Тема 7. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПЛАМЕНИ

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.

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.

Рекомендуемые материалы

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)

        Рис. 27.

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:

                                                                             (7.3)

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:

                                                                     (7.6)                   

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  см³ горючей смеси, её масса равна u_н*ρ_г соответственно от этого участка пламени отводится в 1 сек u_пр см³  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, Т₀ , - 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 см² поверхности фронта пламени F поток приносит ω  см³/с горючей смеси. Её масса равна ω. Соответственно от этого участка отводится U_ПР см³/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 см² поверхности фронта пламени сгорает U_Н см³/с смеси, то на всей площади F сгорает U_Н*F см³/с. В то же время объ-ем сгорающего газа равен объемной скорости газового потока ω*S см³/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:

                                                  Рис. 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.

В лекции "10 Деревья" также много полезной информации.

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.