Yonish Fani: Mukammal Qo'llanma

Yonish, ko'pincha oddiygina kuydirish deb ataladi, issiqlik va yorug'lik shaklida energiya ajratib chiqaradigan fundamental kimyoviy jarayondir. U energetika va transportdan tortib, isitish va ishlab chiqarishgacha bo'lgan ko'plab sanoat sohalarining asosidir. Yonish fanini tushunish energiya ishlab chiqarishni optimallashtirish, ifloslanishni kamaytirish va barqaror texnologiyalarni rivojlantirish uchun juda muhimdir. Ushbu qo'llanma yonish fanining tamoyillari, qo'llanilishi va kelajakdagi tendensiyalari haqida keng qamrovli ma'lumot beradi.

Yonish nima?

Aslida, yonish — bu modda va oksidlovchi, odatda kislorod o'rtasida issiqlik va yorug'lik hosil qilish uchun sodir bo'ladigan tez kimyoviy reaksiyadir. Bu reaksiya ekzotermikdir, ya'ni u energiya chiqaradi. Jarayon odatda yoqilg'i (yonayotgan modda) va oksidlovchi (yonishni qo'llab-quvvatlaydigan modda) ni o'z ichiga oladi. Yonish mahsulotlari odatda karbonat angidrid (CO2) va suv bug'i (H2O) kabi gazlarni, shuningdek, yoqilg'i va sharoitlarga qarab boshqa birikmalarni o'z ichiga oladi.

Yonishning asosiy komponentlari:

Yoqilg'i: Oksidlanishga uchraydigan modda. Keng tarqalgan yoqilg'ilar qatoriga uglevodorodlar (metan, propan va benzin kabi), ko'mir va biomassa kiradi.
Oksidlovchi: Yonish jarayonini qo'llab-quvvatlaydigan modda. Kislorod (O2) eng keng tarqalgan oksidlovchi bo'lib, odatda havodan olinadi.
Yonish manbai: Yonish reaksiyasini boshlab beruvchi energiya manbai. Bu uchqun, alanga yoki qizigan sirt bo'lishi mumkin.

Yonish Kimyosi

Yonish — kimyoviy bog'larning uzilishi va hosil bo'lishini o'z ichiga olgan murakkab kimyoviy reaksiyalar seriyasidir. Umumiy jarayonni soddalashtirilgan kimyoviy tenglama bilan ifodalash mumkin, lekin aslida ko'plab oraliq bosqichlar va turlar ishtirok etadi.

Misol: Metanning yonishi (CH4)

Metanning (tabiiy gazning asosiy komponenti) to'liq yonishini quyidagicha ifodalash mumkin:

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + Issiqlik

Bu tenglama metanning kislorod bilan reaksiyaga kirishib, karbonat angidrid, suv va issiqlik hosil qilishini ko'rsatadi. Biroq, haqiqiy reaksiya mexanizmi ko'plab bosqichlarni va turli erkin radikallar va oraliq moddalarning shakllanishini o'z ichiga oladi.

Erkin radikallar: Bular juftlanmagan elektronga ega atomlar yoki molekulalar bo'lib, ularni juda reaktiv qiladi. Ular yonish jarayonini davom ettiruvchi zanjir reaksiyalarida muhim rol o'ynaydi.

Reaksiya kinetikasi: Ushbu reaksiyalarning tezligi harorat, bosim va katalizatorlar yoki ingibitorlarning mavjudligiga bog'liq. Reaksiya kinetikasini tushunish yonish jarayonlarini nazorat qilish va optimallashtirish uchun zarurdir.

Yonish fizikasi: Termodinamika va suyuqliklar dinamikasi

Yonish nafaqat kimyoviy jarayon, balki u fizika qonunlari, xususan, termodinamika va suyuqliklar dinamikasi bilan ham boshqariladi.

Yonish termodinamikasi

Entalpiya (H): Tizimning issiqlik miqdori. Yonish reaksiyalari ekzotermikdir, ya'ni ular issiqlik chiqaradi va manfiy entalpiya o'zgarishiga ega (ΔH < 0).

Entropiya (S): Tizimdagi tartibsizlik o'lchovi. Yonish odatda entropiyani oshiradi, chunki reaktivlar ko'proq tartibsiz mahsulotlarga aylanadi.

Gibbs erkin energiyasi (G): Reaksiyaning spontanligini aniqlaydigan termodinamik potentsial. Yonish reaksiyasi o'z-o'zidan sodir bo'lishi uchun Gibbs erkin energiyasining o'zgarishi (ΔG) manfiy bo'lishi kerak.

Adiabatik alanga harorati: Yonish jarayonida atrof-muhitga issiqlik yo'qotilmasa erishiladigan nazariy maksimal harorat. Bu yonish tizimlarini loyihalash uchun muhim parametrdir.

Yonish suyuqliklar dinamikasi

Suyuqlik oqimi: Yonishda ishtirok etadigan gazlar va suyuqliklarning harakati. Bu yoqilg'i va oksidlovchining yonish zonasiga oqib kelishini va chiqindi gazlarning olib tashlanishini o'z ichiga oladi.

Aralashtirish: Yonishdan oldin yoqilg'i va oksidlovchining aralashish darajasi. Yaxshi aralashtirish to'liq yonishni ta'minlaydi va ifloslantiruvchi moddalarning hosil bo'lishini kamaytiradi.

Turbulentlik: Aralashtirishni va alanga tarqalishini kuchaytiradigan notekis suyuqlik harakati. Turbulent yonish ko'plab amaliy qo'llanmalarda, masalan, ichki yonuv dvigatellarida keng tarqalgan.

Alanganing tarqalishi: Alanganing yonuvchi aralashma orqali tarqalish tezligi. Bunga harorat, bosim va aralashma tarkibi kabi omillar ta'sir qiladi.

Yonish turlari

Yonish turli xil rejimlarda sodir bo'lishi mumkin, ularning har biri o'ziga xos xususiyatlarga va qo'llanilishlarga ega.

Oldindan aralashtirilgan yonish: Yoqilg'i va oksidlovchi yonishdan oldin aralashtiriladi. Bu turdagi yonish gaz turbinalarida va ba'zi turdagi pechlarda qo'llaniladi.
Oldindan aralashtirilmagan yonish (Diffuzion alangalar): Yoqilg'i va oksidlovchi alohida kiritiladi va yonayotganda aralashadi. Bu sham alangasida, dizel dvigatellarida va sanoat gorelkalarida keng tarqalgan.
Bir jinsli zaryadni siqish orqali alangalanish (HCCI): Oldindan aralashtirilgan yoqilg'i-havo aralashmasi o'z-o'zidan alangalanadigan darajada siqiladigan yonish rejimi. Bu yuqori samaradorlik va kam emissiyaga olib kelishi mumkin, ammo nazorat qilish qiyin.
Detonatsiya: Yonuvchi aralashma orqali tarqaladigan tovushdan tez yonish to'lqini. Bu halokatli jarayon bo'lib, portlovchi moddalarda qo'llaniladi.

Yonishning qo'llanilishi

Yonish ko'plab sohalarda qo'llaniladigan keng tarqalgan jarayondir:

Energiya ishlab chiqarish: Qazib olinadigan yoqilg'i bilan ishlaydigan elektr stansiyalari elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun turbinalarni harakatga keltiradigan bug' hosil qilish uchun yonishdan foydalanadi.
Transport: Avtomobillar, yuk mashinalari va samolyotlardagi ichki yonuv dvigatellari yoqilg'ini mexanik energiyaga aylantirish uchun yonishga tayanadi.
Isitish: Pechlar va qozonlar uylarni, binolarni va sanoat jarayonlarini isitish uchun yonishdan foydalanadi.
Ishlab chiqarish: Yonish metall eritish, sement ishlab chiqarish va chiqindilarni yoqish kabi turli ishlab chiqarish jarayonlarida qo'llaniladi.
Raketa harakati: Raketa dvigatellari tortish kuchini hosil qilish uchun qattiq yoki suyuq yoqilg'ining yonishidan foydalanadi.

Muammolar va atrof-muhitga ta'siri

Yonish ko'plab qo'llanmalar uchun zarur bo'lsa-da, u jiddiy ekologik muammolarni ham keltirib chiqaradi.

Ifloslantiruvchi moddalar emissiyasi: Yonish quyidagi kabi ifloslantiruvchi moddalarni hosil qilishi mumkin:

Karbonat angidrid (CO2): Iqlim o'zgarishiga hissa qo'shadigan issiqxona gazi.
Azot oksidlari (NOx): Smog va kislotali yomg'irlarga hissa qo'shadi.
Qattiq zarrachalar (PM): Nafas olish yo'llari muammolarini keltirib chiqarishi mumkin bo'lgan mayda zarralar.
Uglerod oksidi (CO): Yuqori konsentratsiyalarda o'limga olib kelishi mumkin bo'lgan zaharli gaz.
Yonmagan uglevodorodlar (UHC): Smog hosil bo'lishiga hissa qo'shadi.

Samarasiz yonish: To'liq bo'lmagan yonish energiya samaradorligining pasayishiga va ifloslantiruvchi moddalar emissiyasining ortishiga olib kelishi mumkin.

Toza va samarali yonish strategiyalari

Yonishning atrof-muhitga ta'sirini yumshatish uchun turli strategiyalar ishlab chiqilmoqda va amalga oshirilmoqda:

Yaxshilangan yonish texnologiyalari: Ilg'or gaz turbinalari va kambag'al aralashmada ishlaydigan dvigatellar kabi yanada samarali va toza yonish tizimlarini ishlab chiqish.
Muqobil yoqilg'ilar: Bioyoqilg'ilar, vodorod va ammiak kabi kam uglerodli muqobil yoqilg'ilardan foydalanish.
Uglerodni ushlab qolish va saqlash (CCS): Yonish jarayonlaridan CO2 emissiyalarini ushlab qolish va ularni er ostida saqlash yoki boshqa maqsadlarda ishlatish.
Chiqindi gazlarni tozalash: Katalitik konvertorlar va skruberlar kabi texnologiyalardan foydalanib, chiqindi gazlardan ifloslantiruvchi moddalarni olib tashlash.
Yonishni optimallashtirish: Yonish sharoitlarini optimallashtirish va ifloslantiruvchi moddalar hosil bo'lishini minimallashtirish uchun nazorat strategiyalarini joriy etish.

Global tashabbuslar misollari

Bir nechta mamlakatlar va tashkilotlar toza va samarali yonish texnologiyalarini targ'ib qilish uchun faol ishlamoqda:

Yevropa Ittifoqi: YI ning Yashil kelishuvi qisman toza yonish texnologiyalari va muqobil yoqilg'ilarni joriy etish orqali 2030 yilga kelib issiqxona gazlari emissiyasini kamida 55% ga kamaytirishni maqsad qilgan.
Qo'shma Shtatlar: AQSh Energetika Departamenti ilg'or yonish texnologiyalari va uglerodni ushlab qolish texnologiyalari bo'yicha tadqiqot va ishlanmalarni moliyalashtirmoqda.
Xitoy: Xitoy qayta tiklanadigan energiyaga katta sarmoya kiritmoqda va o'zining ko'mir bilan ishlaydigan elektr stansiyalarining samaradorligini oshirish ustida ishlamoqda.
Xalqaro energetika agentligi (IEA): IEA butun dunyo bo'ylab energiya samaradorligi va barqaror energetika texnologiyalarini targ'ib qiladi.

Yonish fanidagi kelajak tendensiyalari

Yonish fani energiya ishlab chiqarish va atrof-muhitni muhofaza qilish muammolarini hal qilishga qaratilgan doimiy tadqiqotlar va ishlanmalar bilan dinamik sohadir.

Ilg'or yonish konsepsiyalari: Yuqori samaradorlik va kam emissiyaga erishish uchun HCCI va past haroratli yonish kabi yangi yonish rejimlarini o'rganish.

Hisoblashli yonish: Yonish jarayonlarini modellashtirish va optimallashtirish uchun kompyuter simulyatsiyalaridan foydalanish. Bu tadqiqotchilarga murakkab hodisalarni o'rganish va yaxshiroq yonish tizimlarini loyihalash imkonini beradi.

Diagnostika va nazorat: Yonishni real vaqtda kuzatish va optimallashtirish uchun ilg'or sensorlar va nazorat tizimlarini ishlab chiqish.

Mikroyonish: Portativ energiya ishlab chiqarish va mikro-harakat kabi qo'llanmalar uchun yonish tizimlarini miniatyuralashtirish.

Barqaror yoqilg'ilar: Qazib olinadigan yoqilg'ilarga bo'lgan bog'liqlikni kamaytirish uchun bioyoqilg'ilar, vodorod va ammiak kabi barqaror yoqilg'ilarni tadqiq qilish va ishlab chiqish.

Kelajakdagi tadqiqotlarning aniq misollari

Vodorod yonishi: Qo'shimcha mahsulot sifatida faqat suv hosil qiladigan vodorodning samarali va xavfsiz yonishi uchun texnologiyalarni ishlab chiqish. Biroq, NOx hosil bo'lishi alanga harorati va turish vaqtini ehtiyotkorlik bilan boshqarishni talab qiladigan muammo bo'lishi mumkin.
Ammiak yonishi: Qayta tiklanadigan manbalardan ishlab chiqarilishi mumkin bo'lgan ammiakni yoqilg'i sifatida ishlatishni o'rganish. Ammiak yonishi NOx hosil qilishi mumkin, ammo bu muammoni yumshatish uchun innovatsion yonish strategiyalari ishlab chiqilmoqda.
Bioyoqilg'i yonishi: Emissiyalarni kamaytirish va samaradorlikni oshirish uchun bioyoqilg'ilarning yonishini optimallashtirish. Bioyoqilg'ilar qazib olinadigan yoqilg'ilardan farqli yonish xususiyatlariga ega bo'lishi mumkin, bu dvigatel dizayni va ishlash parametrlariga o'zgartirishlar kiritishni talab qiladi.

Xulosa

Yonish — bu energiya ishlab chiqarish, transport va ekologik barqarorlik uchun katta ahamiyatga ega bo'lgan fundamental ilmiy jarayondir. Yonishning kimyosi, fizikasi va muhandislik jihatlarini tushunib, biz dunyoning o'sib borayotgan energiya talablarini qondirish va atrof-muhitga ta'sirini minimallashtirish uchun toza va samaraliroq texnologiyalarni ishlab chiqishimiz mumkin. Ilg'or yonish konsepsiyalari, muqobil yoqilg'ilar va emissiyalarni nazorat qilish texnologiyalari sohasidagi doimiy tadqiqotlar va ishlanmalar barqaror energiya kelajagi sari istiqbolli yo'llarni taklif qiladi. Olimlar, muhandislar va siyosatchilarning global hamkorligi muammolarni hal qilish va barcha uchun toza va barqaror dunyo yaratishda yonish fanining salohiyatini ro'yobga chiqarish uchun juda muhimdir.

Qo'shimcha o'qish uchun

Principles of Combustion, Kenneth K. Kuo
Combustion, Irvin Glassman va Richard A. Yetter
An Introduction to Combustion: Concepts and Applications, Stephen R. Turns

Atamalar lug'ati

Oksidlanish: Elektronlarni yo'qotishni o'z ichiga olgan kimyoviy reaksiya, ko'pincha kislorod bilan.
Qaytarilish: Elektronlarni olishni o'z ichiga olgan kimyoviy reaksiya.
Ekzotermik: Issiqlik chiqaradigan jarayon.
Endotermik: Issiqlik yutadigan jarayon.
Stexiometrik: To'liq yonish uchun yoqilg'i va oksidlovchining ideal nisbati.
Kambag'al aralashma: Ortiqcha oksidlovchiga ega aralashma.
Boy aralashma: Ortiqcha yoqilg'iga ega aralashma.
Alangalanish kechikishi: Alangalanish boshlanishi va barqaror yonish boshlanishi orasidagi vaqt.
Alanga tezligi: Alanganing yonuvchi aralashma orqali tarqalish tezligi.
So'ndirish: Issiqlikni olib tashlash orqali alangani o'chirish jarayoni.