Реакция горения. Виды горения. Характеристики горения. Скорость горения твердых горючих веществ и жидкостей

Изучение скорости горения высокоэнергетических смесевых твердых топлив

Введение

1. Литературный обзор

1.1. Ракетные топлива

1.1.2 Коллоидные топлива

1.1.3 Смесевые топлива

1.1.4 Физические свойства

1.1.5 Механизм горения

1.1.6 Скорость горения топлив

1.1.7 Элементарный состав. Условная химическая формула

2. Методика эксперимента

2.2 Методика изготовления образцов.

3. Экспериментальные данные

Список литературы

Введение

Горение взрывчатых веществ используется в практике издавна – со времени изобретения черного пороха. Однако закономерности горения взрывчатых веществ и порохов при постоянном давлении исследуется сравнительно недавно: первые работы в этой области были начаты К. К. Андреевым и А.Ф. Беляевым в 30-х годах нашего столетия и относились к области давлений, не превышающих 100-150 атм.

До сих пор нет достаточной ясности в том, какими факторами определяется зависимость скорости горения баллистических и смесевых порохов от давления, как она зависит от их состава, как она связана соответствующими зависимостями индивидуальных взрывчатых веществ, входящих в их состав и, наконец, как связана скорость горения с химической структурой взрывчатых веществ. В связи с этим изучение процесса горения взрывчатых веществ представляет большой интерес.

Основной задачей настоящей монографии является систематизация и обобщение новых экспериментальных и теоретических данных по влиянию положительных и отрицательных катализаторов на горение индивидуальных взрывчатых веществ различных классов.

Одним из путей повышения энергетических возможностей смесевых топлив является использование в их составе металлов в виде порошков.

Алюминиевый порошок остается одним из главных компонентов твердых топлив. Для мелкодисперсного алюминия обнаружено существенное увеличение скорости горения, что, возможно, связано с полнотой сгорания этих фракций металла на воздухе.

Все изучаемые составы характеризовались постоянным коэффициентом избытка окислителя, равным 0,9.

Помимо горения в работе проведено определение скорости горения.

1. Литературный обзор

1.1 Ракетные топлива

В ракетных двигателях на химическом топливе выделение энергии происходит в результате химической реакции. Энергия может выделяться в результате следующих реакций:

а) реакции окисления- восстановления (окисления), когда энергия выделяется при реакции между окислительными и горючими элементами; топливо состоит в этом случае, по крайней мере, из двух веществ - окислителя и горючего;

б) реакции разложения, когда тепло выделяется в процессе разложения сложного вещества на более простые; топливо в этом случае может состоять только из одного вещества;

в) реакции рекомбинации (соединения), когда тепло выделяется при соединении одноименных атомов или радикалов в молекулы.

Топлива ракетных двигателей могут быть разделены на следующие четыре группы: жидкие топлива раздельной подачи, жидкие унитарные топлива, твердые топлива, топлива смешанного агрегатного состояния.

В случае жидкого топлива раздельной подачи выделение энергии происходит в результате реакции окисления – восстановления. Процесс окисления условно может быть представлен как обмен электронами на внешней электронной оболочке атомов, участвующих в этом процессе. При этом атомы горючих элементов отдают свои электроны, а атомы окислительных элементов приобретают их.

К горючим элементам относятся углерод С, водород Н, бор В, алюминий АI, литий Li и др. Окислительными элементами являются фтор F, кислород О, хлор CI, бром Br. Фтор и кислород значительно превосходят по эффективности другие окислительные элементы.

Окислитель и горючее в общем случае являются сложными соединениями, в состав которых могут входить как окислительные, так и горючие элементы, а также нейтральные.

Горючим является такое вещество, которое независимо от того, содержатся в нем окислительные элементы или нет, для полного окисления своих горючих элементов требует окислителя извне. Так, например, этиловый спирт С2Н5ОН кроме горючих элементов (С и Н), содержит в себе и окислительный элемент – кислород, но его совершенно недостаточно для полного окисления горючих элементов спирта; поэтому этиловый спирт является горючим.

Окислителем является вещество, в котором хотя и могут быть горючие элементы, но окисляющих элементов в нем имеется значительный избыток, так что при полном окислении его собственных горючих элементов, которые могут быть использованы для окисления какого-либо другого горючего. Например, азотная кислота НNО3 или перекись водорода Н2О2 содержат в себе горючий элемент- водород, однако окислительный элемент (кислород) в них имеется в таком количестве, что при полном окислении водорода азотной кислоты или перекиси водорода в них остается избыток кислорода, который можно использовать для окисления какого-либо горючего; поэтому НNО3 и Н2О2 являются окислителями.

Доли окислителя и горючего в топливе определяются величиной, называемой соотношением компонентов. Теоретическим (стехиометрическим) соотношением компонентов æ0 называется такое минимальное количество окислителя, которое необходимо для полного окисления 1кг горючего. Иначе говоря, теоретическое соотношение компонентов, это такое отношение расходов окислителя и горючего, при котором окислитель полностью окисляет горючее, не оставаясь при этом в избытке.

Действительным соотношением компонентов æ называется действительное отношение расходов окислителя и горючего, подаваемых в камеру, которое может отличаться от теоретического.

Обычно æ <æ0.

Отношение α= æ/ æ0 называется коэффициентом избытка окислителя. Коэффициент избытка окислителя, при котором получается максимальная величина удельной тяги, называется оптимальным.

Топлива раздельной подачи могут быть самовоспламеняющимися и несамовоспламеняющимися. К первым относятся такие топлива, воспламенение которых начинается само по себе при контакте окислителя и горючего в условиях, имеющихся в камере при запуске, без какого-либо дополнительного вмешательства. Несамовоспламеняющиеся топлива для первичного воспламенения (при запуске двигателя) требуют средства зажигания.

Смесь окислителя и горючего в общем случае является взрывоопасной.

Унитарным (однокомпонентным) топливом может быть такое индивидуальное вещество или такая заранее приготовленная смесь веществ, которые при определенных условиях выделяют тепло в результате химических реакций разложения или окисления; в последнем случае все необходимые для окисления элементы находятся в самом унитарном топливе.

Твердые ракетные топлива являются, естественно, унитарными, так как содержат в своей массе все вещества, необходимые для протекания химической реакции. Основой твердых ракетных топлив могут быть вещества, способные к экзотермической реакции разложения, или смеси окислителя и горючего. Твердые топлива широко применяются в ракетной технике. Они позволяют иметь простой по конструкции двигатель и высокую готовность к его запуску. Однако известные твердые топлива обеспечивают меньшие значения удельной тяги, чем жидкие.

Топлива смешанного агрегатного состояния состоят из компонентов, находящихся в разных агрегатных состояниях; например, жидко-твердое топливо, в котором один из компонентов является жидким, а другой твердым. В этом случае твердый компонент помещается в камере сгорания, а жидкий в баке и тем или иным способом подается в камеру, где происходит химическая реакция между окислителем и горючим и образование газообразных продуктов сгорания..

1.1.1 Твердые ракетные топлива

Твердые ракетные топлива можно разделить на две основные группы: коллоидные (двухосновные) и смесевые.

1.1.2 Коллоидные топлива

Основу этих топлив составляет нитроклетчатка (нитроцеллюлоза) и растворитель, на долю которых приходится основная часть топлива (более 90%); поэтому такие топлива называют двухосновными.

Нитроцеллюлоза получается путем обработки азотной кислотой целлюлозы, условная формула которой [С6Н7О2(ОН3)]n. При этом в целлюлозе ряд групп ОН замещается нитратными группами ОNО2. Свойства нитратов целлюлозы зависят от количества групп ОNО2, содержащихся в них, или, что тоже самое, от процентного содержания азота; в нитроцеллюлозе, идущей на изготовление твердых ракетных топлив, оно составляет 12-13%. Нитроцеллюлоза способна к экзотермической реакции разложения; при этом происходит окисление горючих элементов ее кислородом. Нитроцеллюлоза имеет отрицательный кислородный баланс: атомов кислорода недостаточно для полного окисления горючих элементов. Чем выше степень нитрации целлюлозы, т.е. чем выше содержание азота, тем благоприятнее кислородный баланс. Теплота разложения нитроцеллюлозы колеблется в пределах 3000 – 4000кДж/кг.

Нитроцеллюлоза в чистом виде не может быть использована в качестве топлива из-за склонности ее к взрыву. Путем обработки нитроцеллюлозы некоторыми растворителями получают коллоидный раствор - желатиноподобную массу, которой дальнейшей обработкой придают высокую жаропрочность и необходимую форму. В таком виде заряды коллоидных топлив обладают высокой стойкостью к взрыву и способностью к равномерному горению.

В качестве растворителя наиболее часто применяется нитроглицерин. Он имеет более высокую теплоту разложения, чем нитроцеллюлоза, поэтому увеличение процентного содержания нитроглицерина в топливе повышает теплотворную способность топлива, а следовательно, и величину удельного импульса. Это связано и с тем, что нитроглицерин имеет положительный кислородный баланс, и часть горючих элементов нитроцеллюлозы окисляется избыточным кислородом нитроглицерина. Но содержание нитроглицерина в топливах не превышает 43%, так как при дальнейшем увеличении ее доли понижается прочность зарядов и ухудшается их стабильность.

Помимо основных компонентов – нитроцеллюлозы и растворителя – в состав коллоидных топлив вводят различные добавки: стабилизаторы, повышающие стабильность зарядов при хранении, флегматизаторы, понижающие скорость горения топлив, катализаторы, улучшающие процесс горения при низких давлениях, технологические добавки, облегчающие процесс прессования зарядов, и красители.

РДТТ с двухосновными топливами имеют удельные импульсы в пределах 2000-2400Н*с/кг; большие значения относятся к топливам с более высоким содержанием нитроглицерина и с нитроцеллюлозой, обладающей большей степенью нитрации. Плотность коллоидных топлив лежит в пределах 1550- 1650 кг/м3.

1.1.3 Смесевые топлива

Смесевые топлива представляют собой механические смеси твердых окислителей и горючих.

Окислителями обычно служат твердые соли хлорной и азотной кислот, богатые кислородом, в частности, перхлорат аммония NН4СIO4, перхлорат калия КСIО4, нитрат натрия NаNО3 и др.

Основное применение в качестве окислителя смесевого топлива получил перхлорат аммония. Его использование позволяет получить топлива с приемлемыми эксплуатационными и достаточно высокими энергетическими характеристиками. Перхлорат калия, несмотря на большое содержание активного кислорода, обеспечивает меньшее значение удельных импульсов из-за образования в продуктах сгорания твердого КСI.

Нитраты - натриевая, аммиачная и калиевая селитры – дешевые доступные продукты, но они менее эффективны, чем перхлораты, и гигроскопичны и поэтому так же, как и перхлорат калия, широкого практического применения не имеют.

Горючее в смесевых топливах выполняет также роль связки. В качестве горючих в этих топливах применяют вещества с достаточно высокой теплотворной способностью и могущие связывать отдельные компоненты топлива. Обычно для этих целей используются синтетические полимеры типа каучук, смол и пластмасс (например, полиуретаны, полибутадиены, полисульфиды).

Твердые смесевые топлива изготовляют путем введения измельченных частиц окислителя в расплавленное горючее – связку. Полученную таким образом массу либо используют для изготовления шашек, которые затем вставляются в камеру сгорания, либо заливают непосредственно в камеру сгорания, где она затвердевает и прочно соединяется со стенками. Топливный заряд должен быть при этом достаточно упругим, чтобы под действием термических напряжений, вызванных разными коэффициентами линейного расширения материалов топлива и камеры, в нем не образовались трещины. Применение зарядов, прочно связанных конструкцией, улучшает полезное использование объема камеры; кроме того, если горение заряда происходит от центра к периферии, исключается необходимость защиты стенок камеры сгорания теплоизоляционными материалами.

Для большинства комбинаций твердых горючих и окислителей в стехиометрической смеси на долю окислителя приходится 85-90% и более. Однако при значительном его содержании вследствие малой доли горючего – связки ухудшаются механические свойства зарядов. Поэтому обычно в смесевых топливах коэффициент избытка окислителя меньше единицы и ниже оптимального значения. С этой точки зрения более благоприятны комбинации, обладающие сравнительно меньшей величиной æ0.

Смесевые топлива без добавок обеспечивают удельные импульсы того же порядка, что и двухосновные; плотность смесевых топлив находится в пределах 1700-1800 кг/м3. Повышения удельного импульса можно добиться, если вводить определенное количество металлического горючего. В настоящее время применяются смесевые топлива, содержащие добавки алюминиевого порошка, что увеличивает теплотворную способность топлива. Правда, при этом в продуктах сгорания появляется многоатомная окись алюминия АI2О3, значительная часть которой конденсируется; тем не менее, имеет место выигрыш в удельном импульсе. Добавки алюминия до 5-15% повышают удельный импульс на 100-200 Н*с/кг. Разрабатываются и другие способы повышения удельного импульса твердых топлив, в частности, синтезированием горючих, в которых металлические элементы химически связаны с другими компонентами. Повышение удельного импульса возможно и применением более эффективных окислителей. Таким, в частности, является перхлорат лития LiCIO4. Повышение доли окислителя в твердых смесевых топливах до определенных пределов так же должно способствовать повышению удельного импульса.

Смесевые топлива имеют ряд преимуществ перед двухосновными. Они дешевле, технологичнее, позволяют создавать заряды, плотно прилегающие к оболочке; при наличии металлических добавок они обеспечивают больший удельный импульс; наконец, они позволяют путем изменения рецептуры получить более широкий диапазон изменения свойств топлива.

Иногда применяются твердые топлива смешанного типа, включающие в себя элементы как смесевых, так и двухосновных топлив. Для примера укажем на состав топлива двигателя одной из баллистических ракет; перхлорат аммония, нитроглицерин, нитроцеллюлоза, алюминиевый порошок.

Несмотря на многообразие существующих и разрабатываемых в иностранных лабораториях составов, смесевые топлива, как правило, содержат следующие вещества (по весу):

Окислители (перхлорат калия, нитрат аммония)………………..60-80%

Горюче-связующие вещества (каучуки, полиуретаны)…………25-15%

Алюминий (в виде порошка)………………………………………10-5%

Катализаторы и другие специальные вещества………………….до 5%.

Нитрат аммония (аммиачная селитра) NH4NO3- белый кристаллический порошок с удельным весом 1,7г/см3. Разлагается при нагревании выше 170°С. Очень гигроскопичен. Способен гореть и взрываться. При горении выделяется большое количество только газообразных продуктов.

1.1.4 Физические свойства

Плотность топлив является ответственной их характеристикой и всегда контролируется при производстве топлив.

Пониженная плотность топлив говорит о том, что в топливе имеются поры и пустоты, недопустимые для качественных зарядов топлив. Пониженная плотность сказывается и на скорости горения топлива: с уменьшением плотности она увеличивается и наоборот.

К теплофизическим характеристикам относятся удельная теплоемкость Сp, коэффициент теплопроводности λ и коэффициент температуропроводности α. Эти величины характеризуют способность топлив воспринимать тепло при воздействии температуры и проводить (распространять) его по толщине топлива. Они используются при теоретических расчетах термических напряжений зарядов, скрепленных с камерой двигателя, скоростей горения топлив в двигателях.

Изменение физических свойств топлив при хранении происходит под влиянием изменения внешней температуры, влаги и времени.

На поверхности ультрадисперсных частиц происходит радикальная перестройка расположения атомов и изменения типа межатомных связей по сравнению с поверхностью крупных частиц..

В ультрадисперсных частицах реализуется особый тип дальнего порядка, при котором межатомные расстояния закономерно изменяются при переходе от центра частицы к ее поверхности, что приводит к образованию множества дефектов как на поверхности частицы, так и в ее объеме и увеличивает активность такой системы в целом.

1.1.5 Механизм горения

В механизме горения смесевых топлив имеется ряд особенностей, определяемых составом и природой входящих в них веществ.

Горение смесевых топлив начинается в твердой фазе с термического распада окислителей и горюче-связующих веществ. Завершается процесс горения в газовых фазах за счет интенсивных химических реакций между газообразными продуктами термического распада компонентов.

Для горения смесевых топлив наиболее характерны большие температуры поверхности горения (до 500-600ºС) и более близкие к поверхности горения максимальные температуры горения.

Процесс горения твердых ракетных топлив очень чувствителен к внешним воздействиям - давлению и начальной температуре топлива. При повышении давления и температуры резко сокращаются темная и смешанная зоны, и пламенная зона вплотную подходит к поверхности горения. Увеличивается подвод тепла к поверхности горения, скорость горения растет, а зона прогрева сужается. Чтобы избежать этих неблагоприятных условий, применяют катализаторы горения, ускоряющие химические реакции в твердой и газовой фазах, которые способствуют более полному горению и в конечном итоге улучшают характеристики топлив.

Введение АI в топливные системы, содержащие органическое горючее и неорганический окислитель, способствует повышению воспламеняемости, скорости горения и оказывает влияние на зависимость скорости горения от давления.

1.1.6 Скорость горения топлив

Для количественной оценки процесса горения топлив используют либо скорость перемещения фронта горения, либо массу топлива, сгорающего в единицу времени с единицы поверхности.

В первом случае скорость горения называют линейной и выражают в мм/сек или см/сек, во втором – массовой и выражают в г/см2*сек. В практике чаще пользуются линейной скоростью горения.

Скорость горения является очень важной рабочей характеристикой топлива, так как по ней судят о количестве газов, которые образуются при горении топлива в единицу времени с поверхности заряда. Она является одним из основных параметров при проектировании зарядов топлив.

Скорость горения топлива зависит от давления в двигателе, начальной температуры топлива, его плотности, энергетических характеристик, природы составных частей топлива, размера частиц окислителя (в смесевых топливах) и катализаторов горения.

Для практических целей всегда необходимо знать, прежде всего, зависимость скорости горения от давления.

Зависимость скорости горения твердых топлив от давления определяют опытным путем и выражают формулами, которые получили наименование законов скорости горения. Закон скорости горения находится опытным путем для каждого топлива в желаемом диапазоне давлений.

1.1.7 Элементарный состав

Условная химическая формула.

Состав вещества в массовых долях отдельных элементов называется элементарным составом. Общая формула для массовой доли отдельного(k-го) элемента в веществе имеет вид:

здесь bk – массовая доля k-го элемента;

ak - число атомов данного элемента в молекуле рассматриваемого соединения;

Ak- атомная масса этого элемента;

Если ограничиться пока элементами H, C, N и О, то в общем случае химическая формула вещества имеет вид

Тогда элементарный состав будет

Здесь µ=12m+n+16p+14q – молекулярная масса вещества;

bc, bh, bo, bn – доли углерода, водорода, кислорода и азота.

Для углерода и водорода приняты округленные значения атомных масс (µн=1, µс=12);

Если топливо или его компонент представляет собой комбинацию нескольких веществ, то массовая доля отдельного элемента найдется так:

где bk – массовая доля k – го элемента в смеси,

gi - массовая доля отдельного (i–го) вещества в смеси,

bki – массовая доля k – го элемента в i- м веществе;

Если топливо состоит из окислителя и горючего и известно соотношение компонентов æ элементарный состав обоих компонентов, то массовая доля отдельного (k – го) элемента в топливе найдется так:

bk=(bkг+ ækok)/(1+ æ).

Когда компоненты представляют собой смеси индивидуальных веществ, то для некоторых расчетов удобно использовать условную химическую формулу данного компонента. Такую формулу можно построить разным способом. Например, удобно определять ее, исходя из числа атомов различных элементов, приходящихся на 100 массовых единиц рассматриваемого компонента. Тогда условная химическая формула будет иметь вид

где m=100bc/12; n=100bH/1; p=100bo/16; q=100bN/14,

а bc, bH, bo, bN – массовые доли соответствующих элементов в данном компоненте.

2. Методики эксперимента

В работе использованы методики изготовления модельных твердых топлив, измерения скорости горения.

2.1 Определение процентного состава компонентов топливной композиции по известному α

Знание коэффициента избытка окислителя системы позволяет решить обратную задачу, т.е. определить процентный состав компонентов топливной композиции.

Рассмотрим это на примере топлива с α=0,90 и содержанием алюминия 15 масс. %, тогда содержание топливной композиции можно записать как

NH4NO3 – (85-х) %

Связка – х %

Таблица№1. Расчет эквивалентной формулы.

Основной характеристикой горения является скорость горения. Различают нормальную (линейную) и массовую скорости горения.

Под нормальной скоростью понимают U н . – линейную скорость перемещения фронта горения в направлении перпендикулярном поверхности горения:

Uн=ℓ/τ [см/с]

Массовая скорость горения U m – это количество исходной горючей системы, сгоревшей в единицу времени с единицы поверхности фронта горения.

Um=Uн × p0[г/см2×с]

Говоря о скорости горения необходимо различать собственно горение и поверхностное распространение горения. При горении порохового столбика конденсированная фаза обычно принимает форму конуса, при этом поверхность горения оказывается значительно больше исходной.

(Догорание горючих продуктов неполного сгорания за счет кислорода воздуха приводит к повышению температуры и, как следствие, вызывает ускорение распространения горения по поверхности заряда) .

При горении пороховых элементов в канале ствола зажигание обычно происходит по всей свободной поверхности.

Весовое количество газов, образующихся при горении равно:

Q=Um × s

Если по мере сгорания поверхность частицы уменьшается, то такую форму называют депрессивной (например, шар, куб), если поверхность увеличивается – прогрессивной (шашка с каналами).

В

Рис. 3. Горение шашки пороха

Горение конденсированных взрывчатых систем

В процессе горения зарядов конденсированных ВС следует различать три основных процесса :

зажигание от источника воспламенения с торца заряда;

послойное горение;

воспламенение заряда с боковой поверхности (при отсутствии бронировки боковой поверхности).

Теоретически описать такой сложный гетерогенный процесс, как горение, весьма трудно. Но если сделать ряд допущений:

Реакция целиком протекает при максимальной температуре горения,

Вещество сначала полностью испаряется, а затем идут реакции в парах и т.д., то процесс поддается описанию.

Согласно теории нормального горения скорость распространения зоны химической реакции обуславливается совокупностью двух процессов:

● переносом тепла из зоны химической реакции в зону прогрева за счет теплопроводности и

● массопереносом вещества из зоны прогрева в зону химической реакции за счет диффузии.

При совместном решении уравнений теплопроводности и диффузии получили выражение массовой скорости горения:

U m =

λ – коэффициент теплопроводности;

–тепловой эффект реакции окисления (с единицы массы газа);

m – порядок реакции;

T r – температура горения;

Е – энергия активации;

Т 0 – начальная температура;

W T Г – скорость реакции при Т горения.

W T Г =ρ о ·z·exp(-E/RT г).

С

хема распространения температуры и протекания реакции при стационарном горении летучих ВВ по Беляеву.

Зависимость скорости горения от различных факторов

Линейная и массовая скорость горения зависит от:

геометрических размеров заряда (диаметра);

внешних условий (температуры и давления);

дисперсности ГС (размера частиц);

наличия примесей.

Для смесевых систем дополнительно оказывают влияние :

химическая природа компонентов, их теплофизические характеристики;

соотношение компонентов и дисперсность каждого из них.

Горение происходит в результате передачи соседнему слою тепла , выделившегося в реагирующем слое. Одновременно с выделением тепла происходят потери его в окружающую среду.

Горение протекает стационарно лишь в том случае, если количество тепла, отдаваемое соседнему слою, и теплопотери уравновешиваются теплоприходом за счет реакции.

Если суммарная теплоотдача становится больше, чем теплоприход, то горение оказывается не возможным.

При уменьшении диаметра заряда количество тепла, выделяемого в единицу времени, уменьшается пропорционально квадрату диаметра. Теплоотдача также уменьшается, но медленнее- она пропорциональна поверхности теплоотвода, т.е. первой степени диаметра. При некотором значении диаметра теплоприход не может компенсировать теплопотери и горение затухает.

Критическим диаметром горения называют минимальный диаметр, при котором ещё возможно горение. Критический диаметр не постоянная величина, он зависит не только от природы ВВ, но и от условий горения, в первую очередь от давления, начальной температуры, плотности заряда и дисперсности кристаллов.

● Повышение температуры и давления снижают критический диаметр горения, увеличивают скорость горения, уменьшают потери в окружающую среду.

Горение твердых горючих веществ в начальной стадии воз­никновения горения называется загоранием. Для такой ста­ти характерны неустойчивость горения, сравнительно низкая температура в его зоне, малый размер факела пламени и не­большая площадь очага.

Температура окружающей среды повышена незначительно, только непосредственно у очага горения.

Начальную стадию пожара (загорания) можно ликвидировать первичными средствами пожаротушения. Если пожар немедленно не погасить, то тепло, выделяющееся при горении, усилит процесс последнего. При этом размер факела пламени увеличится и горение перейдет в устойчивую форму. Одновре- мсиио повышается температура окружающей среды и усилипас гея действие тепловой энергии, излучаемой очагом горения. И ликвидации такого загорания требуется большое количество первичных средств пожаротушения, водяных и пенных струй.

При недостаточной эффективности применяемых средств по­жаротушения или позднем их использовании горение продол­жает развиваться, зона его увеличивается на значительной пло­щади. При этом возрастает температура, выделяется значитель­ное количество тепловой энергии, увеличиваются конвекционные потоки воздуха. При указанных условиях возможны деформа­ция и обрушение конструкций.

Чтобы ликвидировать такой пожар, требуется много сил и мощные средства.

Скорость горения материалов во время пожара различна и зависит от условий горения, состава горючего вещества и ин­тенсивности передачи последним тепла из зоны горения.

Различают две скорости горения: весовую и линейную. Весовой скоростью называется вес (в т, кг ) вещества, выгорев­шего в единицу времени (в мин, ч ). Линейной скоростью горе­ния твердых горючих веществ называется скорость распрост­ранения огня (в м/мин ) и скорость роста площади очага пожара (в м 2 /мин ).

Скорость горения твердых веществ непостоянна и зависит от отношения их поверхности к объему, от влажности, доступа воздуха и других факторов.

На основании полученных данных при исследовании ряда случаев пожаров на речных судах линейная скорость распрост­ранения огня составляет от 0,05 до 2,5 м/мин, а скорость роста площади очага пожара - от 0,3 до 50,0 м 2 /мин.

В начале возникновения пожара, примерно в течение первых 2-3 мин, происходит интенсивное увеличение площади его оча­га на пассажирских судах до 41-44 м 2 /мия. Это объясняется тем, что в данный период много времени уходит на сбор лич­ного состава экипажа судна и не ведется еще активной борьбы с пожаром. В последующие 10 мин, когда вводятся в действие стационарные средства юодо- и пенотушения, рост площади оча­га пожара замедляется примерно до 6-7 м 2 /мин.

Исследованиями установлено, что пожаром пассажирское судно может быть уничтожено в течение 20-30 мин, если орга­низация его тушения несовершенна.

Линейная скорость распространения огня определяет площадь очага пожара, а степень выгорания всего, что может гореть на этой площади,- продолжительность пожара.

Линейной скоростью горения жидкости явля­ется высота слоя ее (в мм, см), выгоревшего в единицу времени (в мин, ч).

Скорость распространения пламени огня при воспламенении горючих газов составляет от 0,35 до 1,0 м/сек.

Скоростью выгорания называется количество горю­чего, сгорающего в единицу времени с единицы площади горения. Она характеризует интенсивность сгорания жидкости при пожаре. Ее необходимо знать для определения расчетной продолжительности пожара в резервуарах, интенсивности тепловыделения и температурного режима пожара и т. д.

Скорость выгорания жидкости непостоянна и зависит от ее начальной температуры, диаметра резервуара, уровня жидкости в нем, содержания в ней негорючих жидкостей, скорости ветра и других факторов.

В резервуарах диаметром до 2 м скорость выгорания жидкостей возрастает с его увеличением. Практически она одинакова в резервуарах, диаметр которых больше 2 м.

Скорость выгорания жидкости, разлитой на поверхности, примерно такая же, как и в резервуарах, если толщина ее слоя значительна

Так, например, скорость выгорания нефти составляет 25 см/ч , бензина -40 см/ч, масла-20 см/ч.

При пламенном горении нефтепродукта в грузовом танке подается прогревание жидкости.

Прогревание жидкости от верхних к нижним слоям происходит в массе тяжелых нефтей со скоростью 30 см/ч, а в массе легких нефтей - от 40 до 130 см/ч.

Керосин и дизельное топливо при горении прогреваются медленно, при этом не образуется прогретого слоя одинаковой тем­пературы.

Нефть и мазут прогреваются вглубь весьма интенсивно, тем­пература слоя почти всегда выше 100° С. Температура прогре­ют слоя нефти может достигать 300° С и нагревать донный слой воды в резервуаре.

Температура прогретого слоя бензина обычно ниже 100° С, поэтому и не прогревается донный слой воды в емкости.

Прогревание жидкости в резервуарах может привести к ее вскипанию или выбросу. Под вскипанием понимается пере­ход в пар большого количества мелких капелек воды, находя­щейся в нефтепродукте. При этом на поверхности жидкости об­разуется пена, которая может переливаться через борт резервуа­ра. Под выбросом понимается мгновенный переход воды, находящейся на дне резервуара, в пар. В данном случае соз- иется повышенное давление, под действием которого происхо- lai выбрасывание горящей жидкости из резервуара.

Вскипание нефтепродуктов в большинстве случаев связано- присутствием в них воды и реже водяной подушки на дне резервуара. К вскипанию способны все нефтепродукты, содержащие воду, которая в процессе горения нагревается выше 100° С.

Нефть и мазут способны вскипать только при определенном содержаниичержании в них влаги: у нефти-3,3% и мазута - выше 0,6%".

Вскипать могут машинное масло и тяжелый бензин при на­пиши донного слоя воды.

Охлаждение водяными струями стенок резервуара и перио­дическое введение распыленной струи воды на одну треть или четверть поверхности горения предотвращают вскипание и пере­лив прогревшегося бензина или нефти из него.

Если (высота свободного борта превышает толщину прогретого слоя более чем в 2 раза, то при введении iB зону горения рас­пыленной струи воды вскипание наблюдается, но переливания жидкости из емкости не происходит.

К выбросу способны темные нефтепродукты - нефть, содер­жащая 3,8% влаги, мазут, содержащий до 0,6% влаги.

Выброс горящей жидкости может произойти, если: под слоем ее находится вода; жидкость при горении прогревается вглубь; температура прогретого слоя выше температуры кипения воды.

Выброс происходит в тот момент, когда нефтепродукт на границе раздела вода - нефтепродукт нагревается выше 100° С (примерно 150-300° С). После первого выброса нагретый до более высокой температуры слой нефтепродукта соприкасается вновь с водой и происходит мощный выброс.

Выброс по высоте, дальности и площади поражения зависит от диаметра резервуара. В емкости диаметром 1,387 м масса горящей нефти, выбрасываемая наружу, составляет от 51 до 145 кг при высоте от 10 до 20 высот емкости.

Длительность процесса выброса из емкости составляет от 3 до 60 сек. Время наступления выброса разное, начиная от 2 до 5 ч 30 мин от начала горения для различных нефтепродук­тов при различных емкостях.

Обычно выброс сопровождается многочисленными взлетами нефтепродукта. Выброс всего нефтепродукта одним взлетом - редкое явление и наблюдается при небольшом слое оставшегося нефтепродукта и значительной его вязкости.

Характерным признаком начала выброса является возник­новение вибраций стенок емкости, сопровождающихся шумом и возрастанием размеров факела пламени.

В емкостях большего диаметра выброс происходит быстрее, чем в емкостях малого диаметра. Величина слоя водяной по­душки на выброс не оказывает влияния.

Нормальной скоростью горения газо - и паро­воздушной смеси называется скорость, с которой движет­ся граничная поверхность между сгоревшим и несгоревшим га­зами относительно несгоревшего газа, находящегося в покое в непосредственной близости к поверхности горения.

СКОРОСТЬ ГОРЕНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Линейная скорость горения твердого топлива - скорость перемеще­ния поверхности горения в глубь заряда - зависит от состава и техноло­гии изготовления заряда, температуры заряда Т 3 , давления в камере р, скорости газового потока вдоль горящей поверхности v, растяжения топ­лива , ускорения а = ng, направленного к горящей поверхности, а также от других факторов:

и = u (T 3)f(p)fi (v) f 2 ()f 3 (a).

Функции, входящие в эту зависимость, предполагаются независимы­ми и определяются экспериментально.

1. Зависимость скорости горения от температуры выражается в од­ной из следующих форм:

а) ;

б) ;

в) .

Константа D 1/В= (1...5) 10 3 1/°С, причем большие значения относятся к баллиститным, а меньшие - к смесевым твердым топливам; принято T N = = 20°С.

2. Зависимость скорости горения от давления обычно выражается в
одной из следующих форм:

а) u=u ;

б) u=a+bp;

в) u= или u=

Во внутренней баллистике РДТТ используется, как правило, степенная зависимость и = u x p v , где v =0,2...0,8, причем большие v относятся к баллиститным, а меньшие - к смесевым твердым топливам. Для неко­торых топлив в ограниченном диапазоне давления v = 0, могут быть также участки, где v < 0.

3. Скорость горения зависит от скорости газового потока вдоль
горящей поверхности начиная с "порогового" значения скорости потока
v n или другого определяющего параметра. Формы зависимости различны,
а именно:

a) f (v)=l+k v (v-v ) при v v ,

(для топлива JPN имеем v =180...200 м/с; к = 0,0022 с/м) или f =1 + k ( п) при п; где для некоторых баллиститных топлив имеем

; (и измеряется в см/с, p – в 10 МПа);

б) f (v)=l+k v при v v ,

где для баллиститного топлива Н имеем

; v 140…200м/с;

например, П 0,4; к 0,8;

г) при ,

где для баллиститных топлив имеем (S/F) 100; k 0,003...0,004; S - площадь горящей поверхности в сечении с координатой x :

1 при

д) 0,0125 при

где для баллиститного топлива Н имеем (ФГВ, 1971, №l) =0,04;
J =1,6; J п =5,6.

Коэффициенты k v , k , к , к и k не являются физическими констан­тами топлива, но в ограниченных пределах конкретного внутрибаллистического расчета принимаются постоянными. Топлива с низкими ско­ростями горения более подвержены эрозионному горению, чем топлива с высокими скоростями. Вблизи v n при v < v n наблюдается уменьшение скорости горения (отрицательная эрозия, см. п.2.3.2).

4.Зависимость скорости горения от деформации растяжения имеет
вид f 2 () = 1 + b ; значение b - порядка единицы.

5.Скорость горения твердого топлива увеличивается с ростом уско­
рения ng, действующего перпендикулярно к горящей поверхности; так,

для пороха Н имеем (по данным Б. И. Гончаренко), что f 3 (n ) =

равна 1; 1,2; 1,4; 1,5 и 1,6 при п =0,7 10 3 ; 1 10 3 ; 4 10 3 ; 8 10 3 и 18 10 3 соответственно.

Для металлизированных смесевых твердых топлив, в которых мас­совая доля алюминия равна z A 1 , взаимосвязь между f 3 = и п имеет вид (ФГВ, 1978, №6):

,

где давление измеряется в 10 Па, скорость горения - в мм/с.

При очень больших ускорениях (на участке насыщения) для раз­личных топлив f 3 () = 1,5 ...2,5 .

Увеличение и под действием ускорения зависит от размера частиц алюминия, содержащегося в смесевом твердом топливе. При отклоне­нии вектора ускорения от нормали к поверхности влияние п на и сначала уменьшается приблизительно как косинус угла наклона, а при углах 0...70 0 ускорение не влияет на скорость горения.

Скорость горения безметалльного состава из очищенных компонентов не меняется при увеличении перегрузок до 10 3 g .

6.Скорость горения в условиях быстроменяющегося давления отличается от стационарного значения, и это изменение может быть приближенно описано, например, зависимостью

,

где = 0,5…2; а - коэффициент температуропроводности топлива.

Возможно прерывание горения топлива при достаточно быстром спаде давления:

Для баллиститных топлив;

- u/d - для смесевых (d - диаметр зерна окислителя).

На скорость горения различных частей заряда твердого топлива оказывают также влияние особенности конструкции, технологии изготовления и режимов эксплуатации (хранения) РДТТ.

Устойчивое горение твердого топлива определяется следующими источниками тепла:

1) суммарно-экзотермическими реакциями, протекающими в тонком поверхностном слое топлива;

2) суммарно-экзотермическими процессами, протекающими в дымогазовой смеси.

Нагрев топлива до температуры, необходимой для устойчивого горения, осуществляется в основном первым источником тепловой энергии; при этом большая часть топлива в поверхностном слое диспергируется.

При квазистационарном горении твердого топлива со скоростью и в прогретом слое устанавливается распределение температуры, приближенно описываемое экспоненциальной зависимостью (рис. 2.1)

Т(х) Т 3 + (T s - )ехр(-xu/а ),

где T s , T 3 - температура поверхности горящего топлива и начальная | температура заряда.

Для баллиститных топлив существует однозначная зависимость температуры поверхности T s от скорости горения и. Для топлива HT равна 600, 650, 690 и 720 К при и =0,25; 0,5; 0,75 и 1 см/с соответственно.

Всего в прогретом слое аккумулировано количество теплоты

.

Основной запас этой теплоты заключен в слое толщиной = а/и, время прогрева которого порядка t 4 = -а/и г (время тепловой релаксации для баллиститного топлива составляет 60 и 4 мс при давлении 0,4 и 6,0 МПа соответственно). На основании этого можно приближенно по­лагать, что для воспламенения заряда и устойчивого развития реакции разложения, твердого топлива необходимо поверхностному слою пере­дать определенное количество теплоты /и и нагреть поверх­ность топлива до температуры, близкой к значению , за определенное время, равное примерно а/и 2 . При этом давление в РДТТ должно быть больше величины, необходимой для устойчивого горения.

Рис. 2.1 Схема горения баллиститного топлива:

Т 3 - начальная температура заряда; - температура на поверхности раздела твердой и газовой фаз; 1 - исходное состояние топлива; 2 - зона прогрева и первичного разло­жения компонентов; 3 - жидковязкий слой; 4 - зона газификации; 5 - зона подготовки горючей смеси; 6 - зона горения; 7 - продукты
сгорания.

Возрастание скорости горения с ростом давления и температуры за­ряда обусловлено тем, что при этих условиях ускоряется прогрев поверхностного слоя. Рост скорости горения при v > v n обусловлен уве­личением эффективных коэффициентов теплопроводности и диффузии в развитом турбулентном потоке. Под действием перегрузок агломера­ты, образующиеся при горении, прижимаются к поверхности и, будучи по размерам сравнимы с толщиной прогретого слоя, увеличивают ло­кально теплопередачу к топливу и ведут фронт горения. При растяжении твердого топлива появляются микротрещины, доступные для горения, и линейная скорость перемещения горящей поверхности увеличивается.

Конкретные параметры зависимости скорости горения каждого заряда (или каждой партии зарядов) твердого топлива от давления и температуры (например, и = и (T 3)p v) определяются с помощью сжига­ния цилиндрического образца, забронированного по боковой поверхнос­ти, в приборе постоянного давления (рис. 2.2). Погрешность определе­ния и = e/t в этом приборе складывается из погрешностей измерения не­скольких параметров:

Рис. 2.2. Прибор постоянного дав­ления для измерения скорости горе­ния твердого топлива:

1 - выпускной клапан; 2 - впуск­ной клапан; 3 - редуктор в трубо­проводе от баллонной батареи; 4 -электрическая спираль воспламене­ния образца твердого топлива; 5 -забронированный по боковой по­верхности образец; б - бомба по­стоянного давления; 7 - проволоч­ки, перегорающие при прохождении фронта горения.

Излучение и течение газов в приборе постоянного давления отличаются от излучения и потока продуктов сгорания в двигателе. Поэтому измеренное в приборе постоянного давле­ния значение скорости горения корректируется с помощью эмпирического коэффициента к и =1...1,1 для условий горения в двигателе (при v < v n). Коэффициент k v , характеризующий влияние скорости газового потока на скорость горе­ния при v > v n , определяется на специальных установках (например, на установке с ГГ, аналогичным представленному на рис. 5.42, где вместо образцов теплозащитных покрытий размещаются образцы твердого топ­лива) или с помощью сжигания зарядов в модельных РДТТ.

В приборе постоянного давления проводится также сжигание растя­нутых образцов с целью получения значения . Зависимость скорости горения от ускорения устанавливается при испытании модельных РДТТ, закрепленных на коромысле центробежного испытательного стенда или при испытании вращающихся вокруг оси РДТТ.

Добавка металлических порошков в твердые топлива не оказывает существенного влияния на скорость горения (при отсутствии больших ускорений, направленных к поверхности горения), так как воспламе­нение и горение металлов происходит в потоке газа. Отличительная осо­бенность горения смесевых металлизированных твердых топливсостоит в том, что оно представляет собой сложную последовательность превра­щенийисходных частиц металла (алюминия) - агломерацию (укрупне­ние) на реагирующей поверхности топлива, их воспламенение, вынос в газовую фазу, горение и движение в ней. Зерна окислителя (перхлората аммония) на порядок и больше превышают по размерам исходные час­тицы алюминия, содержащиеся в горючем - связующем, заполняющем "карманы" между зернами. Интенсивность выгорания максимальна в области границ с последними. Поэтому при прохождении волны горения происходит слияние частиц металла, скопившихся в данном кармане, и эти агрегаты на один - два порядка крупнее исходных частиц. При неко­торых условиях могут происходить также и слияние агрегатов из сосед­них "карманов", и образование нескольких агрегатов в пределах одно­го "кармана". От последующего движения и горения агрегатов алюми­ния, коагуляции и распада капель А1/А1 2 О 3 зависят потери удельного импульса, воздействие многофазного потока продуктов сгорания на тепловую защиту РДТТ и шлакообразование. В результате анализа экс­периментальных данных по размерам частиц окиси алюминия в продук­тах сгорания получена следующая формула:

где d измеряется вм; t - в с; р - в МПа; d - в мкм; t = L /v; L - длина двигателя.

ГОРЕНИЕ , физ.-хим. процесс, при к-ром превращение в-ва сопровождается интенсивным выделением энергии и тепло- и с . В отличие от и протекает с более низкими скоростями и не связано с образованием . В основе горения лежит хим. р-ция, способная протекать с прогрессирующим самоускорением вследствие накопления выделяющегося тепла (тепловое горение) или активных промежут. продуктов (цепное горение). наиб. распространено тепловое горение; цепное горение в чистом виде встречается сравнительно редко, гл. обр. в случае нек-рых газофазных р-ций при низких .

Условия термич. самоускорения м. б. обеспечены для всех р-ций с достаточно большими тепловыми эффектами и . наиб. обширный класс р-ций горения-окисление , напр. при горении прир. , и т.п.; окислители-кислород, . В режиме горения могут происходить: разложение , динитрогликоля, метилнитрата и др.; окислит.-восстановит. р-ции, в к-рых восстановители-элементы с высоким сродством к (Са, Al, Si, Mg и др.); синтез из элементов , галогенидов, халькогенидов, тугоплавких и .

Горение может начаться самопроизвольно в результате либо быть инициированным зажиганием (см. ). При фиксиров. внеш. условиях ( , т-ра, размеры реактора, параметры тепло- и массопереноса и др.) непрерывное горение может протекать в стационарном режиме, когда осн. характеристики процесса - скорость р-ции, кол-во тепла, выделяющегося в единицу времени (мощность тепловыделения), т-ра и состав продуктов - не изменяются во времени, либо в периодич. режиме, когда эти характеристики колеблются около своих средних значений. Вследствие сильной нелинейной зависимости скорости р-ции от т-ры горение отличается высокой чувствительностью к внеш. условиям: при их незначит. изменении медленная р-ция может перейти в режим горения или, наоборот, развитое горение может прекратиться. Это же св-во горения обусловливает существование неск. стационарных режимов при одних и тех же условиях (гистерезисный эффект).

Теория горения.

При адиабатич. сжигании горючей смеси, т.е. в отсутствие между реагирующей системой и , м. б. рассчитаны кол-во выделившегося при горении тепла, т-ра Т Г, к-рая была бы достигнута при полном сгорании (т. наз. адиабатич. т-ра горения), и состав продуктов, если известны состав исходной смеси и термодинамич. ф-ции исходной смеси и продуктов. Если состав продуктов заранее известен, Т Г м. б. рассчитана из условия равенства внутр. энергии системы (при пост. объеме) или ее (при пост. ) в исходном и конечном состояниях с помощью соотношения: Т Г = Т 0 + Qr/C, где Т 0 -начальная т-ра смеси, С-средняя в интервале т-р от Т 0 до Т Г уд. исходной смеси (с учетом ее изменения при возможных ), (Q Г -УД- смеси при т-ре Т Г. При относительном содержании а 0 в смеси компоненты, полностью расходуемой в р-ции (напр., горючего), Q Г = Q*а 0 где Q-тепловой эффект р-ции горения. Значение Тр при пост, объеме больше, чем при пост. , поскольку в последнем случае часть внутр. энергии системы расходуется на работу расширения. На практике условия адиабатич. горения обеспечиваются в тех случаях, когда р-ция успевает завершиться прежде, чем станет существенным между реакц. объемом и , напр. в камерах сгорания крупных реактивных двигателей, в больших реакторах, при быстро распространяющихся волнах горения.

Термодинамич. расчет дает лишь частичную информацию о процессе - равновесный состав и т-ру продуктов. Полное описание горения, включающее также определение скорости процесса и критич. условий при наличии тепло-и с , можно провести только в рамках макрокинетич. подхода, рассматривающего хим. р-цию во взаимосвязи с энергии и в-ва (см. ). В случае заранее перемешанной смеси горючего и р-ция горения может происходить во всем пространстве, занятом горючей смесью (объемное горение), или в сравнительно узком слое, разделяющем исходную смесь и продукты и распространяющемся по горючей смеси в виде т. наз. волны горения. В неперемешанных системах возможно диффузионное горение, при к-ром р-ция локализуется в относительно тонкой зоне, отделяющей горючее от , и определяется скоростью в эту зону.

Объемное горение происходит, напр., в теплоизолиров. реакторе идеального (см. ), в к-рый поступает при т-ре Т 0 исходная смесь с относит. содержанием горючего а 0 ; при другой т-ре Г реактор покидает смесь с иным относит. содержанием горючего а. При полном расходе G через реактор условия баланса смеси и содержания горючего при стационарном режиме горения могут быть записаны ур-ниями:

где w(а, Т)-скорость р-ции горения, К-объем реактора. Используя выражение для термодинамич. т-ры Т Г, можно из (1) получить: а = а 0 (Т Г - Т)/(Т Г - Т 0)и записать (2) в виде:

где q - (T) = GC(T- Т 0)-скорость отвода тепла из реактора с продуктами сгорания, q + (T) = Qw(a, Т) V-скорость выделения тепла при р-ции. Для р-ции и-го порядка с :

(k 0 -предэкспоненц. множитель в ур-нии Аррениуса). На диаграмме q - Т (рис. 1) зависимость q - (T)выражается прямой линией, угол наклона к-рой тем больше, чем больше расход через реактор; q + (T)выражается кривой с резким максимумом вблизи Т Г. Восходящая ветвь этой кривой обусловлена быстрым ростом скорости р-ции с т-рой (в выражении для w осн. вклад дает экспоненц. множитель); при значит. выгорании горючего смесь сильно разбавляется продуктами, преобладающее влияние на скорость р-ции начинает давать множитель а n и р-ция резко замедляется. Поскольку для р-ций горения характерны большие значения Е, максимум на кривой q + (T)выражен очень резко и сильно смещен к Т Г, т.е. наиб. быстро реагирует смесь, сильно нагретая выделяющимся теплом, хотя и значительно разбавленная продуктами. При разл. расходах G условия баланса (1) и (2), к-рым отвечают точки пересечения q + (T)и q - (Т), могут выполняться при разл. т-рах. Соответственно и р-ция может протекать по-разному: в низкотемпературном режиме без прогрессирующего самоускорения, с незначит. саморазогревом (Т Т 0) и выгоранием горючего (аа 0) (точка А на рис. 1 при расходе G t) или в режиме горения при высоких т-рах (Т Т Г)и больших степенях выгорания (а0) (точка С на рис. 1 при расходе G 3). Переходы между этими двумя режимами-воспламенение смеси и ее погасание-происходят скачкообразно при критич. расходах G B и G П соотв., причем всегда G B < G П. При промежут. расходах G B < G < G П возможен также неустойчивый режим протекания р-ции при нек-рой промежут. т-ре (точка В на рис. 1 при расходе G 2), когда любое малое случайное возмущение расхода приводит р-цию в один из устойчивых режимов (А" или С). Гистерезисный эффект, свойственный горению, заключается в том, что при любом расходе G в интервале от G B до G П м. б. реализованы оба устойчивых режима - высокотемпературный (собственно горение) и низкотемпературный, в зависимости от того, достигнуто ли данное значение G увеличением расхода со стороны значений, меньших G B , или уменьшением его со стороны значений, больших G П.

Рис. 1. Зависимость скоростей тепловыделения q + и теплоотвода q - от т-ры Т реагирующей системы при разл. значениях расхода через реактор С (пояснения в тексте); Т 0 -т-ра . Т Г - адиабатич. т-ра горения.

Критич. и гистерезисные явления, характерные для горения, возникают не только при изменении расхода, но и при изменении др. внеш. условий (Т 0 , V и т.д.).

Волны горения обусловлены характерным св-вом горения-способностью к распространению в пространстве, занятом горючей смесью. Начавшись в одном слое горючей смеси, заполняющей к.-л. объем, напр. трубу, р-ция горения инициируется в соседних слоях вследствие их нагрева горячими продуктами или из-за из реагирующего слоя. В результате возникает распространяющийся вдоль трубы фронт горения, перед к-рым находится горючая смесь при начальной т-ре Т 0 , за ним-продукты сгорания при т-ре Т П. При отсутствии потерь тепла через стенки трубы Т П = Т Г. В стационарном режиме горения все точки плоского волнового фронта перемещаются с одинаковой скоростью м, постоянной во времени. Скорость р-ции w, т-ра Т и горючей компоненты а распределены во фронте горения неравномерно, образуя вдоль координаты распространения фронта х три зоны (рис. 2). В т. наз. зоне 1 т-ра принимает значения в узком интервале вблизи Т Г, а скорость р-ции максимальна. В зоне прогрева 2 скорости р-ции и тепловыделения существенно меньше, осн. роль в тепловом балансе смеси играет тепловой поток из зоны р-ции. Под воздействием этого потока горючая смесь настолько быстро нагревается до высоких т-р, что компоненты не успевают прореагировать. В зоне 3 осуществляется молекулярное компонентов горючей смеси и продуктов р-ции. В результате горючего в зоне р-ции сильно снижается и смесь обогащается продуктами горения. Значения ширины зоны прогрева l Т и зоны l D определяются коэф. температуропроводности смеси х и продуктов D соотв.: . Ширина зоны р-ции l р для простой одностадийной р-ции во много раз меньше l Т: l р /l T ~ RT T 2 /E(T Г - Т 0). В случаях р-ции со сложным механизмом (напр., при сильном торможении р-ции продуктом) l р м. б. сравнима и даже превосходить l Т.

В соответствии с текущими значениями Т и а распределена во фронте горения и полная смеси Н (рис. 3). При нагретые слои, обогащенные горючей смесью, имеют избыток по сравнению с Н 0 исходной смеси ; принедостаточно прогретая и сильно разбавленная продуктами смесь имеет недостаток . Избыток во фронте горения-причина неустойчивости стационарных волн горения и возникновения колебательных режимов их распространения.

Рис. 3. Изменение Н реагирующей системы вдоль координаты х распространения фронта горения; и D-коэффициенты температуропроводности смеси и продуктов соответственно.

При сложных р-циях, протекающих по многостадийному механизму, структура фронта горения может оказаться более сложной, чем в случае простой (одностадийной) р-ции. В зависимости от соотношения между кинетич. разл. стадий сложной р-ции эти стадии могут либо протекать в одной зоне (режим слияния), либо могут быть пространственно разделенными и взаимод. между собой посредством тепловых и диффузионных потоков (режим управления), либо не будут испытывать никакого взаимного влияния (режим отрыва). Скорость распространения фронта горения с неск. зонами р-ции, как правило, определяется к.-л. одной из них (т. наз. ведущая зона).

Кол-во горючего, сгорающего на единице пов-сти фронта горения в единицу времени, наз. массовой скоростью горения т. Она определяется выражением:, где-плотность исходной смеси.

Расчет скоростей горения-массовой m и линейной u-связан с отысканием распределения т-р и всех компонентов смеси во фронте горения и требует совместного решения дифференц. ур-ний тепло- и массопереноса в реагирующей среде. Согласно Зельдовичу-Франк-Каменецкому, для простой (одностадийной) р-ции

где-теплопроводность смеси,= RT 2 Г /E(T Г - T 0); значения и w соответствуют т-ре Т Г, плотности смеси и эффективной горючего в зоне р-ции= . Из этой ф-лы следует, что из всех физ.-хим. св-в горючей смеси и характеристик тепло- и массопе-реноса наиб. влияние на т оказывает т-ра Т Г, поскольку зависимость т от Т Г соответствует экспоненц. закону, т.е.

В реальных условиях распространение фронта горения всегда сопровождается потерями тепла во внеш. среду (излучением, ), что приводит к уменьшению т-ры и скорости горения по сравнению с их адиабатич. значениями. Если отношение интенсивности теплопотерь к мощности тепловыделения превышает нек-рое критич. значение, самораспространение р-ции по горючей смеси становится невозможным. Срыв горения с ростом теплопотерь осуществляется скачком: непосредственно перед потуханием скорость горения отлична от нуля и даже м. б. близка к скорости адиабатич. горения. Со срывом горения вследствие теплопотерь связаны понятия разл. пределов горения. Так, если содержание в горючей смеси становится меньше стехиометрического, сильно уменьшаются скорости р-ции и тепловыделения. При неизменной теплоотдаче это приводит к росту отношения интенсивности теплопотерь к мощности тепловыделения. При нек-рой горючего это отношение достигает критич. значения, ниже к-рого смесь становится негорючей в данных условиях; соответствующая горючего наз. концентрационным пределом горения. Аналогично определяются пределы горениея по начальной т-ре, диаметру трубы и т.п.

Диффузионное горение имеет место в условиях, когда горючее и диффундируют в зону р-ции с противоположных сторон; таково, напр., горение свечи, фитиля. Если при этом k р-ции горения много меньше , успевают перемещаться и р-ция протекает в обычном кинетич. режиме (относительно низкотемпературном). При