Реакция горения это кратко

Обновлено: 18.05.2024

Горение — быстропротекающая химическая реакция соединения горючих компонентов с кислородом, сопровождающаяся интенсивным выделением теплоты и резким повышением температуры продуктов сгорания. Реакции горения описываются т.н. стехиометрическими уравнениями, характеризующими качественно и количественно вступающие в реакцию и образующиеся в результате ее вещества. Общее уравнение реакции горения любого углеводорода

где _{m, n} — число атомов углерода и водорода в молекуле; Q — тепловой эффект реакции, или теплота сгорания.

Стехиометрический состав горючей смеси (от греч. stoicheion — основа, элемент и греч. metreo — измеряю) — состав смеси, в которой окислителя ровно столько, сколько необходимо для полного окисления топлива.

Реакции горения некоторых газов приведены в табл. 8.1. Эти уравнения являются балансовыми, и по ним нельзя судить ни о скорости реакций, ни о механизме химических превращений.

Тепловой эффект (теплотой сгорания) Q — количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кмоля, 1 кг или 1 м3 газа при нормальных физических условиях. Различают высшую Qe и низшую Qн теплоту сгорания: высшая теплота сгорания включает в себя теплоту конденсации водяных паров в процессе горения (в реальности при сжигании газа водяные пары не конденсируются, а удаляются вместе с другими продуктами сгорания). Обычно технические расчеты обычно ведут по низшей теплоте сгорания, без учета теплоты конденсации водяных паров (около 2400 кДж/кг).

КПД, рассчитанный по низшей теплоте сгорания, формально выше, но теплота конденсации водяных паров достаточно велика, и ее использование более чем целесообразно. Подтверждение этому — активное применение в отопительной технике контактных теплообменников, весьма разнообразных по конструкции.

Таблица 8.1. Реакции горения и теплота сгорания сухих газов (при 0°С и 101,3 кПа)

Реакция горения

Теплота сгорания

Молярная, кДж/кмоль

Массовая, кДж/кг

Объемная, кДж/м3

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O

C2H6 + 0,5O2 = 2CO2 + 3H2O

C3H + 5H2O = 3CO2 +4H2O

C4H,0 + 6,5O2 = 4CO2 + 5H2O

C5H,2 + 8O2 = 5CO2 + 6H2O

C3H6 + 4,5O2 = 3CO2 + 3H2O

C4H + 6O2 = 4CO2 + 4H2O

Для смеси горючих газов высшая (и низшая) теплота сгорания газов определяется по соотношению

где r1, r2, . rn — объемные (молярные, массовые) доли компонентов, входящих в смесь; Q₁, Q₂. Q_n — теплота сгорания компонентов.

Воспользовавшись табл. 8.1, высшую и низшую теплоту сгорания, кДж/м3, сложного газа можно определять по следующим формулам:

где H₂, C_O, CH₄ и т. д. — содержание отдельных составляющих в газовом топливе, об. %.

Процесс горения протекает гораздо сложнее, чем по формуле (8.1), так как наряду с разветвлением цепей происходит их обрыв за счет образования промежуточных стабильных соединений, которые при высокой температуре претерпевают дальнейшие преобразования. При достаточной концентрации кислорода образуются конечные продукты: водяной пар Н₂О и двуокись углерода СО 2 . При недостатке окислителя, а также при охлаждении зоны реакции, промежуточные соединения могут стабилизироваться и попадать в окружающую среду.

Интенсивность тепловыделения и рост температуры приводят к увеличению в реагирующей системе активных частиц. Такая взаимосвязь цепного реагирования и температуры, свойственная практически всем процессам горения, привела к введению понятия цепочечно-теплового взрыва — сами химические реакции горения имеют цепной характер, а их ускорение происходит за счет выделения теплоты и роста температуры в реагирующей системе.

Скорость химической реакции в однородной смеси пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ:

где С₁ и С₂ — концентрации реагирующих компонентов, кмоль/м 3 ; к — константа скорости реакции, зависящая от природы реагирующих веществ и температуры.

При сжигании газа концентрации реагирующих веществ можно условно считать неизменными, так как в зоне горения происходит непрерывный приток свежих компонентов однозначного состава.

Константа скорости реакции (по уравнению Аррениуса):

где К₀ — предэкспоненциальный множитель, принимаемый для биометрических гомогенных смесей, =1,0; Е — энергия активации, кДж/кмоль; R — универсальная газовая постоянная, Дж/ (кг*К); Т — абсолютная температура, К (°С); е — основание натуральных логарифмов.

Предэкспоненциальный множитель К₀ можно истолковать как константу, отражающую полноту столкновения молекул, а Е — как минимальную энергию разрыва связей молекул и образования активных частиц, обеспечивающих эффективность столкновений. Для распространенных горючих смесей она укладывается в пределах (80÷150)•10 3 кДж/кмоль.

Уравнение (8.6) показывает, что скорость химических реакций резко возрастает с увеличением температуры: например, повышение температуры с 500 до 1000 К влечет повышение скорости реакции горения в 2·10 4 ÷5•10 8 раз (в зависимости от энергии активации).

Высокотемпературное горение углеводородов имеет весьма сложный характер и связано с образованием активных частиц в виде атомов и радикалов, а также промежуточных молекулярных соединений. В качестве примера приводятся реакции горения простейшего углеводорода — метана:

Горе́ние — сложный физико-химический процесс превращения компонентов горючей смеси в продукты сгорания с выделением теплового излучения, света и лучистой энергии. Описать природу горения можно как бурно идущее окисление.

Дозвуковое горение (дефлаграция) в отличие от взрыва и детонации протекает с низкими скоростями и не связано с образованием ударной волны. К дозвуковому горению относят нормальное ламинарное и турбулентное распространения пламени, к сверхзвуковому — детонацию.

Горение подразделяется на тепловое и цепное. В основе теплового горения лежит химическая реакция, способная протекать с прогрессирующим самоускорением вследствие накопления выделяющегося тепла. Цепное горение встречается в случаях некоторых газофазных реакций при низких давлениях.

Условия термического самоускорения могут быть обеспечены для всех реакций с достаточно большими тепловыми эффектами и энергиями активации.
Горение может начаться самопроизвольно в результате самовоспламенения либо быть инициированным зажиганием. При фиксированных внешних условиях непрерывное горение может протекать в стационарном режиме, когда основные характеристики процесса — скорость реакции, мощность тепловыделения, температура и состав продуктов — не изменяются во времени, либо в периодическом режиме, когда эти характеристики колеблются около своих средних значений. Вследствие сильной нелинейной зависимости скорости реакции от температуры, горение отличается высокой чувствительностью к внешним условиям. Это же свойство горения обусловливает существование нескольких стационарных режимов при одних и тех же условиях (гистерезисный эффект).

Процесс возникновения горения подразделяется на несколько видов: вспышка, возгорание, воспламенение, самовозгорание, самовоспламенение, взрыв и детонация. Кроме того, существуют и особые виды горения: тление и холоднопламенное горение. Вспышка — процесс мгновенного сгорания паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, вызванный непосредственным воздействием источника воспламенения. Возгорание — явление возникновения горения под действием источника зажигания. Воспламенение — возгорание, сопровождающееся появлением пламени. При этом вся остальная масса горючего вещества остается относительно холодной. Самовозгорание — явление резкого увеличения скорости экзотермических реакций в веществе, приводящее к возникновению горения при отсутствии источника зажигания. Самовоспламенение — это самовозгорание, сопровождающееся появлением пламени. В производственных условиях могут самовозгораться древесные опилки, промасленная ветошь. Самовоспламеняться может бензин, керосин. Взрыв — быстрое химическое превращение вещества (взрывное горение), сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных производить механическую работу.

Содержание

Теория горения

При адиабатическом сжигании горючей смеси могут быть рассчитаны количество выделившегося при горении тепла, температура Т_Г, которая была бы достигнута при полном сгорании (адиабатическая температура горения) и состав продуктов, если известны состав исходной смеси и термодинамические функции исходной смеси и продуктов. Если состав продуктов заранее известен, Т_Г может быть рассчитана из условия равенства внутренней энергии системы при постоянном объёме или её энтальпии при постоянном давлении в исходном и конечном состояниях с помощью соотношения: Т_Г = Т0 + Q_r/C, где Т₀ — начальная температура смеси, С — средняя в интервале температур от Т₀ до Т_Г удельная теплоёмкость исходной смеси (с учетом её изменения при возможных фазовых переходах), Q_r — удельная теплота сгорания смеси при температуре Т_Г. При относительном содержании а₀ в смеси компонентов, полностью расходуемых в реакции, Q_Г = Q*а₀ где Q — тепловой эффект реакции горения. Значение Т_Г при постоянном объёме больше, чем при постоянном давлении, поскольку в последнем случае часть внутренней энергии системы расходуется на работу расширения. На практике условия адиабатичекого горения обеспечиваются в тех случаях, когда реакция успевает завершиться прежде, чем станет существенным теплообмен между реакционным объёмом и окружающей средой, например в камерах сгорания крупных реактивных двигателей, в больших реакторах, при быстро распространяющихся волнах горения.
Термодинамический расчёт даёт лишь частичную информацию о процессе — равновесный состав и температуру продуктов. Полное описание горения, включающее также определение скорости процесса и критических условий при наличии тепло- и массообмена с окружающей средой, можно провести только в рамках макрокинетического подхода, рассматривающего химическую реакцию во взаимосвязи с процессами переноса энергии и вещества.
В случае заранее перемешанной смеси горючего и окислителя реакция горения может происходить во всём пространстве, занятом горючей смесью (объёмное горение), или в сравнительно узком слое, разделяющем исходную смесь и продукты и распространяющемся по горючей смеси в виде так называемой волны горения. В неперемешанных системах возможно диффузионное горение, при котором реакция локализуется в относительно тонкой зоне, отделяющей горючее от окислителя, и определяется скоростью диффузии реагентов в эту зону.

Описание процессов горения

Важность процесса горения в технических устройствах способствовала созданию различных моделей, позволяющих с необходимой точностью его описывать. Так называемое нулевое приближение включает описание химических реакций, изменение температуры, давления и состава реагентов во времени без изменения их массы. Оно соответствует процессам происходящим в закрытом объёме, в который была помещена горючая смесь и нагрета выше температуры воспламенения. Одно-, двух- и трёхмерные модели уже включает в себя перемещение реагентов в пространстве. Количество измерений соответствует количеству пространственных координат в модели. Режим горения бывает как и газодинамическое течение: ламинарным или турбулентным. Одномерное описанное ламинарного горения позволяет получить аналитически важные выводы о фронте горения, которые затем используются в более сложных турбулентных моделях.

Объёмное горение

Объемное горение происходит, например, в теплоизолированном реакторе идеального перемешивания, в который поступает при температуре Т₀ исходная смесь с относительным содержанием горючего а₀; при другой температуре горения реактор покидает смесь с иным относительным содержанием горючего а. При полном расходе G через реактор условия баланса энтальпии смеси и содержания горючего при стационарном режиме горения могут быть записаны уравнениями:

где w(а, Т) — скорость реакции горения, V — объём реактора. Используя выражение для термодинамической температуры Т_Г, можно из (1) получить:

и записать (2) в виде:

где q_-T = GC(T — Т₀) — скорость отвода тепла из реактора с продуктами сгорания, q₊T = Qw(a, Т)V — скорость выделения тепла при реакции. Для реакции n-ного порядка с энергией активации:

Диффузионное горение

Характеризуется раздельным подачей в зону горения горючего и окислителя. Перемешивание компонентов происходит в зоне горения. Пример: горение водорода и кислорода в ракетном двигателе, горение газа в бытовой газовой плите.

Горение предварительно смешанной среды

Как следует из названия, горение происходит в смеси, в которой одновременно присутствуют горючее и окислитель. Пример: горение в цилиндре двигателя внутреннего сгорания бензиново-воздушной смеси после инициализации процесса свечой зажигания.

Особенности горения в различных средах

Согласно замыслу одного из участников Википедии, на этом месте должен располагаться специальный раздел.
Вы можете помочь проекту, написав этот раздел.

Беспламенное горение

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

Твердофазное горение

Это автоволновые экзотермические процессы в смесях неорганических и органических порошков, не сопровождающиеся заметным газовыделением, и приводящие к получению исключительно конденсированных продуктов. В качестве промежуточных веществ, обеспечивающих массо-перенос, образуются газовые и жидкие фазы, не покидающие, однако, горящую систему. Известны примеры реагирующих порошков, в которых образование таких фаз не доказано (тантал-углерод).

Примером таких процессов служит СВС (самораспространяющийся высокотемпературный синтез) в неорганических и органических смесях.

Тление

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

Автогенное горение

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

Горения является экзотермической реакцией на окислительно-восстановительных . Когда горение интенсивное, оно приводит к пламени или взрыву ( горению или даже детонации, если фронт пламени превышает скорость звука). Сжигание биомассы и топлива является основным источником загрязнения воздуха , особенно с канцерогенными , репротоксическими и сердечно-сосудистыми эффектами .

Сжигание ароматических палочек , приводящее к образованию тлеющих углей, пламени и микро- и наночастиц, воспринимаемых в виде дыма, запаха и летучих органических соединений и содержащих канцерогенные вещества , источники респираторных заболеваний)

Резюме

Огненный треугольник

Исчезновения одного из четырех элементов достаточно, чтобы прекратить горение.

Горючие

Топлива могут быть:

а твердые образующие угли ( уголь , дерево , бумага , картон , ткани , ПВХ , и т.д. );
жидкость или твердые сжижаемый ( бензин , дизельное топливо , топливо , масло , керосин , ПЭ , ПС , и т.д. );
газ ( природный газ , бутан , пропан , метан , водород , дым , пиролизный газ , и т.д. );
металла ( железа , алюминий , натрий , магний , и т.д. );
растительное масло .

Эти пять видов топлива соответствуют, соответственно, пяти основным классам пожаров A, B, C, D и F.

Окислитель

Окислителем является другой реагент в химической реакции. В большинстве случаев это окружающий воздух и, в частности, один из его основных компонентов, кислород . Лишая в огонь из воздуха , она гаснет; например, если вы поместите зажженный свет свечи в банку с вареньем, и мы закроем банку, пламя погаснет; и наоборот, если мы дуем на дровяной огонь, он активируется (мы приносим больше воздуха). В некоторые горелки добавляют чистый кислород для улучшения горения и повышения температуры пламени.

В некоторых очень специфических случаях (часто взрывоопасных, как в случае с алюминием) окислитель и топливо представляют собой одно и то же тело; например, знаменитый нитроглицерин , нестабильная молекула, содержащая окисляющую часть, привитую к восстанавливающей части.

Активатор

Реакция запускается активирующей энергией , обычно теплом или пламенем. Например, это будет нагрев спички трением, электрический кабель с наддувом, который нагревает изоляцию, или другое пламя (распространение огня), искра (от газовой зажигалки , от кремня для зажигалки). Или искра , вызванная электрическим током. машина, которая запускается или останавливается).

Но есть и другие способы обеспечения энергии активации: электрическая дуга, излучение, повышение температуры за счет сжатия воздуха, например, в дизельном двигателе .

Однако бывают случаи, когда пусковым фактором сгорания не является энергия активации. Например, дымовой взрыв - это очень сильное сгорание несгоревших газов, присутствующих в дыме (см. Неполное сгорание ), вызванное внезапной подачей воздуха и, следовательно, окислителя. Интервал, в котором может гореть смесь воздуха и газа, ограничен пределами взрываемости . Этот интервал может варьироваться от нескольких процентов ( керосин ) до нескольких десятков процентов ( ацетилен ).

Производство тепла путем горения позволяет реакции в большинстве случаев быть самоподдерживающейся или даже перерастать в цепную реакцию (например, при лесном пожаре ).

Могут гореть только материалы в газообразной форме (потому что они дают возможность очень хорошо смешиваться с окислителем, что не относится к жидкостям или твердым веществам, где основной окислитель, кислород, не может проникнуть в сердце газа. Вещество), что поэтому достаточное количество энергии должна подаваться к воспламеняющемуся продукту (будьте тем твердим или жидким) , так что она начинает испаряться или разлагаться в испар и горючие элементы (например, терпены в хвойных породах с помощью в перегонке или пиролиза ). Температурный порог, достигнутый в этом случае, называется температурой вспышки . У некоторых продуктов точка воспламенения значительно ниже температуры окружающей среды, что делает их очень легковоспламеняющимися веществами, поскольку для инициирования возгорания достаточно небольшой энергии активации (простая искра…).

бензин воспламенится до того, как спичка достигнет жидкости (поэтому горит испарившийся бензин);
пламя останется над жидкостью, сжигая бензин в газообразном виде (жидкость не горит, а очень быстро испаряется под действием тепла);
спичка (если она утяжелена двумя / тремя витками проволоки) утонет и погаснет в бензине из-за недостатка кислорода.

Когда сгорание производит достаточно энергии, чтобы поддерживать себя, температура поднимается выше точки воспламенения .

Радикалы

Процедуры пожаротушения

Чтобы остановить реакцию горения, необходимо удалить один из четырех элементов огненного тетраэдра:

в случае твердого топлива ограничивающим фактором является подача окислителя (воздуха), при этом огонь выделяет собственное тепло; вода, таким образом, душит огонь за счет выделения пара, который увлекает воздух и препятствует подаче кислорода;
в случае предварительно смешанной атмосферы топливо не может быть отделено от окислителя, единственное возможное действие - охлаждение атмосферы для предотвращения распространения пламени ( водяной пар также играет роль разбавителя);

Исторический

Открытие горения под действием дикислорода приписывается французскому химику Лавуазье в 1775 году , поскольку обычно считается, [Кто?], Что Джозеф Пристли , впервые выделивший (нечистый) дикислород в 1774 году, не открыл роль окислителя кислорода. Действительно, поскольку он был основан на теории флогистона , это мешало ему понять роль двуокиси кислорода в горении.

По словам философа науки Томаса Сэмюэля Куна , открытие горения двуокисью кислорода представляет собой крупную научную революцию в истории науки. Это означало смену парадигмы , заменив старую парадигму флогистона.

Сгорания с молекулярным кислородом был XIX - го века , и больше к XX - го века , многие промышленные применения (смотрите раздел Applications ниже). Однако в индустриальную эпоху это привело к массовому выбросу углекислого газа , парникового газа, который в значительной степени способствует явлениям изменения климата .

Характеристики

Быстрое сгорание

"> Читать СМИ

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

Медленное горение

Медленное горение - это реакция, протекающая при низких температурах.

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

Полное или стехиометрическое сгорание

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

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

Турбулентное горение

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

Неполное сгорание

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

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

Химия горения

Горение - это химическая реакция, при которой сложные молекулы распадаются на более мелкие и более стабильные молекулы в результате перестройки связей между атомами. Химия горения - главный компонент высокотемпературной химии, которая в первую очередь включает радикальные реакции . Однако можно обработать горение с помощью единственной глобальной реакции.

Диоксид углерода СО ₂ и вода H ₂ O более стабильны, чем дикислород и метан.

Сжигание является окислительно - восстановительной реакцией , в этом случае окисление топлива с помощью окислителя :

топливо - это тело, которое окисляется при сгорании; это восстановитель , он теряет электроны;
окислитель - это тело, которое восстанавливается; это окислитель, он получает электроны.

Как и во всех химических реакциях, катализатор способствует горению, и, поскольку последний часто имеет высокую энергию активации , использование катализатора позволяет работать при более низкой температуре. Это обеспечивает полное сгорание, как в случае каталитических нейтрализаторов, которые, благодаря присутствию каталитических металлов, сжигают остатки выхлопных газов при более низкой температуре, чем преобладающая в двигателе.

В случае твердого топлива энергия активации сделает возможным испарение или пиролиз топлива. Полученные таким образом газы смешаются с окислителем и дадут горючую смесь. Если энергия, произведенная при сгорании, больше или равна требуемой энергии активации, реакция сгорания является самоподдерживающейся.

Выделенная энергия и теплотворная способность

Количество энергии, выделяемой в результате реакции, превышает количество энергии, необходимое для ее начала .

Количество энергии, производимой при сгорании, выражается в джоулях (Дж); это энтальпия реакции . В областях применения (печи, горелки, двигатели внутреннего сгорания, пожаротушение) часто используется понятие теплотворной способности , которая представляет собой энтальпию реакции на единицу массы топлива или энергию, получаемую при сгорании килограмма топлива. , как правило , выражается в килоджоулей на килограмм (обозначаемое кДж / кг или кДж кг -1 ).

При сжигании углеводородов выделяется вода в виде пара. Этот водяной пар содержит большое количество энергии. Поэтому этот параметр учитывается специально для оценки теплотворной способности; мы определяем:

Разница между PCI и PCS является скрытой теплотой от испарения воды ( л _об ), который равен приблизительно 2250 к Дж кг -1 (значение в зависимости от давления и температуры), умноженного на массе произведенного пара ( м ).

Имеем соотношение: PCS = PCI + m · L _v .

Скорость фронта пламени и взрыв

дефлаграции : скорость фронта пламени ниже , чем скорость звука ( 343,34 м ы -1 при давлении 1 атм при 20 ° C в сухом воздухе);
детонации : скорость фронта пламени больше скорости звука и может достигать нескольких километров в секунду.

Металлические огни

Окисление металлов обычно происходит медленно. Таким образом, выделяемое тепло невелико и медленно рассеивается в окружающую среду; это область коррозии (например , ржавый из железа и стали ).

Однако в некоторых случаях окисление является сильным и, следовательно, представляет собой горение. Есть пять примечательных случаев:

Приложения

В транспорте

В бытовом секторе сжигание в основном используется для:

чтобы приготовить пищу либо с помощью прямого пламени (газовая плита, дрова), или с помощью лучистого отопления (угли барбекю, стенок печи);
отопление : газовое отопление, камин, дровяная печь;
производить горячую воду : газовый водонагреватель ;
зажечь : свечи , свечи , камин.

В некоторых устройствах также используется двигатель внутреннего сгорания: газонокосилка, бензопила и т. Д.

Заменить горение можно электрическими установками: электроплитой, водонагревателем, лампочкой, электродвигателями и т. Д.

В производстве электроэнергии

Сжигание используется на тепловых электростанциях, где используются ископаемые виды топлива ( уголь , природный газ , нефть ), возобновляемые виды топлива (сельскохозяйственные или лесные отходы и биомасса при устойчивой эксплуатации) или различные типы отходов (например, в установках для сжигания бытовых отходов) для выпуска тепло, которое производит электричество с помощью турбогенераторов .

В металлургии

В природе металлы обычно присутствуют в форме руд . Некоторые руды могут быть восстановлены , то есть превращены в металл , в результате реакции с газом, образующимся при сгорании; это область пирометаллургии . Самый известный пример - восстановление железной руды оксидом углерода в доменных печах, а затем в доменных печах . Это также касается производства никеля, меди, цинка, титана и циркония, даже если существуют другие производственные маршруты.

Горение также можно использовать для нагрева металла с целью его лучшей деформации ( прокатка , ковка ) или для его плавления ( литейное производство , сварка горелкой, пайка , газовая резка ). Помимо газовой резки, в качестве альтернативы горению можно использовать электрическую энергию.

При производстве цемента

В космонавтике

Сжигание используется в области астронавтики для подачи энергии в движение от космического аппарата . Соответствующие термины в английском языке - горение и горение .

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

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

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

Горение происходит в два этапа:

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

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

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

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

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

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

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

Наиболее распространенным гетерогенным горением в условиях пожара является тление углеродного остатка твердых материалов. Существует особый вид гетерогенного горения — беспламенное горение, заключающееся в образовании раскаленной поверхности (например, горение антрацита, некоторых металлов) [5] .

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

Для возникновения диффузионного горения необходимо, чтобы горючее вещество (материал) было нагрето источником зажигания (см. ИСТОЧНИК ЗАЖИГАНИЯ) до температуры воспламенения (см. ВОСПЛАМЕНЕНИЕ) . Диффузионное горение сопровождается, как правило, сажеобразованием, что характерно для турбулентных факелов, образуемых при горении нефтепродуктов в резервуарах. К диффузионному горению относятся различные очаги пожаров (см. ОЧАГ ПОЖАРА) [5] .

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

Ламинарное пламя может распространяться только в смеси, состав которой не выходит за границы диапазона так называемых концентрационных пределов. Нижний и верхний концентрационные пределы соответствуют минимальному и максимальному коэффициенту избытка топлива, при котором пламя еще может распространяться по смеси. Для метана в воздухе они составляют примерно 5 и 15 объемных процентов. Взрывы ( см. ВЗРЫВ ) бытового газа возникают тогда, когда в плохо вентилируемом помещении превышается нижний концентрационный предел, и из-за искры или другого источника смесь воспламеняется. Этот же эффект приводит к взрывам метана в шахтах.

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

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

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

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

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

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

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

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

Литература:

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

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

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

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

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

Читайте также: