سم 2-ث) يحدد بواسطة

نظرًا لأن كمية الأكسجين التي تستهلكها وحدة سطح التفاعل لكل وحدة زمنية ، يمكن التعبير عنها بالشكل التالي:

في المعادلة:

K هو ثابت معدل تفاعل كيميائي ؛

Cv هو تركيز الأكسجين على سطح الجسيم.

من ناحية أخرى ، فإن معدل الاحتراق يساوي التدفق المحدد كي

الأكسجين إلى السطح المتفاعل ، الذي يتم توصيله بالانتشار:

K ° "\ u003d إعلان (C، - C5). (15-2)

في المعادلة:

Ad - معامل تبادل الانتشار ؛

Co هو تركيز الأكسجين في التدفق الذي تحترق فيه جزيئات الكربون.

باستبدال قيمة Cv الموجودة في المعادلة (15-1) في المعادلة (15-2) ، نحصل على التعبير التالي لمعدل الاحتراق غير المتجانس من حيث كمية الأكسجين التي يستهلكها سطح وحدة من الجسيم لكل وحدة زمنية :

". С °، ■ '(15-3)

دلالة من خلال

ككازة - - ج - ، (15-4)

يمكن تمثيل التعبير (15-3) كـ

/<°’ = /СкажС„. (15-5)

يشبه التعبير (15-5) في بنيته المعادلة الحركية (15-1) لتفاعل من الدرجة الأولى. في ذلك ، يتم استبدال ثابت معدل التفاعل "£" بالمعامل Kkazh ، والذي يعتمد على كل من خصائص تفاعل الوقود وقوانين النقل وبالتالي يسمى ثابت المعدل الظاهري لحرق الكربون الصلب.

يعتمد معدل التفاعلات الكيميائية للاحتراق على طبيعة الوقود والظروف الفيزيائية: تركيز الغاز المتفاعل على السطح ودرجة الحرارة والضغط. الاعتماد على درجة الحرارة لمعدل التفاعل الكيميائي هو الأقوى. في درجات الحرارة المنخفضة ، يكون معدل التفاعل الكيميائي منخفضًا ، ومن حيث استهلاك الأكسجين ، يكون عدة مرات أقل من المعدل الذي يمكن أن يتم فيه توصيل الأكسجين بالانتشار. تكون عملية الاحتراق محدودة حسب معدل التفاعل الكيميائي نفسه ولا يعتمد على ظروف الإمداد بالأكسجين ، أي سرعة تدفق الهواء ، وحجم الجسيمات ، وما إلى ذلك. لذلك ، تسمى هذه المنطقة من الاحتراق غير المتجانس بالحركية.

في المنطقة الحركية للاحتراق ، ad> - £ ، لذلك ، في الصيغة (15-3) ، يمكن إهمال قيمة 1 / ad مقارنة بـ 1 / & ثم نحصل على:

K ° 32 = KC0. (15-6)

يتم إنشاء التوازن بين كمية الأكسجين التي يتم توصيلها عن طريق الانتشار والمستهلكة في التفاعل عند تدرج صغير لتركيزه ، بسبب اختلاف قيمة تركيز الأكسجين على سطح التفاعل قليلاً عن قيمته في التدفق. في درجات الحرارة المرتفعة ، يمكن أن يحدث الاحتراق الحركي بمعدلات تدفق هواء عالية وأحجام جزيئات صغيرة من الوقود ، أي مع مثل هذا التحسن في ظروف تزويد الأكسجين ، عندما يمكن توصيل الأخير بكمية أكبر بكثير "مقارنة بالحاجة لتفاعل كيميائي.

تظهر مناطق مختلفة من الاحتراق غير المتجانس بيانياً في الشكل. 15-1. تتميز المنطقة الحركية I بالمنحنى 1 ، مما يدل على أنه مع زيادة درجة الحرارة ، يزداد معدل الاحتراق بشكل حاد وفقًا لقانون أرهينيوس.

عند درجة حرارة معينة ، يصبح معدل التفاعل الكيميائي متناسبًا مع معدل توصيل الأكسجين إلى سطح التفاعل ، ومن ثم يصبح معدل الاحتراق معتمداً ليس فقط على معدل التفاعل الكيميائي ، ولكن أيضًا على معدل توصيل الأكسجين. في هذه المنطقة ، تسمى المنطقة الوسيطة (الشكل 15-1 ، المنطقة الثانية ، المنحنى 1-2) ، معدلات هاتين المرحلتين قابلة للمقارنة ، ولا يمكن إهمال أي منهما ، وبالتالي يتم تحديد معدل عملية الاحتراق بالصيغة (15-3). مع زيادة درجة الحرارة ، يزداد معدل الاحتراق ، ولكن بدرجة أقل مما هو عليه في المنطقة الحركية ، ويتباطأ نموه تدريجيًا ويصل أخيرًا إلى الحد الأقصى عند الانتقال إلى منطقة الانتشار (الشكل 15-1 ، المنطقة III) ، المنحنى 2-3) ، تظل مستقلة عن درجة الحرارة. في درجات الحرارة المرتفعة في هذه المنطقة ، يزداد معدل التفاعل الكيميائي بشكل كبير بحيث يدخل الأكسجين الناتج عن الانتشار على الفور في تفاعل كيميائي ، ونتيجة لذلك يصبح تركيز الأكسجين على السطح صفراً تقريبًا. في الصيغة (15-3) ، يمكننا إهمال قيمة 1 / & مقارنة بـ 1 / إعلان ، ثم نحصل على أن معدل الاحتراق يتحدد بمعدل انتشار الأكسجين إلى سطح التفاعل ، أي

وبالتالي تسمى منطقة الاحتراق هذه بالانتشار. في منطقة الانتشار ، يكون معدل الاحتراق مستقلاً عمليًا عن خصائص الوقود ودرجة الحرارة. يؤثر تأثير درجة الحرارة فقط على التغيير في الثوابت الفيزيائية. في هذه المنطقة ، يتأثر معدل الاحتراق بشدة بظروف توصيل الأكسجين ، أي العوامل الهيدروديناميكية: السرعة النسبية لتدفق الغاز وحجم جزيئات الوقود. مع زيادة معدل تدفق الغاز وانخفاض حجم الجسيمات ، أي مع تسريع توصيل الأكسجين ، يزداد معدل انتشار الاحتراق.

أثناء الاحتراق ، يتم إنشاء توازن ديناميكي بين العملية الكيميائية لاستهلاك الأكسجين وعملية انتشار توصيله عند قيمة معينة لتركيز الأكسجين على سطح التفاعل. يعتمد تركيز الأكسجين على سطح الجسيم على نسبة معدلات هاتين العمليتين ؛ إذا ساد معدل الانتشار ، فسوف يقترب من التركيز في التدفق ، بينما تؤدي الزيادة في معدل التفاعل الكيميائي إلى انخفاضه.

يمكن أن تنتقل عملية الاحتراق التي تحدث في منطقة الانتشار إلى المنطقة الوسيطة (المنحنى 1 "-2") أو حتى إلى المنطقة الحركية مع زيادة الانتشار ، على سبيل المثال ، مع زيادة معدل التدفق أو انخفاض في حجم الجسيمات.

وبالتالي ، مع زيادة معدل تدفق الغاز والانتقال إلى جزيئات صغيرة ، تتحول العملية نحو الاحتراق الحركي. تؤدي الزيادة في درجة الحرارة إلى تحول العملية نحو الاحتراق بالانتشار (الشكل 15-1 ، المنحنى 2 "-3").

يعتمد مسار الاحتراق غير المتجانس في منطقة أو أخرى لأي حالة معينة على هذه الظروف المحددة. تتمثل المهمة الرئيسية لدراسة عملية الاحتراق غير المتجانس في تحديد مناطق الاحتراق وتحديد الأنماط الكمية لكل منطقة.

ماذا تقرأ

كيف تتذكر الناس؟ طرق فعالة. تذكر الوجوه إذا كنت تريد أن تتذكرها كيفية تحسين ذاكرتك: تذكر الوجوه والأسماء بشكل فعال ، يجب أن أعترف أنني لست دائمًا ...

Windows: تسجيل دخول تلقائي (تسجيل دخول تلقائي) إذا كنت تقوم بتشغيل Windows 7 على جهاز الكمبيوتر الشخصي الخاص بك ، فغالبًا ما تحتاج إلى تأكيد تسجيل الدخول الخاص بك (عن طريق ...

أحجام الصور القياسية الصورة هي لحظة واحدة من الحياة تبقى في الذاكرة لسنوات عديدة. بغض النظر عما يحدث ، ولكن عندما تأخذ ...

ما هي العملية التي تسمى الاحتراق غير المتجانس. أنواع وأنماط الاحتراق

ماذا تقرأ

الملاحظات الأخيرة

فئات