Förbränning

Förbränning  är en komplex fysikalisk-kemisk process [1] för omvandling av utgångsmaterial [2] till förbränningsprodukter under exoterma reaktioner , åtföljd av intensiv värmefrisättning [3] [4] . Den kemiska energin som lagras i komponenterna i den ursprungliga blandningen kan också frigöras i form av värmestrålning och ljus. Den lysande zonen kallas för lågan eller helt enkelt lågan .

Utvecklingen av eld har spelat en nyckelroll i utvecklingen av den mänskliga civilisationen. Eld öppnade upp för människor möjligheten till termisk bearbetning av mat och uppvärmning av bostäder, och därefter - utvecklingen av metallurgi , energi och skapandet av nya, mer avancerade verktyg och tekniker. Styrningen av förbränningsprocesser är kärnan i skapandet av motorer för bilar, flygplan, fartyg och raketer.

Förbränning är fortfarande den viktigaste energikällan i världen och kommer att förbli så inom överskådlig framtid. År 2010 erhölls cirka 90 % av all energi som producerades av mänskligheten på jorden genom att förbränna fossila bränslen eller biobränslen [5] , och enligt prognoserna från Energy Research and Development Administration (USA) kommer denna andel inte att falla under 80 % fram till 2040, samtidigt som energiförbrukningen ökar med 56 % mellan 2010 och 2040 [6] . Relaterade till detta är sådana globala problem med den moderna civilisationen som utarmningen av icke-förnybara energiresurser , miljöföroreningar och global uppvärmning .

Kemiska förbränningsreaktioner följer som regel en grenkedjemekanism med progressiv självacceleration på grund av den värme som frigörs i reaktionen. Förbränningens egenskaper som skiljer den från andra fysikalisk-kemiska processer som involverar redoxreaktioner är den stora termiska effekten av reaktionen och den höga aktiveringsenergin , vilket leder till ett starkt beroende av reaktionshastigheten på temperaturen. Som ett resultat kan en brännbar blandning som kan lagras vid rumstemperatur på obestämd tid antändas eller explodera när den kritiska antändningstemperaturen uppnås ( självantändning ) eller när den initieras av en extern energikälla (tvångsantändning eller antändning).

Om produkterna som bildas under förbränningen av den initiala blandningen i en liten volym på kort tid utför betydande mekaniskt arbete och leder till stötar och termiska effekter på omgivande föremål, kallas detta fenomen en explosion. Förbrännings- och explosionsprocesserna ligger till grund för skapandet av skjutvapen , sprängämnen , ammunition och olika typer av konventionella vapen. En speciell typ av förbränning är detonation .

Historisk bakgrund

Fram till upptäckten av syre i början av 1770-talet av Karl Scheele och Joseph Priestley , trodde man att alla kroppar som kunde brinna innehöll en speciell princip, " phlogiston ", som under förbränning frigjordes från kroppen och lämnade aska. 1775 visade Lavoisier att det tvärtom tillsätts luftsyre till det brännbara ämnet vid förbränning, och 1783 upptäckte Lavoisier och Laplace att produkten av väteförbränning är rent vatten. Dessa upptäckter lade grunden för moderna vetenskapliga åsikter om förbränningens natur.

Nästa steg i utvecklingen av grunderna för teorin om förbränning är förknippat med verk av Mallard och Le Chatelier [7] och V. A. Michelson , utförda på 1880 -talet [8] . 1890 publicerade Michelson ett dokument [9] om flamutbredning i rör och föreslog teorin om Bunsen-brännaren .

År 1928 övervägde Burke och Schumann problemet med en diffusionslåga och visade att när förbränningshastigheten för reagenser i en kemisk reaktion är mycket större än tillförselhastigheten för reagens genom diffusion, kan reaktionszonen anses vara oändligt tunn, medan ett stökiometriskt förhållande mellan oxidationsmedlet och bränslet etableras automatiskt i den, och den maximala temperaturen i reaktionszonen är nära den adiabatiska förbränningstemperaturen [10] .

Den moderna teorin om förbränning härstammar från N. N. Semyonovs verk om termisk explosion [11] [12] , utförd på 1920-talet. Institutet för kemisk fysik grundades av N. N. Semenov 1931 och har blivit ett ledande vetenskapligt centrum för kemisk fysik och förbränning [13] . 1938 utvecklade D. A. Frank-Kamenetsky teorin om termisk explosion [14] och, tillsammans med Ya. B. Zeldovich , teorin om laminär flamutbredning i förblandade blandningar [15] .

Samma 1938, i A. F. Belyaevs experiment, visades det att förbränning av flyktiga sprängämnen sker i gasfasen [16] . Således reducerades frågan om förbränningshastigheten för sådana ämnen till frågan om förbränningshastigheten i gasfasen, och 1942 utvecklade Ya. B. Zeldovich teorin om förbränning av kondenserade ämnen, baserad på teorin om flamutbredning i en gas [ 17]

På 1940-talet utvecklade Ya. B. Zel'dovich teorin om detonation [18] , som kallades ZND-modellen  efter Zeldovich, Neumann och Döring, eftersom von Neumann [19] och Döring oberoende av honom kom till liknande resultat [20] .

Alla dessa verk har blivit klassiker i teorin om förbränning.

Klassificering av förbränningstyper

Beroende på blandningens hastighet delas förbränningen in i långsam förbränning (eller deflagrering ) och detonationsförbränning ( detonation ). Vågen av deflagrationsförbränning fortplantar sig med subsonisk hastighet , och uppvärmningen av den initiala blandningen utförs huvudsakligen av värmeledningsförmåga. Detonationsvågen färdas med överljudshastigheter , medan den kemiska reaktionen upprätthålls på grund av uppvärmningen av reaktanterna av stötvågen och i sin tur upprätthåller den jämna utbredningen av stötvågen [21] [22] . Långsam förbränning delas upp i laminär och turbulent beroende på blandningens flödestyp [23] . Vid detonationsförbränning är produktflödet alltid turbulent. Under vissa förhållanden kan långsam förbränning övergå till detonation [24] ( DDT, deflagration-to-detonation transition [25] ) . 

Om de ursprungliga komponenterna i blandningen är gaser kallas förbränning gasfas (eller homogen). I gasfasförbränning reagerar ett oxidationsmedel (typiskt syre ) med ett bränsle (som väte eller naturgas ). Om oxidationsmedlet och bränslet är förblandade på molekylär nivå, kallas detta läge förblandad förbränning .  Om oxidationsmedlet och bränslet separeras från varandra i den initiala blandningen och kommer in i förbränningszonen genom diffusion , då kallas förbränning diffusion [26] .

Om oxidationsmedlet och bränslet initialt är i olika faser kallas förbränning heterogen. Som regel, i detta fall, fortskrider oxidationsreaktionen även i gasfas i diffusionsläget, och värmen som frigörs i reaktionen går delvis åt termisk nedbrytning och förångning av bränslet [27] . Till exempel brinner kol eller polymerer i luften enligt denna mekanism . I vissa blandningar kan exoterma reaktioner i den kondenserade fasen inträffa för att bilda fasta produkter utan signifikant gasutveckling. Denna mekanism kallas fastfasförbränning.

Det finns också sådana speciella typer av förbränning som pyrning , flamlös och kalllåga förbränning .

Förbränning, eller kärnförbränning, kallas termonukleära reaktioner i stjärnor, där kärnorna av kemiska grundämnen bildas i processerna för stjärnnukleosyntesen [28] .

Flame

En låga  är en ljuszon som bildas vid förbränning. Flamtemperaturen beror på sammansättningen av den ursprungliga blandningen och de förhållanden under vilka förbränning äger rum. Vid förbränning av naturgas i luft kan temperaturen i den varma zonen överstiga 2000 K, och vid förbränning av acetylen i syre ( gassvetsning ) - 3000 K [29] .

Flamfärg

Fria radikaler och molekyler i elektroniskt exciterade och vibrationellt exciterade tillstånd kan uppträda i förbränningszonen. Om glödens intensitet är tillräckligt hög kan den uppfattas med blotta ögat. Lågans färg bestäms av de frekvenser vid vilka kvantövergångar sker, vilket gör det huvudsakliga bidraget till strålning i det synliga området av spektrumet. En betydande del av strålningen, särskilt i närvaro av en fast fas, dammpartiklar eller sotpartiklar i en låga, faller på det infraröda området, vilket subjektivt uppfattas som värme från en brand. Vibrationsexiterade CO-, CO 2 - och H 2 O -molekyler bidrar till infraröd strålning .

När väte brinner i ren luft är lågan nästan färglös. Den har en knappt märkbar blåaktig nyans på grund av emissionen av OH-radikaler i det optiska området vid våglängder på 306–308 nm [30] . Men vanligtvis lyser en väteflamma i luften starkare på grund av närvaron av dammpartiklar och organiska mikroföroreningar.

Lågan vid förbränning av kolvätebränslen i en bunsenbrännare , såsom propan eller butan, kan ha olika färg beroende på förhållandet mellan bränsle och luft. När man brinner i diffusionsläge utan lufttillförsel till brännaren färgas lågan gul eller rödaktig, på grund av glöden från glödande sotmikropartiklar. När en liten mängd luft blandas in uppstår en svagt blå flamma vid utloppet av brännaren. En ytterligare ökning av lufttillförseln resulterar i två flammiga koner, en inre ljus blågrön och en yttre blåviolett, mycket mindre intensiv [31] .

Föroreningars förmåga att färga lågan i olika färger används i analytisk kemi för pyrokemisk analys och i pyroteknik för saluter, fyrverkerier och bloss.

Elektriska egenskaper hos lågan

Lågan av kolvätebränslen kan interagera med ett elektromagnetiskt fält, det vill säga den innehåller laddade partiklar. Det har experimentellt visat sig att koncentrationen av joner i en låga kan vara 4-6 storleksordningar högre än den koncentration som skulle observeras med en rent termisk joniseringsmekanism, och i själva verket kan lågan bete sig som en svagt joniserad plasma . Flamtemperaturen är dock otillräcklig för att komponenterna i blandningen ska joniseras till följd av kollisioner av molekyler med varandra, och på 1950-talet stod det klart att huvudmekanismen för att generera joner är kemionisering [32] .

Man tror att kemijoniseringen sker huvudsakligen genom bildandet av CHO + -jonen [33] , även om närvaron av andra joner noteras i flamman [34] . I frånvaro av kol bildas inte CHO + -jonen , så koncentrationen av joner i en ren väteflamma i rent syre är mycket låg. Koncentrationen av joner ökar markant om även spårmängder av organiska ämnen finns i gasen, samtidigt som flammans konduktivitet ökar kraftigt. Detta fenomen utnyttjas i gaskromatografers flamjoniseringsdetektorer .

Interaktionen mellan en låga och ett elektromagnetiskt fält öppnar nya möjligheter för att styra förbränningsprocesser och skapa lovande teknologier baserade på dem [35] .

Teori om förbränning

Trots den stora erfarenheten av att använda i praktiken är förbränningsprocesser fortfarande en av de svåraste för vetenskaplig studie. Vetenskapen om förbränning är mycket tvärvetenskaplig och ligger i skärningspunkten mellan sådana vetenskapliga discipliner som gasdynamik, kemisk termodynamik, kemisk kinetik, molekylär och kemisk fysik, värme- och massöverföring , kvantkemi och fysik, materialvetenskap och datormodellering [36] .

Fullständighet av förbränning

Den ursprungliga sammansättningen av den brännbara blandningen kännetecknas av molar- eller massfraktionerna av komponenterna och det initiala trycket och temperaturen. Om sammansättningen av blandningen väljs så att både bränslet och oxidationsmedlet under dess förbränning helt kan omvandlas till reaktionsprodukter, kallas en sådan blandning stökiometrisk . Blandningar med ett överskott av bränsle, där bränslet inte kan brinna ut helt på grund av brist på oxidationsmedel, kallas rika , och blandningar med brist på bränsle kallas för fattiga . Graden av avvikelse av blandningens sammansättning från stökiometrisk kännetecknas av koefficienten för överskottsbränsle ( engelsk  ekvivalensförhållande ) [37] :

där Y F och Y O  är massfraktionerna av bränsle respektive oxidationsmedel, och (Y F / Y O ) st  är deras förhållande i en stökiometrisk blandning. I ryskspråkig litteratur används också överskottskoefficienten för oxidationsmedel (eller luft), vilket är inversen av bränsleöverskottskoefficienten.

Teoretiskt kan en stökiometrisk blandning brinna helt. Men i praktiken omvandlas reaktanterna aldrig helt till reaktionsprodukter, både på grund av bristfälligheten i utformningen av förbränningskammaren och på grund av att de kemiska reaktionerna vid förbränning inte hinner gå till slutet. Därför är förbränningen i verkligheten alltid ofullständig , och en ökning av förbränningens fullständighet är ett av sätten att förbättra kraftverk. Inom tekniken används ofta andra blandningar än stökiometriska. Till exempel, när man startar en kall bilmotor, berikas luft-bränsleblandningen för enklare start, och magra blandningar används för att minska skadliga utsläpp som NO x och CO .

Termodynamik för förbränning

Om förbränning sker adiabatiskt vid konstant volym, bevaras systemets totala inre energi , om det är vid konstant tryck, då systemets entalpi . I praktiken realiseras villkoren för adiabatisk förbränning ungefär i en fritt spridande låga (utan att ta hänsyn till värmeförluster genom strålning) och i andra fall då värmeförluster från reaktionszonen kan försummas, till exempel i förbränningskamrarna hos kraftfulla gasturbiner eller raketmotorer .

Den adiabatiska förbränningstemperaturen  är temperaturen hos produkterna som uppnås när kemiska reaktioner är fullbordade och termodynamisk jämvikt är etablerad. För termodynamiska beräkningar används tabeller över termodynamiska funktioner [38] för alla komponenter i den ursprungliga blandningen och produkterna. Metoder för kemisk termodynamik gör det möjligt att beräkna produkters sammansättning, sluttryck och temperatur under givna förbränningsförhållanden. Det finns för närvarande många tillgängliga program som kan utföra dessa beräkningar [39] [40] .

Värmevärdet  är mängden värme som frigörs under den fullständiga förbränningen av de initiala komponenterna, det vill säga upp till CO 2 och H 2 O för kolvätebränslen. I praktiken går en del av den frigjorda energin åt till dissociering av produkter, så den adiabatiska förbränningstemperaturen utan hänsyn till dissociation visar sig vara märkbart högre än den som observerades i experimentet [41] .

Termodynamisk beräkning gör det möjligt att bestämma produkternas jämviktssammansättning och temperatur, men ger ingen information om den hastighet med vilken systemet närmar sig jämviktstillståndet. En fullständig beskrivning av förbränning kräver kunskap om mekanismen och kinetiken för reaktioner och villkoren för värme- och massöverföring med omgivningen.

Förbränningskinetik

Ett detaljerat kinetiskt schema av reaktioner under förbränning av även de enklaste kolvätebränslena, såsom metan, inkluderar dussintals eller till och med hundratals komponenter involverade i hundratals elementära kemiska reaktioner [42] . Vid modellering av så stora mekanismer uppstår betydande beräkningssvårigheter. De beror på det faktum att den karakteristiska tiden för individuella reaktioner kan skilja sig åt i många storleksordningar, och motsvarande system av differentialekvationer visar sig vara stela ( engelska  stiff ), vilket avsevärt komplicerar den numeriska lösningen. I praktiska beräkningar av förbränningsprocesser används därför tre tillvägagångssätt [43] :

med kinetiska parametrar valda enligt den experimentellt uppmätta flamhastigheten [44] .

Perfekt blandningsreaktor

I en förblandad blandning av bränsle och oxidationsmedel kan förbränningsreaktionen ske i hela den volym som upptas av den brännbara blandningen (bulkförbränning) eller i en smal zon (flamfront) som separerar den ursprungliga blandningen och produkterna och fortplantar sig i form av en -kallad förbränningsvåg. Bulkförbränning kan organiseras i en homogen idealblandningsreaktor, i vilken den initiala blandningen kommer in vid en temperatur To . Vid reaktorns utlopp har blandningen en temperatur Tb ≥ To , vilken är inställd i enlighet med reaktorns aktuella driftläge. I en sådan reaktor kan flera stationära lägen, hysteresfenomen , såväl som icke-stationära lägen och självsvängningar ske [45] . Alla dessa fenomen är karakteristiska för förbränningsteorin på grund av olinjäriteten i dess ekvationer.

Laminär förbränning

Vid låga flödeshastigheter av blandningen kan förbränning utföras i en laminär regim . Så brinner till exempel ett ljus (diffusionsförbränning) eller en hushållsgasspis ( förbränning av en förblandad blandning) vid låga gasflöden.

I en förblandad blandning rör sig flamfronten i förhållande till den initiala blandningen med en strikt definierad hastighet, kallad den laminära flamhastigheten. Denna hastighet beror på den ursprungliga sammansättningen av blandningen, dess tryck och temperatur, men beror inte på antändningsförhållandena. Den laminära flamhastigheten för metan och de flesta andra kolvätebränslen under normala förhållanden i luft kan variera från cirka 10 till 70 centimeter per sekund [46] . Förbränningshastigheten för blandningar av väte med luft ( explosiv gas ) når flera meter per sekund och kan uppfattas som en explosion.

En laminär låga kan bara spridas i en blandning vars sammansättning inte överskrider intervallet för de så kallade koncentrationsgränserna . De undre och övre koncentrationsgränserna motsvarar det minsta och maximala överskottsbränsleförhållandet vid vilket lågan fortfarande kan fortplanta sig genom blandningen. För metan i luft är de cirka 5 och 15 volymprocent [47] . Hushållsgasexplosioner inträffar när den nedre koncentrationsgränsen överskrids i ett dåligt ventilerat utrymme och blandningen antänds på grund av en gnista eller annan källa. Samma effekt leder till metanexplosioner i gruvor.

Utöver koncentrationsgränsen finns även en gräns för diametern på flamutbredningen i röret. I ett rör med en diameter mindre än den kritiska kan lågan inte fortplanta sig på grund av stora värmeförluster till väggarna och döda aktiva radikaler på väggen [48] . Davy säkerhetslampa är baserad på denna princip , där en öppen låga används, men lågan är täckt med ett metallnät och orsakar inte en explosion av metan i gruvorna.

Turbulent förbränning

Turbulent förbränning, det vill säga förbränning av en blandning vars flöde är turbulent  , är det vanligaste förbränningssättet i praktiska apparater och samtidigt det svåraste att studera [49] . Turbulens är fortfarande ett av få olösta problem inom klassisk fysik [50] . En komplett teori om turbulenta flöden, inklusive de i frånvaro av kemiska reaktioner i dem, existerar fortfarande inte.

Samspelet mellan det turbulenta flödet och förbränningsfronten komplicerar analysen ytterligare. Även på en kvalitativ nivå kan effekten av förbränning på turbulens och den omvända effekten av turbulens på förbränning leda till motsatta effekter [51] . Förbränning kan både förstärka turbulensen på grund av ytterligare värmeavgivning, och vice versa, minska den på grund av en ökning av viskositeten med ökande temperatur.

Å andra sidan krossar turbulensen så att säga flamfronten, vilket ökar frontytan. Som ett resultat ökar värmeavgivningen i flödet kraftigt, det vill säga kraften i hela systemet ökar. Turbulens intensifierar också blandningen av komponenter, om de inte var blandade från början. Av denna anledning, i praktiken, i system som kräver hög effekt - motorer, ugnar, gasturbininstallationer - är det den turbulenta regimen som används. Däremot kan alltför intensiv turbulens släcka lågan. Turbulent flöde är svårt att kontrollera. Stokastiska hastigheter och tryckpulseringar förekommer ständigt i den, vilket kan orsaka förbränningsinstabilitet och leda till förstörelse av brännarstrukturen och olyckor. Temperaturfluktuationer leder till att blandningen brinner ojämnt, vilket gör att innehållet av skadliga ämnen i utsläppen ökar.

Beskrivningen av turbulent förbränning kräver användning av datorsimuleringar. I det här fallet, liksom för icke-reagerande flöden, kan tre tillvägagångssätt användas för den numeriska lösningen av Navier-Stokes ekvationer som utvecklats inom beräkningsvätskedynamik : RANS - Navier-Stokes ekvationer som medelvärdes över Reynolds-talet , LES - metoden för stora virvlar och DNS-direkt numerisk simulering [52] .

Datorsimulering av förbränning

Betydelsen av förbränningsprocessen i tekniska anordningar, tillsammans med de höga kostnaderna för fullskaliga experiment, bidrar till den snabba utvecklingen av datorsimulering av förbränning. Modeller av förbränningsprocesser är baserade på lagarna för bevarande av massa, rörelsemängd och energi i en flerkomponentreagerande blandning. Ekvationerna för förbränningsteorin är kontinuitetsekvationerna för blandningen som helhet och för alla enskilda komponenter, Navier-Stokes ekvation för ett komprimerbart medium och värmeöverföringsekvationen med kemiska källor [53] . Med detaljerade kinetiska scheman är detta system med partiella differentialekvationer extremt komplext, och än så länge finns det inga universella numeriska scheman som skulle kunna tillämpas i alla förbränningslägen och temperaturområden. Därför är sådana scheman konstruerade för speciella fall, vilket gör det möjligt att ytterligare förenkla ekvationssystemet.

I det endimensionella fallet för långsam förbränning (laminär låga) har effektiva metoder för att lösa ekvationssystemet, inklusive de för detaljerade kinetiska scheman, utvecklats, och mjukvarupaket finns tillgängliga som löser dessa problem. De mest använda kommersiella paketen inom forskning är CHEMKIN och Cosilab , samt den kostnadsfria programvaran Cantera .

I två- och tredimensionella fall används det globala kinetiska schemat fortfarande oftast. Ett sådant tillvägagångssätt implementeras till exempel i paketen ANSYS FLUENT och KIVA , men tillsammans med en ökning av datorernas kraft, visas även beräkningar med reducerade kinetiska scheman [54] och detaljerade scheman. Superdatorer används för att lösa sådana problem [55] .

Heterogen förbränning

Heterogena processer, i motsats till homogena , kallas i kemi och fysik processer som förekommer i heterogena system, det vill säga system som innehåller mer än en fas (till exempel gas och vätska), såväl som processer som sker i gränssnittet. Inom förbränningsforskning används begreppet heterogen förbränning om system där bränslet och oxidationsmedlet initialt befinner sig i olika faser [27] , även om bränslet förångas i processen och själva de kemiska reaktionerna sker i gasfasen. Ett typiskt exempel är förbränning av kol i luft, där kol kan reagera med syre på ytan av kolpartiklarna för att bilda kolmonoxid . Därefter kan kolmonoxid brinna ut i gasfasen och bilda koldioxid , och i vissa lägen kan bränslet avdunsta från partiklarnas yta och oxideras som gasformigt kol i gasfasen. Trots skillnaden i mekanismer är alla dessa regimer formellt relaterade till heterogen förbränning.

Heterogen förbränning är extremt viktig i praktiska tillämpningar av förbränning. De flesta bränslen lagras och transporteras mer bekvämt i flytande form (inklusive flytande naturgas ). Arbetsprocesser i ugnar , förbränningsmotorer , dieselmotorer , luftjetmotorer , flytande raketmotorer  är heterogen förbränning, och optimering av processen för avdunstning och blandning av bränsle och oxidationsmedel för deras tillförsel till förbränningskammaren är en viktig del av optimeringen hela förbränningsprocessen i arbetarsystem.

Nästan alla bränder  är också heterogen förbränning, men hushållsgasexplosioner klassas som homogen förbränning, eftersom både bränslet och oxidationsmedlet initialt är gaser.

För att förbättra energiegenskaperna hos fasta bränslen kan metaller tillsättas dem . Sådana bränslen kan till exempel användas för höghastighetsundervattenstorpeder , eftersom rent aluminium brinner bra i vatten [ 56] . Förbränningen av aluminium och andra metaller sker enligt en heterogen mekanism [57] .

Förbränning av fasta bränslen

Fasta drivmedel finner sin primära användning i skjutvapen, artilleri och raketer, såväl som taktiska missiler och interkontinentala ballistiska missiler . Boosters med fasta drivmedel användes för att starta återanvändbara skyttlar i låg omloppsbana om jorden .

Förbränning av drivmedel i ett kanonhål eller i kammaren på en drivmedelsraket studeras med intern ballistik .

Sammansättning av fasta bränslen

Fasta drivmedel som används i fasta raketmotorer delas in i två typer: ballistiska och blandade . I ballistiska fasta drivmedel finns det ingen separation mellan bränsle och oxidationsmedel – det är ett ämne eller en blandning av kemikalier som brinner i lager. De kallas vanligtvis för ballistiska eller homogena drivmedel . Huvudkomponenten i sådana krut är nitrocellulosa . Vid tillverkning av fasta bränslen gelas nitrocellulosa i ett lösningsmedel, vanligtvis nitroglycerin . För enkel tillverkning och stabilitet under lagring införs tekniska tillsatser i blandningen som förbättrar mekaniska och operativa egenskaper. Det vanliga namnet för sådana pulver är rökfritt , och i utländsk litteratur - dubbelbas ( engelsk  dubbelbas ) [58] .

Blandade bränslen är en blandning av två eller flera komponenter. Komponenter är mekaniskt blandade partiklar av oxidationsmedel och bränsle i form av pulver eller granulat upp till tiondels millimeter i storlek. Perklorater (vanligtvis ammoniumperklorat eller kaliumperklorat ) och nitrater används som oxidationsmedel , såsom ammoniumnitrat och alkalimetallnitrat. Som bränsle - organiska ämnen, till exempel mättade olefinpolymerer ( polypropen ). För att öka den specifika impulsen av raketbränsle införs fina metallpartiklar (pulver) som aluminium , magnesium och beryllium i bränslet .

Pulverladdningarna i raketmotorer måste ha hög mekanisk hållfasthet för att undvika förstörelse av pulverpatronen under förbränning under drift av raketmotorn. Därför, vid tillverkning av laddningar av blandade bränslen, tillsätts polymera bindemedel till blandningen - epoxihartser , gummin och andra polymerer.

Förbränningen av en fast drivgasladdning i en fast drivgasraketmotor sker på drivmedlets yta och sprids inte in i laddningen om det inte finns några sprickor på ytan. Sprickor eller porer i laddningen kan leda till en opåverkad ökning av förbränningsytan och motorkraften, utbrändhet av skrovet och olyckor.

Mekanism för förbränning av fasta drivmedel

Den fysiska bilden av de processer som sker under förbränning av fasta bränslen är ganska komplex och inkluderar flera steg av nedbrytningen av krut i en sekvens av exoterma reaktioner i den kondenserade och gasfasen. Enligt resultaten från studier av förbränning av ballistiskt pulver H i vakuum fann P.F. Pokhil [59] [60] att vid ett tryck under 2 mm Hg. Konst. exotermisk kemisk reaktion sker endast i ytskiktet av den kondenserade fasen (flamfri förbränning). I tryckområdet från 5 mm Hg. Konst. upp till cirka 15–20 atm fortskrider reaktionen i gasfas och lågan märks endast i mörker (enkel- eller kallflamma förbränning). Med en ytterligare ökning av trycket (över 15–20 atm) uppträder en andra zon med ljus flamma på ett visst avstånd från ytan. Avståndet från denna zon till ämnets yta minskar snabbt med ökande tryck, och vid cirka 60-70 atm smälter denna zon samman med den första zonen [61] .

Det finns ingen fullständig beskrivning av reaktionsmekanismen för alla dessa steg. Man tror att i den kondenserade fasen bryts de kemiska bindningarna CO-NO 2 och kväveoxider (NO 2 och NO) och aldehyder frigörs, i den första zonen av lågan reagerar NO 2 med aldehyder, och i den andra zonen finns är reaktioner som involverar NO och CO [62] .

Förbränningshastigheten för fasta bränslen approximeras vanligtvis av en empirisk kraftlag: där tas vanligtvis lika med atmosfärstryck (101,325 kPa). Indexet varierar från 0,7 för låga tryck ( = 1–20 atm) till 1 för höga tryck (> 60 atm), vilket förklaras av en förändring i den ledande värmeavgivningszonen i kemiska reaktioner [62] .

I förbränningskamrarna på raketmotorer blåses det brinnande pulvrets yta av en gasström av förbränningsprodukter. En ökning av bränsleförbränningshastigheten med en ökning av blåsflödets hastighet upptäcktes av O. I. Leipunsky på 1940 -talet [63] [64] och kallades i den inhemska litteraturen inflation . I utländska publikationer kallas det erosiv förbränning [65] . Denna effekt måste beaktas vid design och beräkning av fastbränsleraketer.

När en laddning av fast bränsle brinner i förbränningskammaren på en raketmotor förändras laddningens tryck, form och ytarea, och stora överbelastningar verkar på bränslet under raketflygning. Som ett resultat förblir förbränningshastigheten inte konstant, och sådana regimer kallas icke-stationära. Den fenomenologiska teorin om ostadig förbränning av krut skapades av Ya. B. Zeldovich [66] 1942 och utvecklades därefter av B. V. Novozhilov [67] på 1960-talet. Den har fått internationellt erkännande som Zel'dovich-Novozhilov-teorin (ZN-teorin) [68] .

Särskilda förbränningsregimer

Smullande

Glödning är en speciell typ av långsam förbränning, som upprätthålls på grund av den värme som frigörs vid reaktionen av syre och hett kondenserat material direkt på ämnets yta och ackumuleras i den kondenserade fasen [69] . Typiska exempel på pyrande är en tänd cigarett , en vattenpipa eller kol i en grill . Under glödning sprider sig reaktionszonen genom materialet långsamt – eller något snabbare när man tänder eller blåser upp. Gasfaslågan bildas inte på grund av otillräcklig temperatur hos de gasformiga produkterna eller den slocknar på grund av stora värmeförluster från gasfasen. Glödning ses vanligtvis i porösa eller fibrösa material. Glödning kan utgöra en stor fara vid brand om det vid ofullständig förbränning av material frigörs ämnen som är giftiga för människor.

Fast tillståndsförbränning

I blandningar av oorganiska och organiska pulver kan autowave exoterma processer förekomma, som inte åtföljs av märkbar gasutveckling och endast bildar kondenserade produkter. I mellanstadier kan gasformiga och flytande faser bildas, som dock inte lämnar brinnsystemet. Exempel på reagerande pulver är kända i vilka bildningen av sådana faser inte har bevisats (tantal-kol). Sådana regimer kallas fastfasförbränning , termerna gasfri förbränning och solid- flame combustion används också [70] . Dessa processer har fått praktisk tillämpning i teknikerna för självförökande högtemperatursyntes (SHS) utvecklad under ledning av A. G. Merzhanov [71] .

Förbränning i ett poröst medium

Om den initiala brännbara blandningen passerar genom ett poröst medium, till exempel en keramisk matris, går en del av värmen under dess förbränning till att värma matrisen. Den heta matrisen värmer i sin tur upp den initiala blandningen. Således återvinns en del av värmen från förbränningsprodukterna, vilket gör det möjligt att använda magra blandningar (med ett lågt bränsleöverskottsförhållande), som inte brinner utan värmeåtercirkulation. Porös förbränningsteknik (även kallad filtreringsförbränning i inhemsk litteratur ) kan minska utsläppen av skadliga ämnen och används i gasinfraröda spisar, värmare och många andra enheter [72] .

Flamfri bränning

Till skillnad från konventionell förbränning, när en lysande flamzon observeras , är det möjligt att skapa förutsättningar för flamlös förbränning. Ett exempel är katalytisk oxidation av organiska ämnen på ytan av en lämplig katalysator , såsom oxidation av etanol på platinasvart . Emellertid är termen "flamfri förbränning" inte begränsad till fallet med ytkatalytisk oxidation, utan hänvisar till situationer där lågan inte är synlig för blotta ögat [3] . Därför kallas förbränningsregimer i strålningsbrännare [73] eller vissa regimer av exotermisk nedbrytning av ballistiska pulver vid lågt tryck [74] även flamlösa . Flamfri oxidation , ett speciellt sätt att organisera lågtemperaturförbränning, är en av de lovande riktningarna i skapandet av lågemissionsförbränningskammare för kraftverk.

Anteckningar

  1. ↑ I.N. Zverev, N.N. Smirnov. Gasdynamik vid förbränning. - M . : Moscows förlag. un-ta., 1987. - S. 165. - 307 sid.
  2. ↑ Förbränning definieras ibland som reaktionen mellan ett oxidationsmedel och ett bränsle. Förbränningsprocesser innefattar dock till exempel både förbränning av monomolekylära bränslen och nedbrytning av ozon, då kemisk energi lagras i kemiska bindningar i ett ämne.
  3. ↑ 1 2 Förbränning // Stora sovjetiska encyklopedin  : [i 30 volymer]  / kap. ed. A. M. Prokhorov . - 3:e uppl. - M .  : Soviet Encyclopedia, 1969-1978.
  4. ↑ [www.xumuk.ru/encyklopedia/1128.html Förbränning] . Kemisk uppslagsverk . Hämtad: 16 september 2013.
  5. ↑ Nyckelstatistik för världsenergi . - Internationella energibyrån (IEA), 2012. - S. 6. - 80 sid.
  6. ↑ International Energy Outlook 2013 med prognoser till 2040  1. US Energy Information Administration (EIA) . Hämtad: 4 februari 2014.
  7. ↑ Gräsand E., Le Chatelier HL Termisk modell för flamutbredning // Annals of Mines. - 1883. - Vol. 4. - s. 379.
  8. ↑ Khitrin, Förbrännings- och explosionsfysik, 1957 , sid. åtta.
  9. ↑ Mikhelson V.A. Om den normala antändningshastigheten för explosiva gasblandningar. - Sobr. op. M.: Ny agronom, 1930, v. 1
  10. ↑ Burke SP, Schumann TEW Diffusionsflammor // Industrial & Engineering Chemistry. - 1928. - Vol. 20, nr 10 . - P. 998-1004.
  11. ↑ Semyonov N. N. Termisk teori om förbränning och explosioner  // Uspekhi fizicheskikh nauk . - Ryska vetenskapsakademin , 1940. - T. XXIII , nr. 3 . - S. 251-292 .
  12. ↑ Semenov N. N. Termisk teori om förbränning och explosioner (slut)  // Uspekhi fizicheskikh nauk . - Ryska vetenskapsakademin , 1940. - T. XXIV , nr. 4 , nr 8 . - S. 433-486 .
  13. ↑ Khitrin, Förbrännings- och explosionsfysik, 1957 , sid. 9.
  14. ↑ Frank-Kamenetsky D. A. Temperaturfördelning i ett reaktionskärl och stationär teori om termisk explosion // Journal of Physical Chemistry. - 1939. - T. 13 , nr 6 . - S. 738-755 .
  15. ↑ Zeldovich Ya. B., Frank-Kamenetsky D. A. Theory of thermal flame propagation // Journal of Physical Chemistry. - 1938. - T. 12 , nr 1 . - S. 100-105 .
  16. ↑ Belyaev A.F. On the combustion of explosives // Journal of Physical Chemistry. - 1938. - T. 12 , nr 1 . - S. 93-99 .
  17. ↑ Zeldovich Ya. B. Om teorin om förbränning av krut och sprängämnen // Journal of Experimental and Theoretical Physics . - 1942. - T. 12 , nr 1 . - S. 498-524 .
  18. ↑ Zeldovich Ya. B. Om teorin om detonationsutbredning i gasformiga system // Journal of Experimental and Theoretical Physics . - 1940. - T. 10 , nr. 5 . - S. 542-568 .
  19. ↑ von Neumann J. Teori om detonationsvågor. Lägesrapport till Försvarets forskningskommitté Div. B, OSRD-549 (1 april 1942. PB 31090) // Teori om detonationsvågor. - John von Neumann: Samlade verk, 1903-1957. - Oxford: Pergamon Press, 1963. - Vol. 6. - P. 178-218. - ISBN 978-0-08-009566-0 .
  20. ↑ Döring W. Über Detonationsvorgang i Gasen  (tyska)  // Annalen der Physik. - 1943. - Bd. 43 , nr. 6-7 . - S. 421-436 . — ISSN 0003-4916 . - doi : 10.1002/andp.19434350605 .
  21. ↑ Shchelkin, Troshin, Gas dynamics of combustion, 1963 , sid. 26.
  22. ↑ Law CK, Combustion Physics, 2006 , sid. 659.
  23. ↑ Law CK, Combustion Physics, 2006 , sid. 9.
  24. ↑ Shchelkin, Troshin, Gas dynamics of combustion, 1963 , sid. 206.
  25. ↑ Law CK, Combustion Physics, 2006 , sid. 686.
  26. ↑ Law CK, Combustion Physics, 2006 , sid. åtta.
  27. ↑ 1 2 Law CK, Combustion Physics, 2006 , sid. tio.
  28. ↑ Ishkhanov B.S. Atomkärnans historia . - M . : Universitetsbok, 2011. - 314 sid. - ISBN 978-5-91304-229-3 .
  29. ↑ Lewis, Elbe, Combustion, flames and explosions in gases, 1968 , sid. 578.
  30. ↑ Gaydon, Spectroscopy and the Theory of Combustion, 1950 , sid. 49.
  31. ↑ Gaydon, Spectroscopy and the Theory of Combustion, 1950 , sid. 60.
  32. ↑ Lawton och Weinberg, Electrical Aspects of Combustion, 1976 , s. 183.
  33. ↑ Fialkov AB Undersökningar om joner i lågor  (engelska)  // Progress in Energy and Combustion Science . - Elsevier, 1997. - Vol. 23 , nr. 5-6 . — S. 399-528 . - doi : 10.1016/S0360-1285(97)00016-6 .
  34. ↑ Drews, AM, Cademartiri, L., Chemama, ML, Brenner, MP, Whitesides, GM, Bishop, KJ AC elektriska fält driver stadiga flöden i lågor  // Fysisk översyn E  . - American Physical Society, 2012. - Vol. 86 , nr. 3 . — S. 036314 . - doi : 10.1103/PhysRevE.86.036314 .
  35. ↑ Starikovskiy A., Aleksandrov N. Plasmaassisterad antändning och förbränning  (engelska)  // Progress in Energy and Combustion Science. — Elsevier, 2013. — Vol. 39 , nr. 1 . - S. 61-110 . - doi : 10.1016/j.pecs.2012.05.003 .
  36. ↑ Kuo, Acharya. Fundamentals of Turbulent and Multi-Phase Combustion, 2012 , sid. 9.
  37. ↑ Poinsot, teoretisk och numerisk förbränning, 2012 , sid. 12.
  38. ↑ Termodynamiska tabeller för förbränning och atmosfärisk kemi . Prof. Burcats termodynamiska data. Hämtad 13 augusti 2013. Arkiverad från originalet 14 augusti 2013.
  39. ↑ Beräkning av den adiabatiska förbränningstemperaturen . eLearning@CERFACS. Hämtad 13 augusti 2013. Arkiverad från originalet 14 augusti 2013.
  40. ↑ Cantera. En objektorienterad mjukvaruverktygssats för kemisk kinetik, termodynamik och transportprocesser. . Hämtad: 13 augusti 2013.
  41. ↑ Zel'dovich et al., Mathematical theory of combustion and explosion, 1980 , sid. 25.
  42. ↑ Law CK, Combustion Physics, 2006 , sid. 95.
  43. ↑ Lu TF, lag CK Mot att tillgodose realistisk bränslekemi i storskaliga beräkningar // Framsteg inom energi- och förbränningsvetenskap. — Elsevier, 2009. — Vol. 35, nr 2 . - S. 192-215. - doi : 10.1016/j.pecs.2008.10.002 .
  44. ↑ Poinsot, teoretisk och numerisk förbränning, 2012 , sid. 57.
  45. ↑ Zel'dovich et al., Mathematical theory of combustion and explosion, 1980 , sid. 66.
  46. ↑ Glassman, Combustion, 2008 , sid. 187.
  47. ↑ Glassman, Combustion, 2008 , sid. 193.
  48. ↑ Glassman, Combustion, 2008 , sid. 200.
  49. ↑ Lipatnikov, Fundamentals of Premixed Turbulent Combustion, 2012 .
  50. ↑ Peters, Turbulent Combustion, 2004 , sid. ett.
  51. ↑ Poinsot, teoretisk och numerisk förbränning, 2012 , sid. 132.
  52. ↑ Poinsot, teoretisk och numerisk förbränning, 2012 , sid. 138.
  53. ↑ Poinsot, teoretisk och numerisk förbränning, 2012 .
  54. ↑ Khedia KS, Ghoniem AF Mekanismer för stabilisering och avblåsning av en förblandad flamma nedströms en värmeledande perforerad platta // Förbränning och flamma . — Elsevier, 2012. — Vol. 159, nr 3 . - P. 1055-1069. - doi : 10.1016/j.combustflame.2011.10.014 .
  55. ↑ Chen JH et al. Terascale direkta numeriska simuleringar av turbulent förbränning med S3D  // Computational Science and Discovery. - IOP Publishing, 2009. - Vol. 2. - S. 1-31. - doi : 10.1088/1749-4699/2/1/015001 .
  56. ↑ Aluminium och vatten: en ny typ av raketbränsle . Nyheter . Hämtad: 19 augusti 2013.
  57. ↑ Becksted MW A Summary of Aluminium Combustion  // Paper presenterat vid RTO/VKI Special Course on Internal Aerodynamics in Solid Rocket Propulsion, som hölls i Rhode-Saint-Genèse, Belgien, 27-31 maj 2002, och publicerades i RTO-EN- 023.. - 2002. - S. 1-46.
  58. ↑ Novozhilov, Unsteady combustion of solid propellants, 1973 , sid. tio.
  59. ↑ Pokhil P.F.  Doktorsavhandling. Institutet för kemisk fysik vid USSR:s vetenskapsakademi. 1953
  60. ↑ Pokhil et al., Metoder för att studera förbrännings- och detonationsprocesser, 1969 , sid. 177.
  61. ↑ Novozhilov, Unsteady combustion of solid propellants, 1973 , sid. 24.
  62. ↑ 1 2 Lengellé G., Duterque J., Trubert JF Förbränning av fasta drivmedel . // Uppsats presenterad vid RTO/VKI Special Course on "Internal Aerodynamics in Solid Rocket Propulsion", som hölls i Rhode-Saint-Genèse, Belgien, 27-31 maj 2002. — OFFICE NATIONAL D'ETUDES ET DE RCHERCHES AEROSPATIALES CHATILLON (FRANKRIKE ) ENERGETICS DEPT, 2002. - nr. RTO-EN-023. s. 1-62.
  63. ↑ Leipunsky O.I.  Doktorsavhandling. Institutet för kemisk fysik vid USSR:s vetenskapsakademi. 1945
  64. ↑ Leipunsky O. I. Till frågan om de fysiska grunderna för raketernas inre ballistik // Teori om förbränning av krut och sprängämnen / Ed. redaktörer: O. I. Leipunsky, Yu. V. Frolov. - M.  : Nauka, 1982. - S. 226-277.
  65. ↑ Novozhilov, Unsteady combustion of solid propellants, 1973 , sid. 26.
  66. ↑ Zeldovich Ya. B. Om teorin om förbränning av krut och sprängämnen // Journal of Experimental and Theoretical Physics . - 1942. - T. 12 , nr 1 . - S. 498-524 .
  67. ↑ Novozhilov, Unsteady combustion of solid propellants, 1973 , sid. 40.
  68. ↑ TILL MINNE AV BORIS VASILIEVICH NOVOZHILOV  // Förbränning och explosion: journal. - 2017. - T. 10 , nr 3 .
  69. ↑ Ohlemiller TJ Smoldering Combustion  . SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 3:e upplagan . NIST (2002). Hämtad 15 augusti 2013. Arkiverad från originalet 16 augusti 2013.
  70. ↑ Merzhanov A. G., Mukasyan A. S. Solid flame combustion. - M . : Torus Press. — 336 sid. - 300 exemplar.  - ISBN 978-5-94588-053-5 .
  71. ↑ Institutet för strukturell makrokinetik och problem med materialvetenskap vid den ryska vetenskapsakademin . Om självförökande högtemperatursyntes . Hämtad: 20 augusti 2013.
  72. ↑ Mujeebu MA et al. Förbränning i porösa medier och dess tillämpningar – En omfattande undersökning // Journal of Environmental Management. — Elsevier, 2009. — Vol. 90, nr 8 . - P. 2287-2312. - doi : 10.1016/j.jenvman.2008.10.009 .
  73. ↑ Flamfri förbränning . The Great Encyclopedia of Oil and Gas . Hämtad: 31 augusti 2013.
  74. ↑ Novozhilov, Unsteady combustion of solid propellants, 1973 , sid. 23.

Litteratur

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk