Degšana

Degšana ir salikta, ātri norisoša ķīmiska pārvērtība, kuras gaitā izdalās daudz siltuma un parasti veidojas arī liesma. Degšanas pamatā ir degtspējīgas vielas degvielas un oksidētāja (skābekļa, ozona, peroksīdu, perhlorātu, halogēnu savstarpējas eksotermiskas oksidēšanās) reakcijas. Degšana saistīta arī ar fizikālām parādībām - siltuma un masas pārnesi, iztvaikošanu, difūziju. Degšanai raksturīgas divas tipveida stadijas: uzliesmošana - degšanas procesa patvaļīga paātrināšanās, kad reaģējošā sistēmā uzkrājas siltums vai aktīvi ķēdes reakcijas produkti, - un sekojoša pilnīga vielas sadegšana. Abu stadiju norises laiks veido degšanas kopīgo laiku.

Sērkociņa degšana

Nātrija degšana

Etanola tvaiku maisījuma ar gaisu sadegšana plastmasas pudelē

Degšanas kompleksā rakstura dēļ tās ātrums nekad nav vienāds ar ķīmisko reakciju ātrumu. Degšana ar zemskaņas ātrumu (deflagrācija), atšķirībā no sprādziena un detonācijas, notiek ar nelielu ātrumu (normāla lamināra un turbulenta liesmas izplatīšanās) bez triecienviļņa izveidošanās. Liesmas izplatīšanās ar virsskaņas ātrumu rada detonāciju.

Degšana iedalās "siltuma" degšanā un "ķēdes" degšanā. "Siltuma" degšanas pamatā ir paātrinoši progresējoša ķīmiska reakcija, kas rodas izdalošā siltuma akumulācijas rezultātā. "Ķēdes" degšana sastopama dažu gāzes fāžu reakcijās pie zema spiediena.

Degšana var sākties kā pašaizdegšanās, vai arī to var iniciēt ar aizdedzināšanu. Pie fiksētiem ārējiem apstākļiem nepārtraukta degšana var notikt "stacionārā režīmā", kad procesa galvenie rādītāji --- reakcijas ātrums, siltuma izdalīšanās jauda, temperatūra un produktu sastāvs --- laikā nemainās, vai arī "periodiskā režīmā", kad šie rādītāji svārstās ap savām vidējām vērtībām. Tā kā temperatūras izmaiņas stipri ietekmē reakcijas ātrumu, degšanas process ir ļoti atkarīgs no ārējiem apstākļiem. Šī degšanas īpašība nosaka vairāku stacionāru režīmu eksistenci pie vieniem un tiem pašiem nosacījumiem (histerēzes efekts).

Degšanas teorija

Ja zināms sākotnējā degmaisījuma sastāvs, degmaisījuma un produktu termodinamiskās funkcijas, tad degmaisījuma adiabātiskās sadegšanas rezultātā var aprēķināt izdalīto siltuma daudzumu, temperatūru Т_D, kāda sasniegta pie pilnīgas sadegšanas, un degšanas produktu sastāvu. Ja iepriekš ir zināms produktu sastāvs, tad Т_D var aprēķināt no sistēmas iekšējās enerģijas vienādības nosacījuma pie nemainīga tilpuma vai tās entalpijas pie pastāvīga spiediena sākuma un beigu stāvoklī, izmantojot sakarību: Т_D = Т0 Q_r/C, kur Т₀ — maisījuma sākotnējā temperatūra, С — sākuma maisījuma īpatnējās siltumietilpības (ņemot vērā tās izmaiņas iespējamās fāžu pārejās) vidējā vērtība temperatūru intervālā no Т₀ līdz Т_D, Q_r — maisījuma īpatnējais sadegšanas siltums pie temperatūras Т_D. Pie а₀ relatīvā daudzuma komponentu maisījumā, kas tiek pilnīgi izmantots reakcijā, Q_D = Q*а₀ kur Q — degšanas reakcijas siltuma efekts. Т_D vērtība pie konstanta tilpuma ir lielāka nekā pie konstanta spiediena, jo pēdējā gadījumā daļa sistēmas iekšējās enerģijas tiek izlietota izplešanās darba veikšanai. Praksē adiabātiskās degšanas nosacījumi izpildās tajos gadījumos, kad reakcija paspēj izbeigties, pirms kļūst būtiska siltumapmaiņa starp reaģējošo tilpumu un apkārtējo vidi, piemēram, lielu reaktīvo dzinēju degkamerās, lielos reaktoros ar lielu degšanas viļņu izplatīšanās ātrumu.
Termodinamiskais aprēķins sniedz tikai daļēju informāciju par procesu līdzsvara sastāvu un produktu temperatūru. Pilnu degšanas aprakstu, kas nosaka arī procesa ātrumu un kritiskos nosacījumus pie siltuma un masas apmaiņas ar apkārtējo vidi, var veikt tikai makrokinētikas ietvaros, kas aplūko ķīmisko reakciju kopsakarā ar enerģijas un vielas pārneses procesiem.
Ja degvielas un oksidētāja sastāvs ir iepriekš sajaukts, degšanas reakcija var notikt visā sastāva tilpumā ("tilpuma degšana"), vai arī izplatīties salīdzinoši šaurā joslā, tā sauktā "degošā vilnī". Nesajauktās sistēmās iespējama "difūzā degšana", kad reakcija lokalizējas relatīvi šaurā zonā, kas atdala degvielu no oksidētāja. Degšanu nosaka reaģentu difūzijas ātrums šajā zonā. Difūzijas ātrums šajā zonā atšķirīgs no degšanas ātruma.

Degšanas procesa apraksts

Degšanas procesa svarīgums tehniskās iekārtās veicināja dažādu modeļu radīšanu, kas ļautu ar nepieciešamo precizitāti to aprakstīt. Tā sauktais nulles tuvinājums iekļauj ķīmisko reakciju, temperatūras izmaiņu, spiediena un reaģentu sastāva aprakstu laikā bez to masas izmaiņām. Tas atbilst tāda procesa aprakstam, kas notiek slēgtā tilpumā, kurā tika novietots degmaisījums un sasildīts virs uzliesmošanas temperatūrai. Viena-, divu- un trīsdimensiju modeļi jau sevī satur reaģentu telpisku pārvietošanos. Mērījumu skaits atbilst modeļa telpisko koordinātu skaitam. Degšanas režīms iespējams tāpat kā gāzdinamiskā plūsma: laminārs vai turbulents. Laminārās degšanas viendimensionāls apraksts ļauj iegūt analītiski svarīgus rezultātus par degšanas fronti, kurus pēc tam izlieto sarežģītākos tubolences modeļos.

Difūzā degšana

Raksturojas ar to, ka degviela un oksidētājs uz degšanas zonu tiek padots atsevišķi. Komponentu samaisīšanās notiek degšanas zonā. Piemērs: ūdeņraža un skābekļa degšana raķešdzinējā, gāzes degšana sadzīves gāzes plītī.

Iepriekš sajaukta maisījuma degšana

Kā tas saprotams no nosaukuma, degšana notiek maisījumā, kurā vienlaicīgi atrodas degviela un oksidētājs. Piemērs: benzīna un gaisa maisījuma degšana iekšdedzes dzinēja cilindrā pēc tam, kad ir nostrādājusi aizdedzes svece.

Bezliesmas degšana

Atšķirībā no parastās degšanas, kad ir redzamas oksidēšanās liesmas un reducēšanās liesmas zonas, iespējams izveidot priekšnosacījumus bezliesmas degšanai. Kā piemēru var minēt organisko vielu katalītisko oksidēšanos uz piemērota katalizatora virsmas, piemēram, etanola oksidēšanos uz platīna katalizatora.

Gruzdēšana

Degšanas veids, kurā liesma neizveidojas, bet degšanas zona lēnām izplatās pa materiālu. Gruzdēšanu parasti var novērot pie porainiem vai šķiedrainiem materiāliem, kuri lielā daudzumā satur gaisu, vai kuri ir piesātināti ar oksidētāju.

Autogēna degšana

Pašuzturoša degšana. Terminu izmanto atkritumu sadedzināšanas tehnoloģijās. Atkritumu autogēnās (pašuzturošās) degšanas iespēju nosaka balastējošo komponentu (mitrums un pelni) saturs. Lai noteiktu autogenās degšanas robežas, zviedru zinātnieks Tanners ilggadēju pētījumu pamatā ieteica izmantot trijstūri — shēmu ar šādām robežvērtībām: degmateriāls - vairāk par 25%, mitrums — mazāk par 50%, pelni — 60%.