Рраспространение зоны химических превращений в закрытой горючей системе

Распространение пламени

Хорошо перемешанная стехиометрическая смесь горючего и окислителя с химической точки зрения содержит всё необходимое для горения. Однако при нормальных или стандартных термических условиях скорость химической реакции для большинства горючих смесей очень мала. Требуется много времени (даже столетия), чтобы заметить какие-либо химические превращения в горючей системе.

Ранее было установлено, что горючая смесь воспламеняется только при определённых условиях. Смесь нужно либо подогреть, либо создать в неё активные частицы. Предположим, что источником зажигания необходимые условия созданы, но не во всём объёме горючей системы, а лишь в определённой части. После локального инициирования горения возникнет зона реакции, которая будет перемещаться от источника зажигания и пройдёт по всему объём реакционноспособной смеси.

Известны два режима распространения зоны реакции в пространстве

– с дозвуковой скоростью или дефлаграционный режим,

– со сверхзвуковой скоростью или детонационный режим.

Детонационный режим обусловлен быстрым сжатием вещества, которое обеспечивает необходимый нагрев горючей смеси для того, чтобы реакция пошла со значительной скоростью. В свою очередь, быстрое выделение теплоты в химической реакции поддерживает высокое давление в зоне горения, обеспечивая её дальнейшее распространение.

Дефлаграционный режим распространения зоны химической реакции происходит со скоростями, значительно меньшими звуковых. Он связан с молекулярными процессами теплопроводности и диффузии. Зона химической реакции при дефлаграции является зоной пламени.

При тепловом распространении пламени тепловая энергия, выделившаяся при химической реакции, передаётся в соседние части теплопроводностью, нагревает их и инициирует активную химическую реакцию, т.е. воспламеняет горючую смесь. При цепном горении распространение зоны реакции происходит путём диффузии активных частиц. В реальных случаях происходит совместное действие и диффузии, и теплопроводности.

При распространении пламени химические превращения идут в зоне реакции, имеющей относительно малый по направлению движения размер. В непосредственной близости от зоны реакции, в относительно тонком слое происходит разогрев смеси. Схема распространения пламени в закрытой системе имеет следующий вид

Рис. 5. Схема распространения пламени в закрытой системе

Скорость, с которой зона пламени распространяется относительно смеси, называется нормальной скорость распространения пламени.

В реальных условиях зона пламени не имеет правильной геометрической формы. При искривлённой зоне пламени нормальная скорость горения характеризует скорость перемещения фронта пламени относительно исходной смеси в направлении нормали к поверхности фронта.

Нормальная скорость определяет объём горючей смеси, который сгорает в единицу времени на единице поверхности фронта пламени. Она имеет размерность линейной скорости (м/с).

Величина нормальной скорости распространения пламени определяется кинетикой химической реакции и молекулярными процессами переноса тепловой энергии и вещества внутри зоны пламени. В ней возникают большие градиенты температуры, скорости, плотности и концентраций принимающих участие в реакции горения веществ.

При изучении явлений, происходящих в зоне пламени, удобно применять локальную систему координат, связанную с фронтом пламени. В этой системе координат исходная горючая смесь со скоростью u_n натекает на неподвижный фронт пламени, а продукты горения оттекают от поверхности пламени со скоростью u_F, большей чем u_n, так как при горении происходит нагрев и расширение газа. Очевидно, что скорость натекания u_n, при которой фронт пламени покоится равна той скорости, с которой пламя движется относительно неподвижного газа. Величина u_F есть скорость перемещения пламени относительно неподвижных продуктов горения. Соотношение между скоростями определяется из закона сохранения вещества

,

где r₀, r_F – плотности исходной смеси и продуктов горения.

Возьмём для примера смесь окиси углерода с кислородом, вступающую в реакцию

Отвлекаясь от сложного механизма этой реакции, покажем распределение температуры и концентраций окиси углерода, кислорода, углекислого газа.

Рис. 6. Химические превращения в зоне пламени

Исходная смесь подогревается за счёт теплового потока из зоны реакции. Состав смеси в зоне подогрева изменяется по сравнению с исходной смесью из-за диффузии реагентов в зону реакции и её разбавления продуктами горения. Концентрация СО и О₂ в зоне реакции меньше их исходных значений. В тоже время температура газов в зоне пламени достигает своего максимального значения.

Отличительной особенность химических превращений в перемещающемся пламени является отсутствие задерживающих стадий. Если при самовоспламенении стадии накопления тепловой энергии и активных частиц задерживают развитие процесса горения, то в пламени медленные процессы отсутствуют. Своё влияние оказывают тепловой и диффузионный потоки из слоёв с высокой температурой и высоким содержанием активных частиц.

Дата добавления: 2014-01-07