Теория горения газовых смесей

3.2. Теория горения газопаровоздушных смесей

Теорией горения газов в 1889 г. начал заниматься профессор В. А. Михельсон. Он определил, что горение не может существовать, не распространяясь.

Основные положения теории горения и детонации газов сформулировал Я. Б. Зельдович в 1942 г. при участии Н. Н. Семенова, Д. А. Франк-Каменецкого, К. И. Щелкина, Б. Вильсона.
В настоящее время исследования в данной области продолжают: во ВНИИПО МЧС – В. И. Макеев, С. И. Таубкин, Ю. Н. Шебеко, А. Я. Корольченко; в МГСУ – проф. В. В. Казеннов и Т. Хирано в Токийском университете.
Горючие смеси могут быть простыми и сложными. Простые смеси содержат в своем составе один горючий компонент, сложные – два и более горючих компонента.
Наиболее простой, поддающийся теоретическому анализу вид горения – кинетическое горение предварительно перемешанных смесей горючего и окислителя.
На пожаре этот вид горения встречается сравнительно редко. Его можно наблюдать, главным образом, на стадии воспламене­ния при самовоспламенении или зажигании. Иногда он имеет место при пожарах технологического оборудования, и по внешне­му проявлению этот режим горения обычно воспринимается как взрыв или вспышка.
При внесении источника зажигания в горючую смесь (Ок + ГВ) начинается реакция окисления горючего с окислителем в зоне действия источника зажигания. Если скорость реакции окисления в каком-то элементарном объеме этой зоны достигает максимума, то возникает горение. Горение на границе элементарного объема со средой называется фронтом пламени. Фронт пламени имеет вид сферы (см. рис. 3.1) и представляет собой узкую светящуюся трехмерную область, в которой начинается и завершается химическая реакция взаимодействия горючего с окислителем. В этой зоне в виде теплоты сгорания выделяется вся потенциальная (химическая) энергия топлива и температура повышается до максимального значения – температуры горения. Температура фронта пламени за счет тепла реак­ции горения составляет 1000-3000 ⁰С и зависит от со­става ГС.



Рис. 3.1. Схема распространения пламени по предводительно перемешанной гомогенной смеси: 1 – исходная горючая смесь; 2 – фронт пламени; 3 – продукты горения; _ф.п. – толщина фронта пламени

В зоне перед фронтом пламени концентрация исходных компонентов почти не меняется, поскольку химическое взаимодействие между ними не протекает и температура ГС равна начальной. Непосредственно перед фронтом пламени (зоной химической реакции) концентрация реагентов понижается из-за разбавления ее продуктами реакции. Во фронте пламени в результате химической реакции горения концентрация исходных компонентов резко снижается до нуля, а температура достигает максимального значения. Вследствие молекулярной теплопроводности температура перед зоной химической реакции монотонно повышается от начальной температуры горючей смеси до температуры, близкой к температуре горения, образуя зону физического прогрева.

Для большинства углеводородных смесей фронт пламени представляет собой яркую зону свечения, которую можно наблюдать визуально или зарегистрировать с помощью фотосъемки. Свечение фронта пламени имеет химическую природу, является результатом превращения вещества и определяется радикалами С₂, СН и НСО. При этом толщина зоны свечения соответствует толщине зоны реакции.
Тол­щина фронта пламени, по вычислениям Я. Б. Зельдови­ча, равна _ф.п. = 1-100 мкм, поэтому фронт пламени условно считают поверхностью. Хотя толщина зоны горения и невелика, однако вполне достаточна для протекания реакции го­рения.
Необходимо отметить, что в пламени существуют электрические заряды – ионы и электроны, концентрация которых составляет 10¹⁷ ионов на 1 м³. Это подтверждается тем, что пламя под действием электрического напряжения искажается, отклоняясь к отрицательному электроду. В настоящее время можно считать доказанным, что в пламени имеет место как термическая ионизация газа, так и ионизация за счет элементарных химических актов (хемиионизация).
Рассмотрим возможные варианты горения и условия, при которых они возможны.