Combustie

Arderea  este un proces fizico-chimic complex [1] de transformare a materiilor prime [2] în produse de ardere în timpul reacțiilor exoterme , însoțit de degajare intensă de căldură [3] [4] . Energia chimică stocată în componentele amestecului inițial poate fi eliberată și sub formă de radiație termică și lumină. Zona luminoasă se numește frontul de flacără sau pur și simplu flacăra .

Dezvoltarea focului a jucat un rol cheie în dezvoltarea civilizației umane. Focul a deschis oamenilor posibilitatea de prelucrare termică a alimentelor și de încălzire a locuințelor și, ulterior - dezvoltarea metalurgiei , energiei și crearea de instrumente și tehnologii noi, mai avansate. Controlul proceselor de ardere se află în centrul creării de motoare pentru mașini, avioane, nave și rachete.

Arderea este în continuare principala sursă de energie din lume și va rămâne așa în viitorul apropiat. În 2010, aproximativ 90% din toată energia produsă de omenire pe Pământ a fost obținută prin arderea combustibililor fosili sau a biocombustibililor [5] , iar, conform previziunilor Administrației pentru Cercetare și Dezvoltare Energetică (SUA) , această pondere nu va scădea sub 80. % până în 2040, în timp ce consumul de energie crește cu 56% între 2010 și 2040 [6] . Legate de aceasta sunt probleme globale ale civilizației moderne, cum ar fi epuizarea resurselor energetice neregenerabile , poluarea mediului și încălzirea globală .

Reacțiile de combustie chimică, de regulă, urmează un mecanism cu lanț ramificat cu autoaccelerare progresivă datorită căldurii degajate în reacție. Caracteristicile arderii care o deosebesc de alte procese fizico-chimice care implică reacții redox sunt efectul termic mare al reacției și energia mare de activare , ceea ce duce la o dependență puternică a vitezei de reacție de temperatură. Ca urmare, un amestec combustibil care poate fi depozitat la temperatura camerei pe termen nelimitat se poate aprinde sau exploda atunci când este atinsă temperatura critică de aprindere ( autoaprindere ) sau când este inițiată de o sursă de energie externă (aprindere forțată sau aprindere).

Dacă produsele formate în timpul arderii amestecului inițial într-un volum mic într-o perioadă scurtă de timp efectuează lucrări mecanice semnificative și conduc la șocuri și efecte termice asupra obiectelor din jur, atunci acest fenomen se numește explozie. Procesele de ardere și explozie formează baza pentru crearea de arme de foc , explozivi , muniții și diferite tipuri de arme convenționale. Un tip special de ardere este detonația .

Context istoric

Până la descoperirea oxigenului la începutul anilor 1770 de către Karl Scheele și Joseph Priestley , se credea că toate corpurile capabile să ardă conțineau un principiu special, „ flogiston ”, care, în timpul arderii, era eliberat din corp, lăsând cenușă. În 1775, Lavoisier a arătat că, dimpotrivă, la substanța combustibilă se adaugă oxigen din aer în timpul arderii, iar în 1783 Lavoisier și Laplace au descoperit că produsul arderii hidrogenului este apa pură. Aceste descoperiri au pus bazele opiniilor științifice moderne despre natura arderii.

Următorul pas în dezvoltarea fundamentelor teoriei arderii este asociat cu lucrările lui Mallard și Le Chatelier [7] și V. A. Michelson , realizate în anii 1880 [8] . În 1890, Michelson a publicat o lucrare [9] despre propagarea flăcării în conducte și a propus teoria arzătorului Bunsen .

În 1928, Burke și Schumann au luat în considerare problema unei flăcări de difuzie și au arătat că atunci când viteza de ardere a reactivilor într-o reacție chimică este mult mai mare decât viteza de furnizare a reactivilor prin difuzie, zona de reacție poate fi considerată infinit subțire, în timp ce în el se stabilește automat un raport stoichiometric între oxidant și combustibil, iar temperatura maximă în zona de reacție este apropiată de temperatura de ardere adiabatică [10] .

Teoria modernă a arderii provine din lucrările lui N. N. Semyonov asupra exploziei termice [11] [12] , efectuate în anii 1920. Fondat de N. N. Semenov în 1931, Institutul de Fizică Chimică a devenit un centru științific de frunte pentru fizica chimică și combustie [13] . În 1938, D. A. Frank-Kamenetsky a dezvoltat teoria exploziei termice [14] , și, împreună cu Ya. B. Zeldovich , teoria propagării flăcării laminare în amestecuri premixate [15] .

În același 1938, în experimentele lui A. F. Belyaev, s-a arătat că arderea explozivilor volatili are loc în fază gazoasă [16] . Astfel, problema vitezei de ardere a unor astfel de substanțe a fost redusă la problema vitezei de ardere în faza gazoasă, iar în 1942 Ya. B. Zeldovich a dezvoltat teoria arderii substanțelor condensate, bazată pe teoria propagării flăcării în un gaz [ 17]

În anii 1940, Ya. B. Zel'dovich a dezvoltat teoria detonației [18] , care a fost numită modelul ZND  după Zeldovich, Neumann și Döring, deoarece independent de el von Neumann [19] și Döring au ajuns la rezultate similare. [20] .

Toate aceste lucrări au devenit clasice în teoria arderii.

Clasificarea tipurilor de ardere

În funcție de viteza amestecului, arderea este împărțită în ardere lentă (sau deflagrație ) și ardere prin detonare ( detonare ). Valul de ardere de deflagrație se propagă cu viteză subsonică , iar încălzirea amestecului inițial se realizează în principal prin conductivitate termică. Unda de detonare se deplasează cu viteze supersonice , în timp ce reacția chimică se menține datorită încălzirii reactanților de către unda de șoc și, la rândul său, menține propagarea constantă a undei de șoc [21] [22] . Arderea lentă se împarte în laminară și turbulentă în funcție de natura curgerii amestecului [23] . În arderea prin detonare, fluxul de produse este întotdeauna turbulent. În anumite condiții, arderea lentă se poate transforma în detonare [24] ( DDT, tranziție de la deflagrație la detonare [25] ) . 

Dacă componentele inițiale ale amestecului sunt gaze , atunci arderea se numește fază gazoasă (sau omogenă). În arderea în fază gazoasă , un oxidant (de obicei oxigenul ) reacționează cu un combustibil (cum ar fi hidrogenul sau gazul natural ). Dacă oxidantul și combustibilul sunt preamestecate la nivel molecular, atunci acest mod se numește combustie preamestecată .  Dacă oxidantul și combustibilul sunt separate unul de celălalt în amestecul inițial și intră în zona de ardere prin difuzie , atunci arderea se numește difuzie [26] .

Dacă oxidantul și combustibilul sunt inițial în faze diferite, atunci arderea se numește eterogenă. De regulă, în acest caz, reacția de oxidare are loc și în faza gazoasă în modul de difuzie, iar căldura eliberată în reacție este cheltuită parțial pe descompunerea termică și evaporarea combustibilului [27] . De exemplu, cărbunele sau polimerii din aer ard în conformitate cu acest mecanism . În unele amestecuri, pot apărea reacții exoterme în faza condensată pentru a forma produse solide fără degajare semnificativă de gaz. Acest mecanism se numește ardere în fază solidă.

Există, de asemenea, tipuri speciale de ardere, cum ar fi arderea mocnită , fără flacără și cu flacără rece .

Arderea, sau arderea nucleară, se numește reacții termonucleare în stele, în care nucleii elementelor chimice se formează în procesele de nucleosinteză stelară [28] .

Flacără

O flacără  este o zonă luminoasă formată în timpul arderii. Temperatura flăcării depinde de compoziția amestecului inițial și de condițiile în care are loc arderea. În timpul arderii gazelor naturale în aer, temperatura în zona fierbinte poate depăși 2000 K, iar în timpul arderii acetilenei în oxigen ( sudare cu gaz ) - 3000 K [29] .

Culoarea flăcării

Radicalii liberi și moleculele în stări excitate electronic și excitate vibrațional pot apărea în zona de ardere. Dacă intensitatea strălucirii este suficient de mare, atunci poate fi percepută cu ochiul liber. Culoarea flăcării este determinată de frecvențele la care au loc tranzițiile cuantice, aducând principala contribuție la radiația din regiunea vizibilă a spectrului. O parte semnificativă a radiației, în special în prezența unei faze solide, a particulelor de praf sau a particulelor de funingine într-o flacără, cade în regiunea infraroșie, care este percepută subiectiv ca căldură de la un incendiu. Moleculele de CO, CO2 și H2O excitate vibrațional contribuie la radiația infraroșie .

Când hidrogenul arde în aer curat, flacăra este aproape incoloră. Are o nuanță albăstruie abia vizibilă datorită emisiei de radicali OH în domeniul optic la lungimi de undă de 306–308 nm [30] . Cu toate acestea, de obicei, o flacără de hidrogen în aer strălucește mai puternic din cauza prezenței particulelor de praf și a microimpurităților organice.

Flacăra la arderea combustibililor cu hidrocarburi într- un arzător Bunsen , cum ar fi propanul sau butanul, poate avea o culoare diferită în funcție de raportul dintre combustibil și aer. La arderea în modul de difuzie fără alimentare cu aer la arzător, flacăra este colorată în galben sau roșiatic, datorită strălucirii microparticulelor incandescente de funingine. Când se amestecă o cantitate mică de aer, la ieșirea arzătorului apare un con de flacără albastru slab. O creștere suplimentară a alimentării cu aer are ca rezultat două conuri de flacără, un albastru-verde strălucitor interior și un albastru-violet exterior, mult mai puțin intens [31] .

Capacitatea impurităților de a colora flacăra în diferite culori este utilizată în chimia analitică pentru analize pirochimice și în pirotehnică pentru saluturi, artificii și rachete.

Proprietățile electrice ale flăcării

Flacăra combustibililor cu hidrocarburi poate interacționa cu un câmp electromagnetic, adică conține particule încărcate. S-a descoperit experimental că concentrația de ioni într-o flacără poate fi cu 4-6 ordine de mărime mai mare decât concentrația care ar fi observată cu un mecanism de ionizare pur termic și, de fapt, flacăra se poate comporta ca o plasmă slab ionizată . Cu toate acestea, temperatura flăcării este insuficientă pentru ca componentele amestecului să fie ionizate ca urmare a ciocnirilor de molecule între ele, iar în anii 1950 a devenit clar că principalul mecanism de generare a ionilor este chemionizarea [32] .

Se crede că chemionizarea are loc în principal prin formarea ionului CHO + [33] , deși prezența altor ioni se remarcă în flacără [34] . În absența carbonului, ionul CHO + nu se formează, astfel încât concentrația de ioni într-o flacără de hidrogen pur în oxigen pur este foarte scăzută. Concentrația de ioni crește semnificativ dacă în gaz sunt prezente chiar și urme de substanțe organice, în timp ce conductivitatea flăcării este mult crescută. Acest fenomen este exploatat în detectoarele cu ionizare în flacără ale cromatografelor de gaze .

Interacțiunea unei flăcări cu un câmp electromagnetic deschide noi posibilități pentru controlul proceselor de ardere și crearea unor tehnologii promițătoare pe baza acestora [35] .

Teoria arderii

În ciuda experienței mari de utilizare în practică, procesele de ardere rămân unul dintre cele mai dificile pentru studiu științific. Știința arderii este extrem de interdisciplinară, aflându-se la intersecția unor discipline științifice precum dinamica gazelor, termodinamica chimică, cinetica chimică, fizica moleculară și chimică, transferul de căldură și masă , chimia și fizica cuantică, știința materialelor și modelarea computerizată [36] .

Completitudinea arderii

Compoziția inițială a amestecului combustibil este caracterizată de fracțiile molare sau de masă ale componentelor și presiunea și temperatura inițiale. Dacă compoziția amestecului este aleasă astfel încât în ​​timpul arderii sale atât combustibilul, cât și oxidantul să se poată transforma complet în produși de reacție, atunci un astfel de amestec se numește stoechiometric . Amestecurile cu un exces de combustibil, în care combustibilul nu este capabil să se ardă complet din cauza lipsei de agent oxidant, sunt numite bogate , iar amestecurile cu lipsă de combustibil sunt numite sărace . Gradul de abatere a compoziției amestecului de la stoichiometrie este caracterizat de coeficientul de combustibil în exces ( raportul de echivalență engleză  ) [37] :

unde Y F și Y O  sunt fracțiunile de masă ale combustibilului și, respectiv, oxidantului, iar (Y F / Y O ) st  este raportul lor într-un amestec stoechiometric. În literatura în limba rusă, este folosit și coeficientul de exces de oxidant (sau aer), care este inversul coeficientului de exces de combustibil.

Teoretic, un amestec stoichiometric poate arde complet. Cu toate acestea, în practică, reactanții nu sunt niciodată complet transformați în produși de reacție, atât din cauza imperfecțiunii designului camerei de ardere, cât și pentru că reacțiile chimice de ardere nu au timp să meargă până la capăt. Prin urmare, în realitate, arderea este întotdeauna incompletă , iar o creștere a completității arderii este una dintre modalitățile de îmbunătățire a centralelor electrice. În inginerie, sunt adesea folosite alte amestecuri decât stoichiometrice. De exemplu, la pornirea unui motor rece al unei mașini, amestecul aer-combustibil este îmbogățit pentru o pornire mai ușoară, iar amestecurile slabe sunt folosite pentru a reduce emisiile nocive, cum ar fi NO x și CO .

Termodinamica arderii

Dacă arderea are loc adiabatic la volum constant, atunci energia internă totală a sistemului este conservată; dacă la presiune constantă, atunci entalpia sistemului. În practică, condițiile arderii adiabatice se realizează aproximativ într-o flacără care se propagă liber (fără a ține cont de pierderile de căldură prin radiație) și în alte cazuri când pierderile de căldură din zona de reacție pot fi neglijate, de exemplu, în camerele de ardere de puternice . turbine cu gaz sau motoare rachete .

Temperatura de ardere adiabatică  este temperatura produselor atinsă atunci când reacțiile chimice sunt complete și se stabilește echilibrul termodinamic. Pentru calculele termodinamice se folosesc tabele de funcții termodinamice [38] ale tuturor componentelor amestecului și produselor inițiale. Metodele de termodinamică chimică fac posibilă calcularea compoziției produselor, a presiunii finale și a temperaturii în condiții de ardere date. În prezent există multe programe disponibile care pot efectua aceste calcule [39] [40] .

Puterea calorică  este cantitatea de căldură degajată în timpul arderii complete a componentelor inițiale, adică până la CO 2 și H 2 O pentru combustibilii cu hidrocarburi. În practică, o parte din energia eliberată este cheltuită pentru disocierea produselor, astfel încât temperatura de ardere adiabatică fără a ține cont de disociere se dovedește a fi vizibil mai mare decât cea observată în experiment [41] .

Calculul termodinamic face posibilă determinarea compoziției de echilibru și a temperaturii produselor, dar nu oferă nicio informație despre viteza cu care sistemul se apropie de starea de echilibru. O descriere completă a arderii necesită cunoașterea mecanismului și cineticii reacțiilor și a condițiilor de transfer de căldură și masă cu mediul.

Cinetica arderii

O schemă cinetică detaliată a reacțiilor în timpul arderii chiar și a celor mai simpli combustibili de hidrocarburi, cum ar fi metanul, include zeci sau chiar sute de componente implicate în sute de reacții chimice elementare [42] . La modelarea unor mecanisme atât de mari, apar dificultăți de calcul semnificative. Ele se datorează faptului că timpul caracteristic al reacțiilor individuale poate diferi cu multe ordine de mărime, iar sistemele corespunzătoare de ecuații diferențiale se dovedesc a fi rigide ( în engleză  rigid ), ceea ce complică semnificativ soluția numerică. Prin urmare, în calculele practice ale proceselor de ardere, sunt utilizate trei abordări [43] :

cu parametri cinetici selectați în funcție de viteza flăcării măsurată experimental [44] .

Reactor de amestec perfect

Într-un amestec preamestec de combustibil și oxidant, reacția de ardere poate avea loc în întregul volum ocupat de amestecul combustibil (combustie în vrac) sau într-o zonă îngustă (front de flacără) care separă amestecul inițial și produsele și se propagă sub formă de -numita val de ardere. Arderea în vrac poate fi organizată într-un reactor de amestec ideal omogen, în care amestecul inițial intră la o temperatură T 0 . La ieșirea din reactor, amestecul are o temperatură T b ≥ T 0 , care este stabilită în conformitate cu modul de funcționare curent al reactorului. Într-un astfel de reactor pot avea loc multiple moduri staționare, fenomene de histerezis , precum și moduri non-staționare și auto-oscilații [45] . Toate aceste fenomene sunt caracteristice teoriei arderii datorită neliniarității ecuațiilor sale.

Combustie laminară

La debite scăzute ale amestecului, arderea poate fi efectuată în regim laminar . Așa arde, de exemplu, o lumânare (combustie prin difuzie) sau o sobă de uz casnic pe gaz (combustia unui amestec preamestec) la debite mici de gaz.

Într-un amestec preamestec, frontul de flacără se mișcă în raport cu amestecul inițial la o viteză strict definită, numită viteza flăcării laminare. Această viteză depinde de compoziția inițială a amestecului, presiunea și temperatura acestuia, dar nu depinde de condițiile de aprindere. Viteza flăcării laminare pentru metan și majoritatea altor combustibili cu hidrocarburi în condiții normale în aer poate varia de la aproximativ 10 până la 70 de centimetri pe secundă [46] . Viteza de ardere a amestecurilor de hidrogen cu aer ( gaz exploziv ) atinge câțiva metri pe secundă și poate fi percepută ca o explozie.

O flacără laminară se poate propaga doar într-un amestec a cărui compoziție nu depășește intervalul așa-numitelor limite de concentrație . Limitele inferioare și superioare de concentrație corespund raportului minim și maxim de combustibil în exces la care flacăra se poate propaga în continuare prin amestec. Pentru metanul din aer, acestea sunt de aproximativ 5 și 15 procente în volum [47] . Exploziile de gaze menajere apar atunci când limita inferioară de concentrație este depășită într-o zonă slab ventilată și amestecul se aprinde din cauza unei scântei sau a unei alte surse. Același efect duce la explozii de metan în mine.

Pe lângă limita de concentrație, există și o limită a diametrului de propagare a flăcării în conductă. Într-o conductă cu diametrul mai mic decât cel critic, flacăra nu se poate propaga din cauza pierderilor mari de căldură către pereți și a morții radicalilor activi pe perete [48] . Lampa de siguranță Davy se bazează pe acest principiu , în care se folosește o flacără deschisă, dar flacăra este acoperită cu o plasă metalică și nu provoacă o explozie de metan în mine.

Combustie turbulentă

Arderea turbulentă, adică arderea unui amestec al cărui debit este turbulent  , este cel mai frecvent mod de ardere în aparatele practice și în același timp cel mai greu de studiat [49] . Turbulența rămâne una dintre puținele probleme nerezolvate din fizica clasică [50] . O teorie completă a fluxurilor turbulente, inclusiv a celor în absența reacțiilor chimice în ele, încă nu există.

Interacțiunea fluxului turbulent cu frontul de ardere complică și mai mult analiza. Chiar și la nivel calitativ, efectul arderii asupra turbulenței și efectul invers al turbulenței asupra arderii pot duce la efecte opuse [51] . Arderea poate atât intensifica turbulențele din cauza degajării suplimentare de căldură, cât și invers, o poate reduce datorită creșterii vâscozității odată cu creșterea temperaturii.

Pe de altă parte, turbulența, așa cum ar fi, zdrobește frontul de flăcări, mărind zona frontală. Ca urmare, degajarea de căldură în flux crește brusc, adică puterea întregului sistem crește. Turbulența intensifică și amestecarea componentelor, dacă acestea nu au fost amestecate inițial. Din acest motiv, in practica, in sistemele care necesita putere mare - motoare, cuptoare, instalatii de turbine cu gaz - este regimul turbulent care se foloseste. Cu toate acestea, turbulențele excesiv de intense pot stinge flacăra. Fluxul turbulent este greu de controlat. Viteza stocastică și pulsațiile de presiune apar în mod constant în el, ceea ce poate provoca instabilitate a arderii și poate duce la distrugerea structurii arzătorului și la accidente. Fluctuațiile de temperatură duc la faptul că amestecul arde în mod neuniform, ca urmare a creșterii conținutului de substanțe nocive în emisii.

Descrierea arderii turbulente necesită utilizarea simulărilor pe computer. În acest caz, ca și în cazul fluxurilor care nu reacţionează, pot fi utilizate trei abordări pentru rezolvarea numerică a ecuațiilor Navier-Stokes dezvoltate în dinamica fluidelor computaționale : RANS - ecuațiile Navier-Stokes mediate pe numărul Reynolds , LES - metoda de vârtejuri mari și DNS - simulare numerică directă [52 ] .

Simularea computerizată a arderii

Importanța procesului de ardere în dispozitivele tehnice, împreună cu costul ridicat al experimentelor la scară reală, contribuie la dezvoltarea rapidă a simulării computerizate a arderii. Modelele proceselor de ardere se bazează pe legile conservării masei, impulsului și energiei într-un amestec de reacție multicomponent. Ecuațiile teoriei arderii sunt ecuațiile de continuitate pentru amestecul ca întreg și pentru toate componentele individuale, ecuația Navier-Stokes pentru un mediu compresibil și ecuația de transfer de căldură cu surse chimice [53] . Cu scheme cinetice detaliate, acest sistem de ecuații diferențiale parțiale este extrem de complex și până în prezent nu există scheme numerice universale care să poată fi aplicate în toate modurile de ardere și intervalele de temperatură. Prin urmare, astfel de scheme sunt construite pentru cazuri speciale, care fac posibilă simplificarea în continuare a sistemului de ecuații.

În cazul unidimensional pentru arderea lentă (flacără laminară), au fost dezvoltate metode eficiente de rezolvare a sistemului de ecuații, inclusiv cele pentru scheme cinetice detaliate și sunt disponibile pachete software care rezolvă aceste probleme. Cele mai utilizate pachete comerciale în cercetare sunt CHEMKIN și Cosilab , precum și software-ul gratuit Cantera .

În cazuri bidimensionale și tridimensionale, schema cinetică globală este încă folosită cel mai des. O astfel de abordare este implementată, de exemplu, în pachetele ANSYS FLUENT și KIVA , însă, alături de creșterea puterii computerelor, apar și calcule cu scheme cinetice reduse [54] și scheme detaliate. Supercalculatoarele sunt folosite pentru a rezolva astfel de probleme [55] .

Combustie eterogenă

Procesele eterogene , spre deosebire de omogene , în chimie și fizică sunt numite procese care au loc în sisteme eterogene, adică sisteme care conțin mai mult de o fază (de exemplu, gaz și lichid), precum și procese care au loc la interfață. În cercetarea arderii, termenul de ardere eterogenă este folosit pentru sistemele în care combustibilul și oxidantul sunt inițial în faze diferite [27] , chiar dacă combustibilul se vaporizează în proces și reacțiile chimice în sine au loc în fază gazoasă. Un exemplu tipic este arderea cărbunelui în aer, în care carbonul poate reacționa cu oxigenul de pe suprafața particulelor de cărbune pentru a forma monoxid de carbon . Ulterior, monoxidul de carbon se poate arde în faza gazoasă și poate forma dioxid de carbon , iar în unele moduri, combustibilul se poate evapora de la suprafața particulelor și se poate oxida sub formă de carbon gazos în faza gazoasă. În ciuda diferenței de mecanisme, toate aceste regimuri sunt formal legate de arderea eterogenă.

Arderea eterogenă este extrem de importantă în aplicațiile practice ale arderii. Majoritatea combustibililor sunt depozitați și transportați mai convenabil sub formă lichidă (inclusiv gazul natural lichefiat ). Procesele de lucru în cuptoare , motoare cu ardere internă , motoare diesel, motoare cu reacție de aer , motoarele cu rachete lichide  sunt arderi eterogene, iar optimizarea procesului de evaporare și amestecare a combustibilului și a oxidantului pentru alimentarea lor către camera de ardere este o parte importantă a optimizării. întregul proces de ardere la muncitori.sisteme.

Aproape toate incendiile  sunt, de asemenea, arderi eterogene, cu toate acestea, exploziile de gaze de uz casnic sunt clasificate ca ardere omogenă, deoarece atât combustibilul, cât și oxidantul sunt inițial gaze.

Pentru a îmbunătăți caracteristicile energetice ale combustibililor solizi, li se pot adăuga metale . Astfel de combustibili pot fi utilizați, de exemplu, pentru torpile subacvatice de mare viteză , deoarece aluminiul pur arde bine în apă [56] . Arderea aluminiului și a altor metale are loc după un mecanism eterogen [57] .

Arderea combustibililor solizi

Propelenții solizi își găsesc utilizarea principală în arme de foc, artilerie și rachete, precum și în rachete tactice și rachete balistice intercontinentale . Au fost folosite propulsoare cu combustibil solid pentru a lansa navete reutilizabile pe orbita joasă a Pământului .

Arderea combustibililor într-o gaură de tun sau în camera unei rachete cu combustibil este studiată prin balistică internă .

Compoziția combustibililor solizi

Propelenții solizi utilizați în motoarele de rachete solide sunt împărțiți în două tipuri: balistici și mixți . În propulsoarele solide balistice, nu există nicio separare între combustibil și oxidant - este o substanță sau un amestec de substanțe chimice care arde în straturi. Aceștia sunt denumiți în mod obișnuit ca propulsori balistici sau omogene . Componenta principală a unor astfel de praf de pușcă este nitroceluloza . La fabricarea combustibililor solizi, nitroceluloza este gelificată într-un solvent, de obicei nitroglicerină . Pentru ușurința fabricării și stabilitatea în timpul depozitării, în amestec sunt introduși aditivi tehnologici care îmbunătățesc proprietățile mecanice și operaționale. Numele comun pentru astfel de pulberi este fără fum , iar în literatura străină - bază dublă (bază dublă engleză  ) [58] .

Combustibilii amestecați sunt un amestec de două sau mai multe componente. Componentele sunt particule de oxidant și combustibil amestecate mecanic sub formă de pulberi sau granule de până la zecimi de milimetru. Perclorații (de obicei perclorat de amoniu sau perclorat de potasiu ) și nitrații sunt utilizați ca agenți de oxidare , cum ar fi azotatul de amoniu și nitrații de metale alcaline. Ca combustibil - substanțe organice, de exemplu, polimeri olefinici saturati ( polipropilenă ). Pentru a crește impulsul specific al combustibilului pentru rachete, în combustibil sunt introduse particule fine de metal (pulbere), cum ar fi aluminiu , magneziu și beriliu .

Încărcăturile de pulbere ale motoarelor de rachetă trebuie să aibă o rezistență mecanică ridicată pentru a evita distrugerea cartușului de pulbere în timpul arderii în timpul funcționării motorului de rachetă. Prin urmare, la fabricarea încărcăturilor de combustibili amestecați, la amestec se adaugă lianți polimerici - rășini epoxidice , cauciucuri și alți polimeri.

Arderea unei încărcături de combustibil solid într-un motor de rachetă cu combustibil solid are loc pe suprafața combustibilului și nu se răspândește în sarcină dacă nu există fisuri pe suprafață. Crăpăturile sau porii din încărcătură pot duce la o creștere necalculată a suprafeței de ardere și a forței motorului, arderea carenei și accidente.

Mecanismul de ardere a combustibililor solizi

Tabloul fizic al proceselor care au loc în timpul arderii combustibililor solizi este destul de complex și include mai multe etape de descompunere a prafului de pușcă într-o succesiune de reacții exoterme în faza condensată și gazoasă. Conform rezultatelor studiilor privind arderea pulberii balistice H în vid , P.F. Pokhil [59] [60] a constatat că la o presiune sub 2 mm Hg. Artă. reacția chimică exotermă are loc numai în stratul superficial al fazei condensate (combustie fără flacără). În intervalul de presiune de la 5 mm Hg. Artă. până la aproximativ 15–20 atm, reacția se desfășoară în fază gazoasă, iar flacăra este vizibilă doar pe întuneric (combustie cu o singură flacără sau cu flacără rece). Cu o creștere suplimentară a presiunii (peste 15-20 atm), o a doua zonă de flacără strălucitoare apare la o anumită distanță de suprafață. Distanța de la această zonă la suprafața substanței scade rapid odată cu creșterea presiunii, iar la aproximativ 60-70 atm această zonă se contopește cu prima zonă [61] .

Nu există o descriere completă a mecanismului de reacție a tuturor acestor etape. Se crede că în faza condensată se rup legăturile chimice CO–NO 2 și se eliberează oxizi de azot (NO 2 și NO) și aldehide, în prima zonă a flăcării NO 2 reacționează cu aldehidele, iar în a doua zonă există sunt reacții care implică NO și CO [62 ] .

Viteza de ardere a combustibililor solizi este de obicei aproximată printr-o lege empirică a puterii: unde se consideră de obicei egală cu presiunea atmosferică (101,325 kPa). Indicele variază de la 0,7 pentru presiuni joase ( = 1–20 atm) la 1 pentru presiuni mari (> 60 atm), ceea ce se explică printr-o modificare a zonei de eliberare a căldurii conducătoare în reacțiile chimice [62] .

În camerele de ardere ale motoarelor rachete, suprafața pulberii care arde este suflată de un curent de gaz de produse de ardere. O creștere a vitezei de ardere a combustibilului cu o creștere a vitezei fluxului de suflare a fost descoperită de O. I. Leipunsky în anii 1940 [63] [64] iar în literatura internă a fost numită inflație . În publicațiile străine, se numește combustie erozivă [65] . Acest efect trebuie luat în considerare la proiectarea și calcularea rachetelor cu combustibil solid.

Când o încărcătură de combustibil solid arde în camera de ardere a unui motor de rachetă, presiunea, forma și suprafața încărcăturii se modifică, iar suprasarcinile mari acționează asupra combustibilului în timpul zborului rachetei. Ca urmare, viteza de ardere nu rămâne constantă, iar astfel de regimuri sunt numite non-staționare. Teoria fenomenologică a arderii instabile a prafului de pușcă a fost creată de Ya. B. Zeldovich [66] în 1942 și dezvoltată ulterior de B. V. Novozhilov [67] în anii 1960. A primit recunoaștere internațională ca teoria Zel'dovich–Novozhilov (ZN-theory) [68] .

Regimuri speciale de ardere

Mocnit

Mocnirea este un tip special de ardere lentă, care se menține datorită căldurii degajate în reacția oxigenului și a materiei condensate fierbinți direct pe suprafața substanței și acumulată în faza condensată [69] . Exemple tipice de mocnit sunt o țigară aprinsă , o narghilea sau cărbuni într-un grătar . În timpul mocnirii, zona de reacție se răspândește prin material lent - sau puțin mai repede atunci când se aprinde sau se umflă. Flacăra în fază gazoasă nu se formează din cauza temperaturii insuficiente a produselor gazoase sau se stinge din cauza pierderilor mari de căldură din faza gazoasă. Mocnirea este frecvent observată în materialele poroase sau fibroase. Focnirea poate reprezenta un mare pericol în timpul unui incendiu dacă, în timpul arderii incomplete a materialelor, se eliberează substanțe toxice pentru oameni.

Arderea în stare solidă

În amestecurile de pulberi anorganice și organice, pot apărea procese exoterme autowave, care nu sunt însoțite de degajări vizibile de gaze și formează doar produse condensate. În fazele intermediare se pot forma faze gazoase și lichide, care însă nu părăsesc sistemul de ardere. Sunt cunoscute exemple de pulberi care reacţionează în care nu s-a dovedit formarea unor astfel de faze (tantal-carbon). Astfel de regimuri se numesc combustie în fază solidă , sunt folosiți și termenii combustie fără gaz și combustie cu flacără solidă [70] . Aceste procese au primit aplicare practică în tehnologiile de sinteză cu autopropagare la temperatură înaltă (SHS) dezvoltate sub îndrumarea lui A. G. Merzhanov [71] .

Arderea într-un mediu poros

Dacă amestecul combustibil inițial trece printr-un mediu poros, de exemplu, o matrice ceramică, atunci în timpul arderii sale o parte din căldură este cheltuită pentru încălzirea matricei. Matricea fierbinte, la rândul său, încălzește amestecul inițial. Astfel, o parte din căldura produselor de ardere este recuperată, ceea ce face posibilă utilizarea amestecurilor slabe (cu un raport scăzut de exces de combustibil), care nu ard fără recirculare a căldurii. Tehnologiile de ardere poroasă ( denumite și combustie prin filtrare în literatura casnică ) pot reduce emisiile de substanțe nocive și sunt utilizate în sobe cu infraroșu cu gaz, încălzitoare și multe alte dispozitive [72] .

Ardere fără flacără

Spre deosebire de arderea convențională, atunci când se observă o zonă de flacără luminoasă , este posibil să se creeze condiții pentru arderea fără flacără. Un exemplu este oxidarea catalitică a substanțelor organice pe suprafața unui catalizator adecvat , cum ar fi oxidarea etanolului pe negru de platină . Totuși, termenul „combustie fără flacără” nu se limitează la cazul oxidării catalitice de suprafață, ci se referă la situații în care flacăra nu este vizibilă cu ochiul liber [3] . Prin urmare, regimurile de ardere în arzătoarele cu radiație [73] sau unele regimuri de descompunere exotermă a pulberilor balistice la presiune scăzută [74] sunt numite și fără flacără . Oxidarea fără flacără , un mod special de organizare a arderii la temperatură scăzută, este una dintre direcțiile promițătoare în crearea camerelor de ardere cu emisii scăzute pentru centralele electrice.

Note

  1. ↑ I.N. Zverev, N. N. Smirnov. Dinamica gazelor a arderii. - M. : Editura Moscovei. un-ta., 1987. - S. 165. - 307 p.
  2. ↑ Combustia este uneori definită ca reacția dintre un oxidant și un combustibil. Cu toate acestea, procesele de ardere includ, de exemplu, atât arderea combustibililor monomoleculari, cât și descompunerea ozonului, atunci când energia chimică este stocată în legături chimice într-o substanță.
  3. ↑ 1 2 Combustie // Marea Enciclopedie Sovietică  : [în 30 de volume]  / cap. ed. A. M. Prohorov . - Ed. a 3-a. - M .  : Enciclopedia Sovietică, 1969-1978.
  4. ↑ [www.xumuk.ru/encyklopedia/1128.html Combustie] . Enciclopedia chimică . Preluat: 16 septembrie 2013.
  5. ↑ Statistici cheie ale energiei mondiale . - Agenția Internațională pentru Energie (AIE), 2012. - P. 6. - 80 p.
  6. ↑ International Energy Outlook 2013 with Projections to 2040  1. US Energy Information Administration (EIA) . Preluat: 4 februarie 2014.
  7. ↑ Mallard E., Le Chatelier HL Thermal model for flame propagation // Annals of Mines. - 1883. - Vol. 4. - P. 379.
  8. ↑ Khitrin, Fizica arderii și exploziei, 1957 , p. opt.
  9. ↑ Mikhelson V.A. Despre viteza normală de aprindere a amestecurilor de gaze explozive. - Sobr. op. M.: Nou agronom, 1930, v. 1
  10. ↑ Burke SP, Schumann TEW Diffusion flames // Industrial & Engineering Chemistry. - 1928. - Vol. 20, nr. 10 . - P. 998-1004.
  11. ↑ Semyonov N. N. Thermal theory of combustion and explosions  // Uspekhi fizicheskikh nauk . - Academia Rusă de Științe , 1940. - T. XXIII , nr. 3 . - S. 251-292 .
  12. ↑ Semenov N. N. Thermal theory of combustion and explosions (end)  // Uspekhi fizicheskikh nauk . - Academia Rusă de Științe , 1940. - T. XXIV , nr. 4 , nr 8 . - S. 433-486 .
  13. ↑ Khitrin, Fizica arderii și exploziei, 1957 , p. 9.
  14. ↑ Frank-Kamenetsky D. A. Distribuția temperaturii într-un vas de reacție și teoria staționară a exploziei termice // 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. Despre combustia explozivilor // Journal of Physical Chemistry. - 1938. - T. 12 , nr 1 . - S. 93-99 .
  17. ↑ Zeldovich Ya. B. Despre teoria arderii prafului de pușcă și explozivilor // Journal of Experimental and Theoretical Physics . - 1942. - T. 12 , nr 1 . - S. 498-524 .
  18. ↑ Zeldovich Ya. B. Despre teoria propagării detonației în sistemele gazoase // Journal of Experimental and Theoretical Physics . - 1940. - T. 10 , nr. 5 . - S. 542-568 .
  19. ↑ von Neumann J. Teoria undelor de detonare. Raport de progres către Comitetul de Cercetare pentru Apărare Națională Div. B, OSRD-549 (1 aprilie 1942. PB 31090) // Teoria undelor de detonare. - John von Neumann: Opere colectate, 1903-1957. - Oxford: Pergamon Press, 1963. - Vol. 6. - P. 178-218. - ISBN 978-0-08-009566-0 .
  20. ↑ Döring W. Über Detonationsvorgang in Gasen  (germană)  // Annalen der Physik. - 1943. - Bd. 43 , nr. 6-7 . - S. 421-436 . — ISSN 0003-4916 . - doi : 10.1002/andp.19434350605 .
  21. ↑ Shchelkin, Troshin, Dinamica gazelor de combustie, 1963 , p. 26.
  22. ↑ Legea CK, Fizica arderii, 2006 , p. 659.
  23. ↑ Legea CK, Fizica arderii, 2006 , p. 9.
  24. ↑ Shchelkin, Troshin, Dinamica gazelor de combustie, 1963 , p. 206.
  25. ↑ Legea CK, Fizica arderii, 2006 , p. 686.
  26. ↑ Legea CK, Fizica arderii, 2006 , p. opt.
  27. ↑ 1 2 Legea CK, Fizica arderii, 2006 , p. zece.
  28. ↑ Iskhanov B.S. Istoria nucleului atomic . - M . : Carte universitară, 2011. - 314 p. - ISBN 978-5-91304-229-3 .
  29. ↑ Lewis, Elba, Combustie, flăcări și explozii în gaze, 1968 , p. 578.
  30. ↑ Gaydon, Spectroscopy and the Theory of Combustion, 1950 , p. 49.
  31. ↑ Gaydon, Spectroscopy and the Theory of Combustion, 1950 , p. 60.
  32. ↑ Lawton și Weinberg, Electrical Aspects of Combustion, 1976 , p. 183.
  33. ↑ Fialkov AB Investigations on ions in flames  (engleză)  // Progress in Energy and Combustion Science . - Elsevier, 1997. - Vol. 23 , nr. 5-6 . — P. 399-528 . - doi : 10.1016/S0360-1285(97)00016-6 .
  34. ↑ Drews, AM, Cademartiri, L., Chemama, ML, Brenner, MP, Whitesides, GM, Bishop, KJ Câmpurile electrice ac antrenează fluxuri constante în flăcări  // Physical Review E  . - Societatea Americană de Fizică, 2012. - Vol. 86 , nr. 3 . — P. 036314 . - doi : 10.1103/PhysRevE.86.036314 .
  35. ↑ Starikovskiy A., Aleksandrov N. Aprindere și combustie asistată cu plasmă  (engleză)  // Progress in Energy and Combustion Science. — Elsevier, 2013. — Vol. 39 , nr. 1 . - P. 61-110 . - doi : 10.1016/j.pecs.2012.05.003 .
  36. ↑ Kuo, Acharya. Fundamentele combustiei turbulente și multifazice, 2012 , p. 9.
  37. ↑ Poinsot, Combustie teoretică și numerică, 2012 , p. 12.
  38. ↑ Tabele termodinamice pentru ardere și chimie atmosferică . Prof. Datele termodinamice ale lui Burcat. Preluat la 13 august 2013. Arhivat din original la 14 august 2013.
  39. ↑ Calculul temperaturii adiabatice de ardere . eLearning@CERFACS. Preluat la 13 august 2013. Arhivat din original la 14 august 2013.
  40. ↑ Cantera. Un set de instrumente software orientat pe obiecte pentru cinetică chimică, termodinamică și procese de transport. . Preluat: 13 august 2013.
  41. ↑ Zel'dovich și colab., Teoria matematică a arderii și exploziei, 1980 , p. 25.
  42. ↑ Legea CK, Fizica arderii, 2006 , p. 95.
  43. ↑ Lu TF, Law CK Toward acommodating realist fuel chemistry in the large-scale calculations // Progress in Energy and Combustion Science. — Elsevier, 2009. — Vol. 35, nr. 2 . - P. 192-215. - doi : 10.1016/j.pecs.2008.10.002 .
  44. ↑ Poinsot, Combustie teoretică și numerică, 2012 , p. 57.
  45. ↑ Zel'dovich și colab., Teoria matematică a arderii și exploziei, 1980 , p. 66.
  46. ↑ Glassman, Combustion, 2008 , p. 187.
  47. ↑ Glassman, Combustion, 2008 , p. 193.
  48. ↑ Glassman, Combustion, 2008 , p. 200.
  49. ↑ Lipatnikov, Fundamentals of Premixed Turbulent Combustion, 2012 .
  50. ↑ Peters, Combustie turbulentă, 2004 , p. unu.
  51. ↑ Poinsot, Combustie teoretică și numerică, 2012 , p. 132.
  52. ↑ Poinsot, Combustie teoretică și numerică, 2012 , p. 138.
  53. ↑ Poinsot, Combustie teoretică și numerică, 2012 .
  54. ↑ Khedia KS, Ghoniem AF Mecanisme de stabilizare și suflare a unei flăcări preamestecate în aval de o placă perforată conducătoare de căldură // Combustie și flacără . — Elsevier, 2012. — Vol. 159, nr. 3 . - P. 1055-1069. - doi : 10.1016/j.combustflame.2011.10.014 .
  55. ↑ Chen JH și colab. Simulări numerice directe la terascale ale arderii turbulente folosind S3D  // Computational Science and Discovery. - Editura IOP, 2009. - Vol. 2. - P. 1-31. - doi : 10.1088/1749-4699/2/1/015001 .
  56. ↑ Aluminiu și apă: un nou tip de combustibil pentru rachete . Cnews . Preluat: 19 august 2013.
  57. ↑ Becksted MW A Summary of Aluminium Combustion  // Lucrare prezentată la Cursul special RTO/VKI privind aerodinamica internă în propulsia rachetelor solide, desfășurat în Rhode-Saint-Genèse, Belgia, 27-31 mai 2002, și publicat în RTO-EN- 023.. - 2002. - P. 1-46.
  58. ↑ Novozhilov, Unsteady combustion of solid propellants, 1973 , p. zece.
  59. ↑ Pokhil P.F.  Teză de doctorat. Institutul de Fizică Chimică al Academiei de Științe a URSS. 1953
  60. ↑ Pokhil și colab., Metode pentru studierea proceselor de combustie și detonare, 1969 , p. 177.
  61. ↑ Novozhilov, Unsteady combustion of solid propellants, 1973 , p. 24.
  62. ↑ 1 2 Lengellé G., Duterque J., Trubert JF Combustion of solid propulsants . // Lucrare prezentată la Cursul special RTO/VKI privind „Aerodinamica internă în propulsia rachetei solide”, desfășurat la Rhode-Saint-Genèse, Belgia, 27-31 mai 2002. — OFFICE NATIONAL D'ETUDES ET DE RECHERCHES AEROSPATIALES CHATILLON (FRANȚA) ) DEPT ENERGETICA, 2002. - nr. RTO-EN-023. P. 1-62.
  63. ↑ Teza de  doctorat Leipunsky O.I. Institutul de Fizică Chimică al Academiei de Științe a URSS. 1945
  64. ↑ Leipunsky O. I. La întrebarea fundamentelor fizice ale balisticii interne a rachetelor // Teoria arderii prafului de pușcă și explozivilor / Ed. redactori: O. I. Leipunsky, Yu. V. Frolov. - M .  : Nauka, 1982. - S. 226-277.
  65. ↑ Novozhilov, Unsteady combustion of solid propellants, 1973 , p. 26.
  66. ↑ Zeldovich Ya. B. Despre teoria arderii prafului de pușcă și explozivilor // Journal of Experimental and Theoretical Physics . - 1942. - T. 12 , nr 1 . - S. 498-524 .
  67. ↑ Novozhilov, Unsteady combustion of solid propellants, 1973 , p. 40.
  68. ↑ ÎN MEMORIA LUI BORIS VASILIEVICH NOVOZHILOV  // Combustie și explozie: jurnal. - 2017. - T. 10 , Nr. 3 .
  69. ↑ Ohlemiller TJ Smoldering Combustion  . SFPE Manual de inginerie de protecție împotriva incendiilor, ediția a 3-a . NIST (2002). Preluat la 15 august 2013. Arhivat din original la 16 august 2013.
  70. ↑ Merzhanov A. G., Mukasyan A. S. Combustie cu flacără solidă. - M .: Torus Press. — 336 p. - 300 de exemplare.  - ISBN 978-5-94588-053-5 .
  71. ↑ Institutul de Macrocinetică Structurală și Probleme de Știința Materialelor al Academiei Ruse de Științe . Despre sinteza cu autopropagare la temperatură înaltă . Preluat: 20 august 2013.
  72. ↑ Mujeebu MA și colab. Combustia în medii poroase și aplicațiile sale – Un studiu cuprinzător // Journal of Environmental Management. — Elsevier, 2009. — Vol. 90, nr. 8 . - P. 2287-2312. - doi : 10.1016/j.jenvman.2008.10.009 .
  73. ↑ Arderea fără flacără . Marea Enciclopedie a petrolului și gazelor . Preluat: 31 august 2013.
  74. ↑ Novozhilov, Unsteady combustion of solid propellants, 1973 , p. 23.

Literatură

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii