Лекция № 9. Горение газопаровоздушных и пылевоздушных смесей

Цель лекции: Разъяснить студентам процессы, происходящие при горении газопаровоздушных и пылевоздушных смесей.

План лекции:

1. Общие положения.

2. Кинетический режим горения газапаровоздушных смесей.

3. Тепловая теория распространения пламени.

4. Влияние различных факторов на скорость распространения пламени.

5. Зависимость КПР от химической природы горючего вещества.

1. Общие положения.

Как правило, горение возникает от какого-либо источника зажигания. Это, по существу, только начальная стадия процесса горения, его инициирование. Данная стадия безусловно важна с точки зрения профилактики пожаров и взрывов. Но предотвратить их не всегда удается, поэтому для практических работников пожарной охраны большое значение имеет возможность прогнозирования динамики развития горения, а именно, в каком режиме и с какими параметрами будет развиваться пожар или взрыв на реальных объектах. Кроме того, в практической деятельности приходится сталкиваться с необходимостью реставрации картины развития уже происшедших пожаров и взрывов. Для этого необходимо знать основные закономерности процессов распространения, развития горения. Эти сведения необходимы также для правильного выбора наиболее эффективного вида и способа применения огнетушащего средства в конкретных условиях.

В теме 2 мы познакомились с различными режимами горения газов: кинетическим и диффузионным, ламинарным и турбулентным. Кинетическое горение возможно только в предварительно перемешанных смесях горючего и окислителя. Во всех остальных случаях горение будет протекать в диффузионном режиме. Кинетический режим более простой в теоретическом плане, поэтому именно с него мы и начнем изучение процесса горения газов.

2.Кинетический режим горения газопаровоздушных смесей

Рис.1. Пламя в горючей смеси

Если с помощью оптического прибора рассмотреть кинетическое

пламя в неподвижной горючей смеси, то можно увидеть следующую

картину (рис.1).

Справа находятся нагретые до высокой температуры Т_пг продукты горения, слева - холодная с температурой Т₀ исходная горючая смесь, а между ними - ярко светящаяся полоска - фронт пламени с толщиной d. Горючий компонент во фронте пламени сгорает, и в продуктах горения его концентрация практически равна нулю. Естественно, температура продуктов горения Т_пг = Т_г >> Т₀ - температуры исходной смеси. Поскольку теплота распространяется от горячего к холодному, в сторону исходной смеси будет идти тепловой поток q, нагревая прилегающий к ней слой, так называемую зону подогрева. Передача теплоты от нее осуществляется теплопроводностью. Смесь в этом слое воспламенится при достижении температуры самовоспламенения. Зона горения переместится туда, затем в следующий слой, следующий и т.д. Фронт пламени будет непрерывно перемещаться до самой границы горючей смеси. Такое распространение пламени называют нормальнымилидефлаграционнымгорением.

Нормальное или дефлаграционное горение - это распространение пламени по однородной горючей среде, при котором фронт пламени движется вследствие ее послойного разогрева по механизму теплопроводности от продуктов горения.

Толщина фронта пламени, как правило, не превышает десятых долей миллиметра. Поэтому его обычно принимают за поверхность, отделяющую исходную смесь от продуктов горения. Как показали исследования, своим свечением фронт пламени обязан многоатомным радикалам:С=С:,:CH×, -HCO и др. Есть в пламени и ионы, концентрация которых достигает 10¹⁶ - 10¹⁷ м^-3. Возникновение ионов в пламени имеет химическую и термическую природу.

Нормальная скорость распространения пламени u_н - это минимальная скорость, с которой пламя может распространяться в горючей среде по нормали к своему фронту. Размерность ее [м/с]. Нормальная скорость является важной характеристикой горючей смеси.

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.

В зависимости от направления и величины линейной скорости v потока газовой смеси 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. v = u_в. Типичным примером стационарного пламени являются пламена факельных горелок в промышленных печах, лабораторных горелок Бунзена, Теклю и др. (рис.2).

Рис..2. Схема распространения пламени в горелке Бунзена

В них видимая скорость пламени равна скорости горючей смеси:

v₀ = u_в = V₀/ S, (1)

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, (2)

где F - площадь всей поверхности пламени, м².

Подставляя в выражение (2) значение V₀ из (1), получаем

u_н = u_в×S/F, (3)

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. (4)

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

Очень важной особенностью фронта пламени является то, что нормальная скорость его распространения представляет собой также объемную скорость горения газовой смеси:

u_н = [ м³/(м²×с) ] = [ м/с ], (5)

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, (6)

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

Выражение (6) широко используется в теории распространения пламени в паро- и газо-воздушных смесях при исследовании материального и теплового, балансов процессов горения.