1612727554-7422b28b59adffe5b22446310d759047 (828458), страница 69
Текст из файла (страница 69)
Концентрационные пределы для смесей различных газов н паров с воздухом приведены в табл. 80 (данные Льюиса н Эльбе). Концентрационные пределы, приведенные в табл. 80, определялись прн атмосферном давлении и комнатной температуре, прн распространении пламени вверх по трубкам диаметром !О см и больше. Концентрационные пределы определяются не только концентрациями компонентов газовой смеси, но и диаметром трубки. Расширение концентрационных пределов наблюдается в трубках диаметром до 5 см. Одна и та же смесь горит в широких трубках и не горит в узких трубках, диаметр которых меньше критического.
Явление это было открыто еще в 1816 г. (Дэви) и легло в основу конструкции безопасной шахтерской лампы, в которой медная сетка с мелкими отверстиями исключает распространение пламени из внутреннего пространства лампы в атмосферу шахты. 383 6 521 горение газов Таблица 80 Концентрационные пределы длп смесей газов я паров с воздухом Коввентравноввне врелел», и Формула Вещество внжнна еертана Причиной возникновения концентрационных пределов являются теглопотери в окружающее пространство: теплоотвод через стенки трубки и теплоотдача излучением.
При распространении пламени в узких трубках предел распространения связан с теплоотдачей в стенки. Концентрационные же пределы, вне которых распространение пламени невозможно ни прн каких диаметрах сосуда, в свою очередь обусловлены теплоотдачей излучением. Теория пределов распространения пламени разработана Зельдовичем. 8 52.
Горение газов Изучение процессов горения газовых смесей основано главным образом на применении фотографических методов исследования. Фотографирование пламени может производиться либо непосредственно, либо при помощи теневого или шлирен методов, основанных на различии плотностей несгоревшей смеси и продуктов горения. Непосредственное фотографирование возможно в том случае, когда интенсивность свечения пламени достаточно велика. Горение газовых смесей может протекать весьма различно в зависимости от условий опыта. В том случае, когда сгорание Водорол Окись углерода . Ссроуглсрод Сероволород . Аммиак Метан Этан .
Этилсн Ацетилен . Мстиловый спирт . Этиловый спирт Эфир дивтиловый . Эфир метилэтиловый Ацетон . Вснаол . Толуол . Ксилол . Лихлорвтан . н. со Сз, Н,з мн, сн, с,н, с,н, с.н, сй,о с.н,о с,н,„о сен,о с„'ноо с,не Суна С„Нто С.Н,С1е 4,00 12,50 1,25 16,50 5,00 3,22 2,75 2,50 6,72 3,28 1,85 2йЮ 2,55 1,41 1,27 1,'ОО 6,20 74,20 74,20 50,00 45,52 27,СО 15,00 12,45 28,60 80,00 36',50 18,С5 10,'10 12,80 6',7. 6,75 7,00 15,90 [гл. х гогвиив взеывчатых ввщвств смеси происходит при постоянном давлении, наблюдается равномерное распространение пламени с постоянной скоростью.
Такая форма горения может быть осуществлена при зажигании газовой смеси у открытого конца трубки; в этом случае происходит непрерывное выравнивание давления во фронте пламени с атмосферным. Это же условие (р=сопз() соблюдено в конусе пламени бунзеновской горелки, где также имеет место распространение горения с постоянной скоростью.
Равномерная скорость распространения пламени может быть также реализована с помощью метода мыльного пузыря (метод Стнвенса). При центральном зажигании газа (с помощью кззп Ь ~ пп $„ 6 пап аппп гп п аг а«и ан и аг да ап ап ныл а >э са намял' га со а) б) Рвс. 122 Зависимость скоростм распространения пламевя (а) и скорости горения (б) от состава газовой смеем. искры) в мыльном пузыре возникает сферический фронт пламени, по мере распространения которого -диаметр пузыря увеличивается вследствие расширения продуктов горения.
Так как сопротивление мыльной пленки очень мало, то расширение газов и весь процесс распространения идет при почти постоянном давлении. Скорость распространения пламени в пространстве в данном случае складывается из скоростей распространения зоны реакции относительно газа и движения расширяющихся газов. Результаты экспериментальных исследований различных авторов показали, что скорость горения газовых смесей существенно зависит от концентрации составляющих компонентов, что, например, видно из рнс. 122 и 123.' На ряс.
!22, с целью придания кривым более симметричной формы, по оси абсцисс отложен квадрат молярной доли СО в смеси. Данные эти относятся к влажной смеси СО и Ол., молярная доля НзО равна 0,033. Максимальная скорость горения для СО и СН, лежит в области концентраций, близкихкстехиометрическим соотношениям.
885 й 521 гованив газов Влияние малых количеств паров воды на скорость горения стехиометрической смеси СО н От показано на рис. 124. Из рис. 124 видно, что незначительная примесь водяных паров, в соответствии с их каталитической ролью, приводит к весьма резкому повышению скорости распространения пламени. Наличие водяных паров в то же время практически совершенно не сказы- ааз вается на скорости горения метановых смесей.
Скорость распространения пла- яз мени существенно зависит от диаметра трубки. Соответствующие данные для смесей метана с воздухом азр показаны на рис. 125. Наибольшие измеренные значения соответствуют диаметру трубы почти в !00 см. Из хода кривых не следует ожидать быстрого прекращения роста скорости при дальнейшем увеличении диаметра. Это явление может быть объяснено тем, что с увеличением диаметра трубы 6 происходит искривление фрбнта $г пламени, обусловленное конвекци- ~ оннымн токами, в результате чего поверхность горения сильно увеличивается, что и служит непосредственной причиной роста скорости пламени. В результате обработки экспериментальных данных Ковард и Гартвелл показали, что если диаметр трубы больше его критического значения, то скорость пламени, опреде- Лзюзззюз Жю арююю лЯемаЯ объемом газа, сгоРаюшего ° Рис 123 Заииснность скорости в единицу времени на единице по- горении от концентрации конверхности фронта, остается неизмен- ионеитои газовой смеси.
ной при изменении диаметра трубы. Приведенные экспериментальные результаты находят простое теоретическое объяснение. Основной закон горения в движущемся газе был установлен еше Михельсоном в его известной работе «О нормальной скорости воспламенения гремучих газовых смесей».
Согласно этому закону, если нормаль к поверхностн фронта пламени образует угол р с направлением распространения, то скорость распространения пламени возрастает обратно пропорционально косинусу угла р. Если скорость 2З Физазз взрыва 886 1гл. х гогнннв ввгывчатых вегцястя аю й $ бОО ~~~ сру ЯЮ и ЦСг ШК абб ВРУ Еа Вг 2Г4 Иолядная Вля лалсд Ым Рис.
124. Влияние концентрации паров воды на скорость распространения пламени. О нг ал ю 37 ялг 11ааиеар лргсяк сю Рнс. 125. Зависимость скорости распространения пламени от диаметра трубки (смеси ме- тана с воздухом). 5 521 387 ГОРЕНИЕ ГЛЗОВ распространения плоского фронта пламени по отношению к непо- движному газу в направлении, перпендикулярном к его поверх- ности Ги, то скорость пламени о в направлении его распростра- нения будет М ГГ = СОВ Р (52,1) Соотношение (52,1) известно под названием закона косинуса. Ги носит название нормальной или фундаментальной скорости распространения пламени. Более общую формулировку дает закон площадей, применимый не только к плоскому, но и к произвольно искривленному фронту пламени.
Из этого закона следует, что при всяком увеличении поверхности фронта пламени скорость распространения возрастает пропорционально отношению поверхности фронта пламени к его проекции на плоскость, перпендикулярную направлению распространения. Пусть в трубке с плошадью поперечного сечения о распространяется пламя со скоростью о. Объем смеси, сгорающей за единицу времени, будет Следовательно, (52,2) Ф=ГИ вЂ”, г- В ' что и выражает закон площадей.
В частном случае плоского фронта пламени будем иметь В=асов 7, и закон площадей перейдет в закон косинуса. Теория теплового распространения пламени. Если химическая реакция горения ие является автокаталитической, то причиной распространения пламени может быть только передача тепла от продуктов горения несгоревшей смеси. Такой внд распространения пламени называется тепловым. Примерное распределение температур в газовой смеси вследствие выделения теплоты реакции и теплопроводности схематически показано на рнс. !26.
В соответствии с этой схемой быстрая химическая реакция (зона горения) начинается лишь при температуре Т., близкой С другой стороны, в каждой точке поверхности фронта пламя распространяется по нормали к этой поверхности с фундаментальной скоростью ш. Если поверхность как угодно искри-, вленного фронта пламени обозначить через з, то тот же самый объем смеси, сгорающей за единицу времени, выразится как У= ГИЗ. 388 (гл. х горенка взрывчатых веществ лр уг ааии аГлаа яка где с — объемная теплоемкость, г) — коэффициент теплопроводности. Решение уравнения (52,3) имеет вид Рис.
126. Распределение темпе растры в горящей газовой смеси 7 7 + д( †„ (52,4) где и — скорость распространения пламени, )т' — константа,определяемая из граничных условий, 1с есть отношение теплопроводности к объемной теплоемкости и называется коэффициентом температуропроводности: с р' (52,5) где р — средняя плотность газа в рассматриваемом интервале температур. Так как при х = оо Т= Т„ а при х=0 Т= Т„ то )и'= = Т.
— То и (52,4) можно представить в виде Уа Та =е р. Ти — Та Ти — Та (52,6) Уравнение (52,6) дает возможность судить о порядке ширины того слоя, в котором прогрев еше достаточно сушествен. Это уравнение впервые получено Михельсоном. Если в качестве масштаба ширины зоны С принять то расстояние, на котором в е ~ 2,7 раза растет разогрев, то у 1" (52,7) и сири' Подставляя в выражение (52,6) соответствуюшие константы при температуре около 500', найдем: 7.=0,06 слг для смеск метана с воздухом (и = 5 см/сек) и с. = 0,0003 см для гремучей смеси 2Нз+Оз (и=1000 см~сек).
В обоих случаях ширина зоны прогрева во много раз больше длины свободного пробега молекул. Для доказательства доста. к температуре Т. горения газовой смеси. В зоне, ограниченной температурами Т„и Т, (начальная температура исходной смеси), реакция протекает настолько медленно, что в ней можно пренебречь выделением тепла. В этом случае ширину этой зоны (зоны прогрева) можно определить, исходя из дифференциального уравнения теплопроводности, которое для одномерного случая имеет вид: сгГТ изг — — (52,3) 889 а 521 говение глзов точно подставить в уравнение (52,7) молекулярно-кинетическое выражение коэффициента теплопроводности 1 ч= з сзР"с где Х вЂ” длина свободного пробега молекул, с" — средняя ско. рость теплового движения молекул. Величина с' порядка скорости распространения звука в газе сч, обе эти величины пропорциональны ~/Т. Таким образом, по порядку величины 1 с' Аж — Х вЂ”.
3 и (52,8) Для рассмотренных нами примеров с'))и. Используя соответствующие соотношения кинетической теории газов, легко установить в общем виде связь между ско. ростью распространения пламени и скоростью звука в газовой смеси. Ширина зоны прогрева, как это уже было показано, определяется соотношением А=в з и Ширина зоны горения 1.„т. е. зоны, в которой протекает интенсивная химическая реакция (см. рис. 126), будет Т.,=ит, (52,9) и= Ф вЂ” '.
(52,11) Если Х вЂ” длина свободного пробега и у — среднее число столкновений, необходимое для элементарного акта химической реакции, то время протекания химической реакции хт с' ' (52,12) где т — время химической реакции. Очевидно, что 1., не может быть больше, чем 1.. В действительности зона горения всегда меньше тепловой зоны. Для соблюдения размерности необходимо считать, что С~ и С пропорциональны друг другу: 7.„= ФТ., (52,10) где коэффициент Ф ( ! и зависит от кинетики реакции и температур Тз н Т,.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
