Пламя может сложиться в гармошку под действием собственного эха. Условия существования фронта пламени

Костер без пламени Дул ветер, мело снегом, прохожие ускоряли шаг. Но шесть или семь мальчишек самозабвенно вопили, столпившись на тротуаре у небольшого каменного дома.- Сколько дал за него?- Три рубля!В голосе лобастого, румяного паренька восторг и нежность; он

Духовный фронт империи Духовный фронт империи О романе Александра Проханова «Человек Звезды» Михаил Кильдяшов 25.07.2012

Фронт без флангов Фронт без флангов Юрий Котенок 26.09.2012

При стационарном процессе горения положение фронта пла­мени в потоке остается неизменным. Рассмотрим схематическое изображение факела пламени в потоке горючей смеси. Если скорость W была бы равной нулю, то мы имели бы сферическое рас­пространение пламени с точечным источником в центре. Однако поток сдувает пламя в направлении своего движения и в то же время пламя перемещается навстречу потоку свежей горючей смеси со скоростью U n .

Рис.3.4. Схема стационарного фронта пламени

В результате наступает равновесие, при котором фронт пламени занимает стационарное положение, а поток приносит в зону горения свежие порции горючей смеси.

Рассмотрим элемент фронта пламени. Скорость потока W может быть разложена на нормальную и тангенциальную состав­ляющие W n и W τ , которые стремятся снести фронт горения. В направлении нормали n - n скорость уравновешивается нор­мальной скоростью распространения пламени +U n .

Очевидно, если скорость W изменится, то фронт пламени займет новое положение и установится под таким углом α, при котором проекция скорости на нормаль n - n станет рав­ной нормальной скорости горения U n . При этом сама скорость U n для данной смеси, естественно, является постоянной величи­ной (Рис.3.5). Таким образом, получим первое условие су­ществования стационарного фронта пламени

│ U n │=│W│cos α (3.2)

Это выражение установлено в 1890 г. русским физиком В.А. Михельсоном и носит название "закона Михельсона", или "закона косинуса". Согласно этому закону проекция скоро­сти набегающего потока на нормаль к поверхности стационар­ного фронта пламени всегда равна нормальной скорости горе­ния.

W">W W" >W α">α

Рис.3.5. Положение стационарного фронта пламени в потоках с разной скоростью

Рассматривая участок фронта, примыкающий к источнику поджигания, становится ясно, что на место сносимых горящих частиц не будут приходить новые, если источник перестанет работать. Компенсация уноса пламени в тангенциальном направлении осуществляется постоянно действующим источником поджигания стационарного фронта пламени.

Таким образом, существуют два необходимых и достаточных условия существования стационарного фронта пламени в пото­ке горючей смеси:

1. Равенство проекции скорости распространения пламени на нормаль и нормальной составляющей к фронту пламени от скорости
потока.

2. Наличие постоянно действующего источника поджигания
с достаточной интенсивностью.

Очевидно, если W τ = 0, то фронт пламени перпендикуля­рен потоку и второе условие отпадает.

Хорошей иллюстрацией расположения ламинарного фронта пламени в потоке является пламя горелки Бунзена. Устрой­ство горелки обеспечивает предварительное смешение горюче­го и окислителя, то есть топлива с воздухом. При поджигании смеси пламя, распространяясь по ней, стре­мится войти внутрь горелки, однако этому препятствует встречный поток. В результате устанавливается устойчивое динамическое равновесие, а стационарный фронт пламени принимает форму, при которой в каждой его точке нормальная к фронту составляющая скорости равна скорости распространения пламени в смеси данного состава при данных условиях.

Одни из первых исследователей этого вопроса Малляр и Ле-Шаталье назвали зону горения "голубым конусом", на поверхности которого в каждой точке выполняется закон Михельсона.

Механизм стабилизации пламени в горелке Бунзена иллюстрируется рис.3.6.

Рис.3.6. Схема образования фронта пламени в горелке Бунзена

Геометрическое место точек стабилизации С образует кольцо, располагающееся на некотором расстоянии от среза сопла горелки. В неподвижной смеси после поджигания пламя от точек С начнёт сферически распространяться и фронты пламени сомкнутся в точке В на оси потока.

При движении смеси каждая точка фронта пламени сносится потоком одновременно с расширением сфер и в результате образуется конический фронт пламени с вершиной в точке В касания сфер.

При постоянных значениях скорости в выходном сечении горелки и U n фронт пламени должен иметь правильную коническую форму. Однако вследствие роста U n у вершины пламени из-за нагрева смеси и снижения её около холодных стенок у основания конуса пламя имеет закругление. Если горючая смесь имеет α ≤1, то кислорода в смеси не хватает для полного её сгорания и оставшееся горючее догорает во вторичном, диффузионном фронте пламени в окружающем воздухе. Диффузионный фронт пламени имеет характерный желтый цвет.

Метод горелки Бунзена является одним из самых распространенных для определения нормальной скорости горения.

Тема 4. ВИДЫ ГОРЕНИЯ.

По разным признакам и особенностям процессы горения можно разде-лить на следующие виды:

По агрегатному состоянию горючего вещества:

Горение газов;

Горение жидкостей и плавящихся твердых веществ;

Горение неплавящихся твердых пылевидных и компактных веществ.

По фазовому составу компонентов:

Гомогенное горение;

Гетерогенное горение;

Горение взрывчатых веществ.

По подготовленности горючей смеси:

Диффузионное горение (пожар);

Кинетическое горение (взрыв).

По динамике фронта пламени:

Стационарное;

Нестационарное.

По характеру движения газов:

Ламинарное;

Турбулентное.

По степени сгорания горючего вещества:

Неполное.

По скорости распространения пламени:

Нормальное;

Дефлаграционное;

Детонационное.

Рассмотрим подробнее эти виды.

4.1. Горение газообразных, жидких и твердых веществ.

В зависимости от агрегатного состояния горючего вещества различают горение газов, жидкостей, пылевидных и компактных твердых веществ.

Согласно ГОСТ 12.1.044-89:

1. Газы – это вещества, критическая температура которых менее 50 о С. Т кр – это минимальная температура нагрева 1 моля вещества в закрытом со-суде, при котором оно полностью превращается в пар (см. § 2.3).

2. Жидкости – это вещества с температурой плавления (каплепадения) менее 50 о С (см. § 2.5).

3. Твердые вещества – это вещества с температурой плавления (капле-падения) более 50 0 С.

4. Пыли – это измельченные твердые вещества с размером частиц менее 0,85 мм.

Зона, в которой происходит химическая реакция в горючей смеси, т.е. горение, называется фронтом пламени.

Рассмотрим процессы горения в воздушной среде на примерах.

Горение газов в газовой горелке. Тут наблюдаются 3 зоны пламени (рис. 12.):

Рис. 12. Схема горения газа: 1 – прозрач-ный конус – это исходный нагревается газ (до температуры самовоспламенения); 2 – светящаяся зона фронта пламени; 3 – про-дукты сгорания (бывают почти невидимы при полном сгорании газов и, особенно при горении водорода, когда не образуется са-жа).

Ширина фронта пламени в газовых смесях составляет десятки доли миллиметра.

Горение жидкостей в открытом сосуде. При горении в открытом со-суде имеются 4 зоны (рис. 13):

Рис. 13. Горение жидкости: 1 – жид-кость; 2 – пары жидкости (темные участки); 3 – фронт пламени; 4 – про-дукты горения (дым).

Ширина фронта пламени в этом случае больше, т.е. реакция протекает медленнее.

Горение плавящихся твердых веществ. Рассмотрим горение свечи. В данном случае наблюдается 6 зон (рис. 14):

Рис. 14. Горение свечи: 1 – твердый воск; 2 – расплав-ленный (жидкий) воск; 3 – темный прозрачный слой паров; 4 – фронт пламени; 5 – продукты горения (дым); 6 – фитиль.

Горящий фитиль служит для стабилизации горения. В него впитывается жидкость, поднимается по нему, испаряется и горит. Ширина фронта пламе-ни увеличивается, что увеличивает площадь светимости, так как используют-ся более сложные углеводороды, которые, испаряясь, распадаются, а потом уже вступают в реакцию.

Горение неплавящихся твердых веществ. Этот вид горения рассмот-рим на примере горения спички и сигареты (рис. 15 и 16).

Здесь также имеется 5 участков:

Рис. 15. Горение спички: 1 – свежая древесина; 2 – обуг-ленная древесина; 3 – газы (газифицированные или испа-рившиеся летучие вещества) - это темноватая прозрачная зона; 4 – фронт пламени; 5 – продукты сгорания (дым).

Видно, что обгоревший участок спички намного тоньше и имеет чер-ный цвет. Это значит, что часть спички обуглилась, т.е. осталась нелетучая часть, а летучая часть испарилась и сгорела. Скорость горения угля значи-тельно медленнее, чем газов, поэтому он не успевает полностью выгореть.

Рис.16. Горение сигареты: 1 – исходная табач-ная смесь; 2 – тлеющий участок без фронта пламени; 3 – дым, т.е. продукт сгоревших час-тиц; 4 – втягиваемый в легкие дым, который представляет собой в основном газифицирован-ные продукты; 5 – смола, сконденсировавшаяся на фильтре.

Беспламенное термоокислительное разложение вещества называется тлением. Оно возникает при недостаточной диффузии кислорода в зону го-рения и может протекать даже при очень малом его количестве (1-2%). Дым имеет сизый, а не черный цвет. Значит в нем больше газифицированных, а не сгоревших веществ.

Поверхность пепла почти белая. Значит, при достаточном поступлении кислорода происходит полное сгорание. Но внутри и на границе горящего слоя со свежими – черное вещество. Это свидетельствует о неполном сгора-нии обугленных частиц. Кстати, на фильтре конденсируются пары улету-чившихся смолистых веществ.

Подобный вид горения наблюдается при горении кокса, т.е. угля, из ко-торого удалены летучие вещества (газы, смолы), или графита.

Таким образом, процесс горения газов, жидкостей и большинства твер-дых веществ протекает в газообразном виде и сопровождается пламенем. Не-которые твердые вещества, в том числе имеющие склонность к самовозгора-нию, горят в виде тления на поверхности и внутри материала.

Горение пылевидных веществ. Горение слоя пыли происходит так же, как и в компактном состоянии, только скорость горения возрастает из-за увеличения поверхности контакта с воздухом.

Горение пылевидных веществ в виде аэровзвеси (пылевого облака) мо-жет протекать в виде искр, т.е. горения отдельных частиц, в случае малого содержания летучих веществ, не способных при испарении образовать доста-точное количество газов для единого фронта пламени.

Если образуется достаточное количество газифицированных летучих веществ, то возникает пламенное горение.

Горение взрывчатых веществ. К данному виду относится горение взрывчатки и пороха, так называемых конденсированных веществ, в которых уже находится химически или механически связанные горючее и окислитель. Например: у тринитротолуола (тротила) C 7 H 5 O 6 N 3 ×C 7 H 5 ×3NO 2 окислителями служат O 2 и NO 2 ; в составе пороха – сера, селитра, уголь; в составе само-дельной взрывчатки алюминиевая пудра и аммиачная селитра, связующее – соляровое масло.

4.2. Гомогенное и гетерогенное горение.

Исходя из рассмотренных примеров, в зависимости от агрегатного со-стояния смеси горючего и окислителя, т.е. от количества фаз в смеси, разли-чают:

1. Гомогенное горение газов и паров горючих веществ в среде газооб-разного окислителя. Таким образом, реакция горения протекает в системе, состоящей из одной фазы (агрегатного состояния).

2. Гетерогенное горение твердых горючих веществ в среде газообраз-ного окислителя. В этом случае реакция протекает на поверхности раздела фаз, в то время как гомогенная реакция идет во всем объеме.

Это горение металлов, графита, т.е. практически нелетучих материалов. Многие газовые реакции имеют гомогенно-гетерогенную природу, когда возможность протекания гомогенной реакции обусловлена происхождением одновременно гетерогенной реакции.

Горение всех жидких и многих твердых веществ, из которых выделяя-ются пары или газы (летучие вещества) протекает в газовой фазе. Твердая и жидкая фазы играют роль резервуаров реагирующих продуктов.

Например, гетерогенная реакция самовозгорания угля переходит в го-могенную фазу горения летучих веществ. Коксовый остаток горит гетероген-но.

4.3. Диффузионное и кинетическое горение.

По степени подготовки горючей смеси различают диффузионное и ки-нетическое горение.

Рассмотренные виды горения (кроме взрывчатки) относятся к диффу-зионному горению. Пламя, т.е. зона горения смеси горючего с воздухом, для обеспечения устойчивости должна постоянно подпитываться горючим и ки-слородом воздуха. Поступление горючего газа зависит только от скорости его подачи в зону горения. Скорость поступления горючей жидкости зависит от интенсивности ее испарения, т.е. от давления паров над поверхностью жидкости, а, следовательно, от температуры жидкости. Температурой вос-пламенения называется наименьшая температура жидкости, при которой пламя над ее поверхностью не погаснет.

Горение твердых веществ отличается от горения газов наличием стадии разложения и газификации с последующим воспламенением летучих продук-тов пиролиза.

Пиролиз – это нагрев органических веществ до высоких температур без доступа воздуха. При этом происходит разложение, или расщепление, сложных соединений на более простые (коксование угля, крекинг нефти, су-хая перегонка дерева). Поэтому сгорание твердого горючего вещества в про-дукт горения не сосредоточено только в зоне пламени, а имеет многостадий-ный характер.

Нагрев твердой фазы вызывает разложение и выделение газов, которые воспламеняются и сгорают. Тепло от факела нагревает твердую фазу, вызы-вая ее газификацию и процесс повторяется, таким образом поддерживая го-рение.

Модель горения твердого вещества предполагает наличие следующих фаз (рис. 17):

Рис. 17. Модель горения

твердого вещества.

Прогрева твердой фазы. У плавящихся веществ в этой зоне происхо-дит плавление. Толщина зоны зависит от температуры проводности вещест-ва;

Пиролиза, или реакционной зоны в твердой фазе, в которой образу-ются газообразные горючие вещества;

Предпламенной в газовой фазе, в которой образуется смесь с окисли-телем;

Пламени, или реакционной зоны в газовой фазе, в которой превраще-ние продуктов пиролиза в газообразные продукты горения;

Продуктов горения.

Скорость подачи кислорода в зону горения зависит от его диффузии через продукт горения.

В общем, поскольку скорость химической реакции в зоне горения в рассматриваемых видах горения зависти от скорости поступления реаги-рующих компонентов и поверхности пламени путем молекулярной или кине-тической диффузии, этот вид горения и называют диффузионным .

Структура пламени диффузионного горения состоит из трех зон (рис.18):

В 1 зоне находятся газы или пары. Горение в этой зоне не происходит. Температура не превышает 500 0 С. Происходит разложение, пиролиз летучих и нагрев до температуры самовоспламенения.

Рис. 18. Структура пламени.

Во 2 зоне образуется смесь паров (газов) с кислородом воздуха и про-исходит неполное сгорание до СО с частичным восстановлением до углерода (мало кислорода):

C n H m + O 2 → CO + CO 2 + Н 2 О;

В 3 внешней зоне происходит полное сгорание продуктов второй зоны и наблюдается максимальная температура пламени:

2CO+O 2 =2CO 2 ;

Высота пламени пропорциональна коэффициенту диффузии и скорости потока газов и обратно пропорциональна плотности газа.

Все виды диффузионного горения присущи пожарам.

Кинетическим горением называется горение заранее перемешанных горючего газа, пара или пыли с окислителем. В этом случае скорость горения зависит только от физико-химических свойств горючей смеси (теплопровод-ности, теплоемкости, турбулентности, концентрации веществ, давления и т.п.). Поэтому скорость горения резко возрастает. Такой вид горения присущ взрывам.

В данном случае при поджигании горючей смеси в какой-либо точке фронт пламени движется от продуктов сгорания в свежую смесь. Таким об-разом, пламя при кинетическом горении чаще всего нестационарно (рис. 19).

Рис. 19. Схема распространения пламени в горючей смеси: - источник зажигания; - направления движе-ния фронта пламени.

Хотя, если предварительно перемешать горючий газ с воздухом и подать в горелку, то при поджигании образуется стационарное пламя, при условии, что скорость подачи смеси будет равна скорости распространения пламени.

Если скорость подачи газов увеличить, то пламя отрывается от горелки и может погаснуть. А если скорость уменьшить, то пламя втянется во внутрь горелки с возможным взрывом.

По степени сгорания , т.е. полноты протекания реакции горения до ко-нечных продуктов, горение бывает полным и неполным .

Так в зоне 2 (рис.18) горение неполное, т.к. недостаточно поступает ки-слород, который частично расходуется в 3 зоне, и образуются промежуточ-ные продукты. Последние догорают в 3 зоне, где кислорода больше, до пол-ного сгорания. Наличие сажи в дыму говорит о неполном горении.

Другой пример: при недостатке кислорода углерод сгорает до угарного газа:

Если добавить O, то реакция идет до конца:

2СО+O 2 =2СО 2 .

Скорость горения зависит от характера движения газов. Поэтому раз-личают ламинарное и турбулентное горение.

Так, примером ламинарного горения может служить пламя свечи в не-подвижном воздухе. При ламинарном горении слои газов текут параллель-но, не завихряясь.

Турбулентное горение – вихревое движение газов, при котором интен-сивно перемешиваются сгорающие газы, и фронт пламени размывается. Гра-ницей между этими видами служит критерий Рейнольдса, который характе-ризует соотношение между силами инерции и силами трения в потоке:

где: u - скорость газового потока;

n - кинетическая вязкость;

l – характерный линейный размер.

Число Рейнольдса, при котором происходит переход ламинарного по-граничного слоя в турбулентный называется критическим Re кр, Re кр ~ 2320.

Турбулентность увеличивает скорость горения из-за более интенсивной передачи тепла от продуктов горения в свежую смесь.

4.4. Нормальное горение.

В зависимости от скорости распространения пламени при кинетиче-ском горении может реализоваться либо нормальное горение (в пределах не-скольких м/с), либо взрывное дефлаграционное (десятки м/с), либо детона-ционное (тысячи м/с). Эти виды горения могут переходить друг в друга.

Нормальное горение – это горение, при котором распространение пламени происходит при отсутствии внешних возмущений (турбулентности или изменения давления газов). Оно зависит только от природы горючего вещества, т.е. теплового эффекта, коэффициентов теплопроводности и диф-фузии. Поэтому является физической константой смеси определенного со-става. В этом случае обычно скорость горения составляет 0,3-3,0 м/с. Нор-мальным горение названо потому, что вектор скорости его распространения перпендикулярен фронту пламени.

4.5. Дефлаграционное (взрывное) горение.

Нормальное горение неустойчиво и в закрытом пространстве склонно к самоускорению. Причиной этому является искривление фронта пламени вследствие трения газа о стенки сосуда и изменения давления в смеси.

Рассмотрим процесс распространения пламени в трубе (рис. 20).

Рис. 20. Схема возникнове-ния взрывного горения.

Сначала у открытого конца трубы пламя распространяется с нормаль-ной скоростью, т.к. продукты горения свободно расширяются и выходят на-ружу. Давление смеси не изменяется. Длительность равномерного распро-странения пламени зависит от диаметра трубы, рода горючего и его концен-трации.

По мере продвижения фронта пламени внутрь трубы продукты реак-ции, имея больший объем по сравнению с исходной смесью, не успевают вы-ходить наружу и их давление возрастает. Это давление начинает давить во все стороны, и поэтому впереди фронта пламени исходная смесь начинает двигаться в сторону распространения пламени. Прилегающие к стенкам слои тормозятся. Наибольшую скорость имеет пламя в центре трубы, меньшую – у стенок (из-за теплоотвода в них). Поэтому фронт пламени вытягивается в сторону распространения пламени, а поверхность его увеличивается. Про-порционально этому увеличивается количество сгораемой смеси в единицу времени, которое влечет за собой возрастание давления, а то в свою очередь – увеличивает скорость движения газа и т.д. Таким образом, происходит ла-винообразное повышение скорости распространения пламени до сотен мет-ров в секунду.

Процесс распространения пламени по горючей газовой смеси, при ко-тором самоускоряющаяся реакция горения распространяется вследствие ра-зогрева путем теплопроводности от соседнего слоя продуктов реакции, назы-вается дефлаграцией . Обычно скорости дефлаграционного горения дозвуко-вые, т.е. менее 333 м/с.

4.6. Детонационное горение .

Если рассматривать сгорание горючей смеси послойно, то в результате термического расширения объема продуктов сгорания каждый раз впереди фронта пламени возникает волна сжатия. Каждая последующая волна, двига-ясь по более плотной среде, догоняет предыдущую и накладывается на нее. Постепенно эти волны соединяются в одну ударную волну (рис. 21).

Рис. 21. Схема образования де-тонационной волны: Р о < Р 1 < Р 2 < Р 3 < Р 4 < Р 5 < Р 6 < Р 7 ; 1-7 – нарастание давления в слоях с 1-го по 7-ой.

В ударной волне в результате адиабатического сжатия мгновенно уве-личивается плотность газов и повышается температура до Т 0 самовоспламе-нения. В результате происходит зажигание горючей смеси ударной волной и возникает детонация – распространение горения путем воспламенения удар-ной волной. Детонационная волна не гаснет, т.к. подпитывается ударными волнами от движущегося вслед за ней пламени.

Особенность детонации – она происходит с определенной для каждого состава смеси сверхзвуковой скоростью 1000-9000 м/с, поэтому является фи-зической константой смеси. Она зависит только от калорийности горючей смеси и теплоемкости продуктов сгорания.

Встреча ударной волны с препятствием ведет к образованию отражен-ной ударной волны и еще большему давлению.

Детонация – самый опасный вид распространения пламени, т.к. имеет максимальную мощность взрыва (N=A/t) и огромную скорость. Практически «обезвредить» детонацию можно лишь на преддетонационном участке, т.е. на расстоянии от точки зажигания до места возникновения детонационного горения. Для газов длина этого участка от 1 до 10 м.

3. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПЛАМЕНИ В ГАЗОВЫХ СМЕСЯХ

Скорость распространения пламени при горении твердых, жидких и газообразных веществ представляет практический интерес в плане предупреждения пожаров и взрывов. Рассмотрим скорость распространения пламени в смесях горючих газов и паров с воздухом. Зная эту скорость, можно определить безопасные скорости газовоздушного потока в трубопроводе, шахте, вентиляционной установке и других взрывоопасных системах.

3.1. СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ

В качестве примера на рис. 3.1 приведена схема вытяжной вентиляции в угольной шахте. Из штреков шахты 1 по трубопроводу 2 осуществляется удаление запыленной смеси воздуха и угольной пыли, а в ряде случаев – выделившегося в угольных пластах метана. При возникновении очага возгорания, фронт пламени 3 будет распространяться в сторону штреков 1. Если скорость движения горючей смеси w будет меньше скорости распространения фронта пламени и относительно стенок трубки, то пламя распространится в шахту и приведет к взрыву. Поэтому для нормальной работы системы вентиляции необходимо соблюдение условия

w > u.

Скорость удаления взрывоопасной смеси должна быть больше скорости распространения фронта пламени. Это позволит не допустить попадания пламени в штреки шахты.

Рис. 3.1. Схема распространения пламени в шахте:

1 – шахта; 2 – трубопровод; 3 – фронт пламени

Теория распространения пламени, развитая в работах Я.Б. Зельдовича и Д.А. Франк-Каменецкого, основана на уравнениях теплопроводности, диффузии и химической кинетики. Воспламенение горючей смеси всегда начинается в одной точке и распространяется по всему объему, занимаемому горючей смесью. Рассмотрим одномерный случай – трубку, заполненную горючей смесью (рис. 3.2).

Если смесь поджечь с одного конца трубки, то узкий фронт пламени будет распространяться вдоль трубки, отделяя продукты горения (позади фронта пламени) от свежей горючей смеси. Фронт пламени имеет вид колпачка или конуса, обращенного выпуклой частью в сторону движения пламени. Фронт пламени представляет собой тонкий газовый слой шириной (10 -4 ÷10 -6) м. В этом слое, который называется зоной горения, протекают химические реакции горения. Температура фронта пламени в зависимости от состава смеси составляет Т = (1500÷3000) К. Выделяющаяся теплота горения расходуется на нагрев продуктов сгорания свежей горючей смеси и стенок трубки за счет процессов теплопроводности и излучения.

Рис. 3.2. Схема распространения фронта пламени в трубке

При движении фронта пламени в трубке в горючей смеси возникают волны сжатия, которые создают вихревые движения. Завихрения газов искривляют фронт пламени, не изменяя его толщины и характера протекающих в нем процессов. На единице поверхности фронта пламени всегда сгорает одно и тоже количество вещества в единицу времени . Величина является постоянной для каждой горючей смеси и называется массовой скоростью горения. Зная площадь фронта пламени S , можно рассчитать массу вещества М , сгораемого во всем фронте горения в единицу времени:

Каждый элемент фронта пламени dS перемещается относительно свежей смеси всегда по направлению нормали к фронту пламени в данной точке (рис. 3.2), причем скорость этого перемещения:

где – плотность свежей горючей смеси.

Величина называется нормальной скоростью распространения пламени и имеет размерность м/с. Она является постоянной величиной процесса горения данной смеси и не зависит от гидродинамических условий, сопутствующих процессу горения. Нормальная скорость распространения пламени всегда меньше наблюдаемой скорости и , то есть скорости перемещения фронта горения относительно стенок трубки:

u n < u .

Если фронт пламени плоский и направлен перпендикулярно оси трубки, то в этом случае наблюдаемая и нормальная скорость распространения пламени будут одинаковы

u n = u .

Площадь выпуклого фронта пламени S вып всегда больше площади плоского фронта S пл , поэтому

> 1.

Нормальная скорость распространения пламени u n для каждой горючей смеси зависит от примеси инертных газов, температуры смеси, влажности и других факторов. В частности, предварительный подогрев горючего газа увеличивает скорость распространения пламени. Можно показать, что скорость распространения пламени u n пропорциональна квадрату абсолютной температуры смеси:

u n .= const · T 2 .

На рис. 3.3 приведена зависимость скорости распространения пламени в горючей смеси „воздух – угарный газ” в зависимости от концентрации СО. Как следует из приведенных графиков, скорость распространения пламени возрастает с увеличением температуры смеси. Для каждого значения температуры скорость распространения пламени имеет максимум в области концентрации угарного газа СО, равной ~ 40%.

На скорость распространения пламени влияет теплоемкость инертного газа. Чем больше теплоемкость инертного газа, тем больше он снижает температуру горения и тем сильнее уменьшает скорость распространения пламени. Так, если смесь метана с воздухом разбавить углекислым газом, то скорость распространения пламени может уменьшиться в 2÷3 раза. На скорость распространения пламени в смесях оксида углерода с воздухом оказывает большое влияние влага, содержащаяся в смеси, наличие сажевых частиц и примеси инертных газов.

Рис. 3.3. Зависимость скорости распространения пламени

от концентрации угарного газа в смеси

Тема 7. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПЛАМЕНИ.

7.1. Тепловая теория горения.

При адиабатическом, т.е. не сопровождающемся тепловыми потерями сгорании, весь запас химической энергии горючей системы переходит в тепловую энергию продуктов реакции. Температура продуктов адиабатичес-кого сгорания не зависит от скорости реакций, протекающих в пламени, а лишь от их суммарного теплового эффекта и теплоемкостей конечных про-дуктов. Эта величина называется адиабатической температурой горения Т г. Она является важной характеристикой горючей среды. У большинства горючих смесей величина Т г лежит в пределах 1500-3000° К. Очевидно, что Т г – максимальная температура продуктов реакции в отсутствие внешнего по-догрева. Фактическая температура продуктов сгорания может быть только меньше Т г в случае возникновения тепловых потерь.

Согласно тепловой теории горения, разработанной советскими уче­-ными Я.Б. Зельдовичем и Д.А. Франк-Каменецким, распространение пламени происходит путем передачи тепла от продуктов горения к несгоревшей (све­-жей) смеси. Распределение температур в газовой смеси с учетом тепловыде­-ления от химической реакции и теплопроводности показано на рис. 26.

Фронт пламени, т.е. зона, в которой происходит реакция горения и ин­-тенсивный саморазогрев сгорающего газа, начинается при температуре само­-воспламенения Т св и заканчивается при температуре Т г.

Перед распространяющимся вправо фронтом пламени находится све­-жая смесь, а сзади – продукты горения. Считается, что в зоне подогрева ре­-акция протекает настолько медленно, что выделением тепла пренебрегают.

Процесс теплопередачи при стационарном распространении пламени не приводит к потерям тепла и понижению температуры по сравнению с Т г непосредственно за фронтом пламени. Теплоотвод из каждого сгорающего слоя газа при поджигании соседнего, еще не нагретого, скомпенсирован аналогичным количеством тепла, ранее полученным в поджигающем слое при его собственном поджигании. Дополнительное тепло начального поджи-гающего импульса заметно не искажает стационарного режима горения, так как его роль все более уменьшается по мере увеличения количества сгорев- шего газа.

Продукты сгорания теряют тепло только в результате излучения и при соприкосновении с твердой поверхностью. Если излучение незначительно, такое сгорание оказывается практически адиабатическим. Заметные тепловые потери возможны лишь на определенном расстоянии за фронтом пламени.

Таким образом, инициирование горения газовой смеси в одной точке приводит к нагреву близлежащего слоя, который разогревается путем тепло­-проводности от продуктов реакции до самовоспламенения. Сгорание этого слоя влечет за собой воспламенение следующего и т.д. до полного выгорания горючей смеси. Отводимое из зоны реакции тепло в свежую смесь полностью компенсируется выделением тепла реакции и возникает устойчивый фронт пламени. В результате послойного сгорания фронт пламени перемещается по смеси, обеспечивая распространение пламени.

Если свежая смесь движется навстречу фронту пламени со скоростью, равной скорости распространения пламени, то пламя будет неподвижным (стационарным).

Теоретическое обоснование условий распространения пламени можно привести при рассмотрении стационарного пламени, когда ско­рость его рас-пространения U пл равна скорости подачи газовой смеси υ г: U пл =υ г (рис. 27). В данном случае соотношение между нор­мальной скоростью горения U н и ско-ростью распространения пла­мени U пл выразится уравнением:

U н = U пл * sinφ . (7.1)

К свежей смеси от единицы поверхности пламени в единицу времени путем теплопроводности подводится количество тепла:

(7.2)

где: - коэффициент теплопроводности;

Ширина фронта пламени.

Это тепло расходуется на нагрев свежей смеси от начальной темпера­-туры Т о до температуры горения Т г:

где: с – удельная теплоемкость;

Плотность смеси.

С учетом уравнений (7.2) и (7.3) при U пл =υ г скорость распространения пла­мени определяется соотношением:

(7.4)

где: - коэффициент температуропроводности.

Поскольку скорость горения очень сильно зависит от температуры, сгорание основной массы газа происходит в зоне, температура которой близ-ка к Т г.

Скорость химической реакции, как рассмотрено в § 6.1., определяется уравнением:

. (7.5)
Тогда скорость распространения пламени:

где: b – показатель, зависящий от свойств смеси, .

Таким образом, пламя не сможет распространяться по горючей смеси, если его температура будет ниже теоретической температуры горения на ве­-личину превышающую (см. § 9.3).

- характеристический интервал температур в химической кинетике. Изменение температуры на эту величину приводит к изменению скорости реакции в “e” раз.

Предельное значение скорости распространения пламени U ПРЕД опреде­-ляется соотношением:

(7.7)

В отличие от рассмотренного случая нормального горения, в реальных условиях взрывов в замкнутом пространстве процесс дефлаграционного горе-ния самоускоряется. Это связано с расширением поверхности горения, воз­-никновением движения газов и повышением давления при горении.

7.2. Горение в замкнутом объеме.

При горении газов в открытой трубе и в потоке продукты реакции свободно расширяются, давление остается практически постоянным. Сжигание в замкнутом сосуде связано с ростом давления. Это имеет большое значение для решения задач взрывобезопасности. Повышение давления при сгорании в замкнутых аппаратах, а также в помещениях, может приводить к разрушениям и авариям.

При горении без тепловых потерь (адиабатическом горении) в замкну­-том объеме в результате повышения температуры с Т о до температуры горе­-ния Т г и изменения числа грамм-молекул при реакции давление возрастает с Р о до Р г:

(7.8)

где: m, n – число молей веществ до и после взрыва стехиометрическо-

го состава смеси.

Однако наибольшее давление развивается не для стехиометрических смесей, хотя они обладают наибольшей теплотой сгорания и создают макси­-мальную Т г, а смеси, обогащенные горючим веществом, которые имеют мак­-симальную скорость горения. При дефлаграционном горении давление дос­-тигает 7-10 атм., при детонации – намного выше.

Характерной особенностью процесса сгорания в замкнутом объеме является неравномерность распределения температуры продуктов реакции непосредственно после сгорания. Первоначально сгорающая часть горючей смеси, находящаяся в центре сосуда, реагирует при начальном давлении р о ; последний слой, сгорающий у стенки, реагирует при конечном давлении р .

Нагревание каждого слоя газа протекает в две стадии: при химическом превращении и адиабатическом сжатии. Хотя во всех точках объема состав продуктов сгорания и давление одинаковы, конечная температура существенно зависит от последовательности обоих нагревающих процессов. При адиабатическом сжатии от давления р о до давления р рост температуры от Т о до Т определяется уравнением Пуассона

, (7.9)

где: g = с р /с v .

Конечная температура продуктов сгорания будет выше в том случае, ес-ли газ сначала нагревается при химическом превращении, а затем его темпе- ратура возрастает при сжатии по уравнению (7.9), чем в случае обратной пос-ледовательности обоих процессов.

7.3. Движение газов при горении.

Расширение газов в пламени (по закону Гей-Люссака) приводит к тому, что горение всегда сопровождается движением газов. Обозначим через ρ г – плотность исходной среды, ρ пр – плотность продуктов горения, их скорость по отношению к неподвижному фронту пламени равна u пр. На каждый квад-ратный сантиметр поверхности фронта поток приносит ежесекундно u н см 3 горючей смеси, её масса равна u н* ρ г соответственно от этого участка пламени отводится в 1 сек u пр см 3 продуктов реакции с массой u пр* ρ пр. Поскольку мас-сы сгорающей смеси и продуктов реакции равны, то

u н* ρ г = u пр* ρ пр (7.10)

Уравнение (7.10) выражает закон сохранения массы при горении.

Величина u пр превосходит нормальную скорость пламени во столько раз, во сколько плотность исходной среды больше плотности продуктов сгорания. Увеличение скорости газового потока при сгорании является след-ствием расширения газов.

Абсолютная температура при сгорании повышается в 5–10 раз. Если горение происходит при постоянном давлении, газ расширяется в r о /р пр раз. Рассмотрим горение стационарного фронта пламени в открытой трубе, изоб-раженной на рисунке 28.

Рис. 28. Схема пояснения закона площадей: S – сечение трубы, F – поверхность фронта пламени, ω - скорость исходной горючей смеси, Т 0 , - тем­пература и плотность исходной смеси, U H – нормальная скорость горения, U ПЛ – скорость рас­-пространения пламени, U ПР – скорость продуктов горения, Т ПР, - температура и плотность про-дук­тов горения.

Так как пламя располагается неподвижно, ω = U ПР. Тогда, например, на 1 см 2 поверхности фронта пламени F поток приносит ω см 3 /с горючей смеси. Её масса равна ω. Соответственно от этого участка отводится U ПР см 3 /с про­дуктов сгорания с массою U ПР . Тогда по закону сохранения масс (уравне­ние 7.10) при ω = U ПЛ:

(7.11)

Таким образом, объемная скорость продуктов сгорания превышает ско­-рость горения во столько раз, во сколько плотность исходной среды больше плотности продуктов горения.

С другой стороны, если на 1 см 2 поверхности фронта пламени сгорает U Н см 3 /с смеси, то на всей площади F сгорает U Н *F см 3 /с. В то же время объ-ем сгорающего газа равен объемной скорости газового потока ω*S см 3 /с. То-гда U H *F = ω*S, или ω = U H *F / S.

При равенстве ω =U ПЛ:

U ПЛ = U H * F / S . (7.12)

Получаем закон площадей : скорость распространения пламени в трубе будет во столько раз больше нормальной, во сколько поверхность пламени превосходит поперечное сечение трубы.

Если рассматривать неподвижную горючую смесь, то при распростра­-нении фронта пламени резко нагретые газы не успевают расширяться, и в зо-не горения резко повышается давление, которое «распирает» и выталки­вает газы в обе стороны от пламени, причем выталкиваются не только про­дукты горения, но и возникает движение исходной смеси впереди фронта пламени, как на рисунке 29:

Скорость газов возрастает по мере сгорания исходной смеси и соответ­-ственно, давления газов. При этом с одного конца трубы выбрасываются сжа-тые раскаленные сгоревшие газы, а с другого выталкивается сжатая исходная смесь, которая взрывообразно воспламеняется от выброшенного пламени в атмосфере помещения с последующей ударной волной, пожаром и разруше­-нием.

7.4. Факторы ускорения горения.

Различные режимы дефлаграционного горения отличаются только ско-ростью распространения пламени в связи с неодинаковым развитием по­вер-хности фронта пламени. Горение первоначально неподвижного газа все­гда осложняется внешними возмущающими воздействиями, искажающими фор-му пламени. Важнейшими из них являются сила тяжести, трение и тур­були-зация горящей смеси.

Так, при поджигании в середине вертикальной трубы, как показано на рисунке 30, тяжелая исходная смесь распола- га­ется выше легких продуктов сгорания. При этом возни­кают конвективные потоки движения исходной смеси вниз, а про-дуктов горения – вверх. Под их влиянием фронт пламени рас-тягивается и горение ускоряется.

При распро­странении пламени вниз горючая среда не-подвижна и воз­мущение фронта пламени незначительно. При малых ско­ростях горения и длине трубы форма пламени близка к плоской.

Однако в этом случае газ также движется вниз по трубе вследствие расширения при сгорании. Трение дви­жущегося газа о стенки приводит к снижению его скоро­сти у периферии и растягиванию фронта пламени, и про­-филь скоростей фронта пламени также принимает вид ку­пола. Поверхность пламени прогрессивно увеличивается и горение ускоряется.

Достаточно быстрое сгорание, при котором скорость пламени достигает сотен м/сек, происходит при турбулизации газовой смеси и соот­ветственно, при турбулизации фронта пламени. Турбулизация вызывает зна­чительное разрастание фронта пламени, ускорение теплообмена между про­дуктами сго-рания и исходной смесью и, соответственно, горения. Такое го­рение часто называют взрывом.

7.5. Условия возникновения взрыва.

Как мы выяснили ранее, взрывом называется химическое или физиче­-ское превращение вещества, сопровождающееся крайне быстрым переходом его энергии в энергию сжатия и движения исходных веществ, продуктов их превращения и окружающей среды. Исходя из этого, химический взрыв – это крайне быстрая реакция горения, сопровождающаяся резким переходом вы­-делившейся тепловой энергии в энергию сжатия и движения исходных ве-ществ, продуктов сгорания и окружающей среды.

Взрыв состоит из трех стадий:

1) превращение химической энергии реакции в тепловую энергию;

2) превращение тепловой энергии в энергию сильно сжатого газа;

3) распространение сжатого газа в виде ударной волны.

Основными условиями протекания химической реакции в виде взрыва являются:

1. Экзотермичность , которая обусловлена тем, что прочность связей между атомами в продуктах реакции намного выше, чем в исходных вещест-вах, поэтому «лишняя» энергия высвобождается. При эндотермических реак-циях взрыва не происходит.

2. Образование газов , потому что:

· во-первых, переход в газообразное состояние при химической реак-ции любых веществ в постоянном объеме ведет к возрастанию дав-ления;

· во-вторых, газы имеют очень большой коэффициент объемного рас-ширения при нагреве. Без наличия газов будет происходить только разогрев вещества.

3. Высокая скорость реакции и ее способность к самораспростране-нию и самоускорению . Самораспространение происходит за счет либо теп-ловой «волны», осуществляемой теплопроводностью (дефлаграционный взрыв), либо ударной волны сжатых газов (детонация).

Тепловая «волна» поддерживается выделяющимся при горении теплом, а ударная волна – самим сжатым газом.

Автоускорение реакции и возникновение взрыва происходит в резуль-тате повышения температуры реагирующих веществ за счет теплоты реак-ции, либо увеличения активных радикалов, либо повышения давления в ударной волне.