Майкл Фарадей - История свечи
Хотя химические реакции при температурах горения порядка двух тысяч градусов протекают очень быстро, скорость распространения пламени обычно мала - порядка десятков сантиметров в секунду. Это связано с тем, что существенным элементом процесса горения является перенос тепла, который идет с незначительной скоростью.
Мы уже упоминали, что распространение пламени по трубе возможно лишь при достаточно большом ее диаметре. Если диаметр мал, то в игру вступают теплопотери из зоны реакции в стенки трубы. Существует минимальный (критический) диаметр, при котором пламя уже не может себя поддерживать - происходит срыв горения. Для обычных газовых смесей, скажем, водорода или природного газа с воздухом, значение критического диаметра составляет один-два миллиметра. Это свойство пламени и использовал Дэви в изобретенной им безопасной лампе. Медная металлическая сетка с ячейками, размер которых меньше критического, не позволяет пламени проникнуть из лампы во внешнюю среду.
На этом мы закончим рассмотрение простейшего случая горения заранее перемешанных газов. Упомянем только, что именно его демонстрировал на своих лекциях Фарадей, когда проводил удивительно красивый опыт зажигания свечи на расстоянии. От фитиля только что погашенной свечи поднимается тонкая струйка пара, который, перемешиваясь с воздухом, образует горючую смесь. Пламя от горящей лучинки проскакивает по этому огневоду к еще не успевшему остыть фитилю и зажигает свечу.
IV
Рассмотрим теперь другие типы процесса горения. На практике во многих случаях используется горение газов, которые смешиваются между собой в процессе горения. В качестве примера можно привести пламена различных газовых горелок. Горючий газ (обычно более или менее сложные углеводороды) подается через отверстие горелки в атмосферу, где и смешивается с воздухом, кислород которого необходим для горения.
Рис. 6
Факел такой горелки состоит из нескольких зон. В центре факела находится чистый газ, снаружи - окислитель (воздух). В промежуточных зонах в процессе диффузии различных газов друг в друга происходит их смешивание. Именно здесь и находится фронт горения, т.е. область максимальной температуры и максимальной скорости химической реакции. Теплопроводность из фронта пламени обеспечивает подогрев горючего и окислителя (рис. 6). Не правда ли, факел газовой горелки напоминает пламя свечи? Однако горение свечи намного сложнее.
Если поступление газа в горелке регулируется извне, то свеча сама диктует темп подачи горючего. Иногда горелка состоит из двух концентрических труб, внутренняя из которых предназначена для подачи горючего, а через внешнюю поступает окислитель (воздух или чистый кислород).
Описывая физическую картину распространения пламени в газе, мы приняли, что плоский фронт его распространяется по неподвижной среде. В реальных тепловых установках обычно неподвижен фронт пламени, а смесь горючих газов подается в камеру сгорания с определенной скоростью.
Известно, что движение жидкости или газа может быть ламинарным (упорядоченным) или турбулентным. В первом случае движение послойное; перемешивание и теплопроводность осуществляются путем перехода отдельных молекул между слоями с различными концентрацией и температурой. При турбулентном движении газа с определенной средней скоростью существуют беспорядочные во времени и пространстве пульсации скорости как в направлении движения, так и поперек его. Эти пульсации приводят к интенсивному перемешиванию и теплопроводности путем беспорядочного перемещения макроскопических объемов газа из одного места в другое.
Естественно, что турбулентные процессы переноса во много раз эффективнее молекулярных. Турбулентное течение газа приводит к искажению плоской формы фронта горения и к расширению зоны протекания химических реакций, а следовательно, и к ускорению горения. Именно такие режимы сгорания осуществляются и в упомянутой Фарадеем игре в изюм, в костре и в камерах сгорания жидкостных ракетных двигателей.
Исследование горения газов во многом помогает понять и картину горения твердых и жидких тел, поскольку и в этих случаях очень часто химическая реакция происходит в газовой фазе. Это связано с тем, что роль окислителя при горении обычно применяемых топлив - угля, дров, нефтепродуктов - играет воздух. В этом случае процесс горения происходит на поверхности раздела: твердое тело - газ или жидкость - газ. Реакции между веществами, находящимися в разных фазах, конденсированной и газовой, называются гетерогенными. Поэтому горение твердых и жидких тел объединяется одним термином - гетерогенное горение (горение газов называется гомогенным горением). Скорость гетерогенного горения во многом определяется процессом диффузии. Действительно, чтобы происходила реакция на поверхности конденсированной фазы, необходим достаточный диффузионный подвод окислителя (например, кислорода воздуха) к поверхности тела и одновременное удаление продуктов горения.
Горение некоторых типов жидких топлив - керосина, бензина, спирта - осуществляются гомогенным образом. Такое легко испаряющееся топливо может быть без труда переведено в газообразное состояние и перемешано с воздухом. Этот процесс и осуществляется в карбюраторах двигателей внутреннего сгорания. Чтобы облегчить испарение, топливо сначала распыляют при помощи форсунок, а затем перемешивают в потоке воздуха, движущегося с большой скоростью. В результате получается однородная смесь паров горючего и воздуха.
В большинстве же случаев в процессе горения жидкого топлива ясно различаются две фазы - жидкость и газ, причем химическая реакция, как правило, идет в газообразной фазе. Дело в том, что температура испарения жидкости всегда меньше температуры пламени ее паров. Поэтому гетерогенное горение жидких топлив есть последовательность двух процессов: испарения жидкости и горения ее паров. При этом теплота, необходимая для испарения жидкости, поступает из зоны горения.
Очевидно, что ускорение сжигания жидкого топлива может быть достигнуто увеличением поверхности горения, например, при распылении его в капли. Если каплю радиусом один сантиметр разбить на капли радиуса порядка десяти микрометров, то их получится миллиард. Суммарная же поверхность капель будет превышать поверхность исходной капли в тысячу раз. Соответственно возрастет и скорость горения.
Все современные способы сжигания жидких горючих основаны на предварительном их разбрызгивании при помощи форсунок. Схема процесса горения отдельной капли состоит в следующем. Шарообразная капля окружена сферическим фронтом пламени, где достигается максимальная температура. Тепло, выделяемое химической реакцией, передается на поверхность капли, где происходит испарение жидкости. От капли к пламени диффундируют пары жидкости, а извне поступает окислитель. Навстречу ему диффундируют продукты горения. Аналогично горят и многие твердые топлива. Горючие газы получаются либо непосредственно при возгонке твердого тела (горение дров, спичка), либо при последовательном переходе твердое тело - жидкость - газ (свеча).
Горение самого распространенного твердого топлива - угля тоже обычно начинается с выделения газообразной "летучей" части. Всякое ископаемое твердое топливо содержит остатки органических веществ, которые при нагревании превращаются в газы. Большая же часть угля состоит из углерода, который и есть основной источник тепла. Хороший уголь содержит много углерода, в плохом его меньше. Так, донецкий антрацит, имеющий теплоту сгорания 7950 ккал/кг, на 96,5% состоит из углерода. При взаимодействии кислорода воздуха с углеродом на поверхности происходит чрезвычайно сложная реакция, детальный механизм которой еще окончательно не установлен. Однако важность проблемы привлекает к ней внимание со стороны многих исследователей.
Остановимся еще на важном случае горения - горении конденсированных систем, применяемых во взрывных работах и военном деле.
Пороха, или метательные взрывчатые вещества, составляющие особый класс взрывчатых веществ, предназначены для сообщения телам (снарядам, ракетам) большой скорости, имеющей вполне определенное направление. Пороха характеризуются большой устойчивостью процесса горения - даже при высоких давлениях горение их не переходит во взрыв.
С давних пор применялся для военных целей дымный, или черный порох, представляющий собой механическую смесь селитры, серы и древесного угля. При сгорании 1 кг дымного пороха образуется около трехсот литров газа. По сравнению с изобретенным в конце XIX века бездымным порохом это немного. Бездымные пороха, основа которых - пироксилин, дают гораздо больше газа - до восьмисот литров на килограмм. К бездымным порохам относятся и баллиститы, в которых вместо пироксилина используются нитроглицерин, нитродигликоль и другие вещества.
