Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Товароведение arrow Теория горения и взрыва

Аспекты тепловой и цепной теорий горения

Известны два механизма самоускоряющихся превращений при горении, теории которых разработаны лауреатом Нобелевской премии Η. Н. Семёновым, – тепловой и цепной.

Тепловой механизм заключается в возрастании скорости реакции U с увеличением температуры Г, а увеличение Г обусловлено экзотермичностью реакции окисления-восстановления.

Согласно теории "теплового взрыва" разогрев в горючей смеси при ее последовательном нагреве извне обусловливается соотношением скоростей процессов тепловыделения dg1/dt и теплоотвода из зоны реакции dg2/dt и возникает тогда, когда достигается условие

(1.10)

Поскольку dg1/dl = QU, где Q – тепловой эффект реакции, а

где α – коэффициент теплоотдачи в стенки реакционного сосуда, S – площадь реакционного сосуда, V – объем, Т, T0 – текущая и начальная температуры, то с повышением температуры интенсивность тепловыделения начинает обгонять интенсивность теплоотвода.

Поэтому при непрерывном нагреве горючей смеси обязательно должно достигаться условие, определяемое неравенством (1.10). Наинизшая температура, при которой достигается это условие, и есть температура самовоспламенения. Это и есть суть тепловой теории горения.

Ускорить реакцию можно не только за счет повышения температуры при саморазогреве в ходе экзотермической реакции, но и в результате особого типа химических превращений при горении – цепных разветвленных реакций.

Цепной механизм горения происходит за счет особых активных частиц – радикалов и свободных атомов, обладающих свободными валентными связями. При столкновении этих частиц с исходными молекулами или продуктами превращения взаимодействие между ними протекает при значительно меньших величинах энергии активации, чем при молекулярных процессах.

В ходе протекания цепных реакций особого рода – разветвленных – скорость реакции может бурно расти за счет того, что в результате взаимодействия активного центра с молекулой образуется несколько активных центров. От дополнительного создания активных частиц начинаются собственные цепи превращений, что приводит к еще большему накоплению активных центров и лавинообразному нарастанию скорости суммарного процесса. Однако наряду с разветвлением цепного процесса происходят реакции, ведущие к гибели активных центров или к обрыву цепей.

Окончательный результат зависит от соотношения скоростей реакций разветвления и обрыва цепей, характеризуемого выражением

(1.11)

где φ = δ – β – фактор ускорения цепной реакции; δ – вероятность разветвления цепей; β – вероятность обрыва цепей; t – время; А – коэффициент, определяемый начальными условиями.

Условие цепного самовоспламенения: φ > 0.

Типичным примером разветвленной цепной реакции является окисление водорода при его горении, описываемое следующей схемой:

  • • Н2 + O2 → 2•OΗ – зарождение цепи;
  • • •OΗ + Н2 → Н2O + H• – продолжение цепи;
  • • Η• + O2 → •ОН + О• – разветвление цепи;
  • • О• + Н2 → •OΗ + H• – разветвление цепи;
  • • H• + H• + стенка → Н2 – гетерогенный обрыв цепи на стенке сосуда;
  • • H• + O2 + М → НO2 + М – гомогенный обрыв цени в объеме смеси с участием молекулярной частицы М.

Теория цепных реакций позволила объяснить многие особенности процессов горения:

  • • влияние на процесс горения некоторых примесей;
  • • существование пределов самовоспламенения подавлению;
  • • катализ и ингибирование горения.

Механизм возникновения и развитие реальных пожаров и взрывов характеризуются комбинированным цепочечнотепловым процессом. Начавшись ценным путем, реакция окисления за счет ее экзотермичности продолжает ускоряться за счет тепла. В конечном счете критические условия возникновения и развития горения будут определяться тепловыделением и условиями тепломассообмена реагирующей системы с окружающей средой.

Тепловые потери, способные вызвать прекращение распространения пламени, понижают температуру горения. Сюда относятся:

  • • отдача тепла нагретой смесью в стенки сосуда;
  • • отвод тепла из самой зоны реакции в стенки сосуда;
  • • отвод тепла из зоны реакции продуктами реакции;
  • • охлаждение продуктов, которое создает падение температуры при удалении из зоны реакции в направлении, обратном направлению распространения потока тепла.

В основе современной теории горения лежит понятие температуры воспламенения как основной кинетической характеристики смеси. Отсюда следуют три важных постулата:

  • • ниже температуры воспламенения обрыв цепей преобладает над разветвлением цепей и химическая реакция прекращается;
  • • выше температуры воспламенения преобладает разветвление, количество активных центров и скорость реакции неудержимо нарастают и приводят к воспламенению на верхнем пределе, где и разветвление, и обрыв цепей зависят от гомогенных химических реакций, а не от формы сосуда;
  • • на процессы горения определяющую роль оказывает химическая реакция, происходящая в зоне с более высокой температурой пламени, которая и определяет скорость реакции в пламени и скорость распространения пламени.
 
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы