Распространение пламени в газовоздушных смесях

Модуль №4

Лекция № 10 Распространение пламени в газовоздушных смесях

Поджигание горючей газовоздушной смеси может осуществляться: 1) в замкнутом сосуде постоянного объема и 2) в трубке с открытым концом, когда обеспечивается возможность беспрепятственного расширения реагирующей смеси и сохраняется постоянство давления.

1. В замкнутом сосуде при v = const сгорания первых порций смеси приводит к повышению температуры и соотвественно давления реагирующей системы, что влечет за собой сжатие смеси, ускоряющее зажигание, в результате чего происходит взрыв.

2. Во втором случае (p = const) при поджигании смеси в точке благодаря передаче тепла теплопроводностью (диффузией) поднимется температура соседнего слоя, и смесь в этом слое также воспламенится. Итак, путем передачи тепла от слоя к слою фронт пламени будет перемещаться вдоль трубки от открытого конца по направлению к ее запаянному концу. Такой процесс распространения пламени называется нормальным и соотвественно скорость распространения пламени вдоль трубки - также нормальной (u_n , м/с)

Таким образом, поджигание холодной газовоздушной смеси при условии постоянства объема приводит к взрыву, а при условии постоянства давления ¾ к нормальному распространению пламени. Следует отметить, что нормальное горение при постоянном давлении иногда переходит в процесс детонации, протекающий с огромными скоростями (до 2¸5 км/с) аналогично взрыву. При этом нагревание смеси до воспламенения осуществляется путем сжатия.

Величина нормальной скорости распространения пламени имеет практическое значение при расчете горелок предварительного смешения, в которых скорость выхода смеси из наконечника горелки должна быть больше u_n во избежание обратного проскока пламени в корпус горелки.

Метод определения u_n по перемещению фронта пламени в трубках является простым и надежным, но результаты опытов при данном давлении и температуре газовоздушной смеси в значительной мере зависят от диаметра, температуры и материала трубки, в которой производится испытание, а также от положения ее в пространстве. С увеличением диаметра трубки скорость нормального горения резко возрастает, затем наступает некоторое замедление темпа роста u_n , после чего рост вновь продолжается.

Перегиб на кривой связан с ростом доли конвективного переноса тепла.

Рекомендуемые материалы

С уменьшением диаметра трубки скорость распространения пламени падает и, наконец, при достижении так называемого критического диаметра пламя в трубке вообще не распространяется. Величина этого диаметра зависит от природы сжигаемого газа и составляет примерно 1¸3 мм. Это явление используется в шахтерских лампах: делается сетка с отверстиями меньше критических, что предотвращает возможность выхода пламени из лампы наружу.

Вместе с этой лекцией читают "Кальциевый насос животной клетки".

В связи с вышесказанным, при использовании экспериментальных данных по определению u_n всегда необходимо указывать диаметр, материал и толщину стенки трубки, в которой производился эксперимент. Чаще всего опыты производят в стеклянных трубках d = 1”(25,4 мм) при t_нач = 20 ^оС и нормальном давлении (р = 100 кПа).

Характер зависимости нормальной скорости распространения пламени от природы газа объясняется в первую очередь величиной коэффициента теплопроводности и коэффициента диффузии. С увеличением этих коэффициентов возрастает и нормальная скорость горения.

Чем выше начальная температура газовоздушной смеси перед зажиганием, тем больше скорость распространения пламени. При подогреве смеси до температуры воспламенения смесь загорается одновременно по всему объему, что равнозначно бесконечно большой скорости, и понятие о скорости распространения пламени вообще теряет физический смысл.

По опытным данным, нормальная скорость горения растет примерно пропорционально квадрату абсолютной температуры газовоздушной смеси.

При увеличении процента газа в смеси нормальная скорость распространения пламени сначала возрастает, а затем начинает падать, причем максимум скорости соответствует коэффициенту расхода воздуха на горение несколько меньше теоретического. Так, для водорода максимум скорости горения отвечает коэффициенту расхода воздуха n = 0,8, а для метана n = 0,97.

Следовательно, максимальная скорость распространения пламени  отвечает некоторому избытку газа в смеси сверх стехиометрического соотношения газ ¾ воздух, что по теории цепных реакций объясняется возрастанием числа активных центров. В связи с этим интересно отметить, что наибольший избыток газа сверх стехиометрического соотношения для обеспечения максимальной нормальной скорости горения необходим при сжигании окиси углерода, воспламенение и горения которой облегчается лишь в присутствии водяных паров. Скорость распространения пламени на верхнем и нижнем пределе воспламенения одинакова для всех газов и равна примерно 0,2 м/с.