3. ROZPRZESTRZENIE PŁOMIENIA W MIESZANKACH GAZOWYCH

Prędkość rozprzestrzenianie się płomienia podczas spalania substancji stałych, ciekłych i gazowych ma praktyczne znaczenie w zapobieganiu pożarom i wybuchom. Rozważmy prędkość rozprzestrzeniania się płomienia w mieszaninach palnych gazów i par z powietrzem. Znając tę ​​prędkość, można określić bezpieczne prędkości przepływu gazu i powietrza w rurociągu, szybie, centrali wentylacyjnej i innych instalacjach wybuchowych.

3.1. PRĘDKOŚĆ ROZPALANIA PŁOMIENIA

Jako przykład na ryc. Rysunek 3.1 przedstawia schemat wentylacji wyciągowej w kopalni węgla kamiennego. Z wyrobisk kopalni nr 1 wydobywa się zakurzona mieszanina powietrza i pył węglowy, a w niektórych przypadkach – metan uwalniający się w pokładach węgla. W przypadku pożaru czoło płomienia 3 rozprzestrzeni się w stronę zasp 1. Jeżeli prędkość przemieszczania się mieszanki palnejw będzie mniejsza niż prędkość propagacji frontu płomieniaI w stosunku do ścian rury, płomień przedostanie się do szybu i doprowadzi do eksplozji. Dlatego do normalnej pracy systemu wentylacyjnego konieczne jest przestrzeganie warunków

w > ty.

Szybkość usuwania mieszaniny wybuchowej musi być większa niż prędkość rozprzestrzeniania się frontu płomienia. Zapobiegnie to przedostawaniu się płomieni do szybów kopalni.

Ryż. 3.1. Schemat rozprzestrzeniania się płomienia w kopalni:

1 – wał; 2 – rurociąg; 3 – przód płomienia

Teoria rozprzestrzeniania się płomienia, opracowana w pracach Ya.B. Zeldovich i D.A. Franka-Kameneckiego, w oparciu o równania przewodnictwa cieplnego, dyfuzji i kinetyki chemicznej. Zapłon mieszaniny palnej rozpoczyna się zawsze w jednym miejscu i rozprzestrzenia się na całą objętość zajmowaną przez mieszaninę palną. Rozważmy przypadek jednowymiarowy - rurkę wypełnioną palną mieszaniną (ryc. 3.2).

Jeśli mieszanina zapali się na jednym końcu rury, wąski front płomienia rozprzestrzeni się wzdłuż rury, oddzielając produkty spalania (za frontem płomienia) od świeżej palnej mieszaniny. Czoło płomienia ma kształt czapy lub stożka, którego wypukła część jest zwrócona w kierunku ruchu płomienia. Czoło płomienia stanowi cienka warstwa gazu (o szerokości 10 -4 ÷ 10 -6) m. W tej warstwie, zwanej strefą spalania, zachodzą reakcje spalania chemicznego. Temperatura czoła płomienia w zależności od składu mieszaniny wynosi T= (1500 ÷ 3000) K. Uwolnione ciepło spalania jest wykorzystywane do ogrzewania produktów spalania świeżej mieszanki palnej i ścianek rury w wyniku procesów przewodnictwa cieplnego i promieniowania.

Ryż. 3.2. Schemat propagacji frontu płomienia w rurze

Kiedy czoło płomienia porusza się w rurze, w mieszaninie palnej powstają fale sprężania, które powodują ruchy wirowe. Zawirowania gazów zaginają czoło płomienia, nie zmieniając jego grubości i charakteru procesów w nim zachodzących. Na jednostkowej powierzchni czoła płomienia w jednostce czasu spala się zawsze ta sama ilość substancji . Wartość jest stała dla każdej mieszaniny palnej i nazywana jest szybkością spalania masy . Znajomość obszaru czoła płomieniaS, możesz obliczyć masę substancji M, spalane w całym froncie spalania w jednostce czasu:

Każdy element frontu płomienia dSzawsze porusza się względem świeżej mieszanki w kierunku normalnej do czoła płomienia w danym punkcie (rys. 3.2), a prędkość tego ruchu:

gdzie jest gęstość świeżej mieszanki palnej.

Ogrom nazywana jest normalną prędkością rozprzestrzeniania się płomienia i ma wymiar m/s. Jest to stała wartość procesu spalania danej mieszaniny i nie zależy od warunków hydrodynamicznych towarzyszących procesowi spalania. Normalna prędkość rozprzestrzeniania się płomienia jest zawsze mniejsza niż prędkość obserwowana I, czyli prędkość ruchu czoła spalania względem ścianek rury:

ty n< u .

Jeżeli czoło płomienia jest płaskie i skierowane prostopadle do osi rury, to w tym przypadku obserwowana i normalna prędkość rozprzestrzeniania się płomienia będzie taka sama

ty n = ty .

Obszar wypukłego czoła płomieniaProblem SZawsze więcej obszaru płaski przódS pl, Dlatego

> 1.

Normalna prędkość rozprzestrzeniania się płomieniaty ndla każdej mieszaniny palnej zależy od domieszki gazów obojętnych, temperatury mieszaniny, wilgotności i innych czynników. W szczególności wstępne podgrzewanie gazu palnego zwiększa prędkość rozprzestrzeniania się płomienia. Można wykazać, że prędkość rozprzestrzeniania się płomieniaty nproporcjonalnie do kwadratu temperatury bezwzględnej mieszaniny:

u n.= stała · T 2.

Na ryc. Rysunek 3.3 przedstawia zależność prędkości rozprzestrzeniania się płomienia w palnej mieszaninie „powietrze – tlenek węgla” w zależności od stężenia CO. Jak wynika z powyższych wykresów, prędkość rozprzestrzeniania się płomienia wzrasta wraz ze wzrostem temperatury mieszaniny. Dla każdej wartości temperatury prędkość rozprzestrzeniania się płomienia ma maksimum w obszarze koncentracji tlenek węgla CO równy ~40%.

Na prędkość rozprzestrzeniania się płomienia wpływa pojemność cieplna gaz obojętny. Im większa pojemność cieplna gazu obojętnego, tym bardziej obniża on temperaturę spalania i tym bardziej zmniejsza prędkość rozprzestrzeniania się płomienia. Tak więc, jeśli mieszanina metanu i powietrza zostanie rozcieńczona dwutlenek węgla, wówczas prędkość rozprzestrzeniania się płomienia może zmniejszyć się 2-3 razy. Na szybkość rozprzestrzeniania się płomienia w mieszaninach tlenku węgla z powietrzem duży wpływ ma wilgotność zawarta w mieszaninie, obecność cząstek sadzy oraz domieszki gazów obojętnych.

Ryż. 3.3. Zależność prędkości rozprzestrzeniania się płomienia

na stężenie tlenku węgla w mieszaninie

Zmiana kształtu płomienia znacząco wpływa na charakter spalania, gdyż wiąże się ze zmianą powierzchni czołowej. Wielkość powierzchni płomienia jest głównym czynnikiem determinującym szybkość spalania układu o danym składzie. Wynika to z faktu, że wszystkie przekroje płomienia, niezależnie od ich kształtu, są równoważne pod warunkiem, że promień krzywizny płomienia jest znacznie większy niż szerokość jego czoła, tj. prawie we wszystkich ważne sprawy. Wraz ze wzrostem powierzchni płomienia proces spalania nasila się, a całkowita ilość spalanej substancji w jednostce czasu wzrasta. Zmiana kształtu płomienia jest zwykle związana z ruchem gazu w pobliżu strefy spalania, jego turbulizacją; w tym przypadku czoło płomienia rozpada się na wiele małych ognisk, a jego całkowita powierzchnia wzrasta. Cecha ta wykorzystywana jest np. do intensyfikacji procesu spalania poprzez sztuczną turbulizację spalanego gazu.

Zastanówmy się, jaki kształt przyjmuje płomień samoistnie, rozprzestrzeniając się w stacjonarnym ośrodku palnym przy braku na niego wpływu siły zewnętrzne– oburzenie. Ponieważ ośrodek jest jednorodny, wszystkie kierunki są równe, a prędkość płomienia wzdłuż nich jest taka sama. W tym przypadku czoło płomienia rozchodzące się ze źródła punktowego będzie miało kształt powierzchni kulistej o stale rosnącym promieniu. Kiedy rozprzestrzenia się kulisty płomień, ekspansja gazu powoduje, że pierwotne, niespalone medium zostanie wypchnięte na obrzeże. Jednak gaz nie ulega turbulizacji, prędkości ruchu zarówno gazu, jak i płomienia są takie same we wszystkich kierunkach, kształt płomienia, a przy stałym ciśnieniu jego prędkość pozostaje niezmieniona.

Inny charakterystyczny sposób rozprzestrzeniania się niezakłóconego płomienia ma miejsce, gdy palne medium zostaje zapalone przez podobny impuls punktowy na otwartym końcu długiej rury. Powstały płomień będzie początkowo kulisty, aż dotknie ścianek rury (ryc. 1.1).

Ponieważ rozprzestrzenianie się płomienia zatrzymuje się w pobliżu ścian, płomień przyjmuje postać zewnętrznej powierzchni kulistego segmentu, ograniczonego przekrojem rury. W miarę oddalania się płomienia od miejsca zapłonu i zwiększania się promienia krzywizny staje się on coraz bardziej płaski, pokrywając się w granicy z przekrojem rury.

Ryż. 1.1.

Powyższe rozważania pozwoliły ustalić, że gdy płomień rozprzestrzenia się przy braku zakłóceń zewnętrznych, stabilne są dwie formy płomienia: kulisty dla nieograniczonej przestrzeni (zadanie trójwymiarowe) i płaski dla nieskończonej rury (zadanie jednowymiarowe). . Kształt każdego płomienia, jakikolwiek by on był na początku, będzie w pewnym stopniu zbliżał się do tych dwóch typów.

Normalne spalanie

W przypadku braku zakłóceń procesu spalania, kształt, jaki przyjmuje czoło płomienia podczas jego propagacji, można określić na podstawie poniższych rozważań. Każdy punkt na powierzchni płomienia można uznać za niezależny impuls zapłonu, wokół którego tworzy się nowy elementarny front płomienia. Po pewnym krótkim czasie, w wyniku superpozycji takich frontów elementarnych, powstaje nowy całkowity front płomienia, pokrywający się z otoczką wszystkich elementarnych frontów sferycznych powstałych wzdłuż frontu początkowego.

Zakładamy, że rozważany przekrój płomienia jest płaski AB(ryc. 1.2); przy dowolnym kształcie płomienia, każdą jego wystarczająco małą część można również uznać za płaską. Zastosowanie opisanej zasady konstrukcji prowadzi do wniosku, że nowe położenie płomienia A"B" będzie równoległy do ​​pierwotnego. Rozszerzenie tej samej zasady na ruch czoła płomienia dowolna forma, dochodzimy do wniosku, że ruch niezakłóconego płomienia następuje w każdym punkcie czoła wzdłuż normalnej do jego powierzchni. Dlatego takie spalanie nazywa się normalnym (lub deflagracją). Prędkość płomienia przemieszczającego się przez nieruchome medium palne wzdłuż normalnej do jego powierzchni nazywana jest normalną prędkością płomienia U N.

Ryż. 1.2.

Ogrom U n jest główną cechą łatwopalnego środowiska. Jest to minimalna prędkość, z jaką płomień może rozprzestrzeniać się w danym ośrodku; ona pasuje Płaski płomień. Ogrom U n charakteryzuje nie tylko liniową, ale także objętościową szybkość spalania, określającą objętość ośrodka palnego przetworzonego na produkty reakcji w jednostce czasu na jednostkę powierzchni płomienia. Odpowiednio wymiar U n, można wyrazić w cm/s lub cm3/(cm2-s).

Ogrom U n, silnie zależy od składu medium palnego. Oprócz specyficzności chemicznej reagujących składników, na prędkość płomienia istotny wpływ ma stosunek zawartości paliwa i utleniacza oraz stężenie składników obojętnych. Zmiany temperatury początkowej medium palnego i ciśnienia całkowitego mają słabszy wpływ. Poniżej znajdują się wartości maksymalne U n niektórych mieszanin łatwopalnych w normalnych warunkach (w m/s):

• С2Н2 + O2 – 15,4;
• H2 + O2; - 13;
• H2 + C12 – 2,2;
• CO + O2 + 3,3% H2O-1,1;
• H2 + powietrze – 2,7;
• CO + powietrze + 2,5% H2O – 0,45;
• węglowodory nasycone + powietrze – 0,32–0,40.

Rozszerzanie się gazu pod wpływem ogrzewania w procesie spalania powoduje, że ruch gazu zawsze następuje w pobliżu czoła płomienia, nawet jeśli początkowo był on nieruchomy. Poniższe rozważania wyjaśniają wpływ ciepła

ekspansja gazu i jego turbulizacja pod wpływem zewnętrznych zaburzeń przebiegu spalania adiabatycznego. Kiedy gaz pali się w długiej otwartej rurze, płaski płomień pokrywający się z przekrojem rury będzie nieruchomy, jeśli łatwopalne środowisko jest wdmuchiwany do rury ze stałą prędkością przekroju poprzecznego równą U N. Produkty spalania wypływają z drugiego końca rury.

Oznaczmy przez p gęstość gazu, przez indeks 0 wartości charakteryzujące początkowe medium palne, a przez indeks B– produkty spalania. Ponieważ gaz rozszerza się podczas spalania, szybkość produktów reakcji opuszczających płomień U B , >U N. Na każdy 1 cm2 powierzchni płomienia przepływ przynosi co sekundę U n cm3 łatwopalnego medium, którego masa jest równa U N R o. Objętość produktów reakcji oddalających się od tego samego obszaru płomienia jest równa Ub, a masa wynosi Ubrb. Masy początkowego gazu i produktów reakcji są równe, co oznacza, że

Unro=Ubrb. (1*1)

Równanie (1.1) wyraża prawo zachowania materii dla procesu spalania.

Ustaliliśmy, że nawet przy płaskim kształcie przodu płomień może mieć różne prędkości:Ja też U b w zależności od tego, które medium jest nieruchome. Stosunki prędkości w spalającym się gazie ilustruje wykres pokazany na rys. 1.3.

Ryż. 13.

U n – normalna prędkość płomienia; U b jest szybkością produktów reakcji opuszczających płomień; T 0 – temperatura początkowa ośrodka źródłowego; T b – temperatura produktów reakcji; r0, rb – gęstości gazu wyjściowego i produktów reakcji

W sytuacji 1 płomień jest nieruchomy; medium palne wpływające do rury przemieszcza się z dużą prędkością w prawo U N ; w tym samym kierunku, ale z dużą prędkością U b produkty spalania przemieszczają się. Jeżeli czynnik palny jest nieruchomy (sytuacja 2), co ma miejsce podczas spalania w zamkniętej z jednej strony rurze, wówczas płomień przemieszcza się wzdłuż niego z prędkością U n, a produkty reakcji wypływają z prędkością w przeciwnym kierunku U B - U N. W sytuacji 3 po zapaleniu na zamkniętym końcu rury produkty spalania są nieruchome. W tym przypadku płomień porusza się z dużą prędkością U b w odniesieniu do ścian rur (i spalonego gazu); w tym samym kierunku z dużą prędkością U B -U n poruszają się gazy spalinowe, wypierane z rury przez rozszerzające się produkty reakcji. Prędkość płomienia w stosunku do produktów spalania jest znacznie większa niż w odniesieniu do gazu źródłowego - razy r0/rb.

Ogrom G=U r, zwany masowym współczynnikiem spalania, określa masę substancji spalanej w jednostce czasu na jednostkowej powierzchni płomienia. Oczywiście jest to takie samo zarówno dla środowiska początkowego, jak i końcowego, a także we wszystkich strefach pośrednich.

Rozważmy warunki spalania w czole płomienia o dowolnym kształcie, umiejscowionym nieruchomo w strumieniu spalin (w rurze).

Płomień jest nieruchomy w przypadku, gdy ilość spalającego się gazu jest dokładnie kompensowana przez ilość dopływającego gazu. Jeśli powierzchnia płomienia jest F, wówczas całkowita objętość gazu spalonego w jednostce czasu jest równa U T F. Tę samą prędkość objętościową można określić jeszcze inaczej: jako iloczyn W.S. Gdzie W –średnia (w przekroju przepływu) prędkość liniowa gaz; S – Przekrój przepływ. Z równości obu wielkości wynika:

Wynik ten obowiązuje także dla stacjonarnego ośrodka palnego w– prędkość poruszania się po nim zakrzywionego płomienia. Prędkość ta jest tyle razy większa od normalnej prędkości płomienia, ile razy powierzchnia płomienia jest większa od przekroju strumienia. W miarę wyginania się płaskiego płomienia i zwiększania się jego powierzchni, prędkość płomienia odpowiednio wzrasta. Równanie (1.2), zwykle nazywane prawo obszarów, wyraża zasadniczą cechę procesu spalania: wraz ze wzrostem powierzchni płomienia spalanie intensyfikuje się, a granicę tego intensyfikacji wyznaczają dopiero opisane poniżej cechy gazodynamiczne.

Zakrzywienie powierzchni płomienia jest konsekwencją turbulizacji gazów spalinowych, samoistnej lub wymuszonej.

Jeżeli gaz spalinowy jest silnie zawirowany, a małe powierzchnie elementarne zimnego ośrodka palnego są w dużej mierze zmieszane z gorącymi produktami spalania, wówczas płomień nie może być już uważany za powierzchnię oddzielającą oba media. Pojawia się rozproszona strefa turbulentna, w której całkowita szybkość przemian chemicznych jest wysoka, co wynika z niezwykle rozwiniętej powierzchni płomienia.

Tryby spalania flagracyjnego dla ośrodka o danym składzie różnią się jedynie szybkością rozprzestrzeniania się płomienia przy różnym stopniu rozwinięcia jego powierzchni. Okoliczność ta jest istotna dla wyjaśnienia konwencji często używanej terminologii. Pojęcia „eksplozja” w odniesieniu do rozprzestrzeniania się płomienia nie można scharakteryzować inaczej niż dość szybkie spalanie w bardzo turbulentnym środowisku z prędkością płomienia rzędu dziesięciu do stu metrów na sekundę. Spalanie „powolne” różni się od „eksplozji” jedynie stopniem rozwinięcia powierzchni płomienia. Inne rodzaje rozprzestrzeniania się płomieni, na przykład charakteryzujące się terminami „błysk” i „klaśnięcie”, są zasadniczo nie do odróżnienia od opisanych. Dopiero gdy prędkość płomienia w środowisku palnym zbliży się do prędkości dźwięku, proces spalania nabiera nowego, jakościowo wyjątkowego charakteru.

Zakłócenia, które zakrzywiają płaski lub kulisty płomień, zawsze powstają, nawet w przypadku ich braku wymuszony ruch gaz; są spowodowane grawitacją i tarciem. Pierwsza prowadzi do pojawienia się przepływów konwekcyjnych spowodowanych różnicami w gęstości medium palnego i produktów spalania, druga objawia się ruchem gazu spalającego się w rurze i jest spowalniany przez ścianki. Wygodnie jest prześledzić wpływ zaburzeń na prawa spalania w długiej rurze umieszczonej pionowo, otwartej z jednej strony. Jeżeli zapalisz medium palne na dolnym, otwartym końcu rury (Rys. 1.4, A), wówczas powstają warunki sprzyjające rozwojowi przepływów konwekcyjnych, gdyż niespalony gaz źródłowy, charakteryzujący się dużą gęstością, znajduje się nad lekkimi produktami spalania. Płomień ma tendencję do rozciągania się wzdłuż osi rury. Po zapaleniu na górnym, zamkniętym końcu rury (ryc. 1.4, b) nie powstają przepływy konwekcyjne, ale strefa spalania jest intensywnie turbulizowana przez siły tarcia. Z rury wypływa palący się i rozprężający gaz. Natężenie przepływu czynnika palnego pod wpływem lepkości zmienia się w przekroju rury, jest największe w osi i równe zeru na ściankach (rys. 1.5).

Ryż. 1.4.

Czoło płomienia odpowiednio się wygina. Podczas zapłonu górny otwarty koniec jest szorstki (ryc. 1.4, V) możliwość turbulizacji strefy spalania jest minimalna: produkty spalania znajdują się nad gazem spalinowym, a zimny gaz jest nieruchomy. Jednakże, gdy płomień oddala się od krawędzi rury, siła tarcia wzrasta, a turbulencje rozprzestrzeniają się na płonący gaz.

Jeżeli spalaniu nie towarzyszą straty ciepła, tj. przebiega adiabatycznie, wówczas rezerwa energii chemicznej układu palnego zostaje całkowicie przekształcona energia cieplna produkty reakcji. Ponieważ temperatura płomienia jest wysoka, szybkości zachodzących w nim reakcji są duże i szybko można ustalić stan równowagi termodynamicznej. Temperatura produktów spalania adiabatycznego nie zależy od szybkości reakcji w płomieniu, lecz zależy jedynie od całkowitej efekt termiczny i pojemności cieplne produktów końcowych. Temperatura ta nazywana jest termodynamiczną temperaturą spalania T B. Ogrom T b – najważniejsza cecha środowiska palnego; dla powszechnych mediów palnych ma wartości 1500–3000 K. Poniżej szczegółowo rozważymy, w jakim stopniu przyjęte założenia odpowiadają rzeczywistości i jakie znaczenie ma reżim spalania termicznego dla problemów technologii bezpieczeństwa wybuchowego. W procesie adiabatycznym i stan równowagi produktów spalania T B – Maksymalna temperatura, osiągnięty w płomieniu. Rzeczywista temperatura równowagowych produktów reakcji jest niższa, gdy występują straty ciepła ze spalania gazu. Zagadnienie strat ciepła, jak widać z poniższego opisu, ma decydujące znaczenie dla rozwiązania problemów zapewnienia bezpieczeństwa wybuchowego. Podczas stacjonarnego rozprzestrzeniania się płomienia następuje intensywne przenoszenie ciepła poprzez przewodzenie do zimnego początkowego środowiska palnego. Proces ten nie wiąże się jednak ze stratami ciepła ze strefy spalania. Odprowadzenie ciepła z każdej płonącej warstwy gazu do sąsiedniej, która jeszcze nie przereagowała, jest dokładnie kompensowane przez równoważne dostarczenie ciepła do tej samej warstwy w poprzednim etapie, gdy ona sama była zimna. Nagrzewanie niestacjonarne, nieskompensowane następuje w początkowej chwili zapalenia się czynnika palnego pod wpływem początkowego impulsu. Jednakże w miarę oddalania się płomienia od punktu zapłonu ta dodatkowa ilość ciepła rozdzielana jest na coraz większą ilość produktów spalania, a jego rola w dodatkowym ogrzewaniu stale maleje.

Ryż. 1,5.

Z powyższego wynika, że ​​podczas spalania możliwa jest utrata ciepła na skutek promieniowania ogrzanego gazu oraz w przypadku jego kontaktu z powierzchnią stałą. Rolę odprowadzania ciepła przez promieniowanie omówimy w dalszej części rozważań, ale na razie założymy, że straty te są pomijalne dla strefy, której reżim cieplny determinuje prędkość płomienia. Chłodzenie poprzez przewodzenie produktów spalania w przypadku ich kontaktu ze ściankami naczyń i aparatury zachodzi bardzo intensywnie, co wynika z dużej różnicy temperatur pomiędzy ściankami a gazem. Dlatego też po zakończeniu spalania w naczyniach o typowych rozmiarach znaczne schłodzenie znajdujących się w nich produktów spalania następuje w czasie krótszym niż 1 sekunda.

Niezbędne dla naszych zadań jest także chłodzenie palącego się gazu przez ściany. Ponieważ odprowadzanie ciepła do ścianek rozpoczyna się dopiero po ich zetknięciu z płomieniem, straty te silnie zależą od kształtu i wielkości naczynia, w którym zachodzi reakcja oraz od położenia punktu zapłonu. Podczas spalania w naczyniu kulistym i zapłonie centralnym straty ciepła na skutek przewodzenia występują dopiero po zakończeniu spalania.

Temperaturę spalania określa prawo zachowania energii podczas adiabatycznego przejścia energii chemicznej ośrodka palnego na energię cieplną produktów spalania. Jest oczywiste, że składniki mieszaniny palnej nie są równoważne. Zapas energii chemicznej określa się na podstawie zawartości brakującego składnika, zgodnie ze stosunkami stechiometrycznymi, który jest całkowicie zużywany w trakcie reakcji. Część drugiego składnika, nadmiar, pozostaje nieprzereagowana podczas interakcji. Jest ona równa różnicy pomiędzy początkową zawartością składnika nadmiarowego a ilością potrzebną do całkowitego związania brakującego składnika. Jeśli zwiększysz zawartość brakującego składnika ze względu na zawartość obojętnego składnika, który nie bierze udziału w reakcji, wówczas wzrośnie rezerwa molowa energii chemicznej mieszaniny palnej. Takie zastąpienie nadmiaru składnika pozostawia energię chemiczną niezmienioną.

Wyjaśnijmy w przybliżeniu, jak realizowane jest prawo zachowania energii podczas spalania. Zasób energii chemicznej układu palnego będzie równy π1Q), gdzie π1 jest stężeniem brakującego składnika; Q– efekt cieplny jego spalania. Ciepło reakcji zużywa się na ogrzewanie wszystkich składników mieszaniny: powstałych produktów reakcji, składników nadmiarowych i obojętnych. Jeśli Z – średnia pojemność cieplna ilość produktów spalania, która powstała z 1 mola początkowej mieszaniny, wówczas przyrost fizycznej rezerwy ciepła jest równy Z(T B - T 0), gdzie T 0 – temperatura początkowałatwopalne środowisko. Zgodnie z warunkiem adiabatyczności

Dokładne obliczenie stanu produktów spalania adiabatycznego jest znacznie trudniejsze.

W spalaniu adiabatycznym temperatura spalania określa gęstość produktów końcowych, a co za tym idzie, zależność między prędkościami płomienia U n i U B. Należy wziąć pod uwagę, że w wyniku reakcji zmieniła się liczba cząsteczek na jednostkę masy P raz. Zgodnie z prawami gazów doskonałych

Oznaczający P w procesach spalania jest najczęściej bliska jedności. Zatem podczas przemiany mieszaniny stechiometrycznej 2CO + O2 (spalanie do 2CO2) P= 2/3, dla podobnej mieszaniny CH4 + 2O2 (spalanie do CO2 + 2H2O) n = 1 itd. Podczas spalania mieszanin o składzie niestechiometrycznym oraz mieszanin zawierających składniki obojętne, całkowita liczba cząsteczek (biorąc pod uwagę zawartość składników nie biorących udziału w reakcji) zmienia się jeszcze mniej.

Podczas spalania adiabatycznego temperatura gazu wzrasta 5–10 razy. Jeżeli podczas spalania ciśnienie pozostaje stałe, a gaz swobodnie się rozszerza, i n= 1, wówczas jego gęstość zmienia się o tę samą wielkość i ten sam stosunek U b do normalnej prędkości płomienia. Jeżeli spalanie adiabatyczne zachodzi bez rozprężania gazu, w zamkniętym naczyniu, wówczas ciśnienie wzrasta w przybliżeniu w tym samym stopniu. Określa to destrukcyjny efekt szybkiego spalania w zamkniętym naczyniu.

Pojęcia „spalanie” nie da się sformułować jednoznacznie. Spalanie będziemy nazywać samoprzyspieszającą szybką przemianą chemiczną, której towarzyszy intensywne wydzielanie ciepła i emisja światła. W związku z tym nazwiemy płomień (gorący) ośrodek gazowy, w którym intensywna reakcja chemiczna prowadzi do świecenia, wytwarzania ciepła i znacznego samonagrzania.

Takie definicje są wygodne, ale nie do końca jasne i uniwersalne. Trudno dokładnie określić, która reakcja jest na tyle szybka, aby można ją było uznać za spalanie. Pojęcie eksplozji jest jeszcze mniej jasne. W przyszłości poznamy istnienie zimnych płomieni, w których reakcji chemicznej towarzyszy świecenie, ale przebiega ona z umiarkowaną szybkością i bez zauważalnego nagrzewania.

Według D.L. Franka-Kamenetsky’ego „spalanie to zachodzenie reakcji chemicznej w warunkach postępującego samoprzyspieszenia, związanego z gromadzeniem się ciepła lub katalizowaniem produktów reakcji w układzie”. Tutaj oczywista jest chęć uwzględnienia zjawisk zarówno termicznego, jak i autokatalitycznego rozwoju reakcji. Takie uogólnienie prowadzi jednak do tego, że w definicji tej mieszczą się zjawiska, których w żaden sposób nie można zaliczyć do procesów spalania. Będą to reakcje bezpłomieniowe w fazie gazowej i ciekłej, którym towarzyszy ograniczone samoprzyspieszenie, ale nie prowadzące do wybuchu termicznego lub wybuchowego, gdy szybkość reakcji osiągnie umiarkowane maksimum lub nastąpi rozpryski składników heterogenicznego ośrodka palnego.

Niedopuszczalne byłoby ograniczanie procesów spalania do stanu kompletności reakcji, gdyż w wielu procesach zdecydowanie wybuchowych reakcja pozostaje niepełna.

Trudności w zdefiniowaniu spalania zauważają B. Lewis i G. Elbe: „Pojęcia spalania, płomienia i wybuchu, choć dość elastyczne, nadal są stosowane w pewnym stopniu arbitralnie”.

Komplikacje w określeniu spalania wynikają z braku ostrych granic w zespole zjawisk fizykochemicznych charakterystycznych dla spalania. Samoprzyspieszenie reakcji, samonagrzewanie, akumulacja produktów aktywnych, promieniowanie o różnym natężeniu i długości fali występują w procesach zarówno związanych, jak i niezwiązanych z kategorią spalania; różnica okazuje się jedynie ilościowa. Z tego powodu każda definicja spalania będzie niedokładna lub niekompletna.

Opracowane koncepcje sugerują, że aby mógł zajść proces typu spalania, muszą zostać spełnione tylko dwa warunki: reakcja ta musi być egzotermiczna i musi przyspieszać wraz ze wzrostem temperatury. To ostatnie jest typowe dla większości procesów chemicznych, zatem wydaje się, że w trybie spalania może zajść każda reakcja egzotermiczna. Z tego wynika, że ​​dla zaistnienia stabilnego spalania konieczne jest spełnienie jeszcze jednego istotnego warunku dodatkowy warunek związane z rozprzestrzenianiem się frontu płomienia rura pozioma.

Niektóre cechy przebiegu reakcji egzotermicznej różnią się, gdy zachodzi ona w rurze. Gdy medium palne zapali się od otwartego końca, płomień przybiera określony kształt, jest wydłużony i pochylony do przodu (ryc. 1.6).

Ryż. 1.6.

1 – granica kontaktu płomienia; 2 – przednia granica obrazu płomienia (przecięcie czoła i płaszczyzny symetrii); M– punkt maksymalnej prędkości gazu

Na pewnej części ścieżki po inicjacji spalanie przebiega stacjonarnie, z stała prędkość. W miarę wzrostu współczynnika godz./d., Gdzie H– wysokość słupa produktów spalania, w granicy – ​​długość rury; D– przy średnicy rury siły tarcia gazu o ścianki rosną tak bardzo, że powodują postępującą turbulizację gazu w strefie spalania i nierównomierne przyspieszanie płomienia zgodnie z prawem pól.

Ukośny kształt płomienia w poziomej rurze wynika z dużej różnicy w gęstości czynnika źródłowego i produktów spalania. Front płomienia stanowi interfejs pomiędzy tymi dwoma mediami. Aby wyjaśnić konsekwencje różnic w ich gęstościach, posłużymy się następującą analogią. W poziomej rurze (ryc. 1.7, A) istnieją dwie niemieszające się ciecze o różnych gęstościach, na przykład rtęć (po prawej) i woda (po lewej), oddzielone pionową przegrodą. Jeśli przegroda zostanie usunięta, różnica gęstości powoduje ruch cieczy: ciężka rtęć będzie płynąć w lewo i w dół, woda będzie znajdować się nad rtęcią, przemieszczając się w prawo i w górę. Interfejs będzie pochylony do przodu, a jego powierzchnia stale się zwiększa (ryc. 1.7, B). Podobne przepływy powstają podczas spalania gazu, jednak przemiana ciężkopalnego ośrodka w lekkie produkty reakcji zapobiega nieograniczonemu wzrostowi powierzchni płomienia, którego wielkość i kształt stają się stacjonarne. Odchylenie górnej części czoła płomienia w stronę produktów spalania wynika z wyhamowywania gazu przy ściance pod wpływem tarcia.

Ryż. 1.7.

A– przed usunięciem przegrody; B– po usunięciu przegrody

Kształt płomienia stacjonarnego (w obszarze równomiernego rozprzestrzeniania się) jest określony przez zależność między normalną prędkością płomienia a prędkością ruchu gazu w odpowiednich odcinkach frontu. Rozważmy te zależności dla najbardziej wysuniętego punktu frontu M(patrz rys. 1.6), gdzie płomień jest prostopadły do ​​osi rury, a więc do kierunku ruchu całego frontu. Całkowita prędkość płomienia wzdłuż osi rury U f w punkcie M składa się również z prędkości płomienia w stosunku do gazu U n i składnik prędkości ruchu samego gazu w tym samym kierunku W M :

Do każdej małej, nachylonej sekcji płomienia AB(Rys. 1.8), tworząc kąt z osią rury, płomień przemieszcza się w gazie wzdłuż normalnej do AB z szybkością U n (do pozycji A"B") jest oczywiście związane z ruchem elementu płomienia wzdłuż osi rury z dużą prędkością U N / sinβ. Całkowita prędkość ruchu elementu płomienia wzdłuż osi rury jest taka sama jak dla punktu M, składa się z samej prędkości spalania w tym kierunku i składowej prędkości przepływu gazu W. Ponieważ kształt płomienia jest stacjonarny, oznacza to, że prędkości wszystkich jego elementów są równe:

(1.6)

W każdym punkcie płomienia jego nachylenie wyznacza lokalna wartość składowej prędkości przepływu gazu wzdłuż osi. Ponieważ U n/sinβ > U N , W M >W, prędkość gazu jest w tym punkcie maksymalna M. Ogrom W zmniejsza się w pobliżu ścian, a nawet staje się ujemny (gdzie medium palne „przecieka” pod warstwą produktów spalania). Powierzchnia płomienia AB, Wprowadzać się Dolna część rury, wymienione na nowe powstające w miejscu zapłonu M.

Ryż. 1.8.

Z Zwiększając średnicę rury, zwiększa się konwekcja spalającego się gazu, a całkowita prędkość płomienia wzrasta w przybliżeniu proporcjonalnie do pierwiastek kwadratowy z D. Wraz ze wzrostem normalnej prędkości płomienia wzrasta również U tłuszcz D= const), wolniej niż U N. Przy określonej wartości U n następuje ostre przejście kształtu płomienia z ukośnego na półkulisty.

W przypadku stosowania palnika Bunsena często spotyka się stacjonarny tryb spalania w przepływie. To pozornie najprostsze urządzenie to rurka, przez którą w sposób ciągły dostarczane jest medium palne. Po zapaleniu na wyjściu z palnika tworzy się nieruchomy płomień - płomień Bunsena, którego kształt jest zbliżony do stożkowego. Prawa charakteryzujące płomień Bunsena zostały ustalone w pracy jednego z twórców teorii spalania, V. A. Mikhelsona.

Możliwe jest spalanie stacjonarne w płomieniu Bunsena różne prędkości przepływ. Kiedy prędkość się zmienia, odpowiednio zmienia się kształt stożka Bunsena, a wraz z nim jego powierzchnia – zgodnie z prawem pól. W tym przypadku podstawa stożka pozostaje niezmieniona, w przybliżeniu pokrywająca się z sekcją wylotową palnika, a wysokość wzrasta przy szybkim przepływie i maleje przy wolnym przepływie. Stałe spalanie, w którym następuje taka samoregulacja kształtu płomienia, możliwa jest w szerokim zakresie prędkości przepływu gazu. Dopiero przy bardzo dużej prędkości gazu płomień zanika i gaśnie. Jeśli prędkość gazu staje się wystarczająco niska, średnio blisko U n, płomień rozprzestrzenia się w kierunku przepływu, wchodząc do wnętrza palnika - następuje „przebicie” płomienia.

Ryż. 1.9.

Spalanie w płomieniu Bunsena jest skomplikowane ze względu na wtórne oddziaływanie produktów niepełne spalanie Z powietrze atmosferyczne, jeżeli mieszanina spalania zawiera nadmiar paliwa. W tym przypadku oprócz głównego, wewnętrznego, powstaje wtórny, tzw. zewnętrzny stożek płomienia Bunsena. Aby zapobiec zewnętrznemu tworzeniu się stożków, płomień palnika jest czasami otoczony gazem obojętnym.

Prawa określające kształt płomienia Bunsena można ustalić, biorąc pod uwagę zachowanie płaskiej (małej) części nieruchomego płomienia LV w przepływie gazów spalinowych (rys. 1.9).

Gdyby gaz był nieruchomy, płomień poruszałby się normalnie AB z szybkością U n i wzdłuż przepływu - z prędkością U n/sin β, gdzie β jest kątem pomiędzy AB i oś rury. Ta składowa szybkości spalania jest równa lokalnemu natężeniu przepływu W, ponieważ płomień jest nieruchomy:

Równanie (1.7), otrzymane przez V. A. Mikhelsona, jest szczególnym przypadkiem równania (1.6) - dla płomienia stacjonarnego ( U F = 0); ujemna wartość prędkości gazu wskazuje, że kierunki gazu i prędkość płomienia są przeciwne. Równanie (1.7) określa dla każdego punktu powierzchni płomienia wartość kąta β, a co za tym idzie, stacjonarny kształt całego płomienia jako całości. Jeżeli w którymkolwiek punkcie stożka Bunsena składowa prędkości przepływu gazu normalnej do płomienia okaże się większa niż normalna prędkość płomienia, wówczas przepływ gazu będzie dotyczył tego elementu płomień z wylotu palnika. W tym przypadku wzrasta nachylenie elementu płomieniowego do osi przepływu (ponieważ podstawa stożka jest nieruchoma), a kąt β będzie się zmniejszał, aż składowa prędkości przepływu zrówna się U N. Odwrotne zmiany nastąpią, gdy Wsin β< U N.

Gdyby prędkość gazu była stała w całym przekroju przepływu, wówczas płomień nie byłby załamany, a stożek Bunsena byłby prosty. Na przepływ laminarny gaz w rurze, rozkład prędkości na przekroju jest paraboliczny, określa to prawo Poiseuille’a

(1.8)

Gdzie W(R) – prędkość przepływu na odległość R od osi rury; R 0 – promień rury; W 0 = W(r= 0) – maksymalna prędkość przepływu.

Średnie natężenie przepływu W, równy przepływowi gazu na jednostkę odcinka rury, obliczamy uśredniając:

(1.9)

te. W połowę tego W 0. Należy pamiętać, że po opuszczeniu przez gaz palnika rozkład prędkości w przepływie nieco się zmieni. W przypadku rozkładu prędkości gazu według prawa Poiseuille’a przy równych wartościach W Stożki płomieni wszystkich palników są geometrycznie podobne.

Widzieliśmy już, że istnienie płomienia Bunsena w szerokim zakresie prędkości przepływu gazów spalinowych wynika ze stabilności podstawy stożka i utrwalenia płomienia na pierścieniu odcinającym palnika. Stabilizacja ta wynika z charakterystyki spalania w tej strefie. Doświadczenie pokazuje, że pomiędzy podstawą płomienia a nacięciem palnika istnieje niewielka szczelina, a spalanie rozpoczyna się w pewnej odległości od krawędzi rury. Dzieje się tak dlatego, że spalanie na powierzchni nie jest możliwe, gdyż temperatura stacjonarna gazu w tej strefie jest zbyt niska. Z tego samego powodu nie jest możliwe przedostanie się płomienia przez rurę wzdłuż jej ścianek, gdzie prędkość przepływu gazu jest mniejsza U N.

W strefie pierścienia stabilizującego w pewnej odległości od krawędzi palnika spalanie staje się możliwe, jednak prędkość płomienia w tej strefie jest mniejsza U n z powodu strat ciepła. W miarę oddalania się od krawędzi palnika i przepływu, który nie jest już spowalniany przez ścianę, prędkość gazu wzdłuż pierścienia wzrasta. R = R 0. Na pewnej wysokości jest ona porównywana z prędkością płomienia.

W tych punktach płomień jest stabilnie ustalony: bliżej krawędzi palnika spalanie jest niemożliwe, w większej odległości prędkość płomienia jest większa od prędkości gazu i płomień będzie zbliżał się do palnika, aż obie prędkości się zrównają. Za pomocą tego samego mechanizmu można stabilizować płomień w przepływie czynnika palnego w pobliżu różnych przeszkód stacjonarnych, np. w pobliżu drucianego pierścienia umieszczonego nad palnikiem lub na końcu pręta umieszczonego wewnątrz palnika. W tym drugim przypadku powstaje tzw. odwrócony stożek Bunsena, odwrócony do góry nogami i ustabilizowany w jednym stałym punkcie – na jego wierzchołku.

Jak pokazuje analiza reżim termiczny spalanie, gdy wewnątrz rury znajduje się nieruchomy płomień, ciepło jest odprowadzane z gazu do ścianki, a płomień jest wypukłie kierowany w stronę niespalonego gazu, tj. ma kształt menisku. Przy dużej intensywności odprowadzania ciepła, tj. przy samej ścianie w ogóle nie może istnieć i urywa się w pewnej odległości od niej, tak samo jak wtedy, gdy jest na zewnątrz rury, nad wylotem palnika. Widzimy, że spalanie w płomieniu Bunsena, pomimo prostoty tego urządzenia, jest procesem bardzo złożonym, wyróżniającym się wieloma specyficznymi cechami.

Kiedy poruszająca się mieszanina pali się, wynikająca z tego prędkość rozprzestrzeniania się płomienia będzie sumą
.

Warunkiem, że czoło płomienia jest nieruchome (tj. nieruchome) jest
- wynikowa prędkość wynosi zero,
.

Jako model rozważ palnik Busen.

Gdy gaz i powietrze są dostarczane do ujścia rury z prędkością W, utworzy się stożek, a wzrost prędkości doprowadzi do wzrostu wysokości (powierzchni) stożka i zmniejszenia kąta na wierzchołku. Możliwe jest również coś odwrotnego.

4.3. Procesy w płaskim froncie płomienia.

R
Spójrzmy na przód płomienia. Będzie to wąski obszar, na którym H F jest grubością przodu, oraz H X – grubość strefy reakcji chemicznej. Ponadto można go podzielić na 2 strefy: strefę grzewczą i strefę reakcyjną.

Świeża mieszanina gazu i powietrza wchodzi do strefy 1, stężenie gazu w powietrzu pozostaje stałe, ponieważ reakcja chemiczna jeszcze się nie rozpoczęła, a jedynie jest podgrzewana ze względu na ciepło uwalniane w strefie reakcji. Zaczyna się, gdy dopływ ciepła staje się równy radiatorowi, czyli w języku matematyki
, co odpowiada temperaturze zapłonu T B. W strefie grzewczej dopływ ciepła jest większy niż radiator
oraz w strefie reakcji
. Transport ciepła w czole płomienia odbywa się poprzez przewodność cieplną. Maksymalne wydzielanie ciepła występuje w strefie reakcji i zmniejsza się do 0 na końcu frontu.

Na propagację frontu płomienia wpływa nie tylko szybkość reakcji chemicznej, ale także transport substancji i produktów spalania.

4.4 Stabilizacja laminarnego frontu płomienia.

P
Po doprowadzeniu gazu do palnika prędkość propagacji zmienia się od wartości maksymalnej w środku do wartości minimalnej na obrzeżu. W tym przypadku czoło płomienia jest wygięte ze stożka. A normalną prędkość rozprzestrzeniania się płomienia można jedynie skompensować
i drugi składnik
przeniesie grot na szczyt pochodni. Na obrzeżach ze względu na zdolność chłodzenia ścian U N ulega znacznemu zmniejszeniu w stosunku do wartości średniej, stwarzając możliwość bezpośredniej kompensacji natężenia przepływu W prędkość U N. Dzięki temu czoło płomienia na krawędzi zamienia się w płaszczyznę poziomą i powstaje stabilna strefa spalania - pierścień zapalający. Obszar ten może istnieć samodzielnie.

Czoło płomienia jest generalnie określone przez prawo cosinusa, a jego stabilność zależy od stabilizacji pierścienia zapłonowego. Dlatego określimy główne zależności stabilnego płomienia.

Ponieważ Ponieważ wszystkie palniki pracują w zmiennych trybach, możliwe są sytuacje, w których natężenie przepływu przekracza U N lub możliwa jest sytuacja odwrotna.

Oddzielenie płomienia wiąże się z istnieniem pierścienia zapalającego i jego zniszczeniem. Separacja nastąpi, jeśli prędkość przepływu przekroczy krytyczną prędkość separacji (strefa II na rysunku 8).

Na wielkość prędkości startu wpływa kilka czynników. Z zwiększyćśrednica wydajność chłodzenia palnika maleje, I maksymalna prędkość wybuchu płomieniawzrasta(prosto 3,2,1). Przy uboższej mieszance (zwiększenie ilości powietrza pierwotnego) maleje maksymalna prędkość startu. A wraz ze zmniejszeniem ilości powietrza pierwotnego (płomień dyfuzyjny) maksymalne prędkości wzrosną.

Poślizg ma miejsce, gdy U N przekracza prędkość przepływu płomienia (strefa 3 na rys. 8).

Przebicie płomienia jest związane ze zdolnością chłodzenia ścianek palnika. Brak stanu poślizgu
. Wraz ze wzrostem średnicy wzrasta normalna szybkość spalania, im bardziej, przy niezmienionych pozostałych czynnikach, wzrasta prawdopodobieństwo przebicia, tym większa musi być prędkość przepływu, która zapobiega przebijaniu się płomienia (krzywe 1,2,3 na rys. 8) 1 . Maksymalne prędkości brak przebicia będzie obserwowany przy wartościach nadmiaru powietrza nieco mniejszych od stechiometrycznych. Aby zmniejszyć prawdopodobieństwo przebicia, stosuje się chłodzenie wylotu palnika.

Istnieją również metody stabilizacji płomienia.

Ryc. 9. Stabilizacja za pomocą Rys. 10. Stabilizacja płomienia

zapalenie pierścienia o korpusie w kształcie litery V.

N
i rys. Na rycinie 9 przedstawiono urządzenie realizujące stabilizację dzięki temu, że gaz przedostaje się do pierścieniowej szczeliny 3 kanałami 2. Tworzy to stabilny pierścień zapłonowy, który zapobiega zerwaniu płomienia. Na ryc. Rysunek 10 przedstawia stabilizację przepływu za pomocą korpusu w kształcie litery V. Z powodu turbulencji powstaje coś w rodzaju pierścienia zapalającego i zmniejsza się prawdopodobieństwo rozdzielenia płomienia (zwiększa się maksymalna prędkość).

Stabilizator tunelowy pokazano na ryc. jedenaście. Mieszanka gaz-powietrze wychodzi z palnika 1 do tunelu 3, gdzie tworzy się palnik 2. Produkty spalania są zasysane do nasady palnika, tworząc strefę ich ruchu powrotnego, tworząc stabilny pierścień zapłonowy. Ponieważ jeśli było do bani zimne powietrze, wówczas znacznie pogorszyłoby to warunki zapłonu.

Temat 7. ROZPRZESTRZANIE SIĘ PŁOMIENIA.

7.1. Termiczna teoria spalania.

W adiabacie, tj. spalaniu, któremu nie towarzyszą straty cieplne, cała energia chemiczna układu palnego jest zamieniana na energię cieplną produktów reakcji. Temperatura produktów spalania adiabatycznego nie zależy od szybkości reakcji zachodzących w płomieniu, a jedynie od ich całkowitego efektu cieplnego i pojemności cieplnej produktów końcowych. Wartość ta nazywana jest temperaturą spalania adiabatycznego Tg. Jest to ważna cecha medium palnego. Dla większości mieszanin palnych wartość Tg mieści się w przedziale 1500-3000° K. Oczywiście Tg jest maksymalną temperaturą produktów reakcji przy braku zewnętrznego ogrzewania. Rzeczywista temperatura produktów spalania może być niższa niż T g w przypadku utraty ciepła.

Zgodnie z termiczną teorią spalania opracowaną przez radzieckich naukowców Ya.B. Zeldovich i D.A. Franka-Kameneckiego, rozprzestrzenianie się płomienia następuje poprzez przenoszenie ciepła z produktów spalania do niespalonej (świeżej) mieszanki. Rozkład temperatur w mieszaninie gazów z uwzględnieniem wydzielania ciepła w wyniku reakcji chemicznej oraz przewodności cieplnej pokazano na rys. 26.

Front płomienia, tj. Strefa, w której zachodzi reakcja spalania i intensywne samonagrzewanie gazów spalinowych, zaczyna się od temperatury samozapłonu Tst i kończy się temperaturą Tg.

Przed frontem płomienia rozprzestrzeniającym się w prawo znajduje się świeża mieszanka, a za nimi produkty spalania. Uważa się, że w strefie grzewczej reakcja przebiega tak wolno, że zaniedbuje się wydzielanie ciepła.

Proces wymiany ciepła podczas stacjonarnego rozprzestrzeniania się płomienia nie powoduje strat ciepła i spadku temperatury w porównaniu do Tg bezpośrednio za frontem płomienia. Odprowadzenie ciepła z każdej płonącej warstwy gazu przy zapaleniu sąsiedniej, jeszcze nienagrzanej warstwy, jest kompensowane przez podobną ilość ciepła odebraną wcześniej w warstwie zapalającej podczas jej własnego zapłonu. Dodatkowe ciepło początkowego impulsu zapłonowego nie zakłóca w sposób zauważalny ustalonego trybu spalania, gdyż jego rola maleje coraz bardziej wraz ze wzrostem ilości spalanego gazu.

Produkty spalania tracą ciepło dopiero w wyniku promieniowania i kontaktu z powierzchnią stałą. Jeśli promieniowanie jest nieznaczne, spalanie takie okazuje się praktycznie adiabatyczne. Zauważalne straty ciepła są możliwe dopiero w pewnej odległości za czołem płomienia.

Zatem inicjacja spalania mieszaniny gazów w jednym miejscu prowadzi do nagrzania sąsiedniej warstwy, która nagrzewa się pod wpływem przewodzenia ciepła od produktów reakcji aż do samozapłonu. Spalanie tej warstwy pociąga za sobą zapłon kolejnej itd. aż palna mieszanina całkowicie się wypali. Ciepło usunięte ze strefy reakcji do świeżej mieszaniny jest całkowicie kompensowane przez uwolnienie ciepła reakcji i pojawia się stabilny front płomienia. W wyniku spalania warstwa po warstwie czoło płomienia przemieszcza się przez mieszaninę, umożliwiając rozprzestrzenianie się płomienia.

Jeśli świeża mieszanina przemieszcza się w kierunku czoła płomienia z prędkością równą prędkości rozprzestrzeniania się płomienia, wówczas płomień będzie nieruchomy (nieruchomy).

Teoretyczne uzasadnienie warunków propagacji płomienia można podać rozważając płomień stacjonarny, gdy prędkość jego propagacji Upl jest równa prędkości zasilania mieszaniny gazowej υ g: Upl = υg (rys. 27). W tym przypadku zależność pomiędzy normalną szybkością spalania U n a prędkością rozprzestrzeniania się płomienia U pl będzie wyrażona równaniem:

UN = Upl* sinφ. (7.1)

Z jednostki powierzchni płomienia na jednostkę czasu do świeżej mieszanki dostarczana jest następująca ilość ciepła, w zależności od przewodności cieplnej:

(7.2)

gdzie: - współczynnik przewodzenia ciepła;

Szerokość przodu płomienia.

Ciepło to jest zużywane na ogrzewanie świeżej mieszanki od temperatury początkowej T o do temperatury spalania T g:

Gdzie: Z- specyficzna pojemność cieplna;

Gęstość mieszaniny.

Uwzględniając równania (7.2) i (7.3) przy U pl = υ g, prędkość rozprzestrzeniania się płomienia wyznaczana jest zależnością:

(7.4)

gdzie: - współczynnik dyfuzyjności cieplnej.

Ponieważ szybkość spalania w dużym stopniu zależy od temperatury, spalanie większości gazu następuje w strefie, której temperatura jest bliska Tg.

Szybkość reakcji chemicznej, o której mowa w § 6.1., jest określona równaniem:

. (7.5)
Wtedy prędkość rozprzestrzeniania się płomienia wynosi:

Gdzie: B– wskaźnik zależny od właściwości mieszaniny, .

Zatem płomień nie będzie mógł rozprzestrzenić się w mieszaninie palnej, jeśli jej temperatura będzie niższa od teoretycznej temperatury spalania o kwotę przekraczającą (patrz § 9.3).

- charakterystyczny zakres temperatur w kinetyce chemicznej. Zmiana temperatury o tę wartość prowadzi do zmiany szybkości reakcji o „e” razy.

Wartość graniczną prędkości rozprzestrzeniania się płomienia UPR wyznacza zależność:

(7.7)

W odróżnieniu od rozpatrywanego przypadku normalnego spalania, w rzeczywistych warunkach wybuchu ograniczona przestrzeń proces spalania deflagracyjnego ulega samoprzyspieszeniu. Dzieje się tak na skutek rozszerzania się powierzchni spalania, występowania ruchu gazu i wzrostu ciśnienia podczas spalania.

7.2. Spalanie w zamkniętej objętości.

Kiedy spalają się gazy otwarta rura i podczas przepływu produkty reakcji rozszerzają się swobodnie, ciśnienie pozostaje prawie stałe. Spalanie w zamkniętym naczyniu wiąże się ze wzrostem ciśnienia. Ma to ogromne znaczenie przy rozwiązywaniu problemów związanych z bezpieczeństwem wybuchowym. Wzrost ciśnienia podczas spalania w zamkniętych aparatach, a także w pomieszczeniach może prowadzić do zniszczeń i wypadków.

Podczas spalania bez strat ciepła (spalanie adiabatyczne) w zamkniętej objętości, w wyniku wzrostu temperatury od To do temperatury spalania T g i zmiany liczby gram cząsteczek podczas reakcji, ciśnienie wzrasta z Po do Pg:

(7.8)

gdzie: m, n – liczba moli substancji przed i po eksplozji, stechiometryczna

skład mieszanki.

Jednak największe ciśnienie nie rozwija się dla mieszanin stechiometrycznych, chociaż mają one najwyższe ciepło spalania i tworzą maksymalną T g, ale dla mieszanin wzbogaconych w substancje palne, które mają maksymalną szybkość spalania. Podczas spalania deflagracyjnego ciśnienie osiąga 7-10 atm, podczas detonacji jest znacznie wyższe.

Charakterystyczną cechą procesu spalania w zamkniętej objętości jest nierównomierny rozkład temperatury produktów reakcji bezpośrednio po spaleniu. Początkowo paląca się część palnej mieszaniny, znajdująca się w środku naczynia, reaguje pod ciśnieniem początkowym po; ostatnia warstwa, paląca się przy ścianie, reaguje pod końcowym ciśnieniem R.

Ogrzewanie każdej warstwy gazu przebiega dwuetapowo: podczas przemiany chemicznej i sprężania adiabatycznego. Chociaż skład produktów spalania i ciśnienie są takie same we wszystkich punktach objętości, temperatura końcowa zależy w dużym stopniu od kolejności obu procesów ogrzewania. Pod adiabatycznym sprężaniem pod ciśnieniem po aż do ciśnienia R wzrost temperatury od To do T jest określony przez równanie Poissona

, (7.9)

gdzie: g = s r / sw.

Temperatura końcowa produktów spalania będzie wyższa, jeśli gaz zostanie najpierw podgrzany podczas przemiany chemicznej, a następnie jego temperatura wzrośnie podczas sprężania zgodnie z równaniem (7.9), niż w przypadku odwrotnej kolejności obu procesów.

7.3. Ruch gazów podczas spalania.

Ekspansja gazów w płomieniu (zgodnie z prawem Gay-Lussaca) powoduje, że spalaniu zawsze towarzyszy ruch gazów. Oznaczmy przez ρ g - gęstość ośrodka początkowego, ρ pr - gęstość produktów spalania, ich prędkość względem stacjonarnego czoła płomienia jest równa u pr. Na każdy centymetr kwadratowy powierzchni czołowej przepływ przynosi u n cm 3 palnej mieszaniny co sekundę, jej masa jest równa odpowiednio u n* ρ g, z tej części płomienia usuwa się w ciągu 1 sekundy do pr cm 3 produkty reakcji o masie u pr* ρ pr wówczas spalająca się mieszanina i produkty reakcji są sobie równe

u n* ρ g = u pr* ρ pr (7.10)

Równanie (7.10) wyraża prawo zachowania masy podczas spalania.

Wartość upr przekracza normalną prędkość płomienia o tyle razy, o ile gęstość ośrodka wyjściowego jest większa od gęstości produktów spalania. Wzrost prędkości przepływu gazów podczas spalania jest konsekwencją rozszerzania się gazów.

Temperatura absolutna po spaleniu wzrasta 5–10 razy. Jeśli spalanie zachodzi pod stałym ciśnieniem, gaz rozszerza się w r o / r pr raz. Rozważmy spalanie nieruchomego czoła płomienia w otwartej rurze, jak pokazano na rysunku 28.

Ryż. 28. Schemat objaśnienia prawa powierzchni: S – przekrój rury, F – powierzchnia czoła płomienia, ω – prędkość początkowej mieszaniny palnej, T 0 – temperatura i gęstość mieszaniny początkowej, U H – normalna prędkość spalania, U PL – prędkość rozprzestrzeniania się płomienia, U PR to prędkość produktów spalania, T PR to temperatura i gęstość produktów spalania.

Ponieważ płomień jest nieruchomy, ω = U PR. Następnie np. na 1 cm2 powierzchni czoła płomienia F przepływ przynosi ω cm3/s palnej mieszaniny. Jego masa jest równa ω. W związku z tym z tej sekcji usuwa się U PR cm 3 /s produktów spalania o masie U PR. Następnie, zgodnie z zasadą zachowania masy (równanie 7.10) przy ω = U PL:

(7.11)

Zatem prędkość objętościowa produktów spalania przekracza prędkość spalania tyle razy, ile gęstość pierwotnego ośrodka jest większa niż gęstość produktów spalania.

Natomiast jeśli U N cm 3 /s mieszaniny pali się na 1 cm 2 powierzchni czoła płomienia, to U N * F cm 3 /s pali się na całej powierzchni F. Jednocześnie objętość gazów spalinowych jest równa prędkości objętościowej przepływu gazu ω*S cm 3 /s. Wtedy U H *F = ω*S lub ω = U H *F / S.

Z równością ω =U PL:

UPL= U H* F / S. (7.12)

Dostajemy prawo obszarowe: prędkość rozprzestrzeniania się płomienia w rurze będzie tyle razy większa niż normalnie, w miarę jak powierzchnia płomienia przekracza przekrój rury.

Jeśli weźmiemy pod uwagę stacjonarną mieszaninę palną, to w miarę rozprzestrzeniania się czoła płomienia gwałtownie podgrzane gazy nie mają czasu na rozszerzanie się, a ciśnienie w strefie spalania gwałtownie wzrasta, co „rozszerza się” i wypycha gazy na obie strony płomienia , i nie tylko produkty spalania są wypychane, ale następuje również ruch mieszaniny początkowej przed czoło płomienia, jak na rysunku 29:

Prędkość gazów wzrasta w miarę spalania początkowej mieszaniny i odpowiednio ciśnienia gazu. W tym przypadku z jednego końca rury wyrzucane są sprężone, gorące, spalone gazy, z drugiego zaś sprężona mieszanina początkowa, która zapala się wybuchowo od płomienia wyrzuconego do atmosfery pomieszczenia, po czym następuje fala uderzeniowa, pożar i zniszczenie.

7.4. Czynniki przyspieszania spalania.

Różne sposoby spalania deflagracyjnego różnią się jedynie szybkością rozprzestrzeniania się płomienia ze względu na nierównomierny rozwój powierzchni czoła płomienia. Spalanie początkowo nieruchomego gazu jest zawsze komplikowane przez zakłócające wpływy zewnętrzne, które zniekształcają kształt płomienia. Najważniejsze z nich to grawitacja, tarcie i turbulencja spalającej się mieszanki.

Zatem po zapaleniu w środku pionowej rury, jak pokazano na rysunku 30, ciężka mieszanina początkowa znajduje się nad lekkimi produktami spalania. W tym przypadku strumienie konwekcyjne mieszanki początkowej przesuwają się w dół, a produkty spalania w górę. Pod ich wpływem czoło płomienia rozciąga się, a spalanie przyspiesza.

Gdy płomień rozprzestrzenia się w dół, medium palne jest nieruchome, a zakłócenie czoła płomienia jest nieznaczne. Przy małych szybkościach spalania i długości rury kształt płomienia jest prawie płaski.

Jednak w tym przypadku gaz również przemieszcza się w dół rury na skutek rozszerzania się podczas spalania. Tarcie poruszającego się gazu o ścianki powoduje zmniejszenie jego prędkości na obwodzie i rozciągnięcie czoła płomienia, a profil prędkości czoła płomienia również przyjmuje postać kopuły. Powierzchnia płomienia stopniowo wzrasta, a spalanie przyspiesza.

Dość szybkie spalanie, w którym prędkość płomienia sięga setek m/s, następuje podczas turbulizacji mieszaniny gazów i odpowiednio podczas turbulizacji czoła płomienia. Turbulizacja powoduje znaczne rozszerzenie czoła płomienia, przyspieszenie wymiany ciepła pomiędzy produktami spalania a mieszaniną początkową i w związku z tym spalanie. Ten rodzaj spalania nazywany jest często eksplozją.

7,5. Warunki wybuchu.

Jak dowiedzieliśmy się wcześniej, eksplozja to chemiczna lub fizyczna przemiana substancji, której towarzyszy niezwykle szybka przemiana jej energii w energię ściskania i ruchu Materiały wyjściowe, produkty ich przemian oraz środowisko. Na tej podstawie eksplozja chemiczna jest niezwykle szybką reakcją spalania, której towarzyszy gwałtowne przejście uwolnionej energii cieplnej na energię sprężania i ruchu substancji wyjściowych, produktów spalania i środowiska.

Eksplozja składa się z trzech etapów:

1) konwersja energii reakcji chemicznej na energię cieplną;

2) konwersja energii cieplnej na energię wysokosprężonego gazu;

3) propagacja sprężonego gazu w postaci fali uderzeniowej.

Główne warunki reakcji chemicznej w postaci eksplozji to:

1. Egzotermia, co wynika z faktu, że siła wiązań między atomami w produktach reakcji jest znacznie większa niż w substancjach wyjściowych, w związku z czym uwalniana jest „dodatkowa” energia. W reakcjach endotermicznych nie następuje eksplozja.

2. Tworzenie się gazu, ponieważ:

· po pierwsze, przejście w stan gazowy podczas reakcji chemicznej dowolnej substancji w stałej objętości prowadzi do wzrostu ciśnienia;

· po drugie, gazy mają bardzo wysoki współczynnik rozszerzalności objętościowej po podgrzaniu. Bez obecności gazów nastąpi jedynie ogrzewanie substancji.

3. Wysoka szybkość reakcji i zdolność do samorozprzestrzeniania się i samoprzyspieszania. Samorozprzestrzenianie się następuje w wyniku „fali” termicznej wywołanej przewodnictwem cieplnym (eksplozja deflagracyjna) lub fali uderzeniowej sprężonych gazów (detonacja).

Fala upałów jest podtrzymywana przez ciepło wydzielane podczas spalania, oraz fala uderzeniowa- my sami sprężony gaz.

Automatyczne przyspieszenie reakcji i wystąpienie eksplozji następuje w wyniku wzrostu temperatury reagujących substancji na skutek ciepła reakcji lub wzrostu liczby aktywnych rodników lub wzrostu ciśnienia fali uderzeniowej.

Wymagania dotyczące komór spalania i ich charakterystyki

Komory spalania turbin gazowych pracują w szerokim zakresie obciążeń. Muszą mieć małe wymiary, wagę i być sprawne przy spalaniu różnego rodzaju paliw. Ponadto CS musi zapewniać akceptowalny poziom szkodliwe emisje z produktami spalania (tlenki azotu, siarka). CS postawiono specjalne wymagania z punktu widzenia niezawodności działania, ponieważ znajdują się one w trudnych warunkach temperaturowych.

Ponadto komory spalania muszą posiadać:

· wysoka wydajność spalania;

· niskie straty ciśnienia;

· małe wymiary tj. wysoka intensywność termiczna;

· określone pole temperatury;

· szybki i niezawodny start;

· wystarczająco duży zasób;

· Wystarczająca łatwość instalacji i konserwacji zapobiegawczej.

Współczynnik efektywności spalania (lub sprawność komory spalania) definiuje się jako:

Gdzie Pytanie 1– ilość ciepła faktycznie uwolniona w objętości roboczej komory; Pytanie 2 – pełna ilość ciepło, które teoretycznie mogłoby wyzwolić się podczas całkowitego spalania paliwa.

Płomień w komorze spalania, rozwijający się w warunkach ruchu wymuszonego przy centralnym dopływie paliwa, składa się z trzech głównych stref: strefy wewnętrznej I, strefy tworzenia mieszanki i spalania II oraz strefy III – strefy powietrza zewnętrznego Rys. 4.2.

W strefie II 0 ≤ α ≥ ∞. W strefie wewnętrznej α = 0 nie ma powietrza.

W strefie 2 następuje tworzenie mieszaniny i spalanie. Dzieli się na dwa: wewnętrzny - a i zewnętrzny - b.

Strefa wewnętrzna wypełniona jest mieszaniną łatwopalnego gazu i produktów spalania oraz mieszanina zewnętrzna produkty spalania i powietrze. Granicę pomiędzy strefami stanowi czoło płomienia spalania. W tym przedziale znajdują się wszystkie obszary od α = 0 do α = ∞. W grubości frontu spalania α= 1; paliwo przemieszczające się od nasady do strefy ogonowej jest rozcieńczane produktami spalania, a powietrze nasyca się produktami spalania. Prowadzi to do tego, że w strefie spalania zmniejsza się ciepło spalania paliwa, tj. zmniejsza się ilość ciepła,

Ryż. 4.2. Przód płomienia spalania.

na jednostkę powierzchni frontu spalania warunki spalania pogarszają się, aż do zgaśnięcia płomienia i usunięcia części niespalonego paliwa. Należy pamiętać, że proces ten jest typowy dla nieograniczonej przestrzeni. W rzeczywistych komorach spalania charakter spalania, ze względu na ograniczony przepływ, jest w dużej mierze zdeterminowany właściwościami aerodynamicznymi komory spalania. Ponadto w strefie spalania utrzymuje się wysoka temperatura, co prowadzi do spalania mieszaniny z bardzo dużą szybkością, w tym przypadku o szybkości spalania decyduje przede wszystkim szybkość tworzenia mieszaniny, ponieważ szybkość reakcji chemicznych będzie wielokrotnie większa niż szybkość tworzenia mieszaniny. Proces ten nazywa się spalanie dyfuzyjne. Można to łatwo kontrolować zmieniając warunki tworzenia mieszaniny, co z kolei można zmienić za pomocą środków projektowych - zastosowanie siatek pierścieni łopatkowych jako turbulatorów itp.

Jedną z głównych cech komory spalania jest wielkość naprężenia cieplnego, czyli stosunek ilości ciepła uwolnionego w komorze spalania do jej objętości pod ciśnieniem spalania.

J/m2 MPa (4,10)

Gdzie R. K.S– ciśnienie płynu roboczego w komorze spalania, MPa; V– objętość komory spalania, m3.

Na podstawie wartości ciepła właściwego określa się objętość komory spalania.

Aby zapewnić stabilne spalanie w całym zakresie trybów pracy, ważna jest organizacja procesu spalania, który charakteryzuje się powierzchnią czoła płomienia spalania i jest określony na podstawie równania:

Gdzie U T – turbulentna prędkość rozprzestrzeniania się płomienia, zwykle przyjmowana w przedziale (40 ÷ 60 m/s); F f – czoło płomienia spalania; – ciepło spalania mieszaniny; ρ cm - gęstość mieszaniny.

Dolną wartość opałową mieszanki wyznacza się z równania:

Gęstość mieszaniny wyznacza się z równania Mendelejewa-Clayperona:

Gdzie T KS to temperatura mieszanki w komorze spalania.

Front płomienia spalania według równania:

Możliwe jest stabilne spalanie F tf≥ F.