ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Что такое горение и взрыв? Горением чаще всего называют любой процесс, сопровождающийся химическим превращением вещества с выделением значительного количества тепла. Взрывом называют быстрое выделение энергии в ограниченном пространстве.
Оба эти явления были известны людям всегда. В доисторические времена это вызванные естественными причинами (например, ударом молнии) лесные пожары и вулканические взрывы. С развитием человеческого общества появилось огромное количество антропогенных (порожденных деятельностью человека) вариантов процессов горения и взрыва. Это горение в костре, в печах (бытовых, кузнечных, для обжига древесного угля, металлургических и т. д.), в других устройствах (двигатели внутреннего сгорания, огнестрельное оружие, ракеты, химические реакторы). Это и специально организованные взрывы, например, для создания выемки или добычи полезных ископаемых или сварки взрывом, а также взрывы в военных целях.
Кроме этих «запланированных» процессов неизбежны и «незапланированные» пожары и взрывы, вызванные деятельностью человека. В истории описано множество пожаров в деревянных городах, зафиксированы многочисленные взрывы взвеси мучной пыли на мельницах, взрывы метановоздушной смеси или пылеугольной взвеси в шахтах, взрывы химических реакторов.
Нужно сказать, что приведенные определения горения и взрыва не очень точны (точных общепринятых определений просто нет). Например, горением называют и распространение в некоторых газовых смесях так называемого холодного слабосветящегося пламени, когда тепла выделяется очень мало, а в смеси происходят цепные реакции. Процессы очень быстрого химического превращения в цилиндре двигателя внутреннего сгорания и в стволе огнестрельного оружия сопровождаются выделением большого количества энергии и формально соответствуют приведенному определению взрыва, но принято считать, что там происходит быстрое горение. Взрывом в этих же устройствах называют «нештатный» процесс с возникновением детонационных волн.
Зачем нужно изучать горение и взрыв? Это нужно, чтобы грамотно управлять использующими горение и взрыв процессами и устройствами и знать условия возникновения аварийных ситуаций.
Как создается теория? Это относится к любым процессам, а не только к горению и взрыву. Для изучаемого процесса собирают имеющуюся экспериментальную и теоретическую информацию и определяют проблему (что именно в данном процессе и устройстве не известно такое, без чего его не удается рассчитать). Составляется несколько гипотез о сути не известных пока деталей процесса, и на основании этих гипотез строится его физическая модель, т. е. полное словесное описание качественной картины того, что в этом процессе и устройстве происходит. Как только физическая модель создана, появляется возможность составить и математическую модель (в виде системы уравнений), так как математические описания элементарных физических процессов известны. Далее выполняется аналитическая или (гораздо чаще) численная реализация математической модели, при этом с повышением быстродействия ЭВМ численная реализация становится все доступнее. Результаты расчетов сравнивают с имеющимися экспериментальными данными и таким образом проверяют справедливость использованных для построения физической модели гипотез. Если есть возможность, в неясных случаях проводят специальные эксперименты.
В чем сложность изучения горения и взрыва? Сложность состоит в том, что во многих случаях неизвестны важные детали процесса (что там происходит), хотя уже больше ста лет в промышленно развитых странах предпринимаются усилия для их выяснения. В качестве примера можно привести изучение механизма горения твердого ракетного топлива. В ракетном двигателе (обычно при давлении в несколько десятков атмосфер) на поверхности горения заряда находится тонкая зона (обычно десятые доли миллиметра), в которой исходное твердое вещество заряда прогревается до температуры 400…600 °С, совершает ряд превращений и в конце концов покидает эту зону в виде газа с температурой 2000…3500 °С. Важные для практики выходные характеристики горения (линейная скорость выгорания и ее зависимость от давления и начальной температуры) зависят от вида процесса и параметров упомянутых неизвестных превращений. Их удается экспериментально исследовать только при давлении не больше нескольких атмосфер, когда зона превращений становится в несколько раз больше чувствительного элемента исследовательского прибора (спая микротермопары и входного отверстия пробоотборника) и можно пренебречь возмущающим действием прибора на исследуемый объект. В ракетном диапазоне давлений самые миниатюрные чувствительные элементы, которые на сегодняшний день удается изготовить, оказываются слишком большими. Положение усугубляется высокой температурой, при которой эти элементы должны работать. Таким образом, неизвестно, что происходит в зоне горения при ракетных давлениях, и нет оснований полагать, что там идут те же процессы, что и при низких давлениях. Например, доказано, что интенсивное дымообразование, обнаруженное при горении баллиститных порохов в вакууме, исчезает при давлениях выше 1 атм., а на погашенных образцах топлив с добавкой порошка перхлората аммония NH4ClO4, горевших при давлении от 100 до 250 атм., обнаружена «шуба» из торчащих кристаллических иголок толщиной 10 и длиной 100 мкм, которой не было при других давлениях.
Классификации горения и взрыва
Классификация нужна для самого общего представления о различных видах горения и взрыва. Ввиду ограниченности объема курса впоследствии более подробно будут рассмотрены лишь некоторые из этих видов.
Известно несколько классификаций горения.
По передаваемой субстанции
Под СВС имеется в виду самораспространяющийся высокотемпературный синтез с твердым исходным веществом и конденсированным окончательным продуктом (нет газа, так что в зоне горения можно пренебречь диффузией, в волне горения происходит только передача тепла по механизму молекулярной теплопроводности от горячих продуктов к холодному исходному веществу). Простейший пример – горение термита, т. е. прессованной смеси порошков 3Fe3O4 + 8Al, которая раньше широко применялась, например, для сваривания рельсов.
«Холодное» горение может распространяться в некоторых газовых смесях с цепным механизмом реакций и слабым тепловым эффектом (в этом случае необходимая для поддержания горения высокая скорость превращения вещества в зоне реакции достигается за счет характерного для цепных реакций самоускорения даже при невысокой температуре). Самоускорение ограничено отводом активных частиц из зоны реакции посредством диффузии (это и есть указанная в схеме передача вещества).
Закон Фика (пропорциональность диффузионного потока частиц крутизне фронта их концентрации) обеспечивает устойчивость процесса: при случайном увеличении скорости реакции (и зависящего от нее движения фронта реакций) крутизна этого фронта возрастает, увеличивается диффузионный отвод активных частиц из зоны реакции, которая в результате снова замедляется.
горение в газовой фазе происходит в большинстве случаев не по цепному, а по тепловому механизму. В процессе реакции выделяется тепло с увеличением температуры газовой смеси, скорость реакции резко возрастает, так что создается возможность самоускорения реакции. Процесс стабилизируется теплоотводом из зоны реакций в еще не прогретую газовую смесь.
Закон Фурье (пропорциональность теплового потока крутизне фронта температуры) обеспечивает устойчивость процесса: при случайном увеличении скорости реакции (и зависящего от нее движения фронта реакций) крутизна этого фронта возрастает, увеличивается теплоотвод из зоны реакции, которая в результате снова замедляется. Одновременно при тепловом горении газовых смесей имеет место и диффузия, поскольку в пламени (обычно в зоне, в несколько раз превышающей по размеру зону интенсивных химических реакций) диффундируют во встречных направлениях исходное вещество и окончательные продукты сгорания.
В больших лесных пожарах становится существенным тепловое излучение. Этому способствует присутствие в пламени пожара большого количества раскаленных частиц сажи, которые, как известно, излучают гораздо сильнее, чем чистый газ при той же температуре. Достаточно высокий фронт пламени лесного пожара поджигает тепловым излучением отдельно стоящие деревья в нескольких десятках метров впереди себя.
При детонации вытянутого образца ВВ по нему со скоростью 5…7 км/с распространяется волна сжатия. При этом передается только импульс. За фронтом волны в области высоких температуры и давления происходит экзотермическая реакция, поддерживающая распространение волны.
По развитию горения во времени
Для практики обычно важен стационарный режим работы устройства с горением, но в любом устройстве и любом процессе с горением не обойтись без начала и конца, которые на схеме условно обозначены как воспламенение и погасание. Всем известно, что не так просто разжечь даже бытовую печь с дровами (и тем более с каменным углем). Гораздо сложнее запустить топку с кипящим слоем или металлургическую печь. Время такой процедуры может измеряться десятками часов или сутками. Гашение металлургической печи (например, для планового ремонта) тоже происходит при условии выполнения жестких требований, нарушение которых может привести к застыванию в печи металлического «козла». Некоторые устройства с горением (например, химические реакторы непрерывного действия или регулируемые твердотопливные газогенераторы) могут иметь два или больше стационарных режима работы, и нестационарный переход с одного режима на другой создает проблему удержания (на время перехода) параметров процесса в заданных границах. Наконец, в некоторых условиях стационарный процесс может оказаться неустойчивым, возникают и развиваются возмущения всех параметров процесса. В ракетном двигателе это может привести к звуковым или ультразвуковым колебаниям с возможностью разрушения двигателя. такие эффекты наблюдались и в химических реакторах. Иногда неустойчивость развивается в режим установившихся колебаний (с постоянной амплитудой и частотой), называемый автоколебательным. Известно использование таких режимов работы твердотопливных ракетных двигателей для создания мощных звуковых и ультразвуковых свистков, распугивающих птиц на аэродромах.
По устройствам, в которых происходит горение (рис. 1, 2)
Рисунок 1 – Схемы устройств, в которых происходит горение
Рисунок 2 – Схемы ракетных двигателей
а – ракетный двигатель на твердом топливе, б – жидкостный реактивный двигатель, в – воздушный реактивный двигатель
Двигатель внутреннего сгорания отличается от воздушного реактивного двигателя периодичностью работы и наличием поршня.
По наличию межфазных взаимодействий
Гомогенное, т. е. однородное, горение реализуется в тех случаях, когда можно пренебречь влиянием перемешивания. Таким способом горит заранее (в корпусе горелки) перемешанная смесь газов или унитарное топливо. Этот термин обычно употребляют для обозначения вещества, в котором горючее и окислитель «перемешаны» на молекулярном уровне. Пример жидкого унитарного топлива – гидразин, твердого – пироксилиновое или баллиститное твердое ракетное топливо. Горение СТРТ с мелкими неоднородностями точнее было бы назвать квазигомогенным (приставка «квази» означает почти). Над горящей поверхностью на расстоянии h (обычно 10–1…10–2 см) и параллельно ей расположено пламя. Мелкие кристаллики окислителя размера d и обволакивающее их горючее связующее на поверхности газифицируются под действием тепла, приходящего от пламени. Если d < h, происходящее под пламенем перемешивание продуктов газификации не искажает плоскую форму пламени и не влияет на величину скорости горения, что и позволяет называть это горение квазигомогенным.
При неоднородном горении может существовать только одна (газовая) фаза – это факел горючего газа, подожженного на выходе из трубы в открытый воздух, пламя спички или свечи, а также СТРТ при d > h, но газ может быть неоднороден по составу. Во всех случаях перемешивание компонентов, которое происходит до сгорания их смеси, определяет форму пламени и характер горения.
Другой вид неоднородного горения – это горение с участием компонентов, находящихся в разных фазах (газ, жидкость или твердое вещество). Именно такое горение принято называть гетерогенным, хотя в более широком смысле «гетерогенный» означает просто неоднородный.
В двигателе внутреннего сгорания капельки жидкого горючего взаимодействуют с газообразным окислителем (воздухом). При горении пылевоздушных смесей твердые горючие частицы пыли горят в воздушной среде, при этом в одних случаях (например, горение частиц угля) реакция происходит именно на поверхности частиц, а в других – вещество частицы сначала испаряется, а затем в газовой фазе реагирует с воздухом.
В некоторых процессах самораспространяющегося высокотемпературного синтеза один из перемешанных и спрессованных порошкообразных компонентов в волне горения плавится и вступает в реакцию на поверхности твердых частиц другого компонента.
Наконец, возможно и нехимическое межфазное взаимодействие в волне горения. Например, при распространении волны горения по заранее перемешанной газовой смеси, которая фильтруется через пористую среду (например, песок), инертный песок участвует в теплообмене и таким образом влияет на характеристики горения.
