3.3. Физика процесса распространения пламени

Распространение пламени в газовой смеси происходит за счет передачи теплоты от слоя к слою. В основном теплота передается путем теплопроводности, но в некоторых случаях значительную роль может играть излучение. Вторым важным физическим процессом при распространении пламени является взаимная диффузия компонентов горючей смеси и продуктов сгорания.

Фронт пламени или зона химических реакций – это тонкая зона, в которой успевает протекать реакция горения. Расчеты показывают, что время пребывания вещества в ней очень мало (для метано-воздушной смеси t = 10^-3 с, для смеси кислорода и водорода t = 10^-7 c).

Теплота химической реакции, протекающей на фронте пламени, распространяется путем теплопроводности как в сторону движения пламени, нагревая исходную смесь, так и в сторону продуктов сгорания. Схема распределения температур в зоне горения приведена на рис. 3.6.

Исходная смесь имеет температуру Т₀. По мере приближения к ней фронта пламени она нагревается от Т₀ до температуры самовоспламения Т_S. Размеры зоны прогрева зависят от теплопроводности смеси и скорости распространения пламени. Увеличение коэффициента теплопроводности расширяет зону прогрева, а увеличение скорости пламени – сокращает ее.

Рис. 3.6. Схема фронта пламени

В зоне реакции температура повышается от Т_S до температуры горения Т_Г. Кроме явления теплопередачи в зоне реакции протекают параллельно процессы диффузии. Диффузия вызвана различием парциальных давлений отдельных компонентов смеси в зоне реакции и в исходной смеси. Например, в зоне реакции парциальное давление горючего компонента и кислорода много ниже, чем в исходной смеси (за счет расходования этих компонентов в реакции горения). Это приводит к тому, что горючий компонент и кислород диффундируют в зону горения (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Распределение температуры

и концентрации компонентов по длине пламени

3.4. Влияние диаметра трубки на скорость распространения пламени

Как показывает опыт, взрывчатая смесь постоянного состава имеет разные скорости распространения пламени при ее горении в трубках разного диаметра. С увеличением диаметра скорость распространения пламени растет неравномерно. При увеличении диаметра трубки D до (10÷15) см скорость распространения пламени растет быстро. При дальнейшем увеличении диаметра она медленно увеличивается и при некотором предельном значении D_max скорость распространения пламени остается постоянной (рис. 3.8).

При уменьшении диаметра трубки скорость распространения пламени уменьшается и при достижении некоторого значения D_min пламя в трубке не распространяется. Этот эффект можно объяснить увеличением тепловых потерь при уменьшении диаметра трубки.

Рис. 3.8. Зависимость скорости распространения пламени

от диаметра трубки

Теплота из зоны горения расходуется на нагрев смеси Q₁, нагрев продуктов сгорания Q₂ и стенок трубки Q₃. Теплота Q₁ возвращается в зону реакции и тем самым возмещает теплоотдачу на нагрев свежей смеси. К теплопотерям относятся только Q₂, Q₃. Эти потери возрастают с уменьшением диаметра трубки за счет того, что увеличивается отношение поверхности теплоотдачи к объему газа, отдающего теплоту.

Рис. 3.9. Схема теплоотвода из зоны горения

Для цилиндрической трубки радиусом R и длинной L (рис. 3.10) отношение ее поверхности S к объему V равно:

Для трубки диаметром D = 10 см отношение см^-1, а для трубки диаметром D = 2 см отношение см^-1. Отсюда видно, что с уменьшением диаметра трубки увеличивается отвод теплоты от единицы объема газа, находящегося в зонах прогрева и реакции, к стенкам трубки. Увеличение теплопотерь снижает температуру горения и скорости распространения пламени. Таким образом, для каждого значения диаметра трубки D при неизменном составе смеси устанавливается определенная температура горения T_Г и скорость распространения пламени в зависимости от уровня тепловых потерь. Уменьшая диаметр трубки, можно достигнуть такой величины теплопотерь, при которой горение в смеси прекращается. Такой диаметр (D_min) называется критическим.

Рис. 3.10. Схема теплоотвода из цилиндрической трубки

На этом принципе (гашение пламени в узких трубах) основан целый ряд предохранительных устройств, предотвращающих распространение пламени – металлические сетки для медленногорящих смесей (лампа Дэви), огнепреградители в шахтах, засыпки гравийных порошков в системах слива нефтепродуктов и т.д.