Н.С. Зефиров - Химическая энциклопедия, том 1 (1110090), страница 372
Текст из файла (страница 372)
Под воздействием этого потока горючая смесь настолько быстро нагревается до высоких т-р, что компоненты не успевают прореагировать. В зоне диффузии 3 осуществляется молекулярное смешение компонентов горючей смеси и продуктов р-иии. В результате лиффузии концентрация горючего в зоне р-ции сильно снижается и смесь обогащается продуктами Г. Значения ширины зоны прогрева !т и зоны диффузии!о определяются коэф. температуропроводности смеси х и диффузии продуктов 0 соотва (т х/ц, 1л х/В. Ширина зоны ршии 1р для простой одностадийной р-цин во много раз меньше !т.' 1р/(у. Кута/Е(Тг — Т).
В случаях ршии со сложным механизмом (напрч при сильном торможении р-цин продуктом) (р м.б. сравнима и даже превосходить (т. В соответствии с текущими значениями Т и а распределена во фронте Г. и полная энтальпия смеси Н (рис. 3). При х > 0 нагретые слои, обогашенные горючей смесью, имеют избыток энтальпии по сравнению с энтальпией Н, исходной смеси (АН = Н вЂ” Но >О); при х < 0 недостаточно про- Рис. 3. Изменение энзильпии и реагнрзчощей систслгы вдоль координаты л рагцроьтранения фронта горения; н О-коэффициенты темпсратуроироводнос и смеси н диффузии продуктов со ответственно. гретая и сильно разбавленная продуктами смесь имеет недостаток энтальпии (ЬН < О). Избыток энтальпии во фронте Г, .причина неустойчивости стационарных волн Г. и возникновения колебательнмх режимов их распространения.
При сложных р-иях,, протекающих по многостадийному механизму, структура фронта Г, может оказаться более сложной, чем в случае простой (одностадийной) р-ции. В зависимости от соотношения между кинетич. константами разл, стадий сложной р-цни эти стадии могут либо протекать в одной зоне (режим слияния), либо могут быть пространственно разделенными и взаимод. между собой посредством тепловых и диффузионных потоков (режим управления), либо не будут испытывать никакого взаимного влияния (режим отрыва). Скорость распространения фронта Г.
с песк. зонами р-ции, как правило, определяется к.-ч. одной из них (т. наз. ведущая зона3 Кол-во горючего, сгорающего на единице пов-сти фронта Г. в единицу времени, наз. массовой скоростью Г. ик Она определяется выражением; иэ = ромас --.
= ) ю((Т, х)а(х)!г(х, где ро-плотность исходной смеси. Расчет скоростей Г,— массовой гп и линейной н — связан с отысканием распределения т-р и концентраций всех компонентов смеси во фронте Г. и требует совместного решения днфференц. ур-ний тепло- и массопереноса в реагирующей среде. Согласно Зельловичу †Фра-Каменецкому, для простой (одностадийной) р-ции ж=)/(Х7С)эу, (4) где й-теплопроводность смеси, у = КТ)!Е(Тг — То); значения й и и соответствуют т-ре Т;, плотности смеси р(Т„) !1б7 и эффективной концентрации горючего в зоне р-ции ар —— = уа /(2у + ВрС/й), Из этой ф-лы слелует, что из всех фйз.- хим.
св-в горючей смеси и характеристик тепло- и массопереноса наиб. влияние на лэ оказывает т-ра Тг, поскольку зависимость в от Т; соответствует зкспоненц. закону, т.е. — кдйтг В реальных условиях распространение фронта Г, всегда сопровождается потерями тепла во внеш. среду (излучением, теплопроводностью), что приводит к уменьшению т-ры и скорости Г. по сравнению с нх адиабатич. значениями. Если отношение интенсивности теплопотерь к мощности тепловыделения превышает нек-рое критич. значение, самораспространение р-ции по горючей смеси становится невозможным. Срыв Г, с ростом теплопотерь осуществляется скачком: непосрелственно перед потуханием скорость Г.
отлична от нуля и даже м.б. близка к скорости адиабатич. Г. Со срывом Г. вследствие теплопотерь связанм понятия разл, пределов Г. Так, если содержание воздуха в горючей смеси становится меньше стехиометрического, сильно уменьшаются скорости р-ции и тепловыделения. При неизменной теплоотдаче зто приводит к росту отношения интенсивности теплопотерь к мощности тепловыделения. При нек-рой концентрации горючего это отношение достигает критич. значения, ниже к-рого смесь становится негорючей в данных условиях; соответствующая концентрация горючего наз, концентрационным предедом Г. Аналогично определяются пределы Г. по начальной т-ре, давлению, диаметру трубы и т.
ш Диффузионное гореине имеет место в условиях, когда горючее и окислитель диффундируют в зону ршии с противоположных сторон; таково, напр., Г. свечи, фитиля. Если при этом константа скорости /г р-ции Г. много меньше константы скорости диффузии (3, реагенты успевают перемещаться и рция протекает в обычном кинетич.
режиме (относительно низкотемпературном). При й» (3 реагенты взаимод. тотчас же после их поступления в зону р-иии, прежде чем они полностью перемешаются, и р-ция протекает в режиме Гч т.е. при высоких т-рах. Отношение диффузионных потоков реагентов определяется стехиометрией р-ции; концентрации горючего и окислителя в зоне р-цин малы, оси. компонент смеси — продукты сгорания, к-рые диффундируют в области, занятые горючим и окислителем (рис 4). Выделяющееся при р-ции тепло передается горючему и окислителю, к-рые поступают в зону р-пни нагретыми до высокой т-ры.
В отличие от Г. перемешанных смесей, т-ра диффузионного Г, зависит от отношения В/х. При В = х она совпадает с т-рой Г. перемешанной стехиометрич. смеси горючего и окислителя, с уменьшением О/х — падает. По этой причине диффузионное Г. не реализуется в конденсиров. средах, для к-рых значения В/х очень малы; помимо газофазных систем, диффузионное Г. характерно для гетерог. р-ций на пов-сти (Г. твердых в-в, гете- Рис.
Е. Распределение «онцентрвции окислителя !уь юрючего !2К продуктов реышин !у! и т-ры смеси !4) во фрмтс диффузионного горения; л-пространственная коорлнната. ту — ааиабатнч т-ра горения. рог.-каталитич. Г,). Массовая скорость гд диффузионного Г. определяется скоростью диффузии реагентов в зону р-ции. Рост гп с увеличением скорости диффузии возможен лишь до определенного предела. Это предельное значение гн близко по величине к массовой скорости Г. в пламени, распространяющемся по стехиометрич. смеси горючего и окислителя.
По достижении предельного значения га рция переходнт и низкотемпературный кинетич. режим (происходит срыв Г.). От начальной т-ры реагентов Т гп прак11бй тически не зависит, однако при нек-ром минимальном для данного набора остальных параметров значении То диффузионное Г невозможно. Особенности горения в различных средах. При Г газовых смесей на скорость распространения фронта Г. (пламени) и форму его пов-сти существенно влияет гидродинамич. течение среды. Скорость н распространения пламени по неподвижной среде зависит от состава смеси, т-ры и давления и является физ.-хим. характеристикой смеси. Она наз. нормальной, или фундаментальной, скоростью Г.
Для р-ции и-го порядка и ехр(Е/2ВТг) рн" ', где р-давлеине. Для разл. горючих смесей и составляет от песк. см/с до десятков м,'с. Наблюдаемая скорость распространения пламени отличается от и из-за движения газа перед фронтом Гп напр. вследствие термич. расширения продуктов при распространении пламени от закрытого конца трубы к открытому.
При Г. в больших объемах расширение продуктов приводит к гидродинамич. неустойчивости пламени — самопроизвольному искривлению его пов-сти, образованию на ней ячеистых структур и др. В ламинарно движущейся горючей смеси пламя распространяется со скоростью и в направлении, нормальном к его пов-сти. Пламя имеет стабилизированную в пространстве форму при условии, что и равна нормальной составляющей скорости потока гю В случае вытекания из горелки радиуса г заранее перемешанной смеси со скоростью потока р = сопз1 стабилизированная пов-сть,пламени (т.
н факел) имеет форму конуса с высотой й = г'1/рл/из — 1. Г увеличением расхода горючего пов-сть пламени увеличивается, обеспечивая сгорание всей смеси. В случае диффузионного Г., напр. при ламинарном истечении горючего в атмосферу окислителя, форма пламени определяется условием равенства нулю на его пов-сти концентраций горючего и окислителя. Прн турбулен гном течении горючей смеси пульсации потока интенсифицируют тепло- и массоперенос в пламени, нскривляют и лробят его пов-сггь расширяют зону р-ции, что приводит к резкому ускорению Г, Скорость распространения турбулентного пламени может превосходить и в десятки и сотни раз.
В сильно шероховатых трубах турбулизация потока и ускорение пламени могут даже привести к переходу Г. в детонацию. В конденсированных (безгазовых) системах ведущая Г. экзотермич р-ция протекает в твердой или жидкой фазе с образованием канденсиров. продуктов; газофазные в-ва либо не участвуют в р-ии,, либо не влияют на распространение фронта Г. Примеры подобных процессов — Г. нек-рых термитных составов (смесей порошков оксидов и металлов-восстановителей), спморасгзросгнранлюн(из)сл высокотемпературный синтез, фронтальная полимеризация. Для Г. безгаювых смесей характерна высокая плотность выделения энергии, скорость Г.
для разл, систем принимает значения от 1О ' до 1О см/с и постоянна в широком интервале изменения давления; отсутствует диффузия продуктов в исходную смесь, изменение концентрации реагентов происходит годько в пределах зоны (ьции (зоны 1 и 3 на рис. 2 сливаются в одну). Такая структура фронта Г обусловливает макс. кол-во избыточной энтальпии в прогретом слое в-ва перед зоной р-ции, В сочетании с высокой температурной чувствительностью скорости р-ции (сверхкритич, значения энергии активации р-цни Е) это может привести к возникновению автоколебаний фронта Г с резкими пульсациями т-ры и скорости Г.
Если пов-сть фронта велика, колебания озд точек теряют синхронность и возникают пространственно неоднородные нестационарные эффекгы, напр. т наз. с липовое Г., при к-ром р-ция локализуется я небольшом ярком пятне, движущемся по спирали с пост скоростью в сторону несгоревшего в-ва (рис 5) При Г. смесей порошков, напр.
металла с углеродом, часто возникают широкие (намного превышающие зону про(рева) зоны тепловыделения, обусловленные сильным торможением р-цни продуктами. Интенсивная 1165( ГОРЕНИЕ 597 р-ция, определяющая скорость распространения фронта Г. протекает при т-рах, намного меньших Т;, дальнейшее догорание растягивается на большое пространство. Рпс 5 Спи оное орване тантала в азоте Г сг ревшая час ь образна (сее нтся горячие пролукзы гореиину. 3 о аг реакпни, распространя.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
