Այրում (երևույթ)

Այրում, բարդ ֆիզիկաքիմիական պրոցես սկզբնական նյութերի վերափոխում։ Երբեմն այրումը որոշվում է որպես օքսիդանտի և վառելիքի միջև եղած ռեակցիա։

Սակայն, այրման գործընթացները ներառում են, օրինակ, մոնոմոլեկուլային վառելիքի այրումը և օզոնի տարրալուծումը, երբ քիմիական էներգիան պահեստավորվում է մեկ նյութի քիմիական կապերով։ Այրման մուտքում եղած նյութերում տեղի են ունենում էկզոթերմիկ ռեակցիաներ, որն ընթանում է ջերմության ինտենսիվ արտադրությամբ։ Քիմիական էներգիան, որը պահեստավորված է ընթացիկ խառնուրդում, կարող է առանձնանալ որպես Ջերմային ճառագայթում և լույս։ Լուսավոր շերտը կոչվում է կրակի ճակատ կամ ուղղակի կրակ։

Կրակի տիրապետումը հին մարդկանց կողմից խաղաց առանցքային դեր մարդկային քաղաքակրթության զարգացման գործում։ Կրակը մարդկանց տվեց հնարավորություն սնունդ պատրաստելու և կացարանները տաքացնելու համար, իսկ արդյունքում-զարգացում՝ մետալուրգիա, Էներգետիկա և նոր, ավելի կատարելագործված գործիքների և տեխնոլոգիաների ստեղծում։ Այրման գործընթացի կառավարումը ընկած է ավտոմեքենաների, նավերի և հրթիռների շարժիչների ստեղծման հիմքում։

Մինչ հիմա այրումը մնում է էներգիայի հիմնական աղբյուրը ողջ աշխարհում և կմնա մոտակա տեսանելի ժամանակահատվածում։ 2010 թվին Երկիր մոլորակի վրա ստեղծված ամբողջ էներգիայի մոտ 90%-ը ձեռք է բերվել բրածո վառելիքի կամ կենսավառելիքի այրումով, և, ըստ նախագուշակման , այս ձեռքբերումը մինչ 2040 թիվը չի իջնի 80 %-ից, երբ էներգիայի օգտագործումը աճի 56 %-ով 2010 թվից մինչև 2040 թիվը։ Սրանց հետ կապված են ժամանակակից քաղաքակրթության համընդհանուր խնդիրները, ինչպես չվերականգնվող ռեսուրսների սպառումը, շրջակա միջավայրի աղտոտումը և համընդհանուր տաքացումը։

Այրման քիմիական ռեակցիաները, որպես կանոն, ընթանում են ճյուղավորված-շղթայական մեխանիզմով առաջընթաց ինքնաարագացմամբ ի հաշիվ անջատված էներգիայի։ Այրման յուրահատկությունները, որը տարբերում է նրան այլ ֆիզիկոքիմիական պրոցեսներից, որոնք ընթանում են օքսիդավերականգնման ռեակցիաներով մեծ ջերմային էֆեկտն է քիմիական ռեակցիայում և մեծ ակտիվության էներգիան, որը բերում է ռեակցիայի արագության ուժեղ կախվածություն ջերմաստիճանից։ Սրա արդյունքում այրվող խառնուրդը, որը կարող է անսահման երկար պահպանվել սենյակային ջերմաստիճանում կարող է բռնկվել կամ պայթել, երբ ջերմաստիճանը հասնի կրիտիկականի կամ ներքին էներգիայով պայմանավորված էներգիայի աղբյուրի հաշվին (հարկադրական բռնկում, կամ այրում)։

Եթե երևույթի արգասիքները, որոնք առաջացել են փոքր ծավալով սկզբնական խառնուրդի այրումից կարճ ժամանակահատվածում, կատարում են նշանակալից մեխանիկական աշխատանք և բերում են հարվածային և ջերմային ազդեցություն շրջապատի առարկաներին, ապա այն կոչվում է պայթյուն։ Այրման և պայթյունի պրոցեսները հիմքն են կազմում հրաձգային զենքերի, պայթուցիկ նյութերի, ռազմամթերքների և տարբեր տեսակի սովորական զենքերի ստեղծման։ Այրման հատուկ տեսակ է հանդիսանում անդրպայթյունը։

Պատմական ակնարկ 
1770-ական թվականներին՝ մինչ թթվածնի հայտնաբերումը ըստ Կառլ Շեելի և Պրիստլի համարվում էր, որ բոլոր մարմինները, որոնք կարող են այրվել, պարունակում են հատուկ ջերմածին սկիզբ, որը այրման ընթացքում դուրս է գալիս մարմնից ՝թողնելով հավասարաչափ բաշխված նյութ։ 1775 թվականին Լավուազեն ցույց տվեց, որ ընդհակառակը՝ այրվող նյութերի այրման ընթացքում միանում է օդում եղած թթվածինը, իսկ 1783 թվին Լավուազեն և Լապլասը հայտնաբերեցին, որ ջրածնի այրման արգասիքը մաքուր ջուրն է։ Այս հայտնագործությունները դրեցին այրման բնույթի ժամանակակից գիտական հայացքների հիմքը։
Այրման տեսության զարգացման հիմքում հաջորդ քայլը կապված է Մալլերի, Լե Շատելի և Միխելսոնի, աշխատանքներով, որոնք կատարված են 1880-ական թվականներին։ 1890 թվականին Միխելսոնը հրապարակեց աշխատանք՝ խողովակներում բոցի տարածման մասին և շարունակեց Բունզենի այրիչի տեսությունը։

1928 թվին Բուրկեն և Շումանը վերանայեցին դիֆուզ բոցի մասին խնդիրը և ցույց տվեցին, որ երբ քիմիական ռեակցիաներում հակազդակների այրման արագությունը մեծ է դիֆուզիայի արդյունքում հակազդակների մոտեցման արագությունից, ռեակցիայի գոտին կարելի է համարել անվերջ բարակ, դրա հետ միասին նրանում ավտոմատացված տեղադրվում է վառելիքի և թթվեցուցիչի ստեխոմետրիկ հարաբերակցությունը, իսկ ռեակցիայի գոտում առավելագույն ջերմաստիճանը մոտ է այրման ադիաբատ ջերմաստիճանին։

Այրման ժամանակակից տեսությունը բխում է Ն․ Սեմյոնովի Ջերմային պայթյուն աշխատանքից, կատարված 1920-ական թվականներին։ Նիկոլայ Սեմյոնովի կողմից 1931 թվականին հիմնադրված Նիկոլայ Սեմյոնովի անվան քիմիական ֆիզիկայի ինստիտուտը ԳՌԱ դարձավ քիմիական ֆիզիկայի և այրման առաջատար գիտական կենտրոն։ ՞թվականին Ֆրանկ-Կամենեցկին զարգացրեց ջերմային պայթյունի տեսությունը, և, Զելդովիչի հետ միասին-նախօրոք միախառնված լամինար կրակի տարածման տեսությունը.

Նույն 1938 թվականին Ա.Ֆ.Բելաևի փորձերում ցույց տրվեց, որ թռչող պայթուցիկ տարրերի այրումը տեղի է ունենում գազային փուլում։ Այսպիսով, այդպիսի տարրերի այրման արագության հարցը վերափոխվեց գազային փուլում ունեցած արագության հարցին, 1942 թվականին Յուրի Զելդովիչը զարգացրեց խտացված տարրերի այրման տեսությունը՝ հիմնված գազերում կրակի տարածման տեսության վրա։

1940-ական թվականներին Յուրի Զելդովիչը զարգացնում է անդրպայթյունի/դետոնացիայի տեսությունը, որը կոչվեց ZND-ի մոդել պատիվ Զելդովիչի, Նեյմանի և Դյորինգի, քանի որ անկախ դրանից նման արդյունքի հանգեցին Նեյմանը և Դյուրինգը. Բոլոր այս աշխատանքները դարձան դասական՝ այրման տեսության համար։

Այրման տեսակների դասակարգում 
Ըստ խառնուրդի շարժման արագության այրումը բաժանվում է դանդաղ այրում (կամ դեֆլագրացիա) և դետոնացիոն այրում (անդրպայթյուն)։ Դեֆլագրացիոն այրման ալիքը տարածվում է մինչձայնային արագությամբ, իսկ ելակետային խառնուրդի տաքացումը իրականանում է հիմնականում ջերմահաղորդականությամբ։ Դետոնացիոն ալիքը տարածվում է գերձայնային արագությամբ, դրա հետ միասին քիմիական ռեակցիան ընթանում է Հարվածային ալիքի հակազդակների տաքացման շնորհիվ և, իր
հերթին,ապահովում է հարվածային ալիքի կայուն տարածումը։ Դանդաղ այրումը բաժանվում է լամինար և տուրբուլար հոսքերի՝ կախված խառնուրդի հոսքից։ Դետոնացիոն այրման ժամանակ հոսքը միշտ տուրբուլար է։ Հատուկ պայմանների դեպքում դանդաղ այրումը կարող է անցում կատարել դետոնացիայի ():
Եթե խառնուրդի ելքային բաղադրիչները-գազեր են, ապա այրումն անվանում են գազափուլային (կամ համածին)։ Գազափուլային այրման ժամանակ թթվեցուցիչը (որպես կանոն թթվածինը) փոխազդում է վառելիքի հետ (օրինակ ջրածին) կամ բնական գազ։ Եթե թթվեցուցիչը և վառելիքը նախօրոք մոլեկուլային մակարդակով, ապա այդպիսի ռեժիմը կոչվում է նախօրոք միախառնված խառնուրդի այրում(): Եթե թթվեցուցիչը և վառելիքը ելքային խառնուրդում բաժանված են իրարից և այրման գոտի են մտնում դիֆուզիայի արդյունքում, ապա այրումը կոչվում է դիֆուզիոն։
Եթե ելքային թթվեցուցիչը և վառելիքը գտնվում են տարբեր փուլերում, ապա այրումը կոչվում է հետերոգեն։ Որպես կանոն, այս դեպքում օքսիդացման ռեակցիան նույպես ընթանում է գազային փուլում դիֆուզիոն ռեժիմով, իսկ ռեակցիայից անջատված ջերմությունը մասամբ սպառվում է ջերմային տարալուծման և վառելիքի գոլորշիացման վրա։ Օրինակ, այսպիսի մեխանիզմով են այրվում ածուխը կամ պոլիմերները օդում։ Մի քանի խառնուրդներում կարող են տեղ գրավել էկզոթերմիկ ռեակցիաները խտացված փուլում, երբ առաջանում պինդ նյութեր առանց նկատելի գազաարտադրության։ Այդպիսի մեղանիզմը կոչվում է ամրափուլ այրում։
Առանձնացնում են նաև այրման հատուկ տեսակներ, ինչպես փտումը, անկրակ և սառնակրակային այրումը։
Այրում, կամ միջուկային այրում, անվանում են ջերմամիջուկային ռեակցիաները աստղերում, որոնցում աստղային նուկլեոսինթեզի պրոցեսներում ձևավորվում են քիմիական տարրերի միջուկներ։

Բոց 

Բոցը-լույս արձակող շերտ է, որը ձևավորվում է այրման ընթացքում։ Բոցի ջերմաստիճանը կախված է ելակետային խառնուրդի կազմից և այն պայմաններից,որոնց դեպքում ընթանում է այրումը։ Բնական գազի այրման ժամանակ օդում տաք շերտի ջերմաստիճանը կարող է գերազանցել 2000 Կ-ը, իսկ ջրածնի մեջ ացետիլենի այրման ժամանակ գազային եռակցում-3000 Կ։

Բոցի գույնը 
Այրման գոտում կարող է առաջանալ ազատ ռադիկալներ և մոլեկուլներ, որոնք գտնվում են էլեկտրոնա-գրգռված և տատանողա-գրգռված վիճակներում։ Եթե ճառագայթման ինտենսիվությունը բավականին մեծ է, ապա այն կարելի է ընկալել անզեն աչքով։ Բոցի գույնը որոշվում է նրանով, թե ինչ հաճախությամբ են գալիս քվանտային անցումները, որոնք կրում են սպեկտրի տեսանելի տիրույթի ճառագայթման հիմնական ներդրումը։ Ճառագայթման նշանակալից մասը, հատկապես պինդ փուլի առկայության դեպքում, բոցի մրուրի փոշեհատիկները և մասնիկները, անցնում են ինֆրակարմիր տիրույթ, որը սուբեկտիվորեն ընկալվում է ինչպես կրակի հուրը։ Ինֆրակարմիր ճառագայթման մեջ իրենց ներդրումն ունեն տատանողա-գրգռված մոլեկուլները՝ CO,CO2 և H2:

Մաքուր օդում ջրածնի այրման ժամանակ բոցը համարյա անգույն է։ Այն ունի շատ աննկատ երկնագույն երանգ, որը պայմանավորված է 306-308 նմ երկարությամբ ալիքների օպտիկական տիրույթում OH ռադիկալների ճառագայթմամբ։ Այնուամենայնիվ սովորական ջրածնային բոցը օդում ուժեղ լուսարձակում է փոշեհատիկների և օրգանական միկրոխարնուրդների շնորհիվ։
Ածխաջրածնային վառելիքի այրման բոցը Բունզենի այրիչում, այնպիսիք ինչպիսիք պրոպանն է կամ բութանը, կարող է ունենալ տարբեր գույներ կապված վառելիքի և օդի հարաբերակցությունից։ Դիֆուզ ռեժիմում այրման ընթացքում, առանց օդի ներհոսքի, այրիչի մեջ բոցը ունենում է դեղին կամ կարմրավուն գույն՝ պայմանավորված մրուրի շիկացած միկրոմասնիկների ճառագայթմամբ։ Այրիչի ելքում փոքր-ինչ քանակով օդի խառնումը առաջացնում է բոցի ոչ պայծառ կապույտ կոն։ Օդի ներհոսքի հետագա աճը հանգեցնում է բոցի երկու կոնի առաջացնանը՝ ներքին կապտա-կանաչավուն և արտաքին կապտա-մանուշակագույն՝ ավելի քիչ ինտենսիվ։

Բոցի տարբեր գույների ներկումը խարնուրդների կողմից կիրառվում է անալիտիկ քիմիայում հրաքիմիական անալիզի համար և հրատեխնիկայում հրթիռների, հրավառության և ձայնային հրթիռների համար։

Բոցի էլեկտրական հատկությունները 
Ածխաջրածնային վառելիքի բոցը կարող է փոխներգործել էլեկտրամագնիսական դաշտի հետ, այսինքն նրա մեջ կան լիցքավորված մասնիկներ։ Փորձնականապես հայտնաբերվել է, որ բոցի իոնների կոնցենտրացիան կարող է 4-6 կարգով ավելացնել այն կոնցենտրացիան, որը կդիտվեր իոնացման ջերմային կառուցվածքում, և փաստորեն բոցը կարող է իրեն պահել ինչպես թույլ իոնացված պլազմա։ Այնուամենայնիվ բոցի ջեմաստիճանը բավարար չէ, որպեսզի խառնուրդի բաղադրիչները կարողանան իոնանալ մոլեկուլների իրար հետ բախման արդյունքում, և 1950-ական թվականներին պարզվեց, որ իոնների արտադրման հիմնական մեխանիզմը խեմոիոնացումն է։

Համարվում է, որ խեմոիոնացումը հիմնականում ընթանում է CHO+ իոնի առաջացմամբ, չնայած բոցում նկատվում են նաև այլ իոններ։ Ջրածնի բացակայության դեպքում CHO+ իոն չի ձևավորվում, այդ իսկ պատճառով բոցի մեջ մաքուր ջրածնի իոնների կոնցենտրացիան մաքուր թթվածնում շատ քիչ է։ Իոնների կոնցենտրացիան էապես կավելանա , եթե գազում լինեն օրգանական նյութերի նույնիսկ փոքր քանակություն, այդ դեպքում բոցի հաղորդականությունը մեծապես աճում է։ Այս երևույթը կիրառում են կրակա-իոնային դետեկտորներում, գազային խրոմոտոգրաֆիայում։

Բոցի փոխազդեցությունը էլեկտրամագնիսական դաշտի հետ տալիս է հնարավորություն այրման գործընթացը կառավարելու և առաջատար տեխնոլոգիաների ստեղծման համար՝ հիմնված։

Այրման տեսություն 
Չնայած պրակտիկայում ունեցած մեծ փորձի, այրման գործընթացները գիտության բնագավառում հանդիսանում են ամենաբարդերից մեկը։ Այրման մասին գիտությունը հանդիսանում է բարձր աստիճանի միջգիտական, որն ընկած է այնպիսի գիտությունների սահմանագծում, ինչպիսիք են գազադինամիկան, քիմիական թերմոդինամիկան, քիմիական կինետիկան, մոլեկուլային և քիմիական ֆիզիկան, ջերմանյութափոխանակությունը, քվանտային քիմիան և ֆիզիկան, նյութագիտությունը և համակարգչային մոդելավորումը։

Այրման ամբողջականություն 
Այրվող խառնուրդի ելքային կառուցվածքը բնութագրվում է բաղադրիչների մոլյար կամ զանգվածային բաժիներով և սկզբնական ճնշումով և ջերմաստիճանով։ Եթե խառնուրդի կառուցվածքը այնպիսին է, որ նրա այրման ժամանակ և՛ վառելիքը, և՛ թթվեցուցիչը կարող են ամբողջությամբ ձևափոխվել ռեակցիայի արտադրանքի, ապա այդպիսի խառնուրդը կոչվում է ստեխոմետրիկ։ Վառելիքի ավելցուկով խառնուրդները, որոնցում վառելիքը ամբողջությամբ չի այրվում թթվեցուցիչի պակասի պատճառով,կոչվում են հարուստ, իսկ վառելիքի պակասորդով խառնուրդները-աղքատ։ Խառնուրդի կառուցվածքի չեղարկելու աստիճանը ստեխոմետրիկից բնութագրվում է վառելիքի() ավելցուկի գործակցով.որտեղ YF և YO-վառելիքի և թթվեցուցիչի զանգվածային բաժինները համապատասխանաբար,իսկ (YF/YO)st - նրանց հարաբերությունը ստեխոմետրիկ խառնուրդին։ Ռուսալեզու գրականության մեջ կիրառվում են նաև թթվեցուցչի ավելցուկի գործակից (կամ օդի), հակառակ վառելիքի ավելցուկի գործակցի։
Թեորեապես ստեխոմետրիկ խառնուրդը կարող է այրվել ամբողջությամբ։ Բայց գործնականում ռեագենտները ոչ մի դեպքում ամբողջությամբ չեն ձևափոխվում ռեակցիայի արդյունքի, ինչպես այրման խցիկի կառուցվածքի ոչ իդեալական լինելու, այնպես էլ նրանից, որ այրման քիմիական ռեակցիաները չեն հասցնում ընթանալ մինչև վերջ։ Այդ իսկ պատճառով իրականում այրումը միշտ համարվում է ոչ լրիվ, իսկ այրման լրիվության աճը հանդիսանում է էներգետիկ սարքավորումների կատարելագործման ուղղություններից մեկը։ Տեխնիկայում հաճախ կիրառվում են այնպիսի խառնուրդներ, որոնք գերազանցում են ստեխոմետրիկին։ Օրինակ, ավտոմեքենայի սառը շարժիչի գործի դնելու ժամանակ վառելիքաօքսիդային խառնուրդը հարստացվում է գործընթացը հեշտացնելու համար, իսկ վտանգավոր թափոնների, ինչպիսիք են NOx և CO, թիվը փոքրացնելու համար կիրառվում են նոսրացված խառնուրդներ։

Այրման ջերմադինամիկան 
Եթե այրումն ընթանում է ադիաբատորեն հաստատուն ծավալի դեպքում, ապա պահպանվում է համակարգի լրիվ ներքին էներգիան, իսկ եթե հաստատուն է ճնշումը - ապա համակարգի էնտալպիան։ Գործնականում ադիաբատ այրման պայմանները մոտավորապես ռեալիզացվում են ազատ տարածվող կրակի (առանց ջերմային կորստի հաշվարկի) և ուրիշ դեպքերում, երբ ռեակցիայի տիրույթից ջերմության կորուստը կարելի է հաշվի չառնել, օրինակ, այրման խցիկներում հզոր գազատուրբինային սարքերում կամ հրթիռային շարժիչներում։
Այրման ադիաբատ ջերմաստիճան-դա արտադրանքի ջերմաստիճանն է, որը հասել է քիմիական ռեակցիաների լրիվ կատարման և ջերմային հավասարակշռության հաստատման դեպքում։ Ջերմադինամիկական հաշվարկների համար կիրառում են ջերմադինամիկական ֆունկցիաների աղյուսակներ ելքային խառնուրդի և արտադրանքների բոլոր բաղադրիչների համար։ Քիմիական ջերմադինամիկայի մեթոդները թույլ են տալիս հաշվել արտադրանքների կառուցվածքը, վերջնական ճնշումն ու ջերմաստիճանը այրման տրցած պայմանների դեպքում։ Ներկա ժամանակում կան բազմաթիվ ծրագրեր, որոնք կարող են կատարել այդ հաշվարկները։

Այրման ջերմությունը ջերմության քանակն է, որը անջատվել է ելքային բաղադրիչների լրիվ այրումից, այսինքն ածխաջրածնային վառելիքի համար մինչև CO2 և H2O: Գործնականում անջատված էներգիայի մի մասը ծախսվում է արտադրանքի դիսոսիացիայի վրա, այդ պատճառով այրման ադիաբատ ջերմաստիճանը, առանց դիսոցման հաշվարկի, լինում է նկատելի բարձր նրանից, որը դիտվում է փորձում։

Ջերմադինամիկ հաշվարկը թուլ է տալիս որոշել արտադրանքի ջերմաստիճանը և հավասարակշռության կազմը, բայց չի տալիս ոչ մի ինֆորմացիա թե ինչ արագությամբ է համակարգը մոտենում հավասարակշռության վիճակին։ Այրման ամբողջական բնութագիրը պահանջում է գիտելիք մեխանիզմի և ռեակցիայի կինետիկայի, ինչպես նաև շրջակա միջավայրի ջերմա և նյութափոխանակության պայմանները։

Այրման կինետիկան 
Այրման ժամանակ ռեակցիայի մանրամասն կինեմատիկական սխեման նույնիսկ ամենապարզ ածխաջրածնային վառելիքներիհամար, ինչպիսիք մեթանն է, ներառում է տասնյակ կամ նույնիսկ հարյուրավոր բաղադրիչներ, որոնք մասնակցում են հարյուրավոր տարրական քիմիական ռեակցիաներում։ Այդպիսի մեծ մեխանիզմների մոդելավորման ժամանակ առաջանում են էական հաշվողական դժվարություններ։ Նրանք պայմանավորված են նրանով, որ առանձին ռեակցիաների ընթացքի բնութագրիչ ժամանակը կարող է տարբերվել մեծության շատ կարգերով, և դիֆերենցիալ հավասարումների համապատասխան համակարգերը թվում են կոշտ (), որը էապես բարդացնում է թվային լուծումը։ Այդ պատճառով այրման պրոցեսների գործնական հաշվարկներում օգտագործում են երեք մոտեցումներ։
 Գլոբալ մեխանիզմ։ Նրանում կիրառվում է մեկ կամ մի քանի աստիճաններով էմպիրիկ կինետիկ սխեմա, որը թույլ է տալիս իրականցնել երկչափ կամ եռաչափ հոսքեր, այդ թվում նաև տուրբուլենտ։ Օրինակ, մեթանի այրման համար կարելի է կիրառել հետևյալ միափուլ սխեման.. կինետիկ պարամետրերով, ընտրված բոցի փորձնականորեն չափված արագությամբ։
 Լրիվ մեխանիզմ։ Լրիվ կինետիկ սխեմայում հնարավորության սահմաններում հաշվի են առնվում առավել կարևոր բաղադրիչները և տարրական ռեակցիաները։ Այդպիսի սխեմաները կիրառվում են միաչափ լամինար կրակի մոդելավորման համար, քանի որ ժամանակակից համակարգիչների հզորությունը դեռևս բավարար չեն այդպիսի սխեմաների բազմաչափ հաշվարկների համար։ Բացի դրանից, տարրական ռեակցիաների արագությունների հաստատունների տվյալները դեռևս չեն կարող ստանալ փորձերում կամ հաշվված են տեսականորեն ոչ մեծ ճտությամբ։
 Կարճ մեխանիզմ։ Առանձին փուլերի վերլուծության հիման վրա ստեղծված սխեմայում հեռացվում են փոքր նշանակություն ունեցող բաղադրիչները և ռեակցիաները։ Արդյունքում բաղադրիչների և ռեակցիաների թիվը սխեմայում փոքրանում է, և հնարավոր է դառնում իրականացնել բազմաչափ հաշվարկներ, որտեղ հաշվի են առնվում կարևոր կինետիկ էֆեկտները։

Իդեալական միախառմնան ռեակտոր 
Նախօրոք միախառնված վառելիքի և օքսիդիչի այրման ռեակցիան կարող է ընթանալ վառելիքի խառնուրդի զբաղեցրած ամբողջ ծավալով (ծավալային այրում), կամ նեղ գոտում (կրակի ճակատ), որը բաժանում է ելակետային խառնուրդը վերջանյութերից և տարածվում է այսպես կոչված այրման ալիքների ձևով։ Ծավալային այրումը կարող է կազմակերպված լինել իդեալական միախառնման հոմոգեն ռեակտորում, որտեղ Т0 ջերմաստիճանում մտնում է ելակետային խառնուրդը։ Ռեակտորից դուրս գալիս խառնուրդն ունենում է Тb ≥ Т0 ջերմաստիճան, որը տեղակայվում է ռեակտորի ընթացիկ աշխատանքային ռեժիմին համապատասխան։ Այդպիսի ռեակտորում կարող են տեղ գտնել բազմաթիվ ստացիոնար ռեժիմներ, հիստերեզիսի երևույթներ, ինչպես նաև ոչ ստացիոնար ռեժիմներ և ավտոտատանումներ։ Բոլոր այս երևույթները հատուկ են այրման տեսությանը կախված հավասարումների ոչ գծայնությունից։

Լամինար այրում 
Խառնուրդի հոսքի ոչ մեծ արագության դեպքում այրումը կարող է ընթանալ լամինար ռեժիմում։ Այդպես են այրվում , օրինակ, մոմը (դիֆուզ այրում) կամ կենցաղային գազօջախը (նախօրոք միախառնված խառնուրդի այրում) գազի ոչ մեծ ծախսով։
Նախօրոք միախառնված խառնուրդում կրակի ճակատը շարժվում է ելակետային խառնուրդին համապատասխան հստակ որոշված արագությամբ, որը կոչվում է լամինար կրակի արագություն։ Այդ արագությունը կախված է ելակետային խառնուրդի կազմից, ճնշումից և ջերմաստիճանից, բայց կախված չէ բոցավառվելու պայմաններից։ Մեթանի և մյուս ածխաջրածնային վառելիքների մեծ մասի համար լամինար կրակի արագությունը օդում նորմալ պայմաններում կարող է փոփոխվել մոտավորապես 10 սմ մինչև 70 սմ վայրկյանում։ Ջրածնի և օդի խառնուրդի(շառաչող գազ) այրման արագությունը վայրկյանում հասնում է մի քանի մետրերի և կարող է ընկալվել որպես պայթյուն։

Լամինար կրակը տարածվել միայն այնպիսի խառնուրդում, որի կազմությունը դուրս չի գալիս այսպես կոչված կոնցենտրիացիոն սահմաններից։ Ներքին և վերին կոնցենտրիացիոն սահմանները համապատասխանում են ծախսված վառելիքի նվազագույն և առավելագույն գործակցին, որի դեպքում կրակը դեռ կարող է տարածվել խառնուրդում:Օդում մեթանի համար նրանք կազմում են մոտավորապես 5 և 15 ծավալային տոկոսներ։ Կենցաղային գազի պայթյուն առաջանում է, երբ լավ չօդափոխվող շինությունում աճում է ներքին կոցենտրիացիոն սահմանը, և կայծից կամ այլ աղբյուրից խառնուրդը բռնկվում է։ Այս էֆեկտը բերում է հանքահորերում մեթանի պայթյունի։ Կոցենտրիացիոն սահմանի նման գոյություն ունի սահման՝ կախված խողովակում կրակի տարածման տրամագծից։ Կրիտիկականից փոքր տրամագիծ ունեցող խողովակում կրակը չի կարող տարածվել պատերում մեծ ջերմային կորուստների և ակտիվ ռադիկալների ոչնչացման պատճառով։ Այս սկզբունքի վրա է հիմնված անվտանգ Դեվի լամպը, որում իրականանում է բաց կրակ, բայց բոցը փակված է մետաղական ցանցով և չի առաջացնում պայթյուն հանքահորերում։

Մրրկային այրում 
Մրրկային այրումը, այսինքն խառնուրդի այրումը, որի հոսքը համարվում է մրրկային-հանդիսանում է այրման գործնական սարքավորումներում առավել հանդիպող ռեժիմ և միաժամանակ ավելի բարդ ուսումնասիրելու համար։ Մրրկայնությունը մնում է ժամանակակից ֆիզիկայի չլուծված պրոբլեմներից մեկը դասական ֆիզիկայում։ Մրրկային հոսանքների ավարտված տեսություն մինչ հիմա գոյություն չունի, այդ թվում նրանցում քիմիական ռեակցիաների բացակայությամբ։
Մրրկային հոսքի փոխհարաբերությունը այրման ճակատի հետ լրացուցիչ դժվարություններ են առաջացնում վերլուծության մեջ։ Նույնիսկ որակյալ աստիճանում այրման ազդեցությունը մրրկայնության վրա և հակադարձ ազդեցությունը՝ մրրկայնության այրման վրա կարող է բերել հակադարձ էֆֆեկտներ։ Այրումը կարող է մրրկայնությունը ինտենսիվացնել լրացուցիչ ջերմահաղորդման հաշվին, ինչպես նաև հակառակը՝ փոքրացնել այն ջերմաստիճանի բարձրացմանը հետ մածուցիկութան աճման պատճառով։
Մյուս կողմից, մրրկայնությունը կարծես ոտնահարում է բոցի ճակատը՝ մեծացնելով ճակատի մակերեսը։ Սրա հետևանքով հոսքում կտրուկ աճում է ջերմահաղորդումը, այսինքն աճում է ամբողջ համակարգի հզորությունը։ Մրրկայնությունը ինտենսիվացնում է նաև բաղադրիչների միախառնումը, եթե ելակետում նրանք խառնված չէին։ Այդ պատճառով գործնականում համակարգերում, որոնցից պահանջվում է բարձր հզորություն՝ շարժիչներ,հնոցներ, շոգետուրբինային սարքեր, կիրառվում է հենց մրրկային ռեժիմը։ Այնուհանդերձ ամենաինտենսիվ մրրկայնությունը կարող է հանգցնել կրակը։ Մրրկային հոսքի կառավարումը բարդ է։ Նրանում անընդհատ ծագում են արագության և ճնշման ստոխաստիկ բաբախումներ, որոնք կարող են առաջ բերել այրման անկայունության և հանգեցնել այրիչի կազմության քանդմանը և վթարի։ Ջերմասիճանի բաբախումները տանում են նրան, որ խառնուրդը այրվում է անհավասարաչափ, որի արդյունքում թափոններում մեծանում են թունավոր նյութերի պարունակությունը։
Մրրկային այրման բնութագրումը պահաջում է համակարգչային մոդելավորման կիրառում։ Ընդ որում, ինչպես և քիմիական ռեակցիայի մեջ չմտնող հոսքերի համար կիրառվում են թվային լուծման երեք մոտեցումներ՝ Նանվե-Ստոքսի հավասարումը, հաշվողական հիդրոդինամիկայի կատարելագործումը։ RANS — Նանսե-Ստոքսի հավասարման միջինացումը ըստ Ռեյնոլդսի թվի, LES — Խոշոր մրրիկների մեթոդը և DNS —ուղիղ թվային մոդելացումը։

Անհամասեռ այրում 
Անհամասեռական պրոցեսները, ի հակադրություն Համածնայինի, քիմիայում և ֆիզիկայում անվանում են պրոցեսներ , որոնք ընթանում են անհամասեռ համակարգում, այսինքն այն համակարգերում, որոնք պարունակում են մեկից ավելի փուլեր(օրինակ՝ գազը և հեղուկը), ինչպես նաև պրոցեսներ, որոնք ընթանում են փուլերի բաժանման սահմանում։ Այրման հետազոտություններում անհամասեռ այրում տերմինը կիրառվում է այն համակարգերում,որտեղ վառելիքն ու թթվեցուցիչը սկզբում գտնվում են տարբեր փուլերում, նույնիսկ եթե գործընթացում վառելիքը գոլորշիանում է, և քիմիական ռեակցիաները ընթանում են գազային փուլում։ Տիպիկ օրինակ է համարվում ածուխի այրումը օդում, որում ածխածինը կարող է քիմիական ռեակցիայի մեջ մտնել թթվածնի հետ ածուխի մասնիկների մակերեսին ՝ առաջացնելով շմոլ գազ։ Հետագայում շմոլ գազը կարող է այրվել գազային փուլում և ձևավորել ածխաթթվային գազ, իսկ մի քանի ռեժիմներում վառելիքը կարող է գոլորշիանալ մասնիկների և թթվեցուցիչի մակերևույթից ինչպես գազանման ածխածինը գազային փուլում։ Չնայած մեխանիզմների տարբերությանը, բոլոր այս ռեժիմները ձևականորեն վերաբերվում են անհամասեռ այրմանը։
Անհամասեռ այրումը անչափ կարևոր է այրման գործնական կիրառման համար։ Վառելիքի մեծամասնությունը հարմար է պահպանել և տեղափոխել հեղուկ վիճակում(այդ թվում բնական հեղուկ գազը)։ Աշխատանքային պրոցեսները Վառելիքում, ներքին այրման շարժիչներում, դիզելային շարժիչներում, օդահրթիռային շարժիչներում, հեղուկահրթիռային շարժիչներում, անհամասեռ այրում են, իսկ գոլորշիացման պրոցեսի օպտիմալացումը և վառելիքի ու թթվեցուցիչի միախառնումը այրման խցիկ մտնելու համար- աշխատանքային համակարգերում ամբողջ այրման պրոցեսի օպտիմալացման կարևոր հիմնական մասն է։
Գործնականում բոլոր հրդեհները նույնպես անհամասեռ այրումներ են, սակայն կենցաղային գազի պայթյունը մտնում է համածին այրման տեսակի մեջ, քանի որ ելակետում և՛ վառելիքը, և՛ թթվեցուցիչը գազեր են։
Պինդ վառելիքի էներգետիկ բնութագրիչների բարձրացման համար նրանց մեջ կարող են ավելացվել մետաղներ։ Այդպիսի վառելիքները կարող են օգտագործվել, օրինակ, արագընթաց ջրասույզ ինքնաշարժում, քանի որ մաքուր ալյումինը լավ է այրվում րջրում։ Ալյումինի և մյուս մետաղների այրումը ընթանում է տարասեռ մեխանիզմով.

Պինդ վառելիքների այրումը 
Պինդ վառելիքները իրենց հիմնական կիրառությունը գտնում են հրաձգային զեքերում, հրետանային և ռեակտիվ արկերում, ինչպես նաև տակտիկական հրթիռներում և միջմայրցամաքային բալիստիկ հրթիռներում։ Պնդավառելիքային արագացուցիչները կիրառվել են բազմանգամյա արագացուցիչներին մերձերկրային ուղեծիր դուրս բերելու համար։
Վառոդի այրումը հրազենի փողում կամ վառոդային հրթիռի խցիկում ուսումնասիրում է ներքին բալիստիկան։

Պինդ վառելիքների կազմությունը 
Պինդ վառելիքները, որոնք օգտագործվում են պնդավառելիքային հրթիռային շարժիչներում, բաժանվում են երկու տիպի. բալիստիկ և խառնուրդային։
Բալիստիկ պինդ վառելիքներում չկա բաժանում վառելիքի և թթվեցուցիչի, սա տարրեր են կամ քիմիական տարրերի խառնուրդ, որոնք այրվում են շերտերով։ Հիմնականում նրանց անվանում են բալիստիկ կամ համածին վառոդներ։ Այսպիսի վառոդների հիմնական բաղադրիչը նիտրոցելյուլոզն է։ Պինդ վառելիքի պատրաստման ժամանակ նիտրոցելյուլոզը դոնդողանում է լուծիչի մեջ, հիմնականում՝ նիտրոգլիցիրինում։ Պատրաստման հարմարավետության և պահպանման կայունության համար խառնուրդ են ներմուծում տեխնոլոգիական հավելումներ, որոնք բարելավում են մեխանիկական և շահագործման հատկությունները։ Այդպիսի վառոդների ընդհանուր անունը անծուխ է, իսկ արտասահմանյան գրականության մեջ ՝ երկհիմնական():
Խառնուրդային վառելիքները իրենցից ներկայացնում են երկու կամ ավել բաղադրիչների խառնուրդ։ Բաղադրիչները- դա թթվեցուցչի և վառելիքի մեխանիկական միախառնումն է փոշեհատիկների կամ միլիմետրի տասնյակ մասի չափով մասնիկների տեսքով։ Թթվեցուցչի փոխարեն կիրառում են քլորատներ (հիմնականումամոնիակի քլորատ կամ կալիումի քլորատ) և նիտրատներ, օրինակ, ամոնիակի նիտրատ և ալկալիական մետաղների նիտրատներ . Վառելիքի փոխարեն— օրգանական նյութեր, օրինակ, սահմանային օլեֆինային պոլիմերներ (կիսապրոպիլեն)։ Հրթիռային վառելիքի Տեսակարար իմպուլսի մեծացման համար վառելիք են ներմուծում մետաղների մանրադիսպերսիոն մասնիկներ (փոշեհատիկներ), այնպիսիք, ինչպիսիք են ալյումինը, մագնեզիումը,բերիլիումը։
Հրթիռային շարժիչների վառոդային լիցքերը պետք է ունենան բարձր մեխանիկական ամրություն՝ խուսափելու համար հրթիռային շարժիչի աշխատանքի ժամանակ այրման ընթացքում վառոդային պայթագլանիկի քանդվելուց։ Այդ պատճառով խառնուրդային վառելիքների լիցքերի պատրաստման համար խառնուրդին ավելացնում են պոլիմերային միացություններ-էպօքսդային ձյութեր, ռետիններ և ուրիշ պոլիմերներ։
Պնդավառելիքային հրթիռային շարժիչում պինդ վառելիքի լիցքերի այրումը տեղի է ունենում վառելիքի մակերևույթին և չի տարածվում լիցքերի մեջ, եթե մակերևույթի չկան ճաքեր։ Ճաքերն ու անցքերը լիցքերում կարող են հանգեցնել այրման մակերևույթի և շարժիչի քարշի անհաշիվ մեծացմանը, կորպուսի այմանը և վթարի։

Պինդ հրթիռային վառելիքի այրման մեխանիզմը 
Պինդ վառելիքների այրման ժամանակ տեղի ունեցող պրոցեսների ֆիզիկական պատկերը շատ բարդ է և ներառում է վառոդի տարալուծման մի քանի փուլեր՝ խտացման և գազային փուլերի էկզոթերմիկ ռեակցիաների հաջորդականության մեջ։ Պավել Պոխիլի վակուումում Բալիստիկ H վառոդի այրման հետազոտությունների արդյունքները հաստատեցին, որ 2 մմ սնդ.սյունից ցածր ճնշման դեպքում էկզոտերմիկ քիմիական ռեակցիան ընթանում է միայն խտացման փուլի մերձմակերևույթային շերտում (անկրակ այրում)։ 5 մմ սնդ. սյունից մինչև մոտավորապես 15—20 մթն. ճնշման դեպքում ռեակցիան ընթանում է գազային փուլում, և բոցը նկատելի է միայն մթության մեջ (միակրակ կամ սառնակրակ այրում)։ Ճնշման հետագա աճի դեպքում (15—20 մթն.-ից մեծ) մակերևույթից որոշակի հեռավորության վրա ծագում է վառ բոցի երկրորդ գոտին։ Այդ գոտու հեռավորությունը տարրերի մակերևույթից արագ փոքրանում է ճնշման աճի պատճառով, և մոտավորապես 60—70 մթն. ճնշման դեպքում այս գոտին խառնվում է առաջինին։
Այս բոլոր փուլերի ռեակցիաների ամբողջական նկարագրությունը դեռևս չկա։ Համարվում է, որ խտացման փուլում տեղի է ունենում CO—NO2 քիմիական կապերի ճեղքում և անջատվում են ազոտի թթուներ (NO2 և NO) և ալդեհիդներ, կրակի առաջին գոտում NO2 հակազդում է ալդեհիդների հետ, իսկ երկրորդ գոտում ընթանում են ռեակցիաներ NO և CO մասնակցությամբ։
Պինդ վառելիքի այրման արագությունը հիմնականում ասոսացվում է էմպիրիկ աստիճանային կախվածությամբ.  որտեղ  հիմնականում ընդունվում է հավասար (~103 կՊա) մթնոլորտային ճնշման։ Ցուցիչը  փոփոխվում է 0,7-ից ցածր ճնշումների (P = 1—20 մթն.) մինչև 1 բարձր ( > 60 մթն.) ճնշումների դեպքում, որը բացատրվում է քիմիական ռեակցիաներում ջերմահաղորդման ընթացիկ գոտու փոփոխությամբ։
Հրթիռային շարժիչների այրման խցիկում այրվող վառոդի մակերևույթը ծխում է այրման արգասիքների գազային հոսքով։ Վառելիքի այրման արագության աճը կախված ծխացող հոսքի արագության աճից հայտնաբերվել է Օ.Ի.Լեյպունսկիի կողմից 1940-ական թվականներին և հայրենական գրականության մեջ ստացել է ծխացող անունը։ Արտասահմանյան հրատարակություններում այն անվանում են էրոզային այրում։ Այս էֆֆեկտը անհրաժեշտ է հաշվի առնել պինդ վառելիքով աշխատող հրթիռների նախագծման և հաշվարկների ժամանակ։
Պինդ վառելիքի լիցքերի այրման ժամանակ խցիկում փոփոխվում է ճմշումը, ձևը և լիցքի մակերևույթի մակերեսը, վառելիքի վրա ազդում են մեծ վերաբեռնումները։ Սրա հետևանքով այրման արագությունը չի մնում հաստատուն, և այդպիսի ռեժիմները անվանում են ոչ ստացիոնար։ Վառոդի ոչ ստացիոնար այրման ֆենոմենոլոգիական տեսությունը ստեղծվել է Յ. Բ. Զելդովիչ 1942 թվին և հետագայում զարգացավ Բորիս Նովոժիլովի կողմից 1960-ական թվականներին։

Այրման հատուկ ռեժիմները

Մարմրում 
Մարմրումը դանդաղ այրման հատուկ տեսակ է, որը պահպանվում է այն ջերմության հաշվին, որն անջատվում է թթվածնի և տաք խտացված տարրերի ռեակցիայի արդյունքում տարրերի մակերևույթին և կուտակվում խտացման փուլում։ Մարմրման տիպիկ օրինակ է վառված ծխախոտը։ Մարմրման ժամանակ ռեակցիայի գոտին դանդաղ տարածվում է նյութում։ Գազափուլ կրակը չի ձևավորվում գազանման նյութերի ջերմաստիճանի չբավարարելու պատճառով կամ հանգչում է գազային փուլում մեծ ջերմային կուրուստների պատճառով։ Մարմրումը հիմնականում դիտվում է հասարակ և թելանման նյութերում։ Մարմրումը կարող է լինել շատ վտանգավոր հրդեհների ժամանակ, քանի որ ոչ լրիվ այրման ժամանակ անջատվում են մարդու համար թունավոր նյութեր։

Պնդափուլ այրում 
Անօրգանական և օրգանական փոշիների խառնուրդներում կարող են ընթանալ ավտոալիքային էկզոթերմիկ պրոցեսներ, որոնք չեն ընթանում նկատելի գազանջատումով և առաջացնում են խտացված նյութեր։ Միջանկյալ փուլերում կարող են առաջանալ գազային և հեղուկային փուլեր, որոնք չեն լքում այրվող համակարգը։ Հայտնի են հակազդող փոշիների օրինակներ,որոնցում այդպիսի փուլերի ձևավորումը ապացուցված չէ (տանտալ-ածխածին)։ Այդպիսի ռեժիմները կոչվում են պնդափուլ այրում, օգտագործվում են նաև հետևյալ տերմինները անգազ այրում  և պնդակրակ այրում ։ Այս պրոցեսները ստացել են պրակտիկ կիրառում Ալեքսանդր Մերժանովի կողմից մշակած ինքնատարածվող բարձրջերմաստիճանային սինթեզի(СВС) տեխնոլոգիաներում։

Այրումը ծակոտկեն միջավայրում 
Եթե ելակետային տաք խառնուրդը անցնում է ծակոտկեն միջավայրով, օրինակ, կերամիկական մատրիցայի, ապա նրա այրման ժամանակ ջերմության մի մասը ծախսվում է մատրիցայի տաքացման վրա։ Տաք մատրիցան, իր հերթին, տաքացնում է ելակետային խառնուրդը։ Դրանով այրման արդյունքի ջերմության մի մասը վերականգնվում է, ինչը թույլ է տալիս օգտագործել աղքատ խառնուրդները (վառելիքի ավելցուկի փոքր գործակցով), որոնք առանց ջերմության չեն այրվի։ Ծակոտկեն այրման տեխնոլոգիաները (հայրենական գրականության մեջ — ծծված այրում) թույլ են տալիս փոքրացնել թունավոր նյութերի արտանետումները և օգտագործվում են գազային ինֆրակարմիր բառարաններում, տաքացուցիչներում և շատ այլ սարքավորումներում.

Անկրակ այրում 
Ի տարբերություն սովորական այրման, երբ դիտվում է կրակի լոսավորվող գոտին, կարող է ստեղծվել անկրակ այրման պայմաններ։ Օրինակը կարող է ծառայել հարմար կատալիզատորի մակերևույթին օրգանական նյութերի կատալիզային թթվեցումը, օրինակ, էթանոլի թթվեցումը պլատինե սևարծաթի վրա։ Սակայն «անկրակ այրում» տերմինը միայն մակերևույթա-կատալիտիկ թթվեցմանն է վերաբերվում, այլ դրսևորվում է այնպիսի դեպքերում, որոնցում կրակը չի երևում անզեն աչքով կամ ցածր ճնշման դեպքում բալիստիկ վառոդների էկզոթերմիկ տարալուծման մի քանի ռեժիմներ։ Անկրակ թթվեցումը հատուկ միջոց է կազմակերպելու ցածրջերմասիճանային այրումը, որը համարվում է էներգետիկ սարքավորումների համար այրման փոքրաէմիսիոն խցիկների ստեղծման առաջատար ուղղություններից մեկը։

Ծանոթագրություններ

Գրականություն 

 
 
 
 
 
 
 
 
  
  
  
  
  
  
  

Այրում
Քիմիական ֆիզիկա