Процессы распространения пламени

В топливно-воздушной смеси источник воспламенения, например электрическая искра или рециркулирующие газы, создает узкую зону химической реакции, которая в результате переноса теплоты и активных центров распространяется от одного слоя смеси к другому. Таким образом, процесс распространения зоны реакции (распространения пламени) представляет собой ряд последовательно идущих непрерывных процессов зажигания.

Распространение пламени (зоны резкого возрастания температуры и интенсивной реакции) является важнейшим вопросом теории горения, так как различают нормальное распространение горения, или дефлаграцию, где ведущим процессом является передача тепла теплопроводностью, и детонацию, где поджигание производится ударной волной. Нормальное горение, в свою очередь, подразделяется на ламинарное и турбулентное.

 

Ламинарное горение

Характер и интенсивность переноса теплоты и вещества в горючей смеси зависит от ее гидродинамического состояния. В неподвижной среде и в потоке с ламинарным режимом движения перенос теплоты и вещества происходит главным образом путем молекулярной теплопроводности и молекулярной диффузии. Опыты показывают, что в этом случае химические реакции протекают в очень тонком слое (пламени), отделяющем несгоревшую смесь от продуктов сгорания. Толщина фронта пламени составляет доли миллиметра. Из-за плохой теплопроводности газов распространение пламени происходит медленно. Например, в неподвижной смеси углеводородов с воздухом скорость распространения пламени составляет 0,3 – 1,2 м/с и даже для наиболее быстро горящей смеси водорода с воздухом не превышает 3 м/с.

Интенсивность процесса горения неподвижных или ламинарно движущихся горючих смесей характеризуется нормальной скоростью распространения пламени u_n и массовой скоростью горения u_m. Под нормальной скоростью распространения пламени понимается линейная скорость перемещения элементов фронта пламени относительно свежей смеси в направлении нормали к поверхности фронта пламени в данном месте. Эта нормальная скорость является физико-химической константой горючей смеси.

 Массовая скорость горения представляет собой количество смеси, сгорающее на единице поверхности фронта пламени в единицу времени. Связь между u_n и u_m  выражается соотношением:

                                               u_m = u_nρ,

где ρ – плотность горючей смеси.

Диффузионно-тепловая теория нормального расп

ространения пламени приводит к следующему выражению для u_n:

                                                      

                                          u_n =√Аа_см /τ,

 

где А – безразмерный коэффициент, зависящий от начальной температуры смеси, температуры горения и кинетики реакции горения;

    а_см – температуропроводность смеси;

    τ - время химической реакции во фронте пламени.

Вычисление нормальной скорости распространения пламени из-за недостаточности знаний по химической кинетике многих реакций горения затруднено. Поэтому ее значения определяют экспериментально, в частности с использованием пламени бунзеновской горелки. Регулируя состав газовоздушной смеси, вытекающей из горелки при ламинарном режиме движения, можно добиться появления устойчивого и резко очерченного конуса горения (рис. 4.1.).Поверхность этого конуса, или, что то же самое, фронт пламени (неподвижный относительно огневой кромки цилиндрического канала горения) будет двигаться по направлению к газовоздушной смеси, вытекающей из горелки. Пламя в этом случае распространяется по нормали к поверхности воспламенения в каждой ее точке. При этом на поверхности конусного фронта пламени осуществляется равенство скоростей – проекции скорости потока газовоздушной смеси на нормаль к образующей конуса w_н и нормальной скорости распространения пламени:

                                       u_н = w_н = w_пот ∙ cos φ,

 

 где w_пот – скорость потока газовоздушной смеси.                                                                                                                                                                                                                                       Так как при ламинарном движении газовоздушной смеси распределение скоростей по поперечному сечению происходит по параболе, то для каждой точки, лежащей на образующей конуса, можно определить нормальную скорость распространения пламени.

       

 

 

         Рис. 4.1. Схема ламинарного факела однородной смеси                        

 

  Для приближенных расчетов принимают скорость прохождения горючей смеси через фронт пламени постоянной, равной u_n по всей поверхности конуса. В этом случае нормальная скорость распространения пламени определяется по формуле:

                                u_n =V_см / S = V_см / (π R√R² + Н²),

 где V_см – объем горючей смеси, проходящей через горелку, м³/с;

   S – поверхность конусного фронта горения, м²;

   R – радиус основания конуса, м;

   Н – высота конуса, м.

Значения теоретической скорости нормального распространения пламени (при адиабатном горении)для смесей различных газов с воздухом приведены в таблице 4.1

 

Таблица 4.1

Значения u_n для смесей различных газов с воздухом при атмосферном давлении и температуре 20^оС

Газ	Химическая формула	Стехиометрическая смесь с воздухом		Газовоздушная смесь, для которой un  максимально
		Объемное со- держание газа в смеси, %	Un, м/с	Объемное со- держание газа в смеси, %	unмакс, м/с	Коэффициент расхода воздуха
Водород	Н2	29,5	1,6	42,0	2,67	0,58
Оксид углерода	СО	29,5	0,3	43,0	0,42	0,56
Метан	СН4	9,5	0,28	10,5	0,3	0,9
Этан	С2Н6	5,64	-	6,3	0,43	0,9
Пропан	С3Н8	4,02	0,40	4,3	0,42	0,93
Бутан	С4Н10	3,12	-	3,5	0,41	0,89
Пентан	С5Н12	2,55	0,33	2,92	0,42	0,87
Этилен	С2Н4	6,5	0,5	7,0	0,63	0,93
Ацетилен	С2Н2	7,7	1,0	10,0	1,35	0,76
Бензол	С6Н6	2,72	0,37	3,34	0,41	0,81

  

Нормальная скорость распространения пламени сильно зависит от состава смеси (соотношения топлива и окислителя) и начальной температуры смеси. На рис. 4.2 показана зависимость скорости распространения пламени в воздушных смесях водорода, окиси углерода, этилена и метана от состава смеси (коэффициента избытка воздуха). Характер этих зависимостей характеризуется куполообразными кривыми. Максимальные значения нормальной скорости распространения пламени лежат в области богатых горючих смесей (при избытке горючего), а не при стехиометрическом соотношении.

 

 

         Рис. 4.2. Зависимость u_n от коэффициента расхода воздуха

                 в смеси (t_см = 20^оС, давление - атмосферное)

На рис 4.3 показано влияние начальной температуры смеси на максимальные значения нормальной скорости распространения пламени. Как видно из этого рисунка предварительный подогрев горючей смеси увеличивает скорость распространения пламени, так как при этом повышается температура горения.

                

 

        Рис. 4.3. Влияние начальной температуры газовоздушной

                        смеси на u_n^макс (давление – атмосферное)

 

По результатам экспериментальных исследований установлено, что максимальная скорость нормального распространения пламени растет пропорционально начальной температуре горючей смеси в степени 1,7.

 

 

Турбулентное горение

При работе горелок со значительными и высокими тепловыми нагрузками (горелки промышленных котлов, печей, сушил и т.д.) горение чаще всего происходит при турбулентном движении горючей смеси, так как при переходе от ламинарного горения к турбулентному скорость распространения пламени u_т резко увеличивается, соответственно увеличивается количество свежей смеси, реагирующей на единице фронта пламени в единицу времени.

В ламинарном потоке скорость распространения пламени определялась только физико-химическими свойствами горючей смеси - молекулярной теплопроводностью и молекулярной диффузией продуктов горения, в том числе и активных центров, в свежую смесь и свежей смеси в зону горения. В турбулентном же потоке горючей смеси скорость распространения пламени определяется главным образом гидродинамическим фактором - турбулентной диффузией веществ и турбулентной теплопроводностью, которые существенно увеличивают интенсивность передачи теплоты и переноса активных частиц.

  Турбулентные течения характеризуются такими величинами как масштаб турбулентности и интенсивность турбулентных флуктуаций (пульсаций) потока. Масштаб турбулентности представляет собой средний размер вихрей в турбулентном потоке.До некоторой степени эта характеристика зависит от геометрии системы, в которой развивается турбулентное течение. За устройством, генерирующим турбулентность, сначала формируется почти упорядоченное течение (например, вихревые дорожки в следе за плохо обтекаемыми телами). Затем эта упорядоченность вырождается и наблюдаются лишь случайные флуктуации потока, которые и представляют собой турбулентность. Понятно, что и наибольший масштаб турбулентности, возникающий за любым устройством зависит от размера этого устройства (например, от размера препятствия в потоке, размера сопла, из которого истекает газ, или от размера канала, в котором происходит рассматриваемое течение).

Интенсивность турбулентности характеризует величину амплитуды пульсаций скорости потока относительно величины осредненной скорости потока. Обычно она определяется как среднеквадратичная величина турбулентных пульсаций скорости потока.

Горение перемешанных газовых смесей становится турбулентным, когда ламинарное пламя входит в область потока, где течение перед фронтом пламени является турбулентным. Характеристики образующегося турбулентного пламени в значительной степени определяются масштабом и интенсивностью турбулентных пульсаций перед фронтом пламени относительно толщины зоны пламени и уровня нормальной скорости пламени.

Поскольку турбулентные характеристики потока зависят от его скорости, то и скорость распространения пламени в турбулентном потоке также зависит от скорости потока и определяется по формуле:

 

                                       u_т = А W_пот^ср u_n^0,3,

 

где W_пот^ср – средняя скорость потока горючей смеси, м/с;

  u_n – нормальная скорость распространения пламени в ламинарном потоке, м/с;

   А – коэффициент, равный 0,7 – 1,0.

  Наблюдения и исследования показывают, что структура фронта горения турбулентного пламени значительно отличается от структуры фронта горения ламинарного пламени. Если фронт ламинарного пламени очень тонкий и имеет относительно устойчивую и сравнительно гладкую и резко очерченную поверхность, то слабые пульсации турбулентного течения, масштаб которых велик по сравнению с толщиной пламени, приводят к искривлению поверхности фронта турбулентного пламени. Фронт пульсирует (очерчен нерезко), имеет размытые контуры и значительную толщину, в результате чего его поверхность сильно развита.