Нормальная скорость распространения пламени

Распространение зоны химических превращений в открытой горючей системе

Горение начинается с воспламенения горючей смеси в локальном объёме горючей системы, затем распространяется в направлении движущейся смеси. Горящая зона, в которой осуществляются видимые наблюдателю окислительно-восстановительные химические реакции, называется пламенем. Поверхность, разделяющая пламя и ещё негорящую смесь, служит фронтом пламени. Характер распространения пламени зависит от многих процессов, но определяющим служит процесс нагрева горючей смеси. В зависимости от способа нагрева горючей смеси до температуры воспламенения различают нормальное, турбулентное и детонационное распространение пламени.

Нормальное распространение пламени наблюдается при горении в горючей системе с ламинарно движущейся смесью. При нормальном распространении пламени тепловая энергия от горящего слоя к холодному передаётся преимущественно теплопроводностью, а также молекулярной диффузией. Теплопроводность в газах отличается малой интенсивностью, поэтому скорость нормального распространения пламени невысока.

При турбулентном движении горючей смеси перенос тепловой энергии от горящего слоя к холодному происходит преимущественно молярной диффузией, а также теплопроводностью. Молярный перенос пропорционален масштабу турбулентности, который определяется скоростью движения смеси. Скорость турбулентного распространения пламени зависит от свойств смеси и от газодинамики потока.

Распространение пламени в горючей смеси от зоны горения к холодным слоям посредством молекулярных и молярных процессов называется дефлаграционным.

Физико-химические процессы горения сопровождаются повышением температуры и давления в пламени. В горючих системах при определённых условиях могут возникнуть зоны повышенного давления, способные осуществлять сжатие соседних слоёв, нагревая их до состояния воспламенения. Распространение пламени посредством быстрого сжатия холодной смеси до температуры воспламенения называется детонационным и всегда носит взрывной характер.

В горючих системах может возникнуть вибрационное горение, при котором фронт пламени перемещается со скоростью, изменяющейся как по величине, так и по направлению.

Скорость распространения фронта горения в ламинарно движущейся или неподвижной смеси называют нормальной или фундаментальной скоростью распространения пламени. Численное значение нормальной скорости определяют по скорости ещё не воспламенившейся смеси, нормально направленной к фронту горения.

Значение u_н для плоского фронта горения можно определить из условия динамического равновесия между скоростью нагрева смеси теплопроводностью до температуры воспламенения и скоростью химической реакции. В результате получена следующая формула

,

где l – коэффициент теплопроводности газовой смеси, с_р – коэффициент теплоёмкости смеси при постоянном давлении, Т_нач – начальная температура смеси, Т_а – адиабатическая температура горения, Arr – критерий Аррениуса, k₀ – коэффициент закона Аррениуса.

Нормальную скорость можно определить экспериментально по скорости перемещения фронта в трубке с неподвижной смесью или по высоте конуса горения в горелке Бунзена. Горелка Бунзена – это лабораторная горелка с частичным предварительным смешением газа и воздуха. На выходе из горелки образуется пламя с фронтом горения в виде конуса правильной формы (рис.).

Рис.7. Фронт горения в горелке Бунзена

При стабильном положении фронта горения скорость распространения пламени u_н уравновешена нормальной к поверхности конуса горения составляющей W_н скорости движения газовоздушной смеси W, т.е.

где j – угол между вектором скорости движения газовоздушной смеси и вектором её нормальной к поверхности конуса горения составляющей.

Значение скорости движения газовоздушной смеси на срезе сопла при конусе горения правильной формы определяется по формуле

,

где d₀ – диаметр сопла горелки, V – расход газовоздушной смеси через горелку.

Значение cos j можно выразить через высоту конуса горения

.

С учётом того, что поверхность горения – это боковая поверхность правильного конуса

,

значение нормальной скорости определяется

.

На величину нормальной скорости распространения пламени влияют:

1. Начальная температура смеси. При низких температурах u_н прямо пропорциональна квадрату абсолютной температуры поступающей на горение смеси. При температуре, превышающей температуру воспламенения, понятие нормальной скорости теряет смысл, так как смесь становится способной к самовоспламенению.

2. Температура стенок канала при условии что пламя распространяется внутри этого канала. Холодные стенки обрывают цепные реакции и тормозят распространение пламени.

3. Диаметр канала. Для каждой горючей смеси существует критическое значение диаметра d_кр, начиная с которого распространение пламени внутри канала невозможно. Значение критического диаметра можно определить по формуле

,

где а_см – коэффициент температуропроводности смеси.

4. Давление. При увеличении давления u_н уменьшается.

5. Состав смеси. Для смеси с составом, близким к стехиометрическому нормальная скорость имеет максимальное значение. Кроме того, существуют нижний и верхний по концентрации горючего пределы, вне которых пламя распространяться не может.

Дата добавления: 2014-01-07