Режимы горения

Пламя возникает в результате сложного взаимодействия химических и физических процессов.

В литературе нет общепринятого определения пламени.

Фрисом [11] определяет пламя как реакцию горения, которая может распространяться в пространстве с дозвуковой скоростью.

Ксандопуло Г.Н. [5] отмечает, что не все процессы горения сопровождаются возникновением пламени и не все пламена являются результатом горения. Он выделяет пламена рекомбинации атомов или экзотермических реакций распада вещества (распад озона, ацетилена, гидразина и т.п.). Протекание экзотермических реакций – не единственное условие горения и возникновения пламени.

Хитрин Л.Н. [13] определяет пламя как быструю, самоподдерживающуюся химическую реакцию, протекающую в пространственно ограниченной реакционной зоне.

Мальцев В.М. [7] под пламенем понимает газообразную среду, в которой происходят физико-химические превращения компонентов.

Усманов И.Ф. [10] дает следующее определение пламени: «Пламя – это определеннный объем газовой среды, в котором протекают гомогенные или гетерогенные процессы горения». Внутри пламени всегда организуются потоки. Это могут быть потоки продуктов горения, исходных компонентов, воздуха и т.п. Следовательно пламя можно определить как излучающую струю, в которой протекают реакции горения.

Хацринов А.Н. [12] дает следующее определение пламени. Пламя – это излучающая струя, в которой протекают реакции горения.

Кутуев Р.Х. [6] характеризует пламя как часть газового пространства, где протекают все физико-химические процессы, собственно горения.

На наш взгляд, с точки зрения специалистов противопожарной службы, наиболее подходят следующие определения пламени.

Пламя – самоподдерживающийся режим распространения зоны химического превращения в пространстве либо пламя можно охарактеризовать как определенный объем газового пространства, в котором протекают все физико-химические процессы горения.

Как уже отмечалось выше, возникновение пламени характерно для гомогенного горения.

Различают два режима гомогенного горения: кинетический и диффузионный.

При гомогенном горении горючие газы или пары могут быть предварительно перемешаны с воздухом перед входом в зону горения (как, например, в горелке Бунзена). Предварительно перемешанная смесь называется однородной. Горение однородной смеси протекает во всем объеме пламени, а скорость горения определяется только кинетикой окислительно-восстановительной реакции. Такой режим горения называется кинетическим. При горении однородных смесей при достаточном количестве окислителя происходит, как правило, полное сгорание горючего газа или пара с образованием летучих продуктов горения СО₂, Н₂О и др.

В большинстве случаев на реальных пожарах горючее и окислитель предварительно не перемешаны. В этом случае окислитель (кислород воздуха) из окружающей среды и горючие газы поступают в зону непосредственного взаимодействия преимущественно за счет процесса диффузии.

Непосредственно химическая окислительно-восстановительная реакция протекает в тонком поверхностном слое, ограничивающем пламя, называемом фронтом пламени. Толщина фронта пламени невелика, она зависит от газодинамических параметров и механизма распространения пламени (дефлаграционный или детонационный) и может составлять от десятых долей миллиметра до нескольких сантиметров. Внутри пламени практически весь объем занимают горючие газы (ГГ) и пары. Во фронте пламени находятся продукты горения (ПГ). В окружающей среде находится окислитель.

Диффузионное горение – это процесс горения неоднородной (предварительно не перемешанной) горючей смеси, в котором существенную роль играют процессы диффузии горючих газов и паров и окислителя во фронт пламени.

При диффузионном горении возможно неполное сгорание горючего газа или пара с образованием продуктов горения СО₂, Н₂О, СО, С и др.

По газодинамическим параметрам различают ламинарное и турбулентное горение.

Ламинарным (от лат. lamina - слой, пластина)называется спокойное, безвихревое пламя устойчивой геометрической формы.

Турбулентным (от лат. turbulenze - вихрь)называется беспокойное, закрученное вихрями пламя постоянно меняющейся формы.

Газодинамический режим горения зависит от линейной скорости горючего вещества или смеси и характеризуется критерием Рейнольдса (мера отношения сил инерции и внутреннего трения в потоке):

× (для запоминания: "ведро молока") (1)

где v - линейная скорость газового потока, м/с;

d - характерный размер потока, м;

r - плотность газа, кг/м³;

m - динамический коэффициент вязкости, Н×с/м²

Ламинарный режим наблюдается при Re < 2300, при 2300 < Re < 10000 режим переходный, а при Re > 10000 - турбулентный. Во всех случаях толщина d зоны горения (фронта) пламени d_лам < d_пepex < d_тyp.

Из-за ограничений, налагаемых скоростью диффузии, горючие газы и пары зачастую не успевают прореагировать с кислородом воздуха полностью и продукты горения помимо летучих газов и паров содержат мелкие раскаленные конденсированные частички несгоревшего углерода органических веществ в виде сажи, которые также излучают свет и тепло

Излучение пламени определяется излучением продуктов горения в различном агрегатном состоянии. По этому признаку все пламена можно разделить на две группы:

- серое пламя, в котором основными излучателями являются конденсированные продукты горения;

- спектральное пламя, в котором основными излучателями являются газообразные продукты горения.

Иногда при рассмотрении источников излучения выделяют пламена по наибольшему излучению в данной области спектра:

- пламя ИК-излучения,

- пламя УФ-излучения,

- осветительное пламя,

- цветные пламена.

Структура пламени.

Рассмотрим диффузионное пламя газовой горелки, например, пропана с воздухом.

Экспериментами доказано, что в пределах слабо светящегося факела имеется ярко очерченный конус. Видимая толщина стенки конуса – фронта пламени,- составляет 0,4 мм. В пределах этого расстояния горючая смесь успевает нагреться и прореагировать с выделением тепла и излучения. Нормальная скорость распространения фронта пламени пропана составляет 40 см/с. Следовательно в течение времени реакции 10 ^-3 с топливо сгорает до конечных продуктов СО₂ и Н₂О. На участке фронта пламени пропан-

Рис.2. Ламинарное пламя в горелке Бунзена

стехиометрической смеси пропана с воздухом

воздушной смеси площадью 1 см² сгорает ежесекундно 40 см³ горючей смеси, т.е. в объеме 0,4 см³ за это время выделяется 210 Дж тепла. В расчете на 1 м³ тепловыделение составит .

Структура ламинарного пламени в газовой горелке показана на рис. 2.

Толщина фронта пламени разнообразных газовых смесей в ламинарном режиме составляет 0,5 – 10^-3 см. Среднее время полного превращения топлива в продукты горения в этой узкой зоне составляет 10^-3 –10^-6 с.

Область пламени, следующая за фронтом пламени, называется внешним конусом. Зона максимальных температур расположена на 5-10 мм выше светящегося конуса и для пропан-воздушной смеси составляет порядка 1600 К.

Схема диффузионного пламени газовой горелки и изменение концентраций горючих веществ, окислителя и продуктов горения по сечению пламени приведены на рис. 3.

Диффузионное пламя возникает при горении, когда процессы горения и смешения протекают одновременно.

Главное отличие диффузионного горения от горения заранее перемешан-ных горючих смесей состоит в том, что скорость химического превращения при диффузионном горении лимитируется процессом смешения окислителя и горючего, даже если скорость химической реакции очень велика, интенсив-ность горения ограничена условиями смешения.

Важным следствием этого представления является тот факт, что во фронте пламени находятся в стехиометрическом соотношении. В каких соотношениях не находились бы подаваемые раздельно потоки окислителя и горючего, фронт пламени всегда устанавливается в таком положении, чтобы поступление реагентов происходило в стехиометрических соотношениях. Это подтверждено многими экспериментами [14].

Собственно окислительные процессы протекают только во фронте пламени. Движущей силой диффузии кислорода в зону горения является разность его концентраций внутри пламени (С_О = 0) и в окружающем воздухе (начальная С_О = 21%). С уменьшением этой разности скорость диффузии кислорода уменьшается и при определенных концентрациях кислорода в окружающем воздухе – ниже 14-16 %, горение прекращается. Такое явление самопроизвольного затухания (самозатухания) наблюдается при процессах горения в замкнутых объемах.

Рис 3. Схема диффузионного пламени газовой горелки (а) и изменение концентрации исходных веществ и продуктов горения по сечению пламени (б)

Каждое пламя занимает в пространстве определенный объем, внешние границы которого могут быть четко или нечетко ограничены. При горении газов форма и размеры образующегося пламени зависят от характера исходной смеси, формы горелки и стабилизирующих устройств. Влияние состава горючего на форму пламени определяется его влиянием на скорость горения.

Высота пламени является одной из основных характеристик размера пламени. Это особенно важно при рассмотрении процессов горения и тушения газовых фонтанов, горения нефтепродуктов в открытых резервуарах.

В горелке Бунзена, где истечение газа происходит снизу поверхность пламени (фронта пламени) имеет коническую форму. Высота пламени может быть рассчитана по формуле:

(2)

- осевая (максимальная) скорость течения газа;

R – радиус трубки;

- краевая скорость движения газа;

- нормальная скорость распространения фронта пламени.

Высота пламени тем больше, чем больше диаметр трубы и больше скорость истечения, и тем меньше, чем больше нормальная скорость распространения пламени.

Скорость потока оказывает влияние и на угол образующегося конуса пламени. При изменении скорости потока угол конуса меняется в соответствии с расходом (рис.4.).

При некоторой критической низкой скорости течения пламя неожиданно приобретает «пуговичную» форму. Если в пламя для подавления конической формы поместить плоское препятствие со стороны горючих газов, то можно получить увеличенное плоское пламя.

Для заданной смеси горючего и окислителя высота пламени пропорциональна скорости потока и квадрату диаметра струи:

(3)

где - скорость потока;

- диаметр струи;

-коэффициент диффузии.

Но при этом форма пламени остается неизвестной и зависит от естественной конвекции и распределения температур во фронте пламени.

Эта зависимость сохраняется до определенного значения скорости потока. При возрастании скорости потока пламя турбулизируется, после чего прекращается дальнейшее увеличение его высоты. Этот переход совершается, как уже отмечалось, при определенных значениях критерия Рейнольдса.

Для пламен, когда происходит выделение значительное выделение несгоревших частиц в виде дыма, понятие высота пламени теряет свою определенность, т.к. трудно определить границу сгорания газообразных продуктов в вершине пламени.

Кроме того, в пламенах, содержащих твердые частицы, по сравнению с пламенами, содержащими только газообразные продукты сгорания, значительно возрастает излучение.

В пламени одновременно протекают химические и физические процессы, между которыми существуют определенные причинно-следственные связи.

К химическим процессам в пламени относятся:

на подходе к зоне горения:

• термическое разложение исходных веществ с образованием более легких продуктов (водорода, оксидов углерода, простейших углеводородов, воды и т.д.);

во фронте пламени:

• термоокислительные превращения с выделением теплоты и образованием продуктов полного (диоксида углерода и воды) и неполного горения (оксида углерода, сажи, копоти, смол и др.);

• диссоциация продуктов горения,

• ионизация продуктов горения.

К физическим процессам в пламени относятся:

• тепломассоперенос во фронте пламени;

• процессы, связанные с испарением и доставкой летучих горючих веществ в зону горения.

Скорость переноса (диффузии) веществ имеет решающее значение, например, в неоднородных системах, где она гораздо меньше скорости химических реакций окисления. Соотношение скорости химических превращений и физических процессов определяет режим процесса горения.

Полное время горения t_г, складывается из длительности физических и химических процессов:

= + (4)

Кинетический режим горения характеризуется длительностью t_г» t_х, поскольку в этом случае физических процессов подготовки (перемешивания) не требуется, т.е. t_ф» 0

Диффузионный режим горения, наоборот, зависит в основном от скорости подготовки однородной горючей смеси, т.е. длительность его

t_г» t_ф. В этом случае t_ф >> t_х, и поэтому последним можно пренебречь.

Если t_ф» t_х, т.е. они соизмеримы, то горение протекает в так называемой промежуточной области.

2.Распространение пламени в пространстве.

2.1.Дефлаграционный механизм распространения пламени.

Скорость распространения пламени является одной из важнейших характеристик пожаро- взрывоопасности веществ и материалов.

Взрыв является следствием быстропротекающих физических или химических процессов, сопровождающихся переходом внутренней энергии системы в работу расширяющихся продуктов взрыва.

В зависимости от механизма протекающих при этом процессов различают физический и химический взрыв.

Физический взрыв протекает без химических превращений и подчиняется физическим, в основном, газодинамическим законам. К физическим взрывам относятся взрывы паровых котлов и сосудов с высоким внутренним давлением.

Химический взрыв возникает результатом быстропротекающих химических реакций.

Скорость химических реакции при горении зависят от агрегатного состояния горючего вещества. При горении твердых горючих материалов или их медленном тлении скорость процессов химических превращений невелика и составляет от долей миллиметра до десятков метров в секунду. Для этих процессов передача теплового потока от слоя к слою совершается в основном по механизму теплопроводности и диффузии тепловых флуктуаций.

Однако при реальных пожарах горение в газовой фазе является наиболее важным видом горения, т.к. касается не только горения горючих газов, но и горения горючих жидкостей и твердых веществ, которые перед непосредственным вступлением в реакцию окисления испаряются или термически разлагаются с образованием газообразных горючих продуктов, рассмотрим подробнее распространение пламени в газовой фазе.

Рассмотрим, что происходит в холодной горючей газовой среде при ее локальном поджигании. Так как реакция горения – экзотермическая, то происходит разогрев соседнего слоя газа за счет теплопроводности. В том слое в свою очередь возникает химическое превращение, сопровождающее выделением теплоты. Возникает процесс послойной передачи теплоты, инициирующей реакцию горения.

Распространение пламени по горючей среде, при котором зона реакции горения движется вследствие послойного разогрева по механизму теплопроводности, называется нормальным или дефлаграционным горением. Механизм дефлаграционного горения был изучен одним из основоположников теории горения В.А.Михельсоном.

Форма пламени определяется поверхностью фронта пламени. В отсутствии внешних возмущений в неограниченном пространстве устойчивой формой пламени будет сферическая.

При поджигании горючей газовой смеси точечным импульсом у открытого конца длинной трубы вначале форма пламени будет сферическим, пока не достигнет размера, допускающего касания стенок трубы. Распространение пламени прекращается около стенок, поэтому фронт пламени приобретает форму наружной поверхности шарового сегмента, ограниченной сечением трубы. По мере удаления пламени от точки зажигания и увеличение радиуса его кривизны оно становится все более плоским. Для бесконечной трубы в таком случае устойчивой формой пламени будет плоская.

Распространение невозмущаемого пламени в каждой точке фронта пламени происходит по нормали к его поверхности, поэтому такое горение и называется нормальным или дефлаграционным.

Важнейшей характеристикой горючей среды является скорость распространения пламени по неподвижной горючей среде по нормали к его поверхности, называемая нормальной скоростью распространения пламени . Это минимальная скорость, с которой может распространяться пламя по данной среде. Размерность м/с.

Форма фронта пламени, возникшего от небольшого источника зажигания в неподвижной однородной среде – сферическая, а в ряде случаев, например при горении в трубах, может быть плоской, наблюдаемая в реальных условиях скорость распространения пламени относительно неподвижных предметов (стенки трубы, сосуда и т.п.) называется видимой скоростью U_В.

В зависимости от направления и величины линейной потока газовой смеси V_O фронт пламени может быть неподвижным (стационарным) или движущимся. Стационарное пламя возникает в тех случаях, когда горючая смесь движется навстречу фронту пламени с такой же скоростью, т.е. V₀ = U_В. Типичным примером стационарного пламени является пламя факельных горелок в промышленных печах, лабораторных горелок Бунзела и других.

В них видимая скорость пламени равна скорости горючей смечи:

v₀ = U_В = V₀/S (5)

где v₀ – скорость горючей смеси, м/с;

V₀ – расход смеси, м³/с;

S – площадь поперечного сечения газового потока, м².

Аналогично для фронта пламени можно записать:

U_Н = V₀/F (6)

где F – площадь всей поверхности пламени, м².

Подставляя в это выражение значение V₀ из (5), получаем:

U_Н = U_В· S/F (7)

т.е. нормальная скорость пламени во столько раз меньше видимой, во сколько площадь поперечного сечения трубы меньше поверхности пламени.

Векторы нормальной и видимой скоростей пламени в горелке Бунзена составляют угол j, поэтому для скалярных величин из прямоугольного треугольника АВС следует:

U_Н = U_В· cos j (8).

Эта закономерность называется законом косинуса (5). Ее установил один из основателей теории горения российский физик-метеоролог В.А. Михельсон.

Рис.5. Связь между нормальной и видимой

скоростью распространения пламени

т.е. показывает, сколько объемов смеси сгорает в единицу времени на единице площади фронта пламени. Это позволяет для любого газа определить массовую скорость горения U_m:

U_m = U_Н · r₀ (9)

где r₀ - плотность исходной горючей смеси, кг/м³.

Выражения (5) и (6) широко используются в теории распространения пламени в парогазовоздушных смесях при исследовании материального и теплового балансов процессов горения.

Величина U_H сильно зависит от состава горючей среды, но при дефлаграционном горении для любых смесей не превышает сотен метров в секунду, и, как правило, не превышает скорости звука.

Дефлаграцию можно рассматривать как переходный режим от горения к взрыву.

2.2.Взрыв и детонация.

Распространение пламени может происходить не только по механизму дефлаграции. При определенных условиях дефлаграция может перейти во взрыв.

Взрыв – это такой режим химических реакций, при котором скорости химических превращений лежат за пределами дефлаграции и составляют от 2000м/с до 10-12 тысяч м/с.

При наличии возмущающих факторов (например, при вынужденном движении горючей среды, за счет силы тяжести и трения) форма пламени будет искривляться, при этом величина поверхности фронта пламени будет резко возрастать, что приводит к резкому возрастанию суммарной скорости горения. Искривление поверхности пламени является следствием турбулизации сгорающего газа. При сильной турбулизации малые элементарные участки горючей смеси перемешаны с горячими продуктами горения и фронт пламени уже не разделяет горящую и холодную горючую смесь. Послойное распространение зоны горения происходит нагреванием последующих слоев горючей смеси за счет быстрого адиабатического сжатия, приводящего к возникновению ударной волны. Такой механизм горения называется взрывом.

Если дефлаграционное пламя распространяется с небольшой скоростью, порядка нескольких метров или десятков метров в секунду, то скорость детонационного горения значительно выше – сотни метров в секунду и может достигать скорости звука. Создаются условия для возникновения взрыва.