Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow БЖД arrow ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА
Посмотреть оригинал

Тепловая и диффузионная теории распространения пламени по газообразным смесям

Для понимания механизма распространения пламени по смеси газообразного горючего и окислителя рассмотрим рис. 2.1. При распространении горения исходную смесь 1 от продуктов горения 3 отделяет узкая светящаяся зона 2, называемая фронтом пламени. Фронт пламени представляет собой трехмерную область, в которой начинается и завершается химическая реакция взаимодействия горючего с окислителем. В этой зоне в виде теплоты сгорания выделяется вся потенциальная (химическая) энергия топлива и температура повышается до максимального значения — температуры горения (рис. 2.2).

В зоне перед фронтом пламени концентрация исходных компонентов почти не меняется, поскольку химического взаимодействия между ними не протекает и температура

Схема распространения пламени по газообразной

Рис. 2.1. Схема распространения пламени по газообразной

смеси:

1 — исходная горячая смесь; 2 — фронт пламени; 3 — продукты горения; 8'пл — толщина фронта пламени

Изменение температуры и концентрации исходных компонентов во фронте пламени

Рис. 2.2. Изменение температуры и концентрации исходных компонентов во фронте пламени

горючей смеси равна начальной. Непосредственно перед фронтом пламени (зоной химической реакции) концентрация реагентов понижается главным образом вследствие разбавления ее продуктами реакции.

Во фронте пламени в результате химической реакции горения концентрация исходных компонентов резко снижается до нуля, а температура достигает максимального значения. Вследствие молекулярной теплопроводности температура перед зоной химической реакции монотонно повышается от начальной температуры горючей смеси до температуры, близкой к температуре горения, образуя зону физического прогрева.

Для большинства углеводородных смесей фронт пламени представляет собой яркую зону свечения, которую можно наблюдать визуально или зарегистрировать с помощью фотосъемки. Свечение фронта пламени имеет химическую природу, является результатом превращения вещества и определяется радикалами С2, СН, НСО. При этом толщина зоны свечения (фронт пламени) соответствует толщине зоны реакции и не превышает, как правило, долей миллиметра, поэтому условно фронт пламени считают поверхностью. Это значительно облегчает рассмотрение и теоретический анализ явления, позволяя параметры горения относить не к единице объема, а к единице поверхности фронта пламени.

Фронт пламени перемещается по смеси с определенной скоростью. Различают видимую и нормальную скорости распространения фронта пламени. Под нормальной скоростью Wtl понимают скорость распространения фронта пламени по нормали к его поверхности:

где х — расстояние, пройденное фронтом пламени за время т.

Нормальную скорость горения можно также вычислить по формуле

где V — объем сгоревшей смеси за время т; 5,. — площадь поверхности фронта пламени.

Рассмотрим тепловую и диффузионную теории распространения пламени.

Сущность тепловой теории заключается в том, что от поверхности фронта пламени, где достигается максимальная температура, к свежей смеси за счет теплопроводности передается поток тепла. Под его действием происходит разогрев смеси до температуры самовоспламенения, в результате чего происходит самопроизвольная химическая реакция.

Согласно диффузионной теории перемещение зоны химической реакции в пространстве связано с диффузией активных частиц (радикалов) из зоны химической реакции, где при высокой температуре они образуются, в свежую смесь. Обладая чрезвычайно высокой реакционной способностью (т.е. очень малым значением энергии активации), они способны уже при нормальной температуре являться центрами химической реакции взаимодействия горючего с окислителем. Поэтому, попадая в относительно холодную свежую горючую смесь перед фронтом пламени, они инициируют химическую реакцию горения, и тем самым осуществляется перемещение фронта пламени в пространстве.

Деление механизма распространения пламени на тепловой и диффузионный является условным и отражает недостаточно полное представление о фактическом механизме процесса:

  • — тепловая теория может быть применима при различных механизмах реакции в пламени, если только соблюдается подобие полей температур и концентраций;
  • — диффузионная теория применяется при цепном механизме в пламени и особенно в тех случаях, когда велика концентрация атомов водорода в зоне реакции. Вероятнее всего, в процессе перемещения фронта пламени по свежей горючей смеси работают оба фактора: и тепловой, и диффузионный, т.е. наблюдается диффузионно-тепловой механизм распространения пламени.

Наиболее разработанной в настоящее время является тепловая теория, которая позволяет с введением ряда упрощающих допущений вывести выражение для нормальной скорости распространения пламени. В основе тепловой теории, разработанной главным образом Я. Б. Зельдовичем и Д. А. Франк-Каменецким при непосредственном участии Н. Н. Семенова, лежит представление о подобии поля температур и концентраций в зоне пламени:

т.е. температура и концентрация связаны линейной зависимостью. Следовательно, уравнение для скорости химической реакции можно представить в виде функции только температуры. В этой теории принято, что химическая реакция горения протекает лишь при температуре, близкой к температуре горения и все тепловыделение сосредоточено

в узкой области температур шириной примерно —

Е

Лишь в зоне достижения максимальной температуры (температуры горения) происходит снижение концентрации горючего от начальной концентрации до нуля. Некоторое снижение концентрации перед зоной реакции обусловлено разбавлением смеси за счет диффузии продуктов реакции.

Используя метод дискретного решения общего уравнения теплопроводности, можно записать

где X, сР, р0 — теплопроводность, теплоемкость и плотность горючей смеси; Q — тепловой эффект химической реакции; W — скорость химической реакции; Wn — нормальная скорость распространения фронта пламени.

Зависимость нормальной скорости распространения горения от физико-химических свойств смеси, скорости реакции и температуры горения может быть представлена в виде

Нормальная скорость распространения пламени является одной из важных характеристик пожарной опасности газообразных веществ. Как следует из уравнения (2.16), ее величина зависит от химической природы горючего и окислителя, физических и теплофизических параметров горючей смеси (сР, р0, X, Т0, Тг, Е.лкт, Q), т.е. она определяется физико-химическими свойствами горючей смеси, являясь, по определению В. А. Михельсона, ее фундаментальной характеристикой. Сущность горения заключается в том, что оно не может существовать, не распространяясь, и изменение условий его протекания приводит к изменению величины нормальной скорости распространения горения.

Значительное влияние на нормальную скорость распространения пламени оказывает состав горючей смеси. Как следует из соотношения (2.28), Wn пропорциональна скорости химической реакции, которая имеет максимум при стехиометрическом соотношении горючего и окислителя. Однако эксперимент показал, что максимум Wj, сдвинут в область более «богатых» смесей (а < 1).

Как следует из табл. 2.1, нормальная скорость распространения пламени имеет определенные пределы изменения. Она редко превышает 2,5 м/с, а для углеводородо- воздушного пламени составляет в среднем 0,4—0,8 м/с. Природа смеси определяет минимальное значение W,,, которое приходится на предельные смеси и составляет ~0,04 м/с. Смеси с меньшей нормальной скоростью уже не способны к распространению горения.

Таблица 2.1

Нормальная и максимальная скорости горения ряда горючих газов

Горючий

газ

Стехиометрическая концентрация, %

Нормальная

скорость,

м/с

Максимальная

нормальная

скорость,

м/с

Концентрация горючего при максимальной скорости, %

Водород

29,5

1,6

2,67

42,0

Оксид

углерода

29,5

0,3

0,41

43,0

Ацетилен

7,7

1,0

1,35

10,0

Этилен

6,5

0,6

0,63

7,0

Величина Wn зависит от вида и концентрации флегма- тизаторов и ингибиторов. Молекулы флегматизатора (азот, диоксид углерода, водяной пар, инертные газы), разбавляя горючую смесь, снижают вероятность активных соударений между молекулами горючего и окислителя. Вследствие этого скорость химической реакции горения надает и, как следует из выражения (2.16), уменьшается скорость распространения пламени.

Введение флегматизаторов приводит к уменьшению температуры в зоне химической реакции — температуры горения, что также снижает Wn. Обладая определенной теплоемкостью, газы-флегматизагоры, поступая в зону химической реакции, нагреваются, тем самым отбирая часть тепла. Очевидно, что чем больше теплоемкость флегматизатора, тем выше его влияние. Скорость распространения пламени также зависит от теплопроводности флегматизатора (2.16). Повышение теплоемкости и снижение теплопроводности при всех прочих равных условиях снижают нормальную скорость горения. Эксперименты показали, что влияние С02 на скорость распространения пламени значительно выше, чем аргона или азота. Это обусловлено их теплофизическими характеристиками. Соотношение сР для С02 составляет 2,69 м • с/кмоль, а для N2 и Аг — всего лишь —1,3.

Таким образом, эффективность воздействия газов-флег- матизаторов определяется их теплофизическими свойствами: чем больше отношение теплоемкости к коэффициенту теплопроводности, тем сильнее снижают они нормальную скорость распространения пламени.

Сложное влияние на нормальную скорость горения смеси оксида углерода с кислородом оказывают пары воды. Так, высушенный оксид углерода с кислородом не воспламеняется. Введение паров воды приводит к возникновению горения от источника зажигания. При увеличении содержания паров воды до 9% скорость горения смеси растет, однако при дальнейшем повышении концентрации воды нормальная скорость падает. Установлено, что в реакции оксида углерода с кислородом вода играет роль катализатора, ускоряя процесс окисления. При большом ее количестве (более 9%) разбавляющее действие паров воды начинает превалировать над каталитическим эффектом, вследствие чего скорость горения снижается.

При введении в горючую смесь химически активных ингибиторов (галоидзамещенные углеводороды) скорость распространения пламени снижается значительно сильнее, чем в случае флегматизаторов. Например, прекращение горения пропано-воздушной смеси (срыв пламени) наступает при добавлении 20—40% флегматизаторов, а для ингибиторов (1,2-дибромтетрафторэтан) этот процесс наступает при 2,5%. Столь высокую эффективность этого класса соединений связывают с их непосредственным участием в элементарных актах химической реакции горения. При высокой температуре во фронте пламени происходит разложение фреона с образованием галоидных радикалов, которые нейтрализуют активные реакции, приводя к обрыву цепных реакций. Эффективность ингибиторов зависит от вида галоидов, их содержания в молекуле вещества и состава горючей смеси. С увеличением степени замещения водорода эффективность ингибиторов возрастает, при этом для «богатых» смесей значительно сильнее, чем для «бедных». Влияние начальной температуры смеси на нормальную скорость распространения пламени можно проследить, анализируя выражение (2.16). С возрастанием Т0 увеличивается температура горения смеси

а следовательно, и скорость химической реакции.

На практике (пожары) чаще всего встречается диффузионное горение. Скорость распространения пламени в данном случае зависит от скорости образования горючей смеси.

Типичное диффузионное пламя образуется при сгорании горючего газа, вытекающего из горелки на воздух. Когда скорость струи невелика, граница пламени устойчива, пламя на вид «гладкое», горение протекает спокойно. С увеличением скорости истечения высота пламени растет. Такое горение является ламинарным. При дальнейшем увеличении скорости истечения ламинарное горение переходит в турбулентное (рис. 2.3). Согласно общепринятым положениям при горении вытекающего на воздух горючего газа кислород воздуха, диффундируя через слои продуктов

Зависимость высоты пламени от скорости истечения газа из трубки постоянного диаметра

Рис. 2.3. Зависимость высоты пламени от скорости истечения газа из трубки постоянного диаметра:

1 — ламинарный режим горения; 2 — переходный режим горения; 3 — турбулентный режим горения горения, поступает в зону горения, где вступает в химическую реакцию окисления с горючим.

Вследствие диффузии окислителя из окружающей среды концентрация горючего на некотором расстоянии от выхода из трубки хв снизится со 100%-ной до верхнего концентрационного предела воспламенения, и станет возможным протекание химической реакции (рис. 2.4).

Зависимость концентрации горючего (/) и скорости химической реакции (2) с увеличением расстояния от выхода из трубки

Рис. 2.4. Зависимость концентрации горючего (/) и скорости химической реакции (2) с увеличением расстояния от выхода из трубки

Из-за избытка горючего в этой области образуются в основном продукты неполного окисления (СО, СН4, углерод и т.п.). Присутствие в этой области углерода обусловливает ярко-желтое свечение диффузионного пламени. По мере расходования горючего и повышения концентрации окислителя из-за диффузии последнего концентрация горючего снижается. И как только на расстоянии хн она достигнет нижнего предела воспламенения, химическая реакция горения прекратится.

По мере изменения концентрации горючего в зоне реакции в - хп) от верхнего до нижнего концентрационных пределов воспламенения она проходит через стехиометрическую хст, при которой скорость химической реакции окисления максимальна. Экспериментальные данные показывают, что за счет определяющего влияния диффузии на скорость химической реакции ширина зоны реакции в диффузионных процессах значительно больше, чем в кинетических и составляет, по оценкам А. Г. Гейдона и X. Г. Вольфгарда, от нескольких миллиметров до одного сантиметра.

Соответственно, уменьшается и скорость выделения тепла в единице объема зоны реакции. Так, для диффузионного пламени СН4-02 скорость тепловыделения в 4 • 104 раза ниже, чем для кинетического. В работах по диффузионному пламени нормальная скорость горения не определяется. Скорость диффузионного горения зависит от коэффициента диффузии окислителя, диаметра горелки и не является константой процесса горения. Поэтому для диффузионного пламени определяют только высоту пламени

где Wрз — скорость истечения газа, м/с; г — радиус струи горючего газа, м; D — коэффициент диффузии окислителя в продуктах реакции, м2/с.

Более точная зависимость высоты пламени дается в работах В. И. Блинова и Г. Н. Худякова:

где ток масса окислителя, необходимая для окисления 1 г горючего; рга — плотность горючего, кг/м3; С0 — концентрация окислителя вне пламени.

Коэффициент диффузии зависит от давления и температуры:

где D0 коэффициент диффузии в газах при изменении давления при нормальных условиях (101,325 кПа, 273°С); 2 — коэффициент, равный 1,5—2,0.

Коэффициент D0 зависит также от природы смеси и может меняться более чем на порядок. Для предельных углеводородов он монотонно снижается с увеличением длины углеводородной цепи (табл. 2.2).

Таблица 2.2

Коэффициент диффузии для составляющих горючих

систем

Газ

о2

со2

сн4

с2н6

С5Н12

С 10^22

?>0,М2/(С . 1Q5)

6,11

1,38

1,96

1,08

0,67

0,46

На практике кинетическое и ламинарное диффузионное распространение пламени встречается сравнительно редко. Чаще встречается диффузионное турбулентное горение. Согласно теоретическим и экспериментальным работам К. И. Щелкина, Л. Н. Хитрина, Е. С. Щетникова, А. В. Талантова и др. при истечении горючего газа, начиная с некоторой скорости, граница пламени становится неустойчивой. При этом наблюдается заметное уменьшение высоты пламени (см. рис. 2.3). При большем увеличении расхода газа высота пламени или слабо меняется, или остается практически постоянной, пламя отрывается от среза горелки и устанавливается на некотором расстоянии. Такое пламя называют приподнятым.

Турбулентное движение характеризуется беспорядочным нерегулярным изменением во времени величины и вектора скорости в каждой точке потока.

Картина турбулентного движения в принципе аналогична молекулярному движению, только вместо хаотического движения молекул происходит такое же движение макрочастиц — отдельных объемов газа, при этом сами объемы не являются устойчивыми в пространстве и времени. Траектории движения объемов газа при развитой турбулентности очень сложны, что приводит к его сильному перемешиванию, вследствие чего весьма сильно интенсифицируется горение, в частности увеличивается скорость распространения пламени. Причинами турбулизации потока являются:

  • — увеличение скорости истечения газа;
  • — воздействие завихрителей и тел с плохо обтекаемой формой;
  • — обратное воздействие процесса горения на характер движения смеси.

Турбулентность имеет статистическую природу: в течение длительного промежутка времени средняя скорость потока в данной точке является постоянной величиной. Однако мгновенная скорость потока непрерывно отклоняется от среднего значения.

Разность между мгновенной и средней скоростями движения потока называют пульсациопиой скоростью:

где AW — пульсационная скорость, м/с; W, — мгновенная скорость, м/с; Wcp — средняя скорость, м/с.

Кроме пульсационной скорости существует еще среднеквадратичная пульсационная скоростьП с, которая является одной из основных величин, характеризующих турбулентность:

Другой характерной величиной для турбулентного горения является масштаб турбулентности, или длина пути смешения LT, представляющая собой путь, на протяжении которого перемещающийся объем газа не изменяет своей скорости, температуры и состава.

По аналогии с молекулярным переносом при турбулентном движении за скорость молекул может быть принята среднеквадратичная пульсационная скорость, а за длину их свободного пробега — масштаб турбулентности. В этом случае к турбулентному движению можно применить положения кинетической теории газов, согласно которой коэффициенты массо- и теплопереноса D и X пропорциональны произведению среднеквадратичной скорости на масштаб турбулентности (1КПС • LT).

Турбулентные коэффициенты переноса в сотни и тысячи раз больше соответствующих коэффициентов молекулярного переноса. Поэтому и перенос массы, и тепла в турбулентном потоке в тысячи раз выше, чем в ламинарно движущемся или неподвижном газе. Это связано главным образом с тем, что длина пути смешения (масштаб турбулентности) на несколько порядков больше длины свободного пробега молекул, а пульсационная скорость меньше скорости движения молекул. Пульсации скорости в турбулентном потоке приводят к пульсации концентрации, давления и температуры. Под температурой турбулентно движущегося газа принимают ее усредненное по времени значение. Истинная температура газа испытывает такие же нерегулярные хаотические пульсации, как и скорость. Следует особо подчеркнуть при этом, что скорость химической реакции (например, реакции горения) нельзя рассматривать как функцию средней температуры, поскольку она весьма сильно зависит от температуры (уравнение Аррениуса).

В случае горения предварительно перемешанной кинетической смеси различают мелкомасштабную и крупномасштабную турбулентность. Если масштаб турбулентности меньше толщины фронта пламени б, турбулентность является мелкомасштабной, в том случае, когда масштаб турбулентности больше толщины фронта пламени — крупномасштабной.

При мелкомасштабной турбулентности повышение скорости сгорания объясняется увеличением скорости массо- и теплопереноса в зоне пламени. Увеличение скорости распространения пламени в этом случае по сравнению с нормальной скоростью в неподвижной горючей смеси пропорционально значению коэффициентов температуропроводности при турбулентном и молекулярном тепло- переносе (Хм т, X):

Согласно модели, разработанной К. И. Щелкиным, при крупномасштабной турбулентности происходит раздробление фронта пламени. Турбулентное пламя состоит как бы из отдельных объемов свежей смеси, горящих с нормальной скоростью и окруженных со всех сторон продуктами горения, имеющими высокую температуру — температуру горения. Горение распространяется за счет «забрасывания» пламени в свежую смесь в результате турбулентных пульсаций. Эта модель известна как эстафетная передача горения. Исходя из ее положений величина турбулентной скорости пропорциональна нормальной скорости и относительному увеличению поверхности горения:

где 5ГКТ — суммарная поверхность фронта горения при крупномасшатабной турбулентности; Sr — поверхность фронта пламени при горении в неподвижной или ламинар- но движущейся смеси.

Ученый А. В. Талантов, анализируя увеличение поверхности фронта пламени, предложил скорость турбулентного горения принимать равной сумме нормальной скорости и среднеквадратичной скорости пульсаций W„c, что более полно соответствует модели «забрасывания» пламени турбулентными пульсациями:

Наряду с турбулентностью, вызванной характером движения горючей смеси, наблюдается и турбулентность, порождаемая пламенем. Модель поверхностного турбулентного горения справедлива лишь в условиях, когда характерное время турбулентного горения больше времени нормального горения.

Когда характерное время турбулентного горения ниже нормального, справедлив механизм обычного горения. Ведущее место в разработке теории объемного турбулентного горения принадлежит Е. С. Щетинкову и М. Саммерфильду.

В противоположность поверхностной модели, в которой скорость горения не зависит от масштаба турбулентности, скорость объемного турбулентного горения пропорциональна квадратному корню из масштаба турбулентности.

Поверхностная и объемная модели представляют собой предельные случаи турбулентного горения. В реальных условиях возможны и любые промежуточные стадии.

Горение на пожаре в подавляющем большинстве случае протекает в диффузионном режиме в условиях развитой турбулентности. Пульсационная скорость приводит к переносу целых объемов воздуха и горючего. Это резко интенсифицирует процесс массообмена и, следовательно, скорость горения.

При турбулентном режиме горения отношение высоты пламени к расходу газа в 104 раз меньше, чем при ламинарном (табл. 2.3) и соответственно интенсивность турбулентного горения на несколько порядков выше ламинарного. На участке турбулентного горения с увеличением расхода газа величина несколько снижается. Так, при увеличении расхода в 6 раз (с 5 до 30 м3/с) значение hnjl/Wrs снижается в 2,5 раза. Эти результаты показывают, что с повышением скорости истечения струи на участке турбулентного горения продолжается интенсификация процесса смешения горючего с окислителем и, следовательно, увеличивается скорость диффузионного горения.

Таблица 2.3

Параметры горения газа при различных режимах

Режим

горения

Расход газа Шга, м3

Высота пламени Апп, м

Кя/И'гз, С/м2

Ламинарный

4,5 • ПН

5,1 • 10 2

1,13 • 104

8,8 • 10-6

12,7 • 10 2

1,44 • 104

17,1 • 10-6

23,9 • 10 2

1,4 • 104

Турбулентный

6

18,60

3,1

12

25,2

2,1

18

27,0

1,5

30

35,0

U7

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы