hjem

Hvilken prosess kalles heterogen forbrenning. Typer og moduser for forbrenning

De fysiske fenomenene som er oppført i forrige seksjon er observert i en lang rekke prosesser som er forskjellige både i arten av kjemiske reaksjoner og i aggregeringstilstanden til stoffene som er involvert i forbrenningen.

Det er homogen, heterogen og diffusjonsforbrenning.

Kapittel 1 forbrenningsteoretiske begreper

Homogen forbrenning inkluderer ferdigblandede gasser*. Tallrike eksempler på homogen forbrenning er prosessene for forbrenning av gasser eller damper der oksidasjonsmidlet er atmosfærisk oksygen: forbrenning av blandinger av hydrogen, blandinger av karbonmonoksid og hydrokarboner med luft. I praktisk viktige tilfeller er betingelsen om fullstendig foreløpig blanding ikke alltid oppfylt. Derfor er kombinasjoner av homogen forbrenning med andre typer forbrenning alltid mulig.

Homogen forbrenning kan implementeres i to moduser: laminær og turbulent. Turbulens akselererer forbrenningsprosessen på grunn av fragmenteringen av flammefronten i separate fragmenter og følgelig en økning i kontaktområdet til reaktantene med storskala turbulens eller akselerasjon av varme- og masseoverføringsprosesser i flammefronten med liten -skala turbulens. Turbulent forbrenning er preget av selvlikhet: turbulente virvler øker forbrenningshastigheten, noe som fører til en økning i turbulens.

Alle parametere for homogen forbrenning manifesteres også i prosesser der oksidasjonsmidlet ikke er oksygen, men andre gasser. For eksempel fluor, klor eller brom.

Under branner er diffusjonsforbrenningsprosesser de vanligste. I dem er alle reaktantene i gassfasen, men er ikke foreløpig blandet. Når det gjelder forbrenning av væsker og faste stoffer, skjer prosessen med brennstoffoksidasjon i gassfasen samtidig med prosessen med væskefordampning (eller dekomponering av fast materiale) og med blandingsprosessen.

Det enkleste eksemplet på diffusjonsforbrenning er forbrenning av naturgass i en gassbrenner. På branner realiseres modusen for turbulent diffusjonsforbrenning, når brennhastigheten bestemmes av hastigheten på turbulent blanding.

Det skilles mellom makromiksing og mikromiksing. Prosessen med turbulent blanding inkluderer suksessiv knusing av gass til mindre og mindre volumer og blande dem sammen. På det siste stadiet skjer den endelige molekylære blandingen ved molekylær diffusjon, hvis hastighet øker når fragmenteringsskalaen avtar. Etter fullført makromiksing

* Slik forbrenning kalles ofte kinetisk.

Korolchenko OG JEG. forbrennings- og eksplosjonsprosesser

Forbrenningshastigheten bestemmes av prosessene med mikroblanding i små volumer drivstoff og luft.

Heterogen forbrenning skjer ved grensesnittet. I dette tilfellet er en av de reagerende stoffene i kondensert tilstand, den andre (vanligvis atmosfærisk oksygen) kommer inn på grunn av diffusjon av gassfasen. En forutsetning for heterogen forbrenning er et svært høyt kokepunkt (eller dekomponering) av den kondenserte fasen. Hvis denne betingelsen ikke er oppfylt, innledes forbrenningen av fordampning eller dekomponering. Fra overflaten kommer en strøm av damp eller gassformige nedbrytningsprodukter inn i forbrenningssonen, og forbrenning skjer i gassfasen. Slik forbrenning kan tilskrives diffusjon kvasi-heterogen, men ikke helt heterogen, siden forbrenningsprosessen ikke lenger skjer ved fasegrensen. Utviklingen av slik forbrenning utføres på grunn av varmestrømmen fra flammen til overflaten av materialet, noe som sikrer ytterligere fordampning eller nedbrytning og strømmen av drivstoff inn i forbrenningssonen. I slike situasjoner oppstår et blandet tilfelle når forbrenningsreaksjoner delvis foregår heterogent - på overflaten av den kondenserte fasen, delvis homogent - i volumet av gassblandingen.

Et eksempel på heterogen forbrenning er forbrenning av kull og trekull. Under forbrenningen av disse stoffene skjer det to typer reaksjoner. Noen kullkvaliteter avgir flyktige komponenter ved oppvarming. Forbrenningen av slike kull innledes av deres delvise termiske dekomponering med frigjøring av gassformige hydrokarboner og hydrogen, som brenner i gassfasen. I tillegg, når rent karbon forbrennes, kan det dannes karbonmonoksid CO, som brenner ut i bulk. Med tilstrekkelig luftoverskudd og høy temperatur på kulloverflaten foregår bulkreaksjoner så nær overflaten at det i en viss tilnærming gir grunnlag for å betrakte en slik prosess som heterogen.

Et eksempel på virkelig heterogen forbrenning er forbrenning av ildfaste ikke-flyktige metaller. Disse prosessene kan kompliseres ved dannelse av oksider som dekker den brennende overflaten og forhindrer kontakt med oksygen. Med stor forskjell i de fysisk-kjemiske egenskapene mellom metallet og dets oksid, sprekker oksidfilmen under forbrenning, og oksygentilgang til forbrenningssonen sikres.

Kapittel 1. Grunnleggende begreper i teorien om forbrenning

Emne 4. TYPER FOR FORBRENNING.

I henhold til forskjellige tegn og funksjoner kan forbrenningsprosesser deles inn i følgende typer:

I henhold til aggregeringstilstanden til det brennbare stoffet:

Brennende gasser;

Forbrenning av væsker og smeltende faste stoffer;

Forbrenning av ikke-forbrukbare faststøvlignende og kompakte stoffer.

I henhold til fasesammensetningen av komponentene:

homogen forbrenning;

heterogen forbrenning;

Brennende eksplosiver.

I henhold til beredskapen til den brennbare blandingen:

Diffusjonsforbrenning (brann);

Kinetisk forbrenning (eksplosjon).

I henhold til dynamikken til flammefronten:

Stasjonære;

Ikke-stasjonær.

I henhold til arten av bevegelsen av gasser:

laminær;

Turbulent.

I henhold til graden av forbrenning av et brennbart stoff:

Ufullstendig.

I henhold til flammens forplantningshastighet:

Normal;

deflagrasjon;

Detonasjon.

La oss se nærmere på disse typene.

4.1. Forbrenning av gassformige, flytende og faste stoffer.

Avhengig av aggregeringstilstanden til et brennbart stoff, skilles forbrenning av gasser, væsker, støvete og kompakte faste stoffer.

I følge GOST 12.1.044-89:

1. Gasser er stoffer hvis kritiske temperatur er mindre enn 50 ° C. T cr er minimumsoppvarmingstemperaturen på 1 mol av et stoff i et lukket kar, hvor det fullstendig blir til damp (se § 2.3).

2. Væsker er stoffer med et smeltepunkt (dråpepunkt) på mindre enn 50 °C (se § 2.5).

3. Faste stoffer er stoffer med et smeltepunkt (dråpefall) på mer enn 50 0 С.

4. Støv er partikkelformede faste stoffer med en partikkelstørrelse på mindre enn 0,85 mm.

Sonen der en kjemisk reaksjon finner sted i en brennbar blanding, dvs. forbrenning kalles flammefronten.

Tenk på forbrenningsprosessene i luften på eksempler.

Forbrenning av gasser i en gassbrenner. Det er 3 flammesoner (fig. 12.):

Ris. 12. Plan for gassforbrenning: 1 - gjennomsiktig kjegle - dette er den første gassen som varmes opp (til selvantennelsestemperaturen); 2 - lysende sone på flammefronten; 3 - forbrenningsprodukter (de er nesten usynlige under fullstendig forbrenning av gasser og, spesielt under forbrenning av hydrogen, når det ikke dannes sot).

Bredden på flammefronten i gassblandinger er titalls brøkdeler av en millimeter.

Forbrenning av væsker i åpen beholder. Ved brenning i åpent kar er det 4 soner (fig. 13):

Ris. 13. Væskebrenning: 1 - væske; 2 - flytende damp (mørke områder); 3 - flammefront; 4 - forbrenningsprodukter (røyk).

Bredden på flammefronten er i dette tilfellet større; reaksjonen går langsommere.

Forbrenning av smeltende faste stoffer. Vurder å brenne et stearinlys. I dette tilfellet observeres 6 soner (fig. 14):

Ris. 14. Stearinlys brenning: 1 - hard voks; 2 - smeltet (flytende) voks; 3 - mørkt gjennomsiktig damplag; 4 - flammefront; 5 - forbrenningsprodukter (røyk); 6 - veke.

Den brennende veken tjener til å stabilisere forbrenningen. Væske absorberes i den, stiger langs den, fordamper og brenner. Bredden på flammefronten øker, noe som øker lysstyrkeområdet, siden det brukes mer komplekse hydrokarboner, som fordamper, brytes ned og deretter reagerer.

Forbrenning av ikke-forbrukbare faste stoffer. Vi vil vurdere denne typen forbrenning ved å bruke eksemplet med å brenne en fyrstikk og en sigarett (fig. 15 og 16).

Det er også 5 tomter her:

Ris. 15. Brenne en fyrstikk: 1 - fersk ved; 2 - forkullet tre; 3 - gasser (forgassede eller fordampede flyktige stoffer) - dette er en mørk gjennomsiktig sone; 4 - flammefront; 5 - forbrenningsprodukter (røyk).

Det kan sees at det brente området av fyrstikken er mye tynnere og har en svart farge. Det betyr at en del av kampen ble forkullet, d.v.s. den ikke-flyktige delen ble igjen, og den flyktige delen fordampet og brant. Forbrenningshastigheten til kull er mye langsommere enn for gasser, så det har ikke tid til å brenne helt ut.

Fig.16. Sigarettbrenning: 1 - innledende tobakksblanding; 2 - ulmende område uten flammefront; 3 - røyk, dvs. produkt av brente partikler; 4 - røyk trukket inn i lungene, som hovedsakelig er gassifiserte produkter; 5 - harpiks kondensert på filteret.

Den flammeløse termisk-oksidative nedbrytningen av et stoff kalles ulming. Det oppstår når det er utilstrekkelig diffusjon av oksygen inn i forbrenningssonen og kan oppstå selv med en svært liten mengde (1-2%). Røyken er blå, ikke svart. Dette betyr at den inneholder mer forgassede, enn brente, stoffer.

Askens overflate er nesten hvit. Dette betyr at med tilstrekkelig tilførsel av oksygen oppstår fullstendig forbrenning. Men inni og på grensen til det brennende laget med friske er det et svart stoff. Dette indikerer ufullstendig forbrenning av forkullede partikler. Forresten, damper av flyktige harpiksholdige stoffer kondenserer på filteret.

En lignende type forbrenning observeres under forbrenning av koks, dvs. kull, hvorfra flyktige stoffer (gasser, harpikser) er fjernet, eller grafitt.

Dermed fortsetter forbrenningsprosessen av gasser, væsker og de fleste faste stoffer i gassform og er ledsaget av en flamme. Noen faste stoffer, inkludert de som har en tendens til selvantennelse, brenner i form av ulming på overflaten og inne i materialet.

Forbrenning av støvete stoffer. Forbrenningen av støvlaget skjer på samme måte som i kompakt tilstand, bare forbrenningshastigheten øker på grunn av økningen i kontaktflaten med luft.

Forbrenningen av støvlignende stoffer i form av en flysuspensjon (støvsky) kan foregå i form av gnister, dvs. forbrenning av individuelle partikler, ved lavt innhold av flyktige stoffer som ikke er i stand til å danne en tilstrekkelig mengde gasser under fordampning for en enkelt flammefront.

Hvis det dannes en tilstrekkelig mengde forgassede flyktige stoffer, oppstår flammeforbrenning.

Brennende eksplosiver. Denne typen inkluderer forbrenning av eksplosiver og krutt, de såkalte kondenserte stoffene, der drivstoffet og oksidasjonsmidlet allerede er kjemisk eller mekanisk bundet. For eksempel: i trinitrotoluen (TNT) tjener C 7 H 5 O 6 N 3 × C 7 H 5 × 3NO 2, O 2 og NO 2 som oksidasjonsmidler; i sammensetningen av krutt - svovel, salpeter, kull; som en del av hjemmelagde eksplosiver, aluminiumspulver og ammoniumnitrat, et bindemiddel - sololje.

4.2. Homogen og heterogen forbrenning.

Basert på de vurderte eksemplene, avhengig av aggregeringstilstanden til blandingen av drivstoff og oksidasjonsmiddel, dvs. fra antall faser i blandingen, skiller de:

1. Homogen forbrenning gasser og damper av brennbare stoffer i miljøet til et gassformig oksidasjonsmiddel. Dermed fortsetter forbrenningsreaksjonen i et system bestående av én fase (aggregattilstand).

2. Heterogen forbrenning faste brennbare stoffer i et gassformig oksidasjonsmiddelmiljø. I dette tilfellet fortsetter reaksjonen ved grenseflaten, mens den homogene reaksjonen fortsetter gjennom hele volumet.

Dette er forbrenning av metaller, grafitt, dvs. praktisk talt ikke-flyktige materialer. Mange gassreaksjoner er av homogen-heterogen karakter, når muligheten for at en homogen reaksjon oppstår skyldes opprinnelsen til en samtidig heterogen reaksjon.

Forbrenningen av alle flytende og mange faste stoffer, hvorfra damper eller gasser (flyktige stoffer) frigjøres, fortsetter i gassfasen. De faste og flytende fasene spiller rollen som reservoarer for de reagerende produktene.

For eksempel går en heterogen reaksjon av spontan forbrenning av kull inn i en homogen fase av forbrenning av flyktige stoffer. Koksrester brenner heterogent.

4.3. Diffusjon og kinetisk forbrenning.

I henhold til graden av fremstilling av den brennbare blandingen, skilles diffusjon og kinetisk forbrenning.

Forbrenningstypene som vurderes (unntatt eksplosiver) er diffusiv forbrenning. Flamme, dvs. forbrenningssonen til en blanding av drivstoff med luft, for å sikre stabilitet, må hele tiden tilføres drivstoff og oksygen i luften. Strømmen av brennbar gass avhenger bare av tilførselshastigheten til forbrenningssonen. Inntrengningshastigheten til en brennbar væske avhenger av intensiteten av dens fordampning, dvs. på damptrykket over overflaten av væsken, og følgelig på væskens temperatur. Antennelsestemperatur kalt den laveste temperaturen på væsken der flammen over overflaten ikke slukker.

Forbrenning av faste stoffer skiller seg fra forbrenning av gasser ved tilstedeværelsen av et trinn med dekomponering og gassifisering, etterfulgt av antennelse av flyktige pyrolyseprodukter.

Pyrolyse- dette er oppvarming av organiske stoffer til høye temperaturer uten lufttilgang. I dette tilfellet oppstår dekomponering, eller spaltning, av komplekse forbindelser til enklere (koksing av kull, krakking av olje, tørr destillasjon av tre). Derfor er forbrenningen av et fast brennbart stoff inn i forbrenningsproduktet ikke kun konsentrert i flammesonen, men har en flertrinnskarakter.

Oppvarming av den faste fasen forårsaker nedbrytning og utvikling av gasser som antennes og brenner. Varmen fra fakkelen varmer opp den faste fasen, forårsaker forgassing og prosessen gjentas, og støtter dermed forbrenningen.

Fastforbrenningsmodellen antar tilstedeværelsen av følgende faser (fig. 17):

Ris. 17. Forbrenningsmodell

fast.

Oppvarming av den faste fasen. For smeltende stoffer skjer smelting i denne sonen. Tykkelsen på sonen avhenger av konduktivitetstemperaturen til stoffet;

Pyrolyse, eller reaksjonssonen i fast fase, hvor gassformige brennbare stoffer dannes;

Forflamme i gassfasen, hvor en blanding med et oksidasjonsmiddel dannes;

En flamme, eller reaksjonssone i gassfasen, der omdannelsen av pyrolyseprodukter til gassformige forbrenningsprodukter;

forbrenningsprodukter.

Graden av oksygentilførsel til forbrenningssonen avhenger av dens diffusjon gjennom forbrenningsproduktet.

Generelt, siden hastigheten på en kjemisk reaksjon i forbrenningssonen i de aktuelle forbrenningstypene avhenger av ankomsthastigheten til de reagerende komponentene og flammeoverflaten ved molekylær eller kinetisk diffusjon, kalles denne typen forbrenning. spredning.

Flammestrukturen ved diffusjonsforbrenning består av tre soner (fig. 18):

Sone 1 inneholder gasser eller damper. Det er ingen forbrenning i denne sonen. Temperaturen overstiger ikke 500 0 C. Nedbryting, pyrolyse av flyktige stoffer og oppvarming til selvantennelsestemperatur skjer.

Ris. 18. Strukturen til flammen.

I sone 2 dannes en blanding av damper (gasser) med atmosfærisk oksygen og ufullstendig forbrenning skjer til CO med delvis reduksjon til karbon (lite oksygen):

C n H m + O 2 → CO + CO 2 + H 2 O;

I den tredje ytre sonen blir produktene fra den andre sonen fullstendig brent og den maksimale flammetemperaturen observeres:

2CO+O 2 \u003d 2CO 2;

Høyden på flammen er proporsjonal med diffusjonskoeffisienten og strømningshastigheten til gassene og er omvendt proporsjonal med gassens tetthet.

Alle typer diffusjonsforbrenning er iboende i branner.

Kinetisk forbrenning er forbrenning av ferdigblandet brennbar gass, damp eller støv med et oksidasjonsmiddel. I dette tilfellet avhenger brennhastigheten bare av de fysisk-kjemiske egenskapene til den brennbare blandingen (varmeledningsevne, varmekapasitet, turbulens, konsentrasjon av stoffer, trykk, etc.). Derfor øker brennhastigheten kraftig. Denne typen forbrenning er iboende i eksplosjoner.

I dette tilfellet, når den brennbare blandingen antennes på et tidspunkt, beveger flammefronten seg fra forbrenningsproduktene inn i den ferske blandingen. Dermed er flammen under kinetisk forbrenning oftest ustø (fig. 19).

Ris. 19. Skjema for flammespredning i en brennbar blanding: - antennelseskilde; - flammefrontens bevegelsesretning.

Selv om den brennbare gassen blandes med luft og mates inn i brenneren, dannes det en stasjonær flamme under tenning, forutsatt at blandingens tilførselshastighet er lik flammens forplantningshastighet.

Hvis gasstilførselshastigheten økes, bryter flammen vekk fra brenneren og kan gå ut. Og hvis hastigheten reduseres, vil flammen trekkes inn på innsiden av brenneren med en mulig eksplosjon.

I henhold til graden av forbrenning, dvs. fullstendigheten av forbrenningsreaksjonen til sluttproduktene, skjer forbrenning komplett og ufullstendig.

Så i sone 2 (fig. 18) er forbrenningen ufullstendig, fordi det tilføres utilstrekkelig oksygen, som delvis forbrukes i sone 3, og det dannes mellomprodukter. Sistnevnte brenner ut i sone 3, hvor det er mer oksygen, inntil fullstendig forbrenning. Tilstedeværelsen av sot i røyken indikerer ufullstendig forbrenning.

Et annet eksempel: når det er mangel på oksygen, brenner karbon til karbonmonoksid:

Hvis du legger til O, går reaksjonen til slutten:

2CO + O 2 \u003d 2CO 2.

Forbrenningshastigheten avhenger av arten av bevegelsen av gasser. Derfor skilles laminær og turbulent forbrenning.

Så et eksempel på laminær forbrenning er flammen til et stearinlys i stille luft. På laminær forbrenning lag av gasser strømmer parallelt, men uten å virvle.

Turbulent forbrenning- virvelbevegelse av gasser, der de brennende gassene blandes intensivt, og flammefronten vaskes ut. Grensen mellom disse typene er Reynolds-kriteriet, som karakteriserer forholdet mellom treghetskreftene og friksjonskreftene i strømmen:

hvor: u- gassstrømningshastighet;

n- kinetisk viskositet;

l- karakteristisk lineær størrelse.

Reynolds-tallet der overgangen av et laminært grenselag til et turbulent skjer, kalles kritisk Re cr, Re cr ~ 2320.

Turbulens øker forbrenningshastigheten på grunn av mer intens varmeoverføring fra forbrenningsproduktene til den ferske blandingen.

4.4. Normal forbrenning.

Avhengig av hastigheten på flammeutbredelsen under kinetisk forbrenning, kan enten normal forbrenning (innen noen få m/s), eller eksplosiv deflagrasjon (titalls m/s), eller detonasjon (tusenvis av m/s) realiseres. Disse typer forbrenning kan gå over i hverandre.

Normal forbrenning- dette er forbrenning, der spredningen av flammen skjer i fravær av ytre forstyrrelser (turbulens eller endringer i gasstrykket). Det avhenger bare av arten av det brennbare stoffet, dvs. termisk effekt, koeffisienter for varmeledningsevne og diffusjon. Derfor er det en fysisk konstant av en blanding av en viss sammensetning. I dette tilfellet er brennhastigheten vanligvis 0,3-3,0 m/s. Normal forbrenning er navngitt fordi hastighetsvektoren for dens utbredelse er vinkelrett på flammefronten.

4.5. Deflagrasjon (eksplosiv) forbrenning.

Normal forbrenning er ustabil og har en tendens til å akselerere seg selv i et lukket rom. Årsaken til dette er krumningen av flammefronten på grunn av friksjon av gassen mot karets vegger og endringer i trykk i blandingen.

Tenk på prosessen med flammeutbredelse i et rør (fig. 20).

Ris. 20. Plan for forekomsten av eksplosiv forbrenning.

Først, i den åpne enden av røret, forplanter flammen seg med normal hastighet, fordi forbrenningsprodukter utvides fritt og kommer ut. Blandingstrykket endres ikke. Varigheten av den jevne spredningen av flammen avhenger av diameteren på røret, typen drivstoff og dens konsentrasjon.

Når flammefronten beveger seg inne i røret, har reaksjonsproduktene, som har et større volum sammenlignet med den opprinnelige blandingen, ikke tid til å gå ut og trykket øker. Dette trykket begynner å presse i alle retninger, og derfor, foran flammefronten, begynner blandingen å bevege seg i retning av flammeutbredelse. Lagene som grenser til veggene bremses. Flammen har den høyeste hastigheten i midten av røret, og den laveste hastigheten er nær veggene (på grunn av varmefjerning i dem). Derfor forlenges flammefronten i retning av flammeutbredelse, og overflaten øker. I forhold til dette øker mengden av den brennbare blandingen per tidsenhet, noe som medfører en økning i trykket, og deretter øker hastigheten på gassbevegelsen osv. Dermed er det en skredlignende økning i hastigheten på flammeutbredelsen opp til hundrevis av meter per sekund.

Prosessen med flammeutbredelse gjennom en brennbar gassblanding, der en selvakselererende forbrenningsreaksjon forplanter seg på grunn av oppvarming ved varmeledning fra et tilstøtende lag av reaksjonsprodukter, kalles deflagrasjon. Vanligvis er hastighetene for deflagrasjonsforbrenning subsoniske, dvs. mindre enn 333 m/s.

4.6. detonasjonsforbrenning.

Hvis vi vurderer forbrenningen av en brennbar blanding i lag, så som et resultat av termisk utvidelse av volumet av forbrenningsprodukter, hver gang det oppstår en kompresjonsbølge foran flammefronten. Hver påfølgende bølge, som beveger seg gjennom et tettere medium, fanger opp med den forrige og legges over den. Gradvis går disse bølgene sammen til én sjokkbølge (fig. 21).

Ris. 21. Skjema for dannelsen av en detonasjonsbølge: 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.

I en sjokkbølge, som et resultat av adiabatisk kompresjon, øker tettheten av gasser øyeblikkelig og temperaturen stiger til T 0 ved selvantennelse. Som et resultat blir den brennbare blandingen antent av en sjokkbølge og detonasjon- forplantning av forbrenning ved antennelse av en sjokkbølge. Detonasjonsbølgen går ikke ut, pga drevet av sjokkbølger fra flammen som beveger seg bak den.

Et trekk ved detonasjon er at det skjer ved en supersonisk hastighet på 1000-9000 m/s, bestemt for hver sammensetning av blandingen, derfor er det en fysisk konstant for blandingen. Det avhenger bare av brennverdien til den brennbare blandingen og varmekapasiteten til forbrenningsproduktene.

Møtet av en sjokkbølge med en hindring fører til dannelsen av en reflektert sjokkbølge og enda større trykk.

Detonasjon er den farligste formen for flammespredning, fordi. har en maksimal eksplosjonskraft (N=A/t) og en enorm hastighet. I praksis kan detonasjon «nøytraliseres» kun i pre-detonasjonsdelen, dvs. i avstand fra antenningspunktet til punktet for detonasjonsforbrenning. For gasser er lengden på denne delen fra 1 til 10 m.

Det er homogen, heterogen og diffusjonsforbrenning.

Kapittel 1 forbrenningsteoretiske begreper

Alle parametere for homogen forbrenning manifesteres også i prosesser der oksidasjonsmidlet ikke er oksygen, men andre gasser. For eksempel fluor, klor eller brom.

* Slik forbrenning kalles ofte kinetisk.

Korolchenko OG JEG. forbrennings- og eksplosjonsprosesser

forbrenningshastigheten bestemmes av prosessene med mikroblanding inne i små volumer drivstoff og luft.

1.3. Forbrenning i en gass i bevegelse

Begrepet "normal flammehastighet"* brukes for å beskrive forbrenningsprosesser. Det karakteriserer hastigheten til flammefronten i en stasjonær gassblanding. En slik idealisert tilstand kan bare skapes i et laboratorieeksperiment. Under reelle forbrenningsforhold eksisterer flammen alltid i bevegelige bekker.

Flammens oppførsel under slike forhold er underlagt to lover etablert av den russiske forskeren V. A. Mikhelson.

Den første av dem fastslår at komponenten av gassens strømningshastighet v langs normalen til flammefronten som forplanter seg gjennom en stasjonær blanding er lik normal hastighet for flammeutbredelse og dividert med cos

hvor er vinkelen mellom normalen til flammeoverflaten og retningen til gasstrømmen.

Verdi v karakteriserer mengden gass som brenner per tidsenhet i en skrå flamme. Det er vanlig å kalle det den faktiske brennhastigheten i bekken. Den faktiske hastigheten i alle tilfeller er lik eller over normal hastighet.

Denne loven gjelder kun for flate flammer. Å generalisere det til ekte flammer med en krumning av flammefronten gir formuleringen av den andre loven - områdenes lov.

La oss anta at i en gassstrøm med en hastighet v og tverrsnittet av en stasjonær buet flammefront med felles overflate S. Ved hvert punkt av flammefronten forplanter flammen seg langs normalen til overflaten med en hastighet og. Da vil volumet av den brennbare blandingen som brenner per tidsenhet være:

I samsvar med balansen til kildegassen er det samme volumet lik:

* Dette begrepet er tilstrekkelig til begrepet "normal brennhastighet".

Ved å likestille de venstre delene av (1.2) og (1.3) får vi:

I referanserammen der flammefronten beveger seg gjennom en stasjonær gassblanding, betyr forhold (1.4) at flammen forplanter seg i forhold til gassen med en hastighet v. Formel (1.4) er et matematisk uttrykk for områdeloven, hvorfra det følger en viktig konklusjon: når flammefronten er buet, øker brennhastigheten proporsjonalt med økningen i overflaten. Derfor intensiverer den inhomogene bevegelsen av gass alltid forbrenningen.

1.4. Turbulent forbrenning

Av loven om områder følger det at turbulens øker forbrenningshastigheten. Ved brann kommer dette til uttrykk ved en sterk intensivering av flammeforplantningsprosessen.

Skille (Fig. 1.2) to typer turbulent forbrenning: forbrenning av en homogen gassblanding og mikrodiffusjon turbulent forbrenning.

Ris. 1.2. Klassifisering av turbulent forbrenning

Når en homogen blanding brenner i turbulent forbrenningsmodus, er to tilfeller mulig: utseendet til småskala og storskala

Kapittel 1. Grunnleggende begreper i teorien om forbrenning

turbulens i hovedkvarteret. En slik inndeling gjøres avhengig av forholdet mellom turbulensskalaen og tykkelsen på flammefronten. Ved en turbulensskala som er mindre enn tykkelsen på flammefronten, omtales den som småskala, og i større skala - til storskala. Virkningsmekanismen for småskala turbulens skyldes intensiveringen av forbrenningsprosesser på grunn av akselerasjonen av varme- og masseoverføringsprosesser i flammesonen. Ved beskrivelse av småskala turbulens i formlene for flammeutbredelseshastigheten erstattes diffusjons- og termisk diffusivitetskoeffisient med turbulent utvekslingskoeffisient.

De høyeste brennehastighetene observeres under storskala turbulens. I dette tilfellet er to formulig: overflate og volumetrisk.

Overflatemekanismen består i krumningen av flammefronten ved turbulente pulsasjoner. I dette tilfellet øker brennhastigheten proporsjonalt med økningen i frontflaten. Dette gjelder imidlertid bare for forhold der kjemiske transformasjoner i flammen fullføres raskere enn turbulent blanding rekker å skje. I dette tilfellet, når den turbulente blandingen overtar den kjemiske reaksjonen, vaskes reaksjonssonen ut av turbulente pulsasjoner. Slike prosesser er beskrevet av lovene for volumetrisk turbulent forbrenning.

Den turbulente blandetiden er lik skalaforholdet

turbulens til fluktuerende hastighet Derfor akselerasjonen

flamme på grunn av turbulente pulsasjoner oppstår i henhold til overflatemekanismen, hvis følgende betingelse er oppfylt:

Korolchenko A.Ya. forbrennings- og eksplosjonsprosesser

hvor er tidspunktet for den kjemiske reaksjonen ved temperaturen til brenneren

Hvis betingelsen (1.5) ikke er oppfylt, finner mekanismen for bulk turbulent forbrenning sted.

Tidspunktet for en kjemisk reaksjon kan uttrykkes i form av makroskopiske størrelser: normal flammehastighet og flammefronttykkelse

Da har overflateakselerasjonskriteriet formen:

(1.8)

For å estimere forplantningshastigheten til en turbulent flamme under overflateakselerasjon, foreslo K. I. Shchelkin følgende formel:

hvor AT - et svakt varierende antall som ikke overstiger én. I grensen med sterk turbulens tenderer den turbulente flammehastigheten til den pulserende hastigheten, dvs. PÅ- til enheten.

1.5. Funksjoner ved brennende eksplosiver

Eksplosiver er individuelle stoffer eller blandinger derav som under påvirkning av ytre påvirkning (oppvarming, støt, friksjon, eksplosjon av et annet eksplosiv) er i stand til en rask selvforplantende kjemisk transformasjon med frigjøring av en stor mengde varme og dannelse av gasser.

Fra vanlige brennbare stoffer, hvis forbrenning oppstår ved interaksjon med oksygen eller andre eksterne oksidasjonsmidler, inneholder eksplosiver, som er i en kondensert (fast eller flytende) fase, alle komponentene som er involvert i forbrenningen. Sprengstoff kan være både individuelle kjemiske forbindelser og mekaniske blandinger.

De fleste individuelle eksplosiver er nitroforbindelser: trinitrotoluen, tetryl, heksogen, oktogen, nitroglyserin.

Kapittel 1. Grunnleggende begreper i teorien om forbrenning

cerin, cellulosenitrater osv. Klorater, perklorater, azider, organiske peroksider har også eksplosive egenskaper.

Molekyler av organiske nitroforbindelser inneholder svakt bundet oksygen i form av en nitrogruppe - Dermed inneholder ett molekyl både et drivstoff og et oksidasjonsmiddel. Deres forbrenning på grunn av intramolekylær oksidasjon kan begynne med mindre ytre påvirkninger.

En betydelig gruppe eksplosiver er endoterme forbindelser, hvis molekyler ikke inneholder oksygen. I dette tilfellet er energikilden ikke oksidasjon, men direkte forfall. Disse forbindelsene inkluderer azider av bly, sølv og andre metaller. Mekaniske blandinger inkluderer blandinger av fast brensel og faste oksidasjonsmidler. Et eksempel på en slik blanding er svart pulver.

1.6. Termodynamikk ved forbrenning

hydrokarbon-luftblandinger

Termodynamikkens lover gjør det mulig å beregne parametrene som er nødvendige for å beskrive forbrenningsprosesser: ekspansjonskoeffisienten av forbrenningsprodukter under innledende forhold for forholdet mellom varmekapasiteter ved konstant trykk og konstant volum, både for fersk blanding og for forbrenningsprodukter; maksimalt eksplosjonstrykk p e; adiabatisk temperatur av forbrenningsprodukter under isobariske og isokoriske forhold, sammensetning av forbrenningsprodukter

Denne delen beskriver algoritmen for å beregne likevektstilstanden til forbrenningsprodukter av C-H-0-N-holdige brennbare stoffer i luft i et bredt spekter av begynnelsestemperaturer, trykk og konsentrasjoner, utviklet av prof. V.V. Molkov. Algoritmen er basert på generalisering og systematisering av termodynamiske og matematiske metoder ved å bruke de mest nøyaktige dataene om de termodynamiske egenskapene til individuelle stoffer.

For å øke påliteligheten til resultatene i beregningene, er det nødvendig å ta hensyn til ikke bare oksygen og nitrogen i luften, men også andre gasser inkludert i sammensetningen - , H 2 0, C0 2. En økning i antall komponenter i forbrenningsprodukter til 19 (H 2, H 2 0, CO 2, N 2, Ag, C-gass, H, O, N, CO, CH 4, HCN, 0 2,

Og utføre beregninger som tar hensyn til sammensetningen av

Korolchenko A.Ya. forbrennings- og eksplosjonsprosesser

ånd av middels fuktighet

De kompliserer ikke beregninger på en datamaskin, hvis bruk kan redusere beregningstiden betydelig, samtidig som de øker nøyaktigheten i forhold til den omtrentlige tilnærmingen uten å bruke en datamaskin.

Den totale reaksjonen for forbrenning av drivstoff i luft med middels fuktighet per mol fersk blanding kan skrives som

hvor er den volumetriske konsentrasjonen av drivstoff i den ferske blandingen: -

antall karbon-, hydrogen-, oksygen- og nitrogenatomer, henholdsvis, i brenselmolekylet; er antall mol av den i-te komponenten av forbrenningsproduktene;

- th komponent i forbrenningsprodukter.

Det totale antallet atomer i systemet, beregnet fra sammensetningen av den ferske blandingen, er

Forholdet mellom antall atomer av henholdsvis karbon, hydrogen, nitrogen og argon til antall oksygenatomer er konstanter for en bestemt blanding og avhenger ikke av den termodynamiske tilstanden til det lukkede systemet:

Antall oksygenatomer i systemet.

Kapittel 1. Grunnleggende begreper i teorien om forbrenning

For en adiabatisk forbrenningsprosess under isobariske forhold er loven om bevaring av energi ekvivalent med loven om bevaring av entalpien til et lukket system

Hei = Hj,(1.15)

hvor H er entalpien og indeksene og j angi parametrene til henholdsvis den ferske blandingen og forbrenningsproduktene. Føflekkentalpi av fersk blanding

hvor og er entalpien til henholdsvis drivstoff og luft, når

starttemperatur Avhengigheten av entalpien til drivstoff og luft av starttemperaturen i området fra 250 til 500 K er gitt av et polynom av fjerde grad

hvor(298) er entalpien for dannelse av et stoff ved en temperatur på 298 K;

Entalpi ved temperatur T;- numeriske koeffisienter,

bestemt ved å løse et system av lineære ligninger, for eksempel ved Gauss-Jordan eliminasjonsmetoden; T 0 - en vilkårlig konstant temperaturverdi.

Entalpi av forbrenningsprodukter oppnådd ved å brenne en mol fersk blanding

hvor summen i parentes er lik antall mol produkter under forbrenningen av en mol fersk blanding; - molar fraksjon av komponenten av forbrenningsproduktene; - entalpi av forbrenningsproduktet ved temperatur

omvisning T.

Entalpiverdier

bestemmes ut fra avhengigheten av den reduserte Gibbs-energien av temperaturen Ф(Т) i temperaturområdet fra 500 til 6000 K. Det er kjent at

Korolchenko A.Ya. forbrennings- og eksplosjonsprosesser

hvor T e - likevektstemperatur for forbrenningsprodukter i bomben.

Eksplosjonstrykket til en gassblanding i en lukket bombe bestemmes av forholdet mellom tilstandsligningene til en ideell gass for forbrenningsprodukter og en fersk blanding

For å finne likevektssammensetningen til forbrenningsprodukter er det nødvendig å løse et system som inkluderer 5 lineære (massekonserveringsligninger) og 14 ikke-lineære (kjemiske likevektsligninger) algebraiske ligninger.

For en isobar prosess er det tilrådelig å skrive massekonserveringsligningene i form av molfraksjonene av forbrenningsprodukter

Kapittel 1. Grunnleggende begreper i teorien om forbrenning

Korolchenko A.Ya. forbrennings- og eksplosjonsprosesser

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

hvor R er trykket som reaksjonen fortsetter ved, atm. Avhengigheten av kjemiske likevektskonstanter av temperatur er hentet fra referansedata for dissosiasjonsreaksjoner

som er likevektskonstanten til dissosiasjonsreaksjonen (1.43 a)

ved temperatur - de reduserte Gibbs-energiene tilsvarer

av reaktantene - termisk effekt av reaksjonen (1,44)

ved absolutt null temperatur.

De adiabatiske parametrene for den ferske blandingen og forbrenningsproduktene bestemmes ved hjelp av Mayer-ligningen med formelen

For en fersk blanding bestemmes verdiene ved å differensiere uttrykk (1.17) for entalpien til gasser i den opprinnelige blandingen (drivstoff og luft) med hensyn til temperatur; for forbrenningsprodukter, av uttrykkene oppnådd som et resultat av differensieringsligningen (1.19) med hensyn til temperatur T.

Ved beregning av forbrenningsprosesser i et konstant volum, er likevektskonstanten, som for en ideell gass kun avhenger av temperatur,

som likevekten beregnes ved, og ikke er avhengig av trykk, er det lurt å skrive den ikke i form av molfraksjoner, slik det ble gjort ved beregning av forbrenning under isobariske forhold i ligninger (1.30) - (1.43), men mht. antall føflekker P,. Så har vi for eksempel for reaksjon (1.31).

hvor Г er temperaturen som likevektskonstanten beregnes ved; R, og Г, er startverdiene for trykket og temperaturen til den ferske blandingen. når pe-

Korolchenko A.Ya. forbrennings- og eksplosjonsprosesser

i overgangen fra molfraksjoner til antall mol i den isokoriske prosessen i massekonserveringsligningene (15)-(18), er det nødvendig å erstatte verdiene med de tilsvarende. Ligning (19) vil da bli skrevet som

Etter å ha multiplisert begge deler av ligning (1.28) med en kan man beregne mengden som trengs for å beregne eksplosjonstrykket til en gassblanding i en bombe med konstant volum i henhold til ligning (1.22).

La oss beskrive en metode for å løse likningssystemet (1.15), (1.23)-(1.43), som inneholder 21 ukjente mengder: 19 molfraksjoner av forbrenningsprodukter, det totale antallet mol produkter under forbrenningen av en mol ferske blanding og entalpien til forbrenningsprodukter. Molfraksjonene av hydrogen, vann, karbondioksid, nitrogen og argon er valgt som uavhengige variabler.

andelene til de resterende 14 forbrenningsproduktene er uttrykt i form av likevektskonstanter og utvalgte uavhengige variabler fra ligningene (1.29)-(1.43). Deretter omskriver vi henholdsvis ligningene (1.23)-(1.26) og (1.28) i formen

F(A, B, C, D, E) = 0,

G (A, B, C, D, E) = 0,

H(A,B,C,D,.E) = 0, (1,49)

J (A, B, C, D, E) = 0,

I (A, B, C, D, E) = 0.

Etter å ha linearisert ligningssystemet (1.49) ved å utvide i en Taylor-serie opp til ledd som inneholder førstederiverte, får vi

hvor osv. (indeks 0 angir bruken av

inngangsverdier). Ligningssystemet (1,50) inneholder fem ukjente - som er inkrementer til originalen

Kapittel 1. Grunnleggende begreper i teorien om forbrenning

kjent - som er stigninger til originalen

molfraksjoner A, B, C, D, E. Systemet kan løses med ulike metoder, for eksempel ved å beregne og dividere med hverandre determinantene til de tilsvarende matrisene til ligningssystemet (1,50) eller ved å bruke Gauss-Jordan eliminasjonsmetoden.

Ved den antatte verdien av likevektstemperaturen til forbrenningsproduktene T beregne verdiene til likevektskonstantene .. Bestem deretter

er basert på startverdiene til de uavhengige variablene A, B, C, D, E verdiene til de gjenværende molfraksjonene av forbrenningsprodukter, og derav koeffisientene til ligningssystemet (1,50). Deretter, ved å løse dette ligningssystemet, blir nye verdier funnet

Den iterative prosessen gjentas til de absolutte verdiene av forholdene blir mindre enn en viss verdi, lik for eksempel (ved , beregningsresultatene endres praktisk talt ikke). Således bestemmes likevektssammensetningen til forbrenningsproduktene ved forventet temperatur T. I henhold til likevektssammensetningen til produktene, i henhold til ligning (1.27), er verdien av £u, - funnet, noe som gjør det mulig å beregne verdiene til entalpien hj forbrenningsprodukter i henhold til formel (1.18).

For forbrenning under isokoriske forhold er rekkefølgen av beregninger lik den som er beskrevet ovenfor. Forskjellen, som allerede nevnt, er at beregningen ikke utføres for molfraksjoner, men for antall mol, og i stedet for entalpier, beregnes den indre energien til den ferske blandingen og forbrenningsproduktene.

I tabellen. Tabell 1.1 viser de beregnede termodynamiske parameterne for støkiometriske blandinger av metan, propan, heksan, heptan, aceton, isopropylalkohol og benzen med luft.

Tabell 1.1. Maksimalt adiabatisk eksplosjonstrykk i et lukket kar, temperatur på forbrenningsprodukter, adiabatiske indekser for fersk blanding og forbrenningsprodukter Ei for støkiometriske hydrokarbonblandinger ved

starttemperatur = 298,15 K

Korolchenko A.Ya. forbrennings- og eksplosjonsprosesser

	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

Den støkiometriske konsentrasjonen av drivstoff under forbrenning i luft med middels fuktighet og i tørr luft bestemmes henholdsvis av formlene:

hvor er den støkiometriske koeffisienten for oksygen, lik antall mol oksygen per 1 mol av et brennbart stoff under dets fullstendige forbrenning.

Kapittel 1. Grunnleggende begreper i teorien om forbrenning

På ris. 1.3 som et eksempel vises den beregnede endringen i forbrenningstemperatur og molfraksjoner av hovedkomponentene i forbrenningsprodukter avhengig av volumkonsentrasjonen av drivstoff for en heksan-luftblanding.

Ris. 1.3. Avhengighet av sammensetning og temperatur til forbrenningsprodukter

heksan-luftblanding ved et trykk på 0,101 MPa og starttemperatur

298,15 K fra heksankonsentrasjon

Homogen og heterogen forbrenning.

Basert på de vurderte eksemplene, avhengig av aggregeringstilstanden til blandingen av drivstoff og oksidasjonsmiddel, dvs. fra antall faser i blandingen, skiller de:

For eksempel går en heterogen reaksjon av spontan forbrenning av kull inn i en homogen fase av forbrenning av flyktige stoffer. Koksrester brenner heterogent.

I henhold til graden av fremstilling av den brennbare blandingen, skilles diffusjon og kinetisk forbrenning.

Forbrenning av faste stoffer skiller seg fra forbrenning av gasser ved tilstedeværelsen av et trinn med dekomponering og gassifisering, etterfulgt av antennelse av flyktige pyrolyseprodukter.

Fastforbrenningsmodellen antar tilstedeværelsen av følgende faser (fig. 17):

Ris. 17. Forbrenningsmodell

fast.

Oppvarming av den faste fasen. For smeltende stoffer skjer smelting i denne sonen. Tykkelsen på sonen avhenger av konduktivitetstemperaturen til stoffet;

Pyrolyse, eller reaksjonssonen i fast fase, hvor gassformige brennbare stoffer dannes;

Forflamme i gassfasen, hvor en blanding med et oksidasjonsmiddel dannes;

En flamme, eller reaksjonssone i gassfasen, der omdannelsen av pyrolyseprodukter til gassformige forbrenningsprodukter;

forbrenningsprodukter.

Graden av oksygentilførsel til forbrenningssonen avhenger av dens diffusjon gjennom forbrenningsproduktet.

Flammestrukturen ved diffusjonsforbrenning består av tre soner (fig. 18):

Ris. 18. Strukturen til flammen.

I sone 2 dannes en blanding av damper (gasser) med atmosfærisk oksygen og ufullstendig forbrenning skjer til CO med delvis reduksjon til karbon (lite oksygen):

C n H m + O 2 → CO + CO 2 + H 2 O;

I den tredje ytre sonen blir produktene fra den andre sonen fullstendig brent og den maksimale flammetemperaturen observeres:

2CO+O 2 \u003d 2CO 2;

Høyden på flammen er proporsjonal med diffusjonskoeffisienten og strømningshastigheten til gassene og er omvendt proporsjonal med gassens tetthet.

Alle typer diffusjonsforbrenning er iboende i branner.

Kinetisk forbrenning kalles forbrenning på forhånd

blandet brennbar gass, damp eller støv med et oksidasjonsmiddel. I dette tilfellet avhenger brennhastigheten bare av de fysisk-kjemiske egenskapene til den brennbare blandingen (varmeledningsevne, varmekapasitet, turbulens, konsentrasjon av stoffer, trykk, etc.). Derfor øker brennhastigheten kraftig. Denne typen forbrenning er iboende i eksplosjoner.

Ris. 19. Skjema for flammespredning i en brennbar blanding: - antennelseskilde; - flammefrontens bevegelsesretning.

Hvis gasstilførselshastigheten økes, bryter flammen vekk fra brenneren og kan gå ut. Og hvis hastigheten reduseres, vil flammen trekkes inn på innsiden av brenneren med en mulig eksplosjon.

I henhold til graden av forbrenning, dvs. fullstendigheten av forbrenningsreaksjonen til sluttproduktene, skjer forbrenning komplett og ufullstendig.

Et annet eksempel: når det er mangel på oksygen, brenner karbon til karbonmonoksid:

Hvis du legger til O, går reaksjonen til slutten:

2CO + O 2 \u003d 2CO 2.

Forbrenningshastigheten avhenger av arten av bevegelsen av gasser. Derfor skilles laminær og turbulent forbrenning.

Så et eksempel på laminær forbrenning er flammen til et stearinlys i stille luft. På laminær forbrenning lag av gasser strømmer parallelt, men uten å virvle.

hvor: u- gassstrømningshastighet;

n- kinetisk viskositet;

l- karakteristisk lineær størrelse.

Reynolds-tallet der overgangen av et laminært grenselag til et turbulent skjer, kalles kritisk Re cr, Re cr ~ 2320.

Turbulens øker forbrenningshastigheten på grunn av mer intens varmeoverføring fra forbrenningsproduktene til den ferske blandingen.

Ved brenning av fast brensel innledes den kjemiske reaksjonen i seg selv av prosessen med å tilføre et oksidasjonsmiddel til den reagerende overflaten. Følgelig er forbrenningsprosessen av fast brensel en kompleks heterogen fysisk og kjemisk prosess som består av to trinn: oksygentilførsel til brenseloverflaten ved turbulent og molekylær diffusjon og kjemisk reaksjon på den.

La oss vurdere den generelle teorien om heterogen forbrenning ved å bruke forbrenning av en sfærisk karbonpartikkel som et eksempel, under forutsetning av følgende forhold. Oksygenkonsentrasjonen over hele overflaten av partikkelen er den samme; reaksjonshastigheten for oksygen med karbon er proporsjonal med konsentrasjonen av oksygen nær overflaten, dvs. en førsteordens reaksjon finner sted, som mest sannsynlig er for heterogene prosesser; reaksjonen fortsetter på overflaten av partikkelen med dannelse av endelige forbrenningsprodukter, og det er ingen sekundære reaksjoner i volumet, så vel som på overflaten av partikkelen.

I en slik forenklet setting kan karbonforbrenningshastigheten representeres som avhengig av hastigheten til de to hovedtrinnene, nemlig hastigheten på oksygentilførselen til grenseflaten og hastigheten til selve den kjemiske reaksjonen som skjer på overflaten av partikkelen. Som et resultat av samspillet mellom disse prosessene oppstår en dynamisk likevektstilstand mellom mengden oksygen som tilføres ved diffusjon og forbrukes for den kjemiske reaksjonen av oksygen ved en viss verdi av dens konsentrasjon på karbonoverflaten.

Kjemisk reaksjonshastighet /(°2 g oksygen/(cm2-s) bestemt av

Som mengden oksygen som forbrukes av en enhet av reaksjonsoverflaten per tidsenhet, kan den uttrykkes i følgende form:

I ligningen:

K er hastighetskonstanten for en kjemisk reaksjon;

Cv er oksygenkonsentrasjonen på overflaten av partikkelen.

C. på den annen side er brennhastigheten lik den spesifikke fluksen ki

Oksygen til den reagerende overflaten, levert ved diffusjon:

K °" \u003d annonse (C, - C5). (15-2)

I ligningen:

Ad - koeffisient for diffusjonsutveksling;

Co er oksygenkonsentrasjonen i strømmen der karbonpartikkelen brenner.

Ved å erstatte verdien av Cv funnet fra ligning (15-1) med ligning (15-2), får vi følgende uttrykk for hastigheten på heterogen forbrenning i form av mengden oksygen som forbrukes av en enhetsoverflate av en partikkel per tidsenhet :

". С°, ■' (15-3)

Betegner gjennom

Kkazh - - C -, (15-4)

Uttrykk (15-3) kan representeres som

/<°’ = /СкажС„. (15-5)

I sin struktur ligner uttrykk (15-5) på den kinetiske ligningen (15-1) for en førsteordens reaksjon. I den er reaksjonshastighetskonstanten "£" erstattet av koeffisienten Kkazh, som avhenger både av reaksjonsegenskapene til brenselet og av overføringslovene og kalles derfor den tilsynelatende hastighetskonstanten for brenning av fast karbon.

Hastigheten av forbrenningskjemiske reaksjoner avhenger av drivstoffets natur og fysiske forhold: konsentrasjonen av den reagerende gassen på overflaten, temperatur og trykk. Temperaturavhengigheten til den kjemiske reaksjonshastigheten er sterkest Ved lave temperaturer er den kjemiske reaksjonshastigheten lav og med tanke på oksygenforbruk mange ganger mindre enn hastigheten oksygen kan leveres med ved diffusjon.Forbrenningsprosessen er begrenset av hastigheten på selve den kjemiske reaksjonen og er ikke avhengig av tilførselsforholdene oksygen, dvs. luftstrømhastighet, partikkelstørrelse, etc. Derfor kalles denne regionen med heterogen forbrenning kinetisk.

I det kinetiske forbrenningsområdet, ad>-£, i formel (15-3), kan derfor verdien av 1 / ad neglisjeres sammenlignet med 1 / & og da får vi:

K°32 = kCO. (15-6)

Likevekten mellom mengden oksygen levert ved diffusjon og forbrukt i reaksjonen etableres ved en liten gradient av konsentrasjonen, på grunn av hvilken verdien av oksygenkonsentrasjonen på reaksjonsoverflaten avviker lite fra verdien i strømmen. Ved høye temperaturer kan kinetisk forbrenning oppstå ved høye luftstrømningshastigheter og små partikkelstørrelser på drivstoffet, dvs. med en slik forbedring av betingelsene for tilførsel av oksygen, når sistnevnte kan leveres i en mye større mengde "sammenlignet med behovet for en kjemisk reaksjon.

Ulike områder med heterogen forbrenning er grafisk vist i fig. 15-1. Kinetisk region I er karakterisert ved kurve 1, som viser at med økende temperatur øker forbrenningshastigheten kraftig i henhold til Arrhenius-loven.

Ved en viss temperatur blir hastigheten på en kjemisk reaksjon i samsvar med hastigheten på oksygentilførselen til reaksjonsoverflaten, og deretter blir forbrenningshastigheten avhengig av ikke bare hastigheten på den kjemiske reaksjonen, men også av oksygentilførselshastigheten. I denne regionen, kalt den mellomliggende regionen (fig. 15-1, region II, kurve 1-2), er hastighetene til disse to trinnene sammenlignbare, ingen av dem kan neglisjeres, og derfor bestemmes hastigheten på forbrenningsprosessen ved formel (15-3). Med en temperaturøkning øker forbrenningshastigheten, men i mindre grad enn i det kinetiske området, og veksten avtar gradvis og når til slutt sitt maksimum ved overgang til det diffuse området (fig. 15-1, region III). , kurve 2-3), forblir uavhengig av temperatur. Ved høyere temperaturer i dette området øker hastigheten på den kjemiske reaksjonen så mye at oksygenet som leveres ved diffusjon, umiddelbart går inn i en kjemisk reaksjon, som et resultat av at oksygenkonsentrasjonen på overflaten blir nesten null. I formel (15-3) kan vi neglisjere verdien av 1/& sammenlignet med 1/ad, da får vi at forbrenningshastigheten bestemmes av hastigheten for oksygendiffusjon til reaksjonsoverflaten, dvs.

Og derfor kalles dette forbrenningsområdet diffusjon. I diffusjonsområdet er brennhastigheten praktisk talt uavhengig av drivstoffets egenskaper og temperatur. Temperaturens påvirkning påvirker bare endringen i fysiske konstanter. I dette området er forbrenningshastigheten sterkt påvirket av forholdene for oksygentilførsel, nemlig hydrodynamiske faktorer: den relative hastigheten til gasstrømmen og partikkelstørrelsen til drivstoffet. Med en økning i gassstrømningshastigheten og en reduksjon i partikkelstørrelsen, dvs. med en akselerasjon i tilførselen av oksygen, økern.

Under forbrenning etableres en dynamisk likevekt mellom den kjemiske prosessen med oksygenforbruk og diffusjonsprosessen for dens levering ved en viss verdi av oksygenkonsentrasjonen på reaksjonsoverflaten. Oksygenkonsentrasjonen ved partikkeloverflaten avhenger av forholdet mellom hastighetene til disse to prosessene; hvis diffusjonshastigheten råder, vil den nærme seg konsentrasjonen i strømmen, mens en økning i den kjemiske reaksjonshastigheten får den til å avta.

Forbrenningsprosessen som skjer i diffusjonsområdet kan gå inn i det mellomliggende området (kurve 1"-2") eller til og med inn i det kinetiske området med økt diffusjon, for eksempel med en økning i strømningshastigheten eller en reduksjon i partikkelstørrelse.

Dermed, med en økning i gassstrømningshastigheten og med overgangen til små partikler, skifter prosessen mot kinetisk forbrenning. En økning i temperatur forskyver prosessen mot diffusjonsforbrenning (Fig. 15-1, kurve 2"-3").

Forløpet av heterogen forbrenning i en eller annen region for et bestemt tilfelle avhenger av disse spesifikke forholdene. Hovedoppgaven med å studere prosessen med heterogen forbrenning er å etablere forbrenningsområdene og identifisere kvantitative mønstre for hvert område.

Hva annet å lese

Spådomsfortelling på runer om forholdet "Nøkkel til hjertet Mange vil gjerne ha evnen til å lese andres tanker. Vi kan dessverre ikke gjøre det, men hvis du vil...

Nøyaktige tegn på at en mann husker eller tenker på deg Klikk på bildet nedenfor for å fullføre spådommen. Tenk på personen du heier på. Holde nede...

Drømmetydningsskip, for å se et skip i en drøm, hvorfor drømmetydning å seile på et skip for å gå i land Finn ut fra den elektroniske drømmeboken hva skipet drømmer om ved å lese svaret nedenfor slik det tolkes av tolkene. Drømmetydning XXI ...

Hvilken prosess kalles heterogen forbrenning. Typer og moduser for forbrenning

Hva annet å lese

DE SISTE NOTER

Kategorier