Горение

«Горение» перенаправляется сюда. Информацию о типе травмы см. в разделе « Ожоги» . О горении без внешнего воспламенения см. Самовозгорание . Чтобы узнать о двигателе транспортного средства, см. Двигатель внутреннего сгорания . Чтобы узнать о других значениях, см. Горение (значения) , Возгорание (значения) и Стрельба (значения) .

Пламя , возникающее в результате топлива . горения (горения)

Оборудование для борьбы с загрязнением воздуха обеспечивает контроль горения в промышленных процессах .

Горение , или горение , представляет собой высокотемпературную экзотермическую окислительно-восстановительную химическую реакцию между топливом (восстановителем) и окислителем , обычно кислородом воздуха , в результате которой образуются окисленные, часто газообразные продукты, в смеси, называемой дымом . Горение не всегда приводит к возгоранию , поскольку пламя видно только тогда, когда вещества, подвергающиеся горению, испаряются, но когда это происходит, пламя является характерным индикатором реакции. Хотя энергия активации для инициирования горения необходима (например, использование зажженной спички для зажигания огня), тепло от пламени может обеспечить достаточно энергии, чтобы сделать реакцию самоподдерживающейся . Изучение горения известно как наука о горении .

Горение часто представляет собой сложную последовательность элементарных радикальных реакций . Твердое топливо , такое как древесина и уголь , сначала подвергается эндотермическому пиролизу с образованием газообразного топлива, сгорание которого затем обеспечивает тепло, необходимое для производства большего количества топлива. Горение часто бывает настолько горячим, что лампы накаливания свет в виде свечения или пламени возникает . Простой пример можно увидеть в сгорании водорода и кислорода с образованием водяного пара – реакции, которая обычно используется в качестве топлива для ракетных двигателей . В этой реакции выделяется 242   кДж/моль тепла и соответственно снижается энтальпия (при постоянной температуре и давлении):

${\ce {2H_{2}(g){+}O_{2}(g)\rightarrow 2H_{2}O\uparrow }}$

Некаталитическое горение на воздухе требует относительно высоких температур. Полное сгорание является стехиометрическим относительно топлива, при котором не остается топлива и, в идеале, остаточного окислителя. Термодинамически химическое равновесие горения на воздухе преимущественно находится на стороне продуктов. Однако полного сгорания добиться практически невозможно, поскольку химическое равновесие не обязательно достигается или может содержать несгоревшие продукты, такие как окись углерода , водород и даже углерод ( сажа или зола). Таким образом, образующийся дым обычно токсичен и содержит несгоревшие или частично окисленные продукты. Любое горение при высоких температурах в атмосферном воздухе , который на 78 процентов состоит из азота , также приводит к образованию небольших количеств нескольких оксидов азота , обычно называемых NOx , поскольку сгорание азота термодинамически благоприятно при высоких, а не низких температурах. Поскольку сгорание редко бывает чистым, очистка топливного газа или каталитические нейтрализаторы по закону может потребоваться .

Пожары возникают естественным путем, вызванные ударами молний или продуктами вулканического происхождения . Горение ( огонь ) было первой контролируемой химической реакцией, открытой людьми в форме костров и костров , и продолжает оставаться основным методом производства энергии для человечества. Обычно топливом является углерод , углеводороды или более сложные смеси, такие как древесина , которые содержат частично окисленные углеводороды. Тепловая энергия, вырабатываемая при сжигании ископаемого топлива, такого как уголь или нефть , или возобновляемого топлива, такого как дрова , собирается для различных целей, таких как приготовление пищи , производство электроэнергии или промышленное или бытовое отопление. Горение также в настоящее время является единственной реакцией, используемой для питания ракет . Сжигание также применяется для уничтожения ( сжигания ) отходов, как неопасных, так и опасных.

Окислители для горения имеют высокий окислительный потенциал и включают атмосферный или чистый кислород , хлор , фтор , трифторид хлора , закись азота и азотную кислоту . Например, водород сгорает в хлоре с образованием хлористого водорода с выделением тепла и света, характерных для горения. Хотя обычно горение не катализируется, оно может катализироваться платиной или ванадием , как в контактном процессе .

Типы

Полные и неполные

Смотрите также: пиролиз

Полный

Горение метана , углеводорода

При полном сгорании реагент сгорает в кислороде и образует ограниченное количество продуктов. Когда углеводород сгорает в кислороде, в результате реакции в основном образуются углекислый газ и вода. При сгорании элементов образуются в основном наиболее распространенные оксиды. Углерод дает углекислый газ , сера дает диоксид серы , а железо дает оксид железа (III) . Азот не считается горючим веществом, если окислителем является кислород . Тем не менее, небольшие количества различных оксидов азота (обычно обозначаемых NO
_{виды x} ) образуются, когда воздух является окислителем.

Горение не обязательно благоприятно для максимальной степени окисления и может зависеть от температуры. Например, триоксид серы количественно не образуется при сжигании серы. Виды NO _x появляются в значительных количествах при температуре выше примерно 2800 °F (1540 °C), и больше их образуется при более высоких температурах. Сумма NO _x также является функцией избытка кислорода.

В большинстве промышленных применений и при источником пожарах воздух кислорода является ( O
₂ ). В воздухе каждый моль кислорода смешан примерно с 3,71 моль азота. Азот не участвует в горении, но при высоких температурах часть азота преобразуется в NO.
_x (в основном NO , с гораздо меньшими количествами NO
₂ ). С другой стороны, когда кислорода недостаточно для полного сгорания топлива, часть углерода топлива превращается в окись углерода , а часть водорода остается непрореагировавшей. Поэтому полная система уравнений горения углеводорода в воздухе требует дополнительного расчета распределения кислорода между углеродом и водородом в топливе.

Количество воздуха, необходимое для полного сгорания, известно как «теоретический воздух» или «стехиометрический воздух». Количество воздуха, превышающее это значение, фактически необходимое для оптимального сгорания, известно как «избыточный воздух» и может варьироваться от 5% для газового котла до 40% для антрацитового угля и до 300% для газовой турбины .

Неполный

См. также: Чарринг

Неполное сгорание происходит, когда кислорода недостаточно для полной реакции топлива с образованием углекислого газа и воды. Это также происходит, когда горение гасится теплоотводом, например твердой поверхностью или пламегасителем. Как и в случае с полным сгоранием, вода образуется при неполном сгорании; однако углерод и окись углерода вместо углекислого газа образуются .

Для большинства видов топлива, таких как дизельное топливо, уголь или древесина, пиролиз перед сгоранием происходит . При неполном сгорании продукты пиролиза остаются несгоревшими и загрязняют дым вредными твердыми частицами и газами. Частично окисленные соединения также вызывают беспокойство; частичное окисление этанола может привести к образованию вредного ацетальдегида , а углерод может привести к образованию токсичного угарного газа.

Конструкции устройств сгорания позволяют улучшить качество сгорания, например, горелок и двигателей внутреннего сгорания . Дальнейшие улучшения достижимы за счет каталитических устройств дожигания (таких как каталитические нейтрализаторы ) или простого частичного возврата выхлопных газов в процесс сгорания. Такие устройства требуются экологическим законодательством для автомобилей в большинстве стран. Они могут быть необходимы для того, чтобы крупные устройства сжигания, такие как тепловые электростанции , могли достичь установленных законом стандартов выбросов .

Степень сгорания можно измерить и проанализировать с помощью испытательного оборудования. по системам отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха Подрядчики, пожарные и инженеры используют анализаторы сгорания для проверки эффективности горелки в процессе сгорания. Кроме того, таким образом можно измерить эффективность двигателя внутреннего сгорания, а некоторые штаты США и местные муниципалитеты используют анализ сгорания для определения и оценки эффективности современных транспортных средств на дорогах.

Оксид углерода является одним из продуктов неполного сгорания . При образовании угарного газа выделяется меньше тепла, чем при образовании углекислого газа, поэтому полное сгорание предпочтительнее, особенно потому, что угарный газ является ядовитым газом. При дыхании угарный газ заменяет кислород и соединяется с частью гемоглобина в крови, что делает его неспособным переносить кислород.

Проблемы связанные с неполным сгоранием

Экологические проблемы

Эти оксиды соединяются с водой и кислородом в атмосфере, образуя азотную и серную кислоты , которые возвращаются на поверхность Земли в виде кислотных отложений или «кислотных дождей». Выпадение кислоты наносит вред водным организмам и убивает деревья. Из-за образования определенных питательных веществ, которые менее доступны растениям, таких как кальций и фосфор, он снижает продуктивность экосистемы и ферм. Дополнительная проблема, связанная с оксидами азота, заключается в том, что они, наряду с углеводородными загрязнителями, способствуют образованию приземного озона , основного компонента смога.

Проблемы со здоровьем человека

Вдыхание угарного газа вызывает головную боль, головокружение, рвоту и тошноту. Если уровень угарного газа достаточно высок, люди теряют сознание или умирают. Воздействие умеренных и высоких уровней угарного газа в течение длительного времени положительно коррелирует с риском сердечно-сосудистых заболеваний. Люди, пережившие тяжелое отравление угарным газом, могут страдать от долгосрочных проблем со здоровьем. Угарный газ из воздуха поглощается в легких, а затем связывается с гемоглобином в эритроцитах человека. Это снижает способность эритроцитов, переносящих кислород по всему организму.

Тлеющий

Тление — это медленная, низкотемпературная, беспламенная форма горения, поддерживаемая теплом, выделяющимся при непосредственном воздействии кислорода на поверхность топлива в конденсированной фазе. Обычно это реакция неполного сгорания. К твердым материалам, которые могут поддерживать реакцию тления, относятся уголь, целлюлоза , древесина , хлопок , табак , торф , труха , перегной , синтетические пенопласты, обугливающиеся полимеры (включая пенополиуретан ) и пыль . Распространенными примерами явлений тления являются возникновение жилых пожаров на мягкой мебели слабыми источниками тепла (например, сигаретой, короткозамкнутым проводом) и стойкое горение биомассы за пылающими фронтами лесных пожаров .

Спонтанно

Самовозгорание — это тип горения, который происходит путем саморазогрева (повышения температуры из-за экзотермических внутренних реакций), за которым следует тепловой разгон (саморазогрев, который быстро ускоряется до высоких температур) и, наконец, воспламенение.Например, фосфор самовоспламеняется при комнатной температуре без применения тепла. Органические материалы, подвергающиеся бактериальному компостированию, могут выделять достаточно тепла, чтобы достичь точки сгорания.

Турбулентный

Сгорание, приводящее к турбулентному пламени, наиболее часто используется в промышленных целях (например, в газовых турбинах , бензиновых двигателях и т. д.), поскольку турбулентность способствует процессу смешивания топлива и окислителя .

Микрогравитация

Цветное составное изображение в оттенках серого отдельных кадров видеозаписи горящей в условиях микрогравитации капли топлива с задней подсветкой.

Термин «микрогравитация» относится к гравитационному состоянию, которое является «низким» (т.е. «микро» в смысле «маленькой» и не обязательно миллионной нормальной гравитации Земли), так что влияние плавучести на физические процессы может быть значительным. считается небольшим по сравнению с другими процессами потока, которые наблюдаются при нормальной гравитации. В такой среде динамика теплового и потоковопереноса может вести себя совсем иначе, чем в обычных условиях гравитации (например, пламя свечи принимает форму сферы. ). Исследования горения в условиях микрогравитации способствуют пониманию широкого спектра аспектов, которые имеют отношение как к окружающей среде космического корабля (например, динамика пожара, имеющая отношение к безопасности экипажа на Международной космической станции ), так и к земным (наземным) условиям (например, динамика сгорания для помощи в разработке новых топливных смесей для улучшения сгорания, процессов изготовления материалов , управления температурным режимом электронных систем , динамики кипения многофазного потока и многих других).

Микросгорание

Процессы горения, происходящие в очень малых объемах, называются микрогорением . Высокое соотношение поверхности к объему увеличивает удельные теплопотери. Расстояние гашения играет жизненно важную роль в стабилизации пламени в таких камерах сгорания .

Химические

Стехиометрическое горение углеводорода в кислороде

Обычно химическое уравнение стехиометрического : сгорания углеводорода в кислороде имеет вид

${\ce {C}}_{x}{\ce {H}}_{y}+\left(x+{y \over 4}\right){\ce {O2->}}x{\ce {CO2}}+{y \over 2}{\ce {H2O}}$

Например, стехиометрическое горение метана в кислороде:

${\ce {{\underset {methane}{CH4}}+ 2O2 -> CO2 + 2H2O}}$

Стехиометрическое горение углеводорода в воздухе

Если стехиометрическое сгорание происходит с использованием воздуха в качестве источника кислорода, азот, присутствующий в воздухе ( Атмосфера Земли ), можно добавить в уравнение (хотя он не реагирует), чтобы показать стехиометрический состав топлива в воздухе и состав образующегося дымового газа. Обработка всех некислородных компонентов воздуха азотом дает соотношение «азота» к кислороду 3,77, т.е. (100% - O2%) / O2%, где O2% составляет 20,95% об.:

${\ce {C}}_{x}{\ce {H}}_{y}+z{\ce {O2}}+3.77z{\ce {N2 ->}}x{\ce {CO2}}+{y \over 2}{\ce {H2O}}+3.77z{\ce {N2}}$

где $z=x+{y \over 4}$.

Например, стехиометрическое горение метана в воздухе:

${\ce {{\underset {methane}{CH4}}+ 2O2}}+7.54{\ce {N2-> CO2 + 2H2O}}+7.54{\ce {N2}}$

Стехиометрический состав метана в воздухе составляет 1/(1+2+7,54)=9,49% об.

Стехиометрическая реакция горения C _α H _β O _γ на воздухе:

${\ce {C_{\mathit {\alpha }}H_{\mathit {\beta }}O_{\mathit {\gamma }}}}+\left(\alpha +{\frac {\beta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}\right)\left({\ce {O_{2}}}+3.77{\ce {N_{2}}}\right)\longrightarrow \alpha {\ce {CO_{2}}}+{\frac {\beta }{2}}{\ce {H_{2}O}}+3.77\left(\alpha +{\frac {\beta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}\right){\ce {N_{2}}}$

Стехиометрическая реакция горения C _α H _β O _γ S _δ :

${\ce {C_{\mathit {\alpha }}H_{\mathit {\beta }}O_{\mathit {\gamma }}S_{\mathit {\delta }}}}+\left(\alpha +{\frac {\beta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}+\delta \right)\left({\ce {O_{2}}}+3.77{\ce {N_{2}}}\right)\longrightarrow \alpha {\ce {CO_{2}}}+{\frac {\beta }{2}}{\ce {H_{2}O}}+\delta {\ce {SO_{2}}}+3.77\left(\alpha +{\frac {\beta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}+\delta \right){\ce {N_{2}}}$

Стехиометрическая реакция горения C _α H _β O _γ N _δ S _ε :

${\ce {C_{\mathit {\alpha }}H_{\mathit {\beta }}O_{\mathit {\gamma }}N_{\mathit {\delta }}S_{\mathit {\epsilon }}}}+\left(\alpha +{\frac {\beta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}+\epsilon \right)\left({\ce {O_{2}}}+3.77{\ce {N_{2}}}\right)\longrightarrow \alpha {\ce {CO_{2}}}+{\frac {\beta }{2}}{\ce {H_{2}O}}+\epsilon {\ce {SO_{2}}}+\left(3.77\left(\alpha +{\frac {\beta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}+\epsilon \right)+{\frac {\delta }{2}}\right){\ce {N_{2}}}$

Стехиометрическая реакция горения C _α H _β O _γ F _δ :

${\ce {C_{\mathit {\alpha }}H_{\mathit {\beta }}O_{\mathit {\gamma }}F_{\mathit {\delta }}}}+\left(\alpha +{\frac {\beta -\delta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}\right)\left({\ce {O_{2}}}+3.77{\ce {N_{2}}}\right)\longrightarrow \alpha {\ce {CO_{2}}}+{\frac {\beta -\delta }{2}}{\ce {H_{2}O}}+\delta {\ce {HF}}+3.77\left(\alpha +{\frac {\beta -\delta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}\right){\ce {N_{2}}}$

Следы продуктов сгорания

Различные другие вещества начинают появляться в значительных количествах в продуктах сгорания, когда пламени превышает примерно 1600 К. температура При использовании избытка воздуха азот может окисляться до NO и, в гораздо меньшей степени, до NO.
₂ . CO образуется в результате диспропорции CO ₂ и H
₂ и ОН образуются в результате диспропорционирования Н ₂ О. ​

Например, при 1 моля пропана воздуха (120 % сжигании с 28,6 моля от стехиометрического количества) продукты сгорания содержат 3,3 % О.
₂ . При 1400 К равновесные % продукты сгорания содержат 0,03% NO и 0,002 OH . При 1800 К продукты сгорания содержат 0,17% NO , 0,05% OH , 0,01% CO и 0,004% H.
₂ .

Дизельные двигатели работают с избытком кислорода для сжигания мелких частиц , которые имеют тенденцию образовываться только со стехиометрическим количеством кислорода, что обязательно приводит к выбросам оксидов азота . И в Соединенных Штатах, и в Европейском Союзе применяются ограничения на выбросы оксидов азота транспортными средствами, что требует использования специальных каталитических нейтрализаторов или обработки выхлопных газов мочевиной (см. Жидкость для выхлопных газов дизельных двигателей ).

Неполное сгорание углеводорода в кислороде

При неполном (частичном) сгорании углеводорода с кислородом образуется газовая смесь, содержащая преимущественно CO.
₂ , КО , H ₂ O и H
₂ . Такие газовые смеси обычно готовят для использования в качестве защитной атмосферы при термообработке металлов и газовой цементации . Общее уравнение реакции неполного сгорания одного моля углеводорода в кислороде:

${\ce {{\underset {fuel}{C_{\mathit {x}}H_{\mathit {y}}}}+{\underset {oxygen}{{\mathit {z}}O2}}->{\underset {carbon\ dioxide}{{\mathit {a}}CO2}}+{\underset {carbon\ monoxide}{{\mathit {b}}CO}}+{\underset {water}{{\mathit {c}}H2O}}+{\underset {hydrogen}{{\mathit {d}}H2}}}}$

Когда z падает ниже примерно 50% от стехиометрического значения, CH
₄ может стать важным продуктом сгорания; когда z падает ниже примерно 35% от стехиометрического значения, элементарный углерод может стать стабильным.

Продукты неполного сгорания можно рассчитать с помощью материального баланса в предположении, что продукты сгорания достигают равновесия . Например, при сгорании одного моля пропана ( C
₃ H
₈ ) с четырьмя молями O
₂ , образуется семь молей дымового газа, а z составляет 80% от стехиометрического значения. Три уравнения баланса элементов:

• Углерод: $a+b=3$
• Водород: $2c+2d=8$
• Кислород: $2a+b+c=8$

Этих трех уравнений самих по себе недостаточно для расчета состава дымовых газов.Однако в положении равновесия реакция конверсии вода-газ дает другое уравнение:

${\ce {CO + H2O -> CO2 + H2}}$; $K_{eq}={\frac {a\times d}{b\times c}}$

Например, при 1200 К значение К _экв составляет 0,728. Решая, дымовой газ состоит на 42,4% Н ₂ О , 29,0% СО ₂ , 14,7% Н
₂ и 13,9% CO . Углерод становится стабильной фазой при 1200 К и давлении 1 атм , когда z составляет менее 30% от стехиометрического значения, при этом продукты сгорания содержат более 98% H.
₂ и CO и около 0,5% CH.
₄ .

Вещества или материалы, которые подвергаются горению, называются топливом . Наиболее распространенными примерами являются природный газ, пропан, керосин , дизельное топливо , бензин, древесный уголь, уголь, древесина и т. д.

Жидкое топливо

Горение жидкого топлива в окислительной атмосфере фактически происходит в газовой фазе. Горит пар, а не жидкость. Следовательно, жидкость обычно загорается только при температуре выше определенной температуры: ее температуры вспышки . Температура вспышки жидкого топлива — это самая низкая температура, при которой оно может образовывать воспламеняющуюся смесь с воздухом. Это минимальная температура, при которой в воздухе остается достаточное количество испаренного топлива для начала горения.

Газообразное топливо

Сгорание газообразного топлива может происходить посредством одного из четырех различных типов горения: диффузионное пламя , пламя предварительной смеси , фронт самовоспламеняющейся реакции или детонация . Тип фактически происходящего горения зависит от степени смешивания топлива и окислителя перед нагревом: например, диффузионное пламя образуется, если топливо и окислитель изначально разделены, тогда как в противном случае образуется предварительно смешанное пламя. Точно так же тип горения также зависит от давления: например, детонация представляет собой фронт самовоспламеняющейся реакции, связанный с сильной ударной волной, что придает ей характерный пик высокого давления и высокую скорость детонации .

Твердое топливо

Общая схема полимера горения

Акт горения состоит из трех относительно различных, но перекрывающихся фаз:

• Фаза предварительного нагрева , когда несгоревшее топливо нагревается до температуры вспышки, а затем до температуры воспламенения . Горючие газы начинают выделяться в процессе, аналогичном сухой перегонке .
• Фаза дистилляции или газовая фаза , когда воспламеняется смесь выделяющихся горючих газов с кислородом. Энергия производится в виде тепла и света. пламя Часто видно . Передача тепла от горения к твердым веществам поддерживает выделение горючих паров.
• Угольная фаза или твердая фаза , когда выход горючих газов из материала слишком мал для постоянного присутствия пламени и обугленное топливо не горит быстро, а просто тлеет, а позже только тлеет .

Управление горением

Эффективный технологический нагрев топлива требует возврата как можно большей части теплоты сгорания в обрабатываемый материал. Существует множество причин потерь при работе процесса нагрева. Обычно основной потерей является тепло, уходящее с отходящими газами (т.е. дымовыми газами ). Температура и количество отходящих газов указывают на их теплосодержание ( энтальпию ), поэтому поддержание низкого их количества сводит к минимуму потери тепла.

В идеальной печи поток воздуха для горения должен быть согласован с потоком топлива, чтобы обеспечить каждой молекуле топлива точное количество кислорода, необходимое для полного сгорания. Однако в реальном мире горение протекает не идеально. Несгоревшее топливо (обычно CO и H
₂ ), выброшенный из системы, представляет собой потерю теплотворной способности (а также угрозу безопасности). Поскольку горючие вещества в отходящих газах нежелательны, а присутствие непрореагировавшего кислорода представляет минимальные проблемы безопасности и охраны окружающей среды, первый принцип управления горением заключается в обеспечении большего количества кислорода, чем теоретически необходимо для обеспечения сгорания всего топлива. Для метана ( CH
₄ ) для горения, например, требуется чуть больше двух молекул кислорода.

Однако второй принцип управления горением заключается в том, чтобы не использовать слишком много кислорода. Правильное количество кислорода требует трех типов измерений: во-первых, активный контроль расхода воздуха и топлива; во-вторых, измерение содержания кислорода в отходящих газах; и в-третьих, измерение горючих отходящих газов. Для каждого процесса нагрева существует оптимальный режим минимальных теплопотерь отходящих газов при допустимых уровнях концентрации горючих веществ. Минимизация избытка кислорода дает дополнительную выгоду: для данной температуры отходящих газов уровень NOx является самым низким, когда избыток кислорода поддерживается на низком уровне.

Соблюдению этих двух принципов способствует составление материального и теплового баланса в процессе сгорания. Материальный баланс напрямую связывает соотношение воздух/топливо с процентным содержанием O.
₂ в дымовом газе. Тепловой баланс связывает тепло, доступное для загрузки, с общим чистым теплом, выделяемым при сгорании топлива. Дополнительные материальные и тепловые балансы могут быть составлены для количественной оценки термического преимущества от предварительного нагрева воздуха для горения. или обогащая его кислородом.

Механизм реакции

Горение в кислороде представляет собой цепную реакцию , в которой множество различных радикальных участвуют промежуточных продуктов. Высокая энергия, необходимая для инициирования, объясняется необычным строением молекулы дикислорода . Конфигурация молекулы дикислорода с самой низкой энергией представляет собой стабильный, относительно нереакционноспособный дирадикал в триплетном спиновом состоянии . Связь можно описать тремя парами связывающих электронов и двумя разрыхляющими электронами с выровненными спинами , так что молекула имеет ненулевой полный угловой момент. С другой стороны, большинство видов топлива находятся в синглетном состоянии со спаренными спинами и нулевым полным угловым моментом. Взаимодействие между ними является квантовомеханически « запрещенным переходом », то есть возможным с очень низкой вероятностью. Чтобы инициировать горение, требуется энергия, чтобы перевести дикислород в состояние спиновой пары, или синглетный кислород . Это промежуточное соединение чрезвычайно реакционноспособно. Энергия передается в виде тепла , а затем реакция выделяет дополнительное тепло, что позволяет ей продолжаться.

Считается, что горение углеводородов инициируется отрывом атома водорода (а не отрывом протона) от топлива до кислорода с образованием гидропероксидного радикала (HOO). Далее он реагирует с образованием гидроперекисей, которые распадаются с образованием гидроксильных радикалов . Существует большое разнообразие этих процессов, в результате которых образуются топливные радикалы и окислительные радикалы. Окисляющие виды включают синглетный кислород, гидроксил, одноатомный кислород и гидропероксил . Такие интермедиаты недолговечны и не могут быть изолированы. Однако нерадикальные промежуточные соединения стабильны и образуются при неполном сгорании. Примером является ацетальдегид, образующийся при сжигании этанола . Промежуточное соединение при сгорании углерода и углеводородов, окись углерода , имеет особое значение, поскольку является ядовитым газом , но также экономически полезна для производства синтез-газа .

Твердое и тяжелое жидкое топливо также подвергается множеству реакций пиролиза , в результате которых образуется более легко окисляемое газообразное топливо. Эти реакции являются эндотермическими и требуют постоянного подвода энергии от продолжающихся реакций горения. Недостаток кислорода или другие неправильно спроектированные условия приводят к выделению этих вредных и канцерогенных продуктов пиролиза в виде густого черного дыма.

Скорость горения – это количество материала, которое сгорает за определенный период времени. Оно может выражаться в граммах в секунду (г/с) или килограммах в секунду (кг/с).

Детальное описание процессов горения с точки зрения химической кинетики требует формулирования большой и сложной сети элементарных реакций. Например, при сжигании углеводородного топлива обычно участвуют сотни химических веществ, реагирующих в соответствии с тысячами реакций.

Включение таких механизмов в вычислительные решатели потоков по-прежнему представляет собой довольно сложную задачу, главным образом в двух аспектах. Во-первых, число степеней свободы (пропорциональное числу химических соединений) может быть чрезвычайно большим; во-вторых, исходный член, обусловленный реакциями, вводит несопоставимое количество временных масштабов, что делает всю динамическую систему жесткой. В результате прямое численное моделирование турбулентных реактивных потоков с тяжелым топливом вскоре становится невыполнимым даже для современных суперкомпьютеров.

Поэтому было разработано множество методологий для уменьшения сложности механизмов сгорания, не прибегая к высоким уровням детализации. Примеры предоставлены:

• Метод перераспределения релаксации (МПР)
• Подход внутреннего маломерного многообразия (ILDM) и дальнейшие разработки
• Метод равновесной кривой прообраза края с инвариантными ограничениями.
• Несколько вариационных подходов
• Метод вычислительных сингулярных возмущений (CSP) и его дальнейшие разработки.
• Подход «Равновесие с контролируемой скоростью и ограничениями» (RCCE) и «Квазиравновесное многообразие» (QEM).
• G-схема.
• Метод инвариантных сеток (МИГ).

Кинетическое моделирование

Кинетическое моделирование можно изучить для понимания механизмов реакции термического разложения при горении различных материалов, используя, например, термогравиметрический анализ .

Температура

Антуан Лавуазье проводит эксперимент, связанный с горением, вызванным усиленным солнечным светом.

Предполагая идеальные условия сгорания, такие как полное сгорание в адиабатических условиях (т.е. отсутствие потерь или прироста тепла), можно определить температуру адиабатического сгорания. Формула, определяющая эту температуру, основана на первом законе термодинамики и учитывает тот факт, что теплота сгорания полностью используется для нагрева топлива, воздуха для горения или кислорода, а также газов продуктов сгорания (обычно называемых дымовые газы ).

В случае сжигания ископаемого топлива на воздухе температура сгорания зависит от следующих факторов:

• теплотворная способность ;
• стехиометрическое соотношение воздуха и топлива ${\lambda }$;
• удельная теплоемкость топлива и воздуха;
• температуры воздуха и топлива на входе.

Адиабатическая температура горения (также известная как адиабатическая температура пламени ) увеличивается при более высоких значениях теплоты сгорания и температурах входящего воздуха и топлива, а также при стехиометрическом соотношении воздуха, приближающемся к единице.

Чаще всего температура адиабатического сгорания угля составляет около 2200 °C (3992 °F) (для входящего воздуха и топлива при температуре окружающей среды и для $\lambda =1.0$), около 2150 °C (3902 °F) для нефти и 2000 °C (3632 °F) для природного газа .

В промышленных обогревателях , электростанций парогенераторах и больших газовых турбинах более распространенным способом выражения использования большего количества воздуха для горения, чем стехиометрическое, является процент избыточного воздуха для горения . Например, избыток воздуха для горения в 15 процентов означает, что используется на 15 процентов больше воздуха, чем необходимо стехиометрически.

Нестабильность

Нестабильность горения обычно представляет собой сильные колебания давления в камере сгорания. Эти колебания давления могут достигать 180   дБ, а длительное воздействие этих циклических давлений и температурных нагрузок сокращает срок службы компонентов двигателя. В ракетах, таких как F1, использовавшихся в программе «Сатурн V», нестабильность приводила к огромным повреждениям камеры сгорания и окружающих компонентов. Эта проблема была решена путем изменения конструкции топливной форсунки. В жидкостных реактивных двигателях размер и распределение капель можно использовать для уменьшения нестабильности. Нестабильность сгорания является серьезной проблемой в наземных газотурбинных двигателях из-за NOx _{Выбросы} . Тенденция состоит в том, чтобы работать на бедной смеси, с коэффициентом эквивалентности менее 1, чтобы снизить температуру сгорания и, таким образом, уменьшить NOx _{выбросы} ; однако работа на обедненной смеси делает его очень чувствительным к нестабильности сгорания.

Критерий Рэлея является основой анализа термоакустической нестабильности горения и оценивается с помощью индекса Рэлея за один цикл нестабильности.

$G(x)={\frac {1}{T}}\int _{T}q'(x,t)p'(x,t)dt$

где q' – возмущение скорости тепловыделения, а p' – колебание давления. Когда колебания тепловыделения совпадают по фазе с колебаниями давления, индекс Рэлея положителен и величина термоакустической нестабильности максимальна. С другой стороны, если индекс Рэлея отрицательный, то происходит термоакустическое затухание. Критерий Рэлея подразумевает, что термоакустической нестабильностью можно оптимально управлять, если колебания тепловыделения сдвинуты по фазе на 180 градусов с колебаниями давления с той же частотой. Это минимизирует индекс Рэлея.

См. также

Связанные понятия

• Соотношение воздух-топливо
• Температура самовоспламенения
• Химическое петлевое горение
• дефлаграция
• Детонация
• Взрыв пыли
• Взрыв
• Огонь
• Пламя
• Глобальное потепление
• Гетерогенное горение
• число Маркштейна
• Теория флогистона (историческая)
• Самовозгорание

Машины и оборудование

• Котел
• горелка Бунзена
• Двигатель внешнего сгорания
• Печь
• Газовая турбина
• Двигатель внутреннего сгорания
• Ракетный двигатель

Научно-инженерные общества

• Международный фонд исследования пламени
• Институт горения

Другой

• Горючая пыль
• Сжигание биомассы
• Список источников света
• Открытое сжигание отходов
• Сжигание стерни

Дальнейшее чтение

• Пуансо, Тьерри; Вейнанте, Денис (2012). Теоретическое и численное горение (3-е изд.). Европейский центр исследований и повышения квалификации в области научных вычислений.
• Лакнер, Максимилиан; Зима, Франц; Агарвал, Авинаш К., ред. (2010). Справочник по горению, набор из 5 томов . Вайли-ВЧ . ISBN  978-3-527-32449-1 . Архивировано из оригинала 17 января 2011 г. Проверено 29 апреля 2010 г.
• Баукал, Чарльз Э., изд. (1998). Горение, усиленное кислородом . ЦРК Пресс .
• Глассман, Ирвин; Йеттер, Ричард. Горение (Четвертое изд.).
• Повороты, Стивен (2011). Введение в горение: концепции и приложения .
• Рэгланд, Кеннет В.; Брайден, Кеннет М. (2011). Техника сгорания (Второе изд.).
• Баукал, Чарльз Э. младший, изд. (2013). «Промышленное сжигание». Справочник Джона Зинка Хэмворти по горению: трехтомный набор (второе изд.).
• Гардинер, У. К. младший (2000). Химия газофазного горения (пересмотренная ред.).