Кинетическое и диффузионное горение газов. Понятие нормальной скорости распространения пламени, влияние различных факторов на величину нормальной скорости горения.

Горение газов – наиболее простой случай горения веществ и материалов. Основоположниками теории горения газов являются Михельсон, Зельдович, Франк-Каменецкий, Семенов и др.

Кинетическое горение – горение предварительно перемешанной смеси горючего и окислителя.

В этом случае пламя по горючей смеси будет распространяться во все стороны. Объем, охваченный пламенем, будет увеличиваться. Пламя всегда распространяется в сторону несгоревшей смеси.

Узкая полоска между исходной смесью и продуктами горения и есть пламя. Для большинства углеводородных смесей с воздухом толщина этой полоски 0,1¸1,0 мм. Это зона горения или фронт пламени. В ней протекает химическая реакция и выделяется все тепло. Свечение является результатом присутствия в ней радикалов СН, НСО, С₂ и т.д.

Таким образом, фронт пламени – это узкая светящаяся зона, разделяющая ПГ и исходную горючую смесь.

Во фронте пламени в результате химической реакции горения концентрация исходных компонентов резко снижается до нуля, а температура достигает максимального значения. Вследствие молекулярной теплопроводности температура перед зоной реакции монотонно повышается от начальной температуры горючей смеси до температуры, близкой к температуре горения, образуя зону физического прогрева.

Поскольку толщина зоны пламени не превышает, как правило, долей мм, то условно фронт пламени считают плоскостью.

Если фронт пламени движется, то пламя называют нестационарным, если не перемещается – стационарным.

Понятие нормальной скорости распространения пламени, влияние различных факторов на величину нормальной скорости горения.

Нормальная скорость распространения пламени – скорость перемещения фронта пламени относительно несгоревшего газа в направлении, перпендикулярном к его поверхности.

Для нестационарного пламени имеем:

(ю) u_н = n/t,

где n – расстояние, пройденное фронтом пламени по нормали к поверхности фронта за время t.

В случае стационарного пламени по аналогии имеем:

где F – площадь поверхности фронта пламени, м²; V_см – расход свежей смеси, м³/с.

Существуют две теории, объясняющие природу распространения пламени по горючей смеси.

Согласно диффузионной теории перемещение фронта пламени происходит за счет диффузии образующихся в зоне горения активных частиц – радикалов – в свежую смесь, где они инициируют протекание химической реакции.

Согласно тепловой теории перемещение фронта пламени осуществляется благодаря, передаче тепла путем теплопроводности в свежую смесь, за счет чего последняя разогревается до температуры самовоспламенения с последующим протеканием химической реакции.

Факторы, влияющие на нормальную скорость.

Концентрация горючей смеси. Зависимость нормальной скорости распространения пламени от состава горючей смеси.

Теоретически (ю) u_н (нестационарного пламени) должна быть максимальной при (видимой и нормальной скорости) - (фи) j_ст. Практически максимум приходится на смесь, содержащую горючего больше стехиометрического соотношения (альфа-a_в < 1 – богатая смесь). u_н для различных газов составляет ~ 0,3 – 1,6 м/с. Она редко превышает значение 2,5 м/с, а для углеводородно-воздушных смесей находится в пределах 0,4¸0,8 м/с. Смеси, имеющие u_н < 0,04 м/с, не способны к распространению пламени.

Присутствие флегматизаторов (азота- N₂, углекислоты-CO₂, H₂O _(пар), аргона-Ar и т.д.). Влияние флегматизатора на нормальную скорость распространения пламени в горючей смеси.

Наблюдается эффект разбавления, что влечет за собой снижение скорости реакции, тепловыделения и (ю) u_н (нестационарного пламени). Эффективность газов-флегматизаторов определяется их теплофизическими свойствами: чем выше отношение с_р/l (теплоемкость, теплопроводность), тем сильнее они снижают u_н. Еще более эффективны ХАИ (химически активные ингибиторы), которые благодаря своей химической природе сильно тормозят химическую реакцию горения.

В реальных условиях пожара в основном встречается диффузионное горение, когда скорость лимитируется (определяется) скоростью образования горючей смеси, т.е. смешением горючего с окислителем (кислородом воздуха) за счет диффузии.

Смешивание горючего газа и кислорода происходит в зоне горения. При горении вытекающего горючего газа в атмосферу воздуха кислород последнего, диффундируя через слой ПГ, поступает к зоне горения, где вступает в химическую реакцию окисления с горючим.

Вследствие диффузии окислителя из окружающей среды концентрация горючего на некотором расстоянии от среза горелки х_в снизится с 100 % до ВКПВ, и с этого момента станет возможным протекание химической реакции. Из-за большого избытка горючего в этой области образуются в основном продукты неполного окисления (оксида углерода - СО, метана - СН₄, углерода - С и т.д.).

Образование в этой области углерода обусловливает ярко-желтое свечение диффузионного пламени. По мере расходования горючего и повышения концентрации окислителя вследствие диффузии последнего происходит понижение концентрации горючего, и как только на расстоянии х_н она снизится до НКПВ, химическая реакция завершится. По мере изменения концентрации горючего в зоне реакции (х_в – х_н) от ВКПВ до НКПВ она проходит через стехиометрическую х_ст, при которой скорость химической реакции окисления максимальная. Ширина зоны реакции в диффузионных пламенах значительно больше, чем в кинетических и составляет от нескольких мм до см. Соответственно уменьшается и скорость выделения тепла в единице объема зоны реакции (теплонапряженность).

Поиск по сайту: