Техника - молодёжи 1977-05, страница 31

Стратегия горения

С тех пор как великий Фарадей написал свою ставшую классической книжку «История свечи», укоренилось мнение, будто изучение пламени можно в основных чертах считать законченным. Однако исследование пламени свечи с помощью лазеров, скоростной фотографии и спектрографии показало, что этот феномен гораздо сложнее, чем он представлялся во времена Фарадея. Ученым из Имперского колледжа науки и техники в Лондоне:, возглавляемым профессором ср. Вейнбер-гом, удалось установить, что собственно пламя представляет собой оболочку толщиной около одного миллиметра (1). В ней при окислении топлива достигается столь высокая температура, что даже малоактивный азот начинает реагировать с кислородом и образовывать ядовитые окислы. Теплота из зоны горения нагревает пары парафина (2) до такой степени, что они вследствие пиролиза разлагаются, выделяя частицы углерода. Именно эти частицы, раскалившись добела, дают свет (3), а затем, охладившись, сажу (4). Воздух, омывающий зону реакции, нагреваясь, отводит от нее тепло и образует оболочку горячих газов вокруг пламени (5). Уже из этого схематического описания нетрудно понять, что щаже простейшее диффузионное пламя являет собою неимоверно сложное переплетение процессов.

Проанализировав работу диффузионного пламени, английские специалисты пришли к выводу, что его главный недостаток — саморегулируемость, не дающая возможности человеку влиять на его параметры. Правда, еще в прошлом веке широкое распространение светильного газа позволило знаменитому Бунзе-ну создать названную его именем горелку, в которой горючее и окислитель смешивались заранее в нужной пропорции. Такое смешение, позволяющее регулировать температуру воспламенения, скорость горения и температуру пламени, дало

возможность лондонским исследователям создать камеру сгорания длиной всего 30 см, в которой тепловыделение достигает 75 мВт — в три раза больше, чем выделяется в камерах сгорания сверхзвукового англо-французского лайнера «Конкорд»! И все-таки главным своим достижением они считают не это...

Горение есть реакция соединения атомов или молекул горючего с атомами окислителя, сопровождающаяся выделением теплоты Только благодаря этому тепловыделению пламя, после того как оно вспыхнуло, самоподдерживается без подвода дополнительной энергии извне Для такого самоподдержания необходимо, чтобы реагирующие молекулы были не только достаточно «энергичны» для разрушения старых и создания новых электронных связей, но и сталкивались бы друг с другом достаточно часто. Вот почему, если смесь горючего и окислителя сильно разбавить, смешать с большим количеством нейтральных веществ, горение не сможет идти даже при нагреве смеси до высокой температуры. Таким образом, нужно не только нагревать реагирующие вещества до температуры воспламенения, но и поддерживать достаточно высокой их взаимную концентрацию.

До сих- пор считалось, что для каждого горючего вещества существует «нижний предел воспламеняемости» — концентрация, ниже которой смесь этого горючего с воздухом не воспламеняется. Для метана таким пределом была цифра 5,3%, для водорода — 4%. Так вот, самым важным открытием группы Ф. Вейнберг считает установление того факта, что практически не существует «нижнего предела воспламеняемости».

Скорость реакции горения зависит от произведения температуры и частоты столкновения молекул горючего и окислителя. В обычном пламени, как бы хорошо ни были перемешаны реагирующие вещества, скорость реакции не поддается регулированию. В нем по мере роста температуры скорость реакции растет, достигает максимума и начинает уменьшаться. Это происходит потому, что в результате сгорания образуются нейтральные газы, которые разбавляют горючую смесь и поглощают теплоту. Если бы удалось избежать этого разбавления и сохранить выделяющуюся теплоту, существование «нижнего предела воспламеняемости» перестало бы рассматриваться как едва ли не непреложный закон природы... И сделать это удалось!

Принцип действия горелки чрезвычайно прост. Подготовленная смесь горючего газа и воздуха по питательной трубе подводится в камеру сгорания, сгорает здесь, и об

разовавшиеся газы, обтекая питательную трубу, нагревают новые порции смеси. Благодаря этому удается повышать температуру смеси, не разбавляя ее нейтральными продуктами сгорания. В такой горелке удалось сжигать смесь, содержащую всего 3,7% метана, а устойчивое пламя получалось даже при содержании метана всего 0,95%! А что это значит, судите сами: из угольных шахт Англии вместе с вентиляционным воздухом выбрасывается в атмосферу столько метана, что его энергии хватило бы на привод всего шахтного оборудования. Раньше сжигать его было невозможно ₍из-за низкой концентрации, теперь такой воздух стал отличным горючим.

В настоящее время специалисты изучают воздействие на горение ударных волн и впрыска плазмы. Они считают, что результаты их исследований должны привести к пересмотру общепринятых взглядов на самую «стратегию горения».