Égés

Az égés  egy összetett fizikai-kémiai folyamat [1], amelyben a kiindulási anyagok [2] exoterm reakciók során égéstermékekké alakulnak , intenzív hőleadás kíséretében [3] [4] . A kiindulási keverék komponenseiben tárolt kémiai energia hősugárzás és fény formájában is felszabadulhat. A világító zónát lángfrontnak vagy egyszerűen lángnak nevezik .

A tűz fejlődése kulcsszerepet játszott az emberi civilizáció fejlődésében. A tűz megnyitotta az emberek előtt az élelmiszerek termikus feldolgozásának és a lakások fűtésének lehetőségét, majd a kohászat , az energiafejlesztést és az új, fejlettebb eszközök és technológiák létrehozását. Az égési folyamatok szabályozása az autók, repülőgépek, hajók és rakéták motorjainak létrehozásának középpontjában áll .

Az égés továbbra is a világ fő energiaforrása, és az is marad a belátható jövőben. 2010-ben az emberiség által a Földön megtermelt összes energia hozzávetőleg 90%-át fosszilis tüzelőanyagok vagy bioüzemanyagok elégetésével nyerték [5] , és az USA Energiakutatási és Fejlesztési Hivatalának (Energy Research and Development Administration, USA) előrejelzései szerint ez az arány nem fog 80 alá csökkenni. %-kal 2040-ig, miközben 2010 és 2040 között 56%-kal növeli az energiafogyasztást [6] . Ehhez kapcsolódnak a modern civilizáció olyan globális problémái, mint a nem megújuló energiaforrások kimerülése , a környezetszennyezés és a globális felmelegedés .

A kémiai égési reakciók általában elágazó láncú mechanizmust követnek, a reakcióban felszabaduló hő miatt progresszív öngyorsulással. Az égés azon jellemzői, amelyek megkülönböztetik más, redox reakciókkal járó fizikai-kémiai folyamatoktól, a reakció nagy termikus hatása és a nagy aktiválási energia , ami a reakciósebesség hőmérséklettől való erős függéséhez vezet. Ennek eredményeként a korlátlan ideig szobahőmérsékleten tárolható éghető keverék meggyulladhat vagy felrobbanhat a kritikus gyulladási hőmérséklet elérésekor ( öngyulladás ), vagy külső energiaforrás hatására (kényszergyújtás vagy gyújtás).

Ha a kezdeti keverék elégetése során kis térfogatban, rövid időn belül keletkező termékek jelentős mechanikai munkát végeznek, és a környező tárgyakra ütést és hőhatást okoznak, akkor ezt a jelenséget robbanásnak nevezzük. Az égési és robbanási folyamatok képezik a lőfegyverek , robbanóanyagok , lőszerek és különféle típusú hagyományos fegyverek létrehozásának alapját. Az égés speciális fajtája a detonáció .

Történelmi háttér

Amíg az 1770-es évek elején Karl Scheele és Joseph Priestley fel nem fedezték az oxigént , azt hitték, hogy minden égni képes test tartalmaz egy speciális elvet, a „ phlogisztont ”, amely az égés során kiszabadul a testből, és hamut hagy maga után. 1775-ben Lavoisier kimutatta, hogy éppen ellenkezőleg, az égés során levegő oxigént adnak az éghető anyaghoz, 1783-ban pedig Lavoisier és Laplace felfedezte, hogy a hidrogén égésének terméke tiszta víz. Ezek a felfedezések alapozták meg az égés természetéről szóló modern tudományos nézeteket.

Az égéselmélet alapjainak kidolgozásának következő lépése Mallard és Le Chatelier [7] , valamint V. A. Michelson 1880-as években végzett munkáihoz [ 8 ] köthető . 1890-ben Michelson publikált egy tanulmányt [9] a láng csövekben történő terjedéséről, és javasolta a Bunsen-égő elméletét .

1928-ban Burke és Schumann a diffúziós láng problémáját fontolgatták, és kimutatták, hogy ha a kémiai reakcióban a reagensek égési sebessége sokkal nagyobb, mint a reagensek diffúzióval történő ellátásának sebessége, akkor a reakciózóna végtelenül vékonynak tekinthető, míg Az oxidálószer és a tüzelőanyag között automatikusan sztöchiometrikus arány jön létre, és a reakciózónában a maximális hőmérséklet közel van az adiabatikus égési hőmérséklethez [10] .

Az égés modern elmélete N. N. Szemjonov termikus robbanásról szóló munkáiból [11] [12] származik , amelyet az 1920-as években végeztek. Az N. N. Semenov által 1931-ben alapított Kémiai Fizikai Intézet a kémiai fizika és az égés vezető tudományos központjává vált [13] . 1938-ban D. A. Frank-Kamenetsky kidolgozta a hőrobbanás elméletét [14] , és Ya. B. Zeldovich -al együtt a lamináris lángterjedés elméletét előkevert keverékekben [15] .

Ugyanebben 1938-ban A. F. Belyaev kísérletei során kimutatták, hogy az illékony robbanóanyagok égése gázfázisban történik [16] . Így az ilyen anyagok égési sebességének kérdése a gázfázisban való égési sebesség kérdésére redukálódott, és 1942-ben Ya. B. Zeldovich kidolgozta a kondenzált anyagok égésének elméletét, amely a lángterjedés elméletén alapult. egy gáz [ 17]

Az 1940-es években Ya. B. Zel'dovich kidolgozta a detonáció elméletét [18] , amelyet  Zeldovich, Neumann és Döring után ZND modellnek neveztek el, mivel tőle függetlenül von Neumann [19] és Döring jutott el hasonló eredményeket [20] .

Mindezek a művek az égéselmélet klasszikusává váltak.

Az égéstípusok osztályozása

A keverék sebessége szerint az égést lassú égésre (vagy deflagrációra ) és detonációs égésre ( detonációra ) osztják. A deflagrációs égés hulláma szubszonikus sebességgel terjed , és a kezdeti keverék melegítése főként a hővezető képességgel történik. A detonációs hullám szuperszonikus sebességgel halad , míg a kémiai reakció a reaktánsok lökéshullám általi felmelegedése miatt fennmarad , és viszont fenntartja a lökéshullám egyenletes terjedését [21] [22] . A lassú égést a keverék áramlásának jellege szerint laminárisra és turbulensre osztják [23] . A detonációs égés során a termékek áramlása mindig turbulens. Bizonyos körülmények között a lassú égés detonációba fordulhat [24] ( DDT, deflagration-to-detonation transfer [25] ) . 

Ha a keverék kezdeti komponensei gázok , akkor az égést gázfázisúnak (vagy homogénnek) nevezzük. A gázfázisú égés során egy oxidálószer (általában oxigén ) reagál egy tüzelőanyaggal (például hidrogénnel vagy földgázzal ). Ha az oxidálószert és az üzemanyagot molekuláris szinten előkeverik, akkor ezt az üzemmódot előkevert égésnek nevezik .  Ha az oxidálószer és a tüzelőanyag a kezdeti keverékben elválik egymástól, és diffúzión keresztül jutnak az égési zónába , akkor az égést diffúziónak nevezzük [26] .

Ha az oxidálószer és a tüzelőanyag kezdetben különböző fázisban van, akkor az égést heterogénnek nevezzük. Általános szabály, hogy ebben az esetben az oxidációs reakció gázfázisban is diffúziós üzemmódban megy végbe, és a reakcióban felszabaduló hőt részben a tüzelőanyag hőbontására és elpárologtatására fordítják [27] . Például a levegőben lévő szén vagy polimerek ennek a mechanizmusnak megfelelően égnek . Egyes keverékekben a kondenzált fázisban exoterm reakciók léphetnek fel, amelyek során jelentős gázfejlődés nélkül szilárd termékek képződnek. Ezt a mechanizmust szilárdfázisú égésnek nevezik.

Léteznek olyan speciális égési módok is, mint a parázsló , lángmentes és hideglángú égés .

Az égést vagy magégetést termonukleáris reakcióknak nevezzük a csillagokban, amelyek során a kémiai elemek magjai a csillagok nukleoszintézisének folyamataiban jönnek létre [28] .

Láng

A láng  az égés során keletkező világító zóna. A láng hőmérséklete a kezdeti keverék összetételétől és az égés körülményeitől függ. Földgáz levegőben történő égetésekor a forró zónában a hőmérséklet meghaladhatja a 2000 K-t, az acetilén oxigénben történő égetésekor ( gázhegesztés ) - a 3000 K -t [29] .

Láng színe

Az égési zónában elektronikusan gerjesztett és vibrációval gerjesztett állapotban lévő szabad gyökök és molekulák jelenhetnek meg. Ha a ragyogás intenzitása elég nagy, akkor szabad szemmel is érzékelhető. A láng színét azok a frekvenciák határozzák meg, amelyeken a kvantumátmenetek végbemennek, ami a spektrum látható tartományában a fő hozzájárulás a sugárzáshoz. A sugárzás jelentős része, különösen szilárd fázis, porszemcsék vagy koromrészecskék jelenlétében a lángban, az infravörös tartományra esik, amelyet szubjektíven tűz hőjeként érzékelünk. A vibrációval gerjesztett CO, CO 2 és H 2 O molekulák hozzájárulnak az infravörös sugárzáshoz .

Amikor a hidrogén tiszta levegőn ég, a láng szinte színtelen. Alig észrevehető kékes árnyalata van az OH gyökök emissziója miatt az optikai tartományban 306-308 nm hullámhosszon [30] . Általában azonban a levegőben lévő hidrogénláng erősebben izzik a porrészecskék és szerves mikroszennyeződések miatt.

A Bunsen-égőben szénhidrogén üzemanyagok , például propán vagy bután égetésekor a láng eltérő színű lehet az üzemanyag és a levegő arányától függően. Ha diffúziós üzemmódban éget, az égő levegőellátása nélkül, a láng sárgára vagy vörösesre színeződik az izzó korommikrorészecskék izzása miatt. Ha kis mennyiségű levegőt keverünk bele, egy halványkék lángkúp jelenik meg az égő kimenetén. A levegőellátás további növelése két lángkúpot eredményez, egy belső élénk kék-zöld és egy külső kék-lila, sokkal kevésbé intenzív [31] .

A szennyeződések azon képességét, hogy különböző színűre színezzék a lángot, az analitikai kémiában pirokémiai elemzésekhez , valamint a pirotechnikában a tisztelgésekhez, tűzijátékokhoz és fáklyákhoz használják.

A láng elektromos tulajdonságai

A szénhidrogén üzemanyagok lángja kölcsönhatásba léphet elektromágneses mezővel, azaz töltött részecskéket tartalmaz. Kísérletileg azt találták, hogy a lángban az ionok koncentrációja 4-6 nagyságrenddel magasabb lehet, mint a pusztán termikus ionizációs mechanizmussal megfigyelhető koncentráció, és valójában a láng gyengén ionizált plazmaként viselkedhet . A lánghőmérséklet azonban nem elegendő ahhoz, hogy a keverék komponensei ionizálódjanak a molekulák ütközésének eredményeként, és az 1950-es években világossá vált, hogy az ionok keletkezésének fő mechanizmusa a kemionizáció [32] .

Úgy gondolják, hogy a kemionizáció főként a CHO + ion képződésén keresztül megy végbe [33] , bár a lángban más ionok jelenlétét is megfigyelték [34] . Szén hiányában a CHO + ion nem képződik, így a tiszta oxigénben lévő tiszta hidrogén lángban az ionok koncentrációja nagyon alacsony. Az ionok koncentrációja jelentősen megnő, ha a gázban nyomokban is jelen van szerves anyag, miközben a láng vezetőképessége jelentősen megnő. Ezt a jelenséget használják ki a gázkromatográfok lángionizációs detektoraiban .

A láng és az elektromágneses tér kölcsönhatása új lehetőségeket nyit meg az égési folyamatok szabályozásában és az ezeken alapuló ígéretes technológiák létrehozásában [35] .

Égéselmélet

A gyakorlati felhasználás nagy tapasztalata ellenére az égési folyamatok továbbra is az egyik legnehezebb tudományos vizsgálati folyamat. Az égéstudomány rendkívül interdiszciplináris, és olyan tudományágak metszéspontjában fekszik, mint a gázdinamika, kémiai termodinamika, kémiai kinetika, molekuláris és kémiai fizika, hő- és tömegtranszfer , kvantumkémia és fizika, anyagtudomány és számítógépes modellezés [36] .

Az égés teljessége

Az éghető keverék kezdeti összetételét a komponensek mól- vagy tömeghányada , valamint a kezdeti nyomás és hőmérséklet jellemzi. Ha a keverék összetételét úgy választjuk meg, hogy égése során az üzemanyag és az oxidálószer is teljesen reakciótermékekké alakulhasson, akkor az ilyen keveréket sztöchiometrikusnak nevezzük . Az üzemanyag-felesleget tartalmazó keverékeket, amelyekben az üzemanyag nem tud teljesen kiégni az oxidálószer hiánya miatt, gazdagnak , az üzemanyaghiányos keverékeket pedig szegénynek nevezzük . A keverék összetételének sztöchiometrikustól való eltérésének mértékét a felesleges üzemanyag együtthatója ( angol  ekvivalencia arány ) jellemzi [37] :

ahol Y F és Y O  az üzemanyag és az oxidálószer tömeghányada, és (Y F / Y O ) st  ezek aránya egy sztöchiometrikus keverékben. Az orosz nyelvű irodalomban az oxidálószer (vagy levegő) többlettényezőt is használják, amely az üzemanyag-többlet együtthatójának fordítottja.

Elméletileg egy sztöchiometrikus keverék teljesen leéghet. A gyakorlatban azonban a reagensek soha nem alakulnak át teljesen reakciótermékekké, mind az égéstér kialakításának tökéletlensége miatt, mind azért, mert az égés kémiai reakcióinak nincs ideje a végére menni. Ezért a valóságban az égés mindig hiányos , és az égés teljességének növelése az erőművek fejlesztésének egyik módja. A mérnöki munkában gyakran nem sztöchiometrikus keverékeket használnak. Például hideg autómotor indításakor a levegő-üzemanyag keveréket dúsítják a könnyebb indítás érdekében, és sovány keverékeket használnak a káros kibocsátások, például az NO x és a CO csökkentésére.

Az égés termodinamikája

Ha az égés adiabatikusan , állandó térfogaton megy végbe, akkor a rendszer teljes belső energiája megmarad, ha állandó nyomáson, akkor a rendszer entalpiája . A gyakorlatban az adiabatikus égés körülményei megközelítőleg szabadon terjedő lángban valósulnak meg (a sugárzás által okozott hőveszteségek figyelembevétele nélkül), és más esetekben, amikor a reakciózónából származó hőveszteség elhanyagolható, például az erős égésterekben. gázturbinák vagy rakétamotorok .

Az adiabatikus égési hőmérséklet  a termékek azon hőmérséklete, amelyet a kémiai reakciók befejeződésekor és a termodinamikai egyensúly létrejöttekor érnek el. A termodinamikai számításokhoz a kiindulási keverék és termék összes komponensének termodinamikai függvényeinek táblázatait [38] használjuk. A kémiai termodinamika módszerei lehetővé teszik a termékek összetételének, a végső nyomásnak és hőmérsékletnek az adott égési feltételek melletti kiszámítását. Jelenleg sok olyan program áll rendelkezésre, amely képes ezeket a számításokat elvégezni [39] [40] .

A fűtőérték  a kiindulási komponensek teljes elégetése során felszabaduló hőmennyiség, azaz szénhidrogén tüzelőanyagok esetében CO 2 -ig és H 2 O -ig. A gyakorlatban a felszabaduló energia egy részét a termékek disszociációjára fordítják, így az adiabatikus égési hőmérséklet a disszociáció figyelembevétele nélkül észrevehetően magasabbnak bizonyul, mint a kísérletben megfigyelt [41] .

A termodinamikai számítás lehetővé teszi a termékek egyensúlyi összetételének és hőmérsékletének meghatározását, de nem ad információt arról, hogy a rendszer milyen sebességgel közelíti meg az egyensúlyi állapotot. Az égés teljes leírásához ismerni kell a reakciók mechanizmusát és kinetikáját, valamint a környezettel való hő- és tömegátadás körülményeit.

Égési kinetika

A legegyszerűbb szénhidrogén tüzelőanyagok, például a metán elégetésekor lezajló reakciók részletes kinetikai sémája több tucat vagy akár több száz olyan komponenst tartalmaz, amelyek több száz elemi kémiai reakcióban vesznek részt [42] . Ilyen nagyméretű mechanizmusok modellezésekor jelentős számítási nehézségek merülnek fel. Ennek oka, hogy az egyes reakciók karakterisztikus ideje sok nagyságrenddel eltérhet, a megfelelő differenciálegyenlet-rendszerek pedig merevnek ( angolul  stiff ) bizonyulnak, ami jelentősen megnehezíti a numerikus megoldást. Ezért az égési folyamatok gyakorlati számításai során három megközelítést alkalmaznak [43] :

a kísérletileg mért lángsebesség szerint kiválasztott kinetikai paraméterekkel [44] .

Tökéletes keverőreaktor

Előkevert tüzelőanyag és oxidálószer keverékében az égési reakció az éghető keverék által elfoglalt teljes térfogatban (ömlesztett égés) vagy a kezdeti keveréket és a termékeket elválasztó szűk zónában (lángfront) lejátszódhat, amely egy olyan formában terjed. - úgynevezett égési hullám. Az ömlesztett égés megszervezhető egy homogén ideális keverőreaktorban, amelybe a kezdeti keverék T 0 hőmérsékleten lép be . A reaktor kimeneténél a keverék hőmérséklete T b ≥ T 0 , amely a reaktor aktuális üzemmódjának megfelelően van beállítva. Egy ilyen reaktorban többféle stacionárius üzemmód, hiszterézis jelenségek , valamint nem-stacionárius üzemmódok és önrezgések is létrejöhetnek [45] . Mindezek a jelenségek az égéselméletre jellemzőek, az egyenletek nemlinearitása miatt.

Lamináris égés

A keverék alacsony áramlási sebessége mellett az égés lamináris rendszerben hajtható végre . Így ég például egy gyertya (diffúziós égés), vagy egy háztartási gáztűzhely (előkevert keverék égése) alacsony gázáramlási sebesség mellett.

Előkevert keverékben a lángfront a kezdeti keverékhez képest szigorúan meghatározott sebességgel mozog, ezt lamináris lángsebességnek nevezik. Ez a sebesség a keverék kezdeti összetételétől, nyomásától és hőmérsékletétől függ, de nem függ a gyulladási körülményektől. A metán és a legtöbb más szénhidrogén tüzelőanyag lamináris lángsebessége normál körülmények között levegőben körülbelül 10-70 cm/s között változhat [46] . A hidrogén és a levegő keverékének ( robbanásveszélyes gáz ) égési sebessége eléri a másodpercenként több métert, és robbanásként érzékelhető.

A lamináris láng csak olyan keverékben terjedhet, amelynek összetétele nem lépi túl az úgynevezett koncentrációs határok tartományát . Az alsó és felső koncentráció határértékek megfelelnek annak a minimális és maximális többletüzemanyag aránynak, amelynél a láng még továbbterjedhet a keveréken. A levegőben lévő metán esetében ezek körülbelül 5 és 15 térfogatszázalékok [47] . Háztartási gázrobbanás akkor következik be, ha rosszul szellőző helyen túllépik az alsó koncentrációs határt, és a keverék szikra vagy más forrás hatására meggyullad. Ugyanez a hatás metánrobbanáshoz vezet a bányákban.

A koncentrációhatáron kívül a csőben a láng terjedésének átmérője is korlátozva van. A kritikusnál kisebb átmérőjű csőben a láng nem terjedhet tovább a falakat érő nagy hőveszteség és a falon lévő aktív gyökök halála miatt [48] . A Davy biztonsági lámpa ezen az elven alapul , amelyben nyílt lángot használnak, de a lángot fémháló borítja, és nem okoz metánrobbanást a bányákban.

Turbulens égés

A turbulens égés, vagyis egy turbulens áramlású keverék  elégetése a gyakorlati eszközökben a leggyakoribb és egyben legnehezebben tanulmányozható égési mód [49] . A turbulencia továbbra is azon kevés megoldatlan probléma egyike a klasszikus fizikában [50] . Még mindig nem létezik a turbulens áramlások teljes elmélete, beleértve azokat is, amelyekben nincsenek kémiai reakciók.

A turbulens áramlás és az égési front kölcsönhatása tovább bonyolítja az elemzést. Még minőségi szinten is ellentétes hatásokhoz vezethet az égés turbulenciára gyakorolt ​​hatása és a turbulencia égésre gyakorolt ​​fordított hatása [51] . Az égés fokozhatja a turbulenciát a további hőleadás miatt, és fordítva, csökkentheti azt a viszkozitás növekedése miatt a hőmérséklet emelkedésével.

Másrészt a turbulencia, úgymond, összetöri a lángfrontot, növelve az elülső területet. Ennek eredményeként az áramlásban a hőleadás meredeken növekszik, vagyis az egész rendszer teljesítménye nő. A turbulencia fokozza a komponensek keveredését is, ha nem keverték össze őket eredetileg. Emiatt a gyakorlatban a nagy teljesítményt igénylő rendszerekben - motorokban, kemencékben, gázturbinás berendezésekben - a turbulens rendszert alkalmazzák. A túl erős turbulencia azonban kiolthatja a lángot. A turbulens áramlást nehéz szabályozni. Folyamatosan sztochasztikus sebesség- és nyomáspulzációk lépnek fel benne, amelyek az égés instabilitását okozhatják, és az égőszerkezet tönkremeneteléhez, balesetekhez vezethetnek. A hőmérséklet-ingadozások azt a tényt eredményezik, hogy a keverék egyenetlenül ég, aminek következtében megnő a káros anyagok tartalma a kibocsátásban.

A turbulens égés leírása számítógépes szimulációk alkalmazását igényli. Ebben az esetben, mint a nem reagáló áramlásoknál, három megközelítés használható a számítási folyadékdinamikában kidolgozott Navier-Stokes egyenletek numerikus megoldására : RANS - a Navier-Stokes egyenletek Reynolds-számra átlagolva , LES - a módszer nagy örvények és DNS-direkt numerikus szimuláció [52] .

Az égés számítógépes szimulációja

Az égési folyamat fontossága a műszaki eszközökben, valamint a teljes körű kísérletek magas költsége hozzájárul az égés számítógépes szimulációjának gyors fejlődéséhez. Az égési folyamatok modelljei a többkomponensű reakcióelegy tömegének, impulzusának és energiájának megmaradásának törvényein alapulnak. Az égéselméleti egyenletek a folytonossági egyenletek a keverék egészére és minden egyes komponensre, a Navier-Stokes egyenlet összenyomható közegre és a hőátadási egyenlet kémiai forrásokkal [53] . A részletes kinetikai sémákkal ez a parciális differenciálegyenlet-rendszer rendkívül összetett, és eddig nem létezik olyan univerzális numerikus séma, amely minden égési módban és hőmérséklet-tartományban alkalmazható lenne. Ezért az ilyen sémákat speciális esetekre készítik, amelyek lehetővé teszik az egyenletrendszer további egyszerűsítését.

A lassú égés egydimenziós esetében (lamináris láng) az egyenletrendszer megoldására hatékony módszereket dolgoztak ki, beleértve a részletes kinetikai sémákat is, és rendelkezésre állnak a problémák megoldására szolgáló szoftvercsomagok. A kutatás során leggyakrabban használt kereskedelmi csomagok a CHEMKIN és a Cosilab , valamint az ingyenes Cantera szoftver .

Két- és háromdimenziós esetekben továbbra is a globális kinetikai sémát használják leggyakrabban. Ilyen megközelítés például az ANSYS FLUENT és a KIVA csomagokban valósul meg , azonban a számítógépek teljesítményének növelésével együtt megjelennek a redukált kinetikai sémák [54] számításai és a részletes sémák is. Az ilyen problémák megoldására szuperszámítógépeket használnak [55] .

Heterogén égés

A kémiában és a fizikában heterogén folyamatoknak nevezik a homogénekkel szemben heterogén rendszerekben végbemenő folyamatokat, azaz egynél több fázist (például gázt és folyadékot) tartalmazó rendszereket, valamint a határfelületen lezajló folyamatokat. Az égéskutatásban a heterogén égés kifejezést olyan rendszerekre használják, amelyekben a tüzelőanyag és az oxidálószer kezdetben különböző fázisban van [27] , még akkor is, ha a tüzelőanyag a folyamat során elpárolog, és maguk a kémiai reakciók a gázfázisban mennek végbe. Tipikus példa a szén levegőben történő elégetése, amelyben a szén a szénrészecskék felületén lévő oxigénnel reagálva szén-monoxidot képez . Ezt követően a szén-monoxid a gázfázisban kiéghet és szén-dioxidot képezhet , és bizonyos módokon az üzemanyag elpárologhat a részecskék felületéről, és gázfázisban gáznemű szénként oxidálódhat. A mechanizmusok különbözősége ellenére ezek a rezsimek formálisan a heterogén égéshez kapcsolódnak.

A heterogén égés rendkívül fontos az égés gyakorlati alkalmazásaiban. A legtöbb üzemanyagot kényelmesebben tárolják és szállítják folyékony formában (beleértve a cseppfolyósított földgázt is ). A kemencékben , belső égésű motorokban , dízelmotorokban , légsugaras hajtóművekben , folyékony rakétamotorokban  a munkafolyamatok heterogén égésűek, és az üzemanyag és az oxidálószer párolgási és keverési folyamatának optimalizálása az égéstérbe való bejutáshoz az optimalizálás fontos része. a teljes égési folyamat a dolgozókban.

Szinte minden tűz  egyben heterogén égés is, a háztartási gázrobbanások azonban homogén égésnek minősülnek, mivel a tüzelőanyag és az oxidálószer is kezdetben gáz.

A szilárd tüzelőanyagok energetikai jellemzőinek javítása érdekében fémek adhatók hozzájuk . Ilyen üzemanyagok például nagy sebességű víz alatti torpedókhoz használhatók , mivel a tiszta alumínium vízben jól ég [56] . Az alumínium és más fémek égése heterogén mechanizmus szerint megy végbe [57] .

Szilárd tüzelőanyagok elégetése

A szilárd hajtóanyagokat elsősorban lőfegyverekben, tüzérségben és rakétákban, valamint taktikai rakétákban és interkontinentális ballisztikus rakétákban használják . Szilárd hajtóanyag-fokozókat használtak arra, hogy újrafelhasználható siklókat indítsanak alacsony Föld körüli pályára .

A hajtóanyag égését a fegyver furatában vagy a hajtóanyag-rakéta kamrájában belső ballisztika vizsgálja .

Szilárd tüzelőanyagok összetétele

A szilárd rakétamotorokban használt szilárd hajtóanyagok két típusra oszthatók: ballisztikus és vegyes . A ballisztikus szilárd hajtóanyagokban nincs elválasztás az üzemanyag és az oxidálószer között – ez egy anyag vagy vegyi anyagok keveréke, amely rétegesen ég. Általában ballisztikus vagy homogén hajtóanyagnak nevezik őket . Az ilyen lőporok fő összetevője a nitrocellulóz . A szilárd tüzelőanyagok gyártása során a nitrocellulózt oldószerben, általában nitroglicerinben gélesítik . A gyártás megkönnyítése és a tárolás alatti stabilitás érdekében technológiai adalékanyagokat vezetnek be a keverékbe, amelyek javítják a mechanikai és működési tulajdonságokat. Az ilyen porok általános elnevezése füstmentes , a külföldi szakirodalomban pedig - double base ( angolul  double base ) [58] .

A kevert üzemanyagok két vagy több komponens keveréke. Az alkotóelemek oxidálószer és üzemanyag mechanikusan összekevert részecskéi por vagy granulátum formájában, legfeljebb tizedmilliméteres méretig. Oxidálószerként perklorátokat (általában ammónium- perklorátot vagy kálium-perklorátot ) és nitrátokat használnak , például ammónium-nitrátot és alkálifém-nitrátokat. Tüzelőanyagként - szerves anyagok, például telített olefin polimerek ( polipropilén ). A rakéta-üzemanyag specifikus impulzusának növelése érdekében finom fémrészecskéket (porokat), például alumíniumot , magnéziumot és berilliumot juttatnak az üzemanyagba .

A rakétahajtóművek portölteteinek nagy mechanikai szilárdságúaknak kell lenniük, hogy elkerüljék a porpatron tönkremenetelét az égés során a rakétahajtómű működése során. Ezért a vegyes tüzelőanyagok tölteteinek gyártása során polimer kötőanyagokat adnak a keverékhez - epoxigyanták , gumik és egyéb polimerek.

A szilárd hajtóanyag töltet égése szilárd hajtóanyagú rakétamotorban a hajtóanyag felületén történik, és nem terjed át a töltetbe, ha a felületen nincsenek repedések. A töltetben lévő repedések vagy pórusok az égési felület és a motor tolóerejének kiszámíthatatlan növekedéséhez, a hajótest kiégéséhez és balesetekhez vezethetnek.

Szilárd hajtóanyagok égési mechanizmusa

A szilárd tüzelőanyagok elégetésekor lezajló folyamatok fizikai képe meglehetősen összetett, és a puskapor bomlásának több szakaszát tartalmazza exoterm reakciók sorozatában a kondenzált és gázfázisban. A H ballisztikus por vákuumban történő elégetésére vonatkozó vizsgálatok eredményei szerint P. F. Pokhil [59] [60] megállapította, hogy 2 Hgmm alatti nyomáson. Művészet. exoterm kémiai reakció csak a kondenzált fázis felületi rétegében megy végbe (lángmentes égés). 5 Hgmm nyomástartományban. Művészet. körülbelül 15-20 atm-ig a reakció gázfázisban megy végbe, és a láng csak sötétben észlelhető (egylángos vagy hideglángos égés). A nyomás további növekedésével (15-20 atm felett) a felülettől bizonyos távolságra egy második erős lángzóna jelenik meg. E zóna és az anyag felszíne közötti távolság a nyomás növekedésével gyorsan csökken, és körülbelül 60-70 atm-nél ez a zóna egyesül az első zónával [61] .

Mindezen szakaszok reakciómechanizmusáról nincs teljes leírás. Úgy gondolják, hogy a kondenzált fázisban a CO–NO 2 kémiai kötések felbomlanak és nitrogén-oxidok (NO 2 és NO) és aldehidek szabadulnak fel, a láng első zónájában a NO 2 reagál az aldehidekkel, a második zónában pedig ott reakciók NO és CO részvételével [62 ] .

A szilárd tüzelőanyagok égési sebességét általában egy tapasztalati erőtörvénnyel közelítik meg: ahol általában a légköri nyomásnak (101,325 kPa) egyenlőnek számítanak. Az index az alacsony nyomások ( = 1–20 atm) 0,7- től a nagy nyomások (> 60 atm) 1-ig terjed, ami a kémiai reakciók vezető hőleadási zónájának változásával magyarázható [62] .

A rakétahajtóművek égésterében az égő por felületét égéstermékek gázárama fújja. A tüzelőanyag égési sebességének növekedését a befúvó áramlás sebességének növekedésével O. I. Leipunsky fedezte fel az 1940-es években [63] [64] , és a hazai szakirodalomban inflációnak nevezték . A külföldi publikációkban eróziós égésnek nevezik [65] . Ezt a hatást figyelembe kell venni a szilárd tüzelésű rakéták tervezésénél és számításánál.

Ha egy rakétahajtómű égésterében szilárd tüzelőanyag töltet ég el, a töltés nyomása, alakja és felülete megváltozik, és a rakéta repülése során nagy túlterhelések hatnak az üzemanyagra. Ennek eredményeként az égési sebesség nem marad állandó, és az ilyen rendszereket nem-stacionáriusnak nevezik. A lőpor bizonytalan égésének fenomenológiai elméletét Ya. B. Zeldovich [66] alkotta meg 1942-ben, majd ezt követően B. V. Novozsilov [67] dolgozta ki az 1960-as években. Nemzetközi elismerésben részesült, mint Zel'dovich–Novozhilov elmélet (ZN-elmélet) [68] .

Különleges égési módok

Parázsló

A parázslás a lassú égés egy speciális fajtája, amely az oxigén és a forró kondenzált anyag reakciójában felszabaduló, közvetlenül az anyag felületén felszabaduló és a kondenzált fázisban felhalmozódó hő miatt tart fenn [69] . A parázslás tipikus példái a meggyújtott cigaretta , a vízipipa vagy a szén a grillben . A parázslás során a reakciózóna lassan terjed át az anyagon – begyújtáskor vagy felfújáskor valamivel gyorsabban. A gázfázisú láng a gáznemű termékek elégtelen hőmérséklete miatt nem keletkezik, vagy a gázfázisból származó nagy hőveszteségek miatt kialszik. A parázslás általában porózus vagy rostos anyagoknál figyelhető meg. Tűz esetén nagy veszélyt jelenthet a parázslás, ha az anyagok tökéletlen égése során emberre mérgező anyagok szabadulnak fel.

Szilárdtest-égetés

Szervetlen és szerves porok keverékében autohullámos exoterm folyamatok léphetnek fel, amelyek nem járnak észrevehető gázfejlődéssel, és csak kondenzált termékeket képeznek. A közbenső szakaszokban gáz- és folyadékfázisok képződhetnek, amelyek azonban nem hagyják el az égőrendszert. Ismertek példák olyan reagáló porokra, amelyekben ilyen fázisok képződése nem bizonyított (tantál-szén). Az ilyen üzemmódokat szilárdfázisú égésnek nevezik , a gázmentes égés és a szilárd láng égés kifejezéseket is használják [70] . Ezek az eljárások gyakorlati alkalmazást kaptak az A. G. Merzhanov [71] irányítása alatt kifejlesztett önszaporító magas hőmérsékletű szintézis (SHS) technológiáiban .

Égés porózus közegben

Ha a kezdeti éghető keverék porózus közegen, például kerámia mátrixon halad át, akkor az égés során a hő egy részét a mátrix melegítésére fordítják. A forró mátrix viszont felmelegíti a kezdeti keveréket. Így az égéstermékek hőjének egy része visszanyerhető, ami lehetővé teszi olyan (alacsony tüzelőanyag-felesleg arányú) sovány keverékek alkalmazását, amelyek hővisszavezetés nélkül nem égnek el. A porózus égetési technológiák ( amelyeket a hazai szakirodalomban szűréses égetésnek is neveznek ) csökkenthetik a káros anyagok kibocsátását, és gáz-infravörös tűzhelyekben, fűtőtestekben és sok más eszközben használatosak [72] .

Lángtalan égés

A hagyományos égéstől eltérően, ha világító lángzónát észlelünk , lehetőség nyílik a lángmentes égés feltételeinek megteremtésére. Példa erre a szerves anyagok katalitikus oxidációja egy megfelelő katalizátor felületén , mint például az etanol oxidációja platinafeketén . A "lángmentes égés" kifejezés azonban nem korlátozódik a felületi katalitikus oxidáció esetére, hanem olyan helyzetekre vonatkozik, amikor a láng szabad szemmel nem látható [3] . Ezért a sugárzó égőkben [73] vagy a ballisztikus porok alacsony nyomáson történő exoterm bomlásának egyes módjait [74] lángmentesnek is nevezik . A lángmentes oxidáció , az alacsony hőmérsékletű égés megszervezésének speciális módja, az egyik ígéretes irány az erőművek alacsony károsanyag-kibocsátású égéstereinek kialakításában.

Jegyzetek

  1. ↑ I.N. Zverev, N. N. Szmirnov. Az égés gázdinamikája. - M . : Moszkvai Kiadó. un-ta., 1987. - S. 165. - 307 p.
  2. ↑ Az égést néha egy oxidálószer és egy tüzelőanyag közötti reakcióként határozzák meg. Az égési folyamatok közé azonban tartozik például mind a monomolekuláris tüzelőanyagok elégetése, mind az ózon lebomlása, amikor a kémiai energia egy anyagban kémiai kötésekben raktározódik.
  3. ↑ 1 2 Égés // Nagy Szovjet Enciklopédia  : [30 kötetben]  / ch. szerk. A. M. Prohorov . - 3. kiadás - M .  : Szovjet Enciklopédia, 1969-1978.
  4. ↑ [www.xumuk.ru/encyklopedia/1128.html Égés] . Kémiai Enciklopédia . Letöltve: 2013. szeptember 16.
  5. ↑ A világ legfontosabb energiastatisztikái . - Nemzetközi Energiaügynökség (IEA), 2012. - P. 6. - 80 p.
  6. ↑ 2013-as nemzetközi energiaügyi kilátások 2040-ig tartó előrejelzésekkel  1. Az Egyesült Államok Energiainformációs Hivatala (EIA) . Letöltve: 2014. február 4.
  7. ↑ Mallard E., Le Chatelier HL Thermal model for flame propagation // Annals of Mines. - 1883. - Kt. 4. - 379. o.
  8. ↑ Khitrin, Az égés és robbanás fizikája, 1957 , p. nyolc.
  9. ↑ Mikhelson V.A. A robbanásveszélyes gázkeverékek normál gyulladási sebességéről. - Sobr. op. M.: Új agronómus, 1930, 1. v
  10. ↑ Burke SP, Schumann TEW Diffúziós lángok // Ipari és mérnöki kémia. - 1928. - 1. évf. 20., 10. sz . - P. 998-1004.
  11. ↑ Szemjonov N. N. Az égés és a robbanások termikus elmélete  // Uspekhi fizicheskikh nauk . - Orosz Tudományos Akadémia , 1940. - T. XXIII , no. 3 . - S. 251-292 .
  12. ↑ Semenov N. N. Az égés és a robbanások termikus elmélete (vége)  // Uspekhi fizicheskikh nauk . - Orosz Tudományos Akadémia , 1940. - T. XXIV , sz. 4 , 8. sz . - S. 433-486 .
  13. ↑ Khitrin, Az égés és robbanás fizikája, 1957 , p. 9.
  14. ↑ Frank-Kamenetsky D. A. Hőmérséklet-eloszlás reakcióedényben és a hőrobbanás stacionárius elmélete // Journal of Physical Chemistry. - 1939. - T. 13 , 6. sz . - S. 738-755 .
  15. ↑ Zeldovich Ya. B., Frank-Kamenetsky D. A. A termikus láng terjedésének elmélete // Journal of Physical Chemistry. - 1938. - T. 12 , 1. sz . - S. 100-105 .
  16. ↑ Belyaev A.F. A robbanóanyagok égéséről // Journal of Physical Chemistry. - 1938. - T. 12 , 1. sz . - S. 93-99 .
  17. ↑ Zeldovich Ya. B. A lőpor és a robbanóanyagok égésének elméletéről // Journal of Experimental and Theoretical Physics . - 1942. - T. 12 , 1. sz . - S. 498-524 .
  18. ↑ Zeldovich Ya. B. A detonáció terjedésének elméletéről gáznemű rendszerekben // Journal of Experimental and Theoretical Physics . - 1940. - T. 10 , sz. 5 . - S. 542-568 .
  19. ↑ von Neumann J. A detonációs hullámok elmélete. Előrehaladási jelentés a Honvédelmi Kutatási Bizottság részére Oszt. B, OSRD-549 (1942. április 1. PB 31090) // A detonációs hullámok elmélete. - Neumann János: Összegyűjtött művek, 1903-1957. - Oxford: Pergamon Press, 1963. - Vol. 6. - P. 178-218. - ISBN 978-0-08-009566-0 .
  20. ↑ Döring W. Über Detonationsvorgang in Gasen  (német)  // Annalen der Physik. - 1943. - Bd. 43 , sz. 6-7 . - S. 421-436 . — ISSN 0003-4916 . - doi : 10.1002/andp.19434350605 .
  21. ↑ Shchelkin, Troshin, Az égés gázdinamikája, 1963 , p. 26.
  22. ↑ CK törvény, Égési fizika, 2006 , p. 659.
  23. ↑ CK törvény, Égési fizika, 2006 , p. 9.
  24. ↑ Shchelkin, Troshin, Az égés gázdinamikája, 1963 , p. 206.
  25. ↑ CK törvény, Égési fizika, 2006 , p. 686.
  26. ↑ CK törvény, Égési fizika, 2006 , p. nyolc.
  27. ↑ 1 2 CK törvény, Combustion Physics, 2006 , p. tíz.
  28. ↑ Ishkhanov B.S. Az atommag története . - M . : Egyetemi könyv, 2011. - 314 p. - ISBN 978-5-91304-229-3 .
  29. ↑ Lewis, Elbe, Égés, lángok és robbanások gázokban, 1968 , p. 578.
  30. ↑ Gaydon, Spectroscopy and the Theory of Combustion, 1950 , p. 49.
  31. ↑ Gaydon, Spectroscopy and the Theory of Combustion, 1950 , p. 60.
  32. ↑ Lawton és Weinberg, Electrical Aspects of Combustion, 1976 , p. 183.
  33. ↑ Fialkov AB Investigations on ion in flames  (angol)  // Progress in Energy and Combustion Science . - Elsevier, 1997. - 1. évf. 23 , sz. 5-6 . — P. 399-528 . - doi : 10.1016/S0360-1285(97)00016-6 .
  34. ↑ Drews, AM, Cademartiri, L., Chemama, ML, Brenner, MP, Whitesides, GM, Bishop, KJ ac electric fields drive steady flows in flames  // Physical Review E  . - American Physical Society, 2012. - Vol. 86 , sz. 3 . — P. 036314 . - doi : 10.1103/PhysRevE.86.036314 .
  35. ↑ Starikovskiy A., Aleksandrov N. Plasma-assisted ignition and combustion  (angol)  // Progress in Energy and Combustion Science. — Elsevier, 2013. — 20. évf. 39 , sz. 1 . - 61-110 . o . - doi : 10.1016/j.pecs.2012.05.003 .
  36. ↑ Kuo, Acharya. A turbulens és többfázisú égés alapjai, 2012 , p. 9.
  37. ↑ Poinsot, Elméleti és numerikus égés, 2012 , p. 12.
  38. ↑ Termodinamikai táblázatok égési és légköri kémiához . Prof. Burcat termodinamikai adatai. Letöltve: 2013. augusztus 13. Az eredetiből archiválva : 2013. augusztus 14..
  39. ↑ Az adiabatikus égési hőmérséklet kiszámítása . eLearning@CERFACS. Letöltve: 2013. augusztus 13. Az eredetiből archiválva : 2013. augusztus 14..
  40. ↑ Cantera. Objektumorientált szoftvereszközkészlet kémiai kinetikához, termodinamikai és szállítási folyamatokhoz. . Letöltve: 2013. augusztus 13.
  41. ↑ Zel'dovich et al., Az égés és robbanás matematikai elmélete, 1980 , p. 25.
  42. ↑ CK törvény, Égési fizika, 2006 , p. 95.
  43. ↑ Lu TF, CK törvény A valósághű tüzelőanyag-kémia nagyszabású számításokban való befogadása felé // Progress in Energy and Combustion Science. — Elsevier, 2009. — 20. évf. 35, 2. sz . - P. 192-215. - doi : 10.1016/j.pecs.2008.10.002 .
  44. ↑ Poinsot, Elméleti és numerikus égés, 2012 , p. 57.
  45. ↑ Zel'dovich et al., Az égés és robbanás matematikai elmélete, 1980 , p. 66.
  46. ↑ Glassman, Combustion, 2008 , p. 187.
  47. ↑ Glassman, Combustion, 2008 , p. 193.
  48. ↑ Glassman, Combustion, 2008 , p. 200.
  49. ↑ Lipatnikov, Az előkevert turbulens égés alapjai, 2012 .
  50. ↑ Peters, Turbulent Combustion, 2004 , p. egy.
  51. ↑ Poinsot, Elméleti és numerikus égés, 2012 , p. 132.
  52. ↑ Poinsot, Elméleti és numerikus égés, 2012 , p. 138.
  53. ↑ Poinsot, Elméleti és numerikus égés, 2012 .
  54. ↑ Khedia KS, Ghoniem AF Előkevert láng stabilizálásának és kifújásának mechanizmusai hővezető perforált lemez után // Égés és láng . — Elsevier, 2012. — 20. évf. 159, 3. sz . - P. 1055-1069. - doi : 10.1016/j.combustflame.2011.10.014 .
  55. ↑ Chen JH et al. Terascale közvetlen numerikus szimulációk turbulens égés S3D használatával  // Computational Science and Discovery. - IOP Publishing, 2009. - Vol. 2. - P. 1-31. - doi : 10.1088/1749-4699/2/1/015001 .
  56. ↑ Alumínium és víz: új típusú rakéta-üzemanyag . Cnews . Letöltve: 2013. augusztus 19.
  57. ↑ Becksted MW – Összefoglaló az alumínium égéséről  // Az RTO/VKI speciális kurzuson a szilárd rakétahajtás belső aerodinamikájáról, amelyet Rhode-Saint-Genèse-ben (Belgium) tartottak 2002. május 27-31-én, és megjelent az RTO-EN- 023.. - 2002. - P. 1-46.
  58. ↑ Novozhilov, A szilárd hajtóanyagok bizonytalan égése, 1973 , p. tíz.
  59. ↑ Pokhil P.F.  Doktori értekezés. A Szovjetunió Tudományos Akadémia Kémiai Fizikai Intézete. 1953
  60. ↑ Pokhil et al., Methods for studying égési és detonációs folyamatok, 1969 , p. 177.
  61. ↑ Novozhilov, A szilárd hajtóanyagok bizonytalan égése, 1973 , p. 24.
  62. ↑ 1 2 Lengellé G., Duterque J., Trubert JF Szilárd hajtóanyagok égése . // Az RTO/VKI „Szilárd rakétahajtás belső aerodinamikája” című speciális kurzusán bemutatott előadás Rhode-Saint-Genèse-ben, Belgiumban, 2002. május 27-31. – OFFICE NATIONAL D'ETUDES ET DE RECHERCHES AEROSPATIALES CHATILLON (Franciaország) ) ENERGETIKAI OSZTÁLY, 2002. - sz. RTO-EN-023. P. 1-62.
  63. ↑ Leipunsky O.I.  Doktori értekezés. A Szovjetunió Tudományos Akadémia Kémiai Fizikai Intézete. 1945
  64. ↑ Leipunsky O. I. A rakéták belső ballisztikájának fizikai alapjainak kérdéséhez // A lőpor és a robbanóanyagok égésének elmélete / Szerk. szerkesztők: O. I. Leipunsky, Yu. V. Frolov. - M .  : Nauka, 1982. - S. 226-277.
  65. ↑ Novozhilov, A szilárd hajtóanyagok bizonytalan égése, 1973 , p. 26.
  66. ↑ Zeldovich Ya. B. A lőpor és a robbanóanyagok égésének elméletéről // Journal of Experimental and Theoretical Physics . - 1942. - T. 12 , 1. sz . - S. 498-524 .
  67. ↑ Novozhilov, A szilárd hajtóanyagok bizonytalan égése, 1973 , p. 40.
  68. ↑ BORIS VASILIEVICS NOVOZHILOV EMLÉKÉRE  // Égés és robbanás: folyóirat. - 2017. - T. 10 , 3. sz .
  69. ↑ Ohlemiller TJ Smoldering Combustion  . SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 3. kiadás . NIST (2002). Letöltve: 2013. augusztus 15. Az eredetiből archiválva : 2013. augusztus 16..
  70. ↑ Merzhanov A. G., Mukasyan A. S. Szilárd láng égés. - M . : Torus Press. — 336 p. - 300 példány.  - ISBN 978-5-94588-053-5 .
  71. ↑ Az Orosz Tudományos Akadémia Szerkezeti Makrokinetikai és Anyagtudományi Problémái Intézete . Az önszaporodó magas hőmérsékletű szintézisről . Letöltve: 2013. augusztus 20.
  72. ↑ Mujeebu MA et al. Égés porózus közegben és alkalmazásai – Átfogó felmérés // Journal of Environmental Management. — Elsevier, 2009. — 20. évf. 90, 8. sz . - P. 2287-2312. - doi : 10.1016/j.jenvman.2008.10.009 .
  73. ↑ Lángmentes égés . Az olaj és gáz nagy enciklopédiája . Letöltve: 2013. augusztus 31.
  74. ↑ Novozhilov, A szilárd hajtóanyagok bizonytalan égése, 1973 , p. 23.

Irodalom

  Ugrás a Wikidata elemre  Szótárak és enciklopédiák