Горючие элементы топлива при соприкосновении с кислородом окисляются. В качестве окислителя чаще всего используется атмосферный воздух. Окисление горючих элементовтоплива может происходить с различной скоростью. При медленном окислении процесс протекает в области низких температур. Так, например, молодые твердые топлива под воздействием воздуха при длительном хранении медленно окисляются. При быстром окислении процесс протекает в области высоких температур и сопровождается свечением различной яркости. При сверхбыстром окислении происходит весьма сложный, специфический процесс, называемый детонацией.
В промышленных огневых установках происходит процесс быстрого окисления горючих элементов топлива и развиваются высокие температуры. Этот процесс называют горением топлива. В нем сочетаются сложные физические и химические явления. Сложность заключается в том, что два вещества, совершенно устойчивые в молекулярном отношении, должны прореагировать между собой так, чтобы развились высокие температуры и образовалось новое вещество, тоже устойчивое в молекулярном отношении. Образовавшееся новое вещество называют продуктом сгорания.
В ходе химических реакций между топливом и окислителем образуются промежуточные вещества, которые находятся в неустойчивом состоянии в виде атомов, радикалов, оксидов и пероксидов с относительно большой степенью ионизации. Промежуточные вещества реагируют между собой и с молекулами топлива и окислителя. При этом создаются последовательные и параллельно разветвляющиеся цепи промежуточных реакций с образованием активных центров. Активными центрами называются соединения со свободными валентностями.
Активностью промежуточных реагирующих веществ определяется скорость отдельных реакций. Если будет происходить перенакопление малоактивных комбинаций, то произойдет торможение или даже полное прекращение объемной химической реакции. В нормально работающих топочных устройствах скорости промежуточных реакций весьма значительны; соответственно этому толщина фронта пламени мала. Фронт горения представляет собой как бы тонкую оболочку объема, в котором протекают сложные подготовительные процессы.
Горение топлива возможно только после того, как произойдет воспламенение горючей смеси. Для этого необходимо, чтобы в горючей смеси появились активные центры и происходило их накопление. Время, необходимое для накопления активных центров, называется периодом индукции. Период индукции соизмерим с временем протекания самой реакции.
Воспламенение горючей смеси может произойти самопроизвольно (самовоспламенение) или от постороннего источника (принудительное воспламенение). Самовоспламенение смеси происходит при повышении ее температуры до определенного значения, при котором исходным молекулы, теряя устойчивость, способствуют возникновению активных центров. Механизм принудительного воспламенения такой же, как и самовоспламенения, но отличается тем, что в готовую или образующуюся горючую смесь вводится источник с высокой температурой (зажженный факел, раскаленное тело или электрическая искра). Если количество теплоты, внесенное посторонним источником, достаточно для поддержания необходимых температур, местное воспламенение способно самораспространиться по всему объему смеси.
Горелкой называется устройство, предназначенное для подачи готовой горючей смеси или смеси, образующейся в самой горелке, а также для стабилизации фронт воспламенения. Устройство, предназначенное дли завершения процесса горения и изоляции его от внешних условий, называется топочной камерой. Система горелок в сочетании с топочной камерой называется топочным устройством или просто топкой. Непрерывный процесс подготовки, воспламенения и горения топлива осуществляется в горелке и топочной камере, через которые проходит поток топлива, воздуха и продуктов горения.
Наука, изучающая движение газовых потоков н их взаимодействие, называется аэродинамикой. Законы аэродинамики играют важную роль в процессе горения топлива. Кроме того, в топочной камере происходят процессы теплообмена между горящим топливом и ограждающими поверхностями. Таким образом, процесс горения зависит от большого числа различных факторов, взаимосвязанных и влияющих друг па друга. В зависимости от того, какие факторы являются определяющими, при горении различают две области протекания процесса: кинетическую и диффузионную.
При протекании горения топлива в кинетической области определяющими являются химические явления: температура и концентрация топлива или окислителя в горючей смеси. Здесь продолжительность горения практически определяется временем, необходимым для завершения химических реакций.
При протекании горения топлива в диффузионной области определяющими являются физические факторы, и прежде всего смесеобразование. Продолжительность горения в диффузионной области практически определяется временем, необходимым для завершения смесеобразовательных процессов.