6.4. Скорость распространения пламени

При адиабатическом, т.е. не сопровождающемся тепловыми потерями сгорании, весь запас химической энергии горючей системы переходит в тепловую энергию продуктов реакции. Температура продуктов адиабатического сгорания не зависит от скорости реакций, протекающих в пламени, а лишь от их суммарного теплового эффекта и теплоемкостей конечных продуктов. Эта величина называется адиабатической температурой горения Т_г. Она является важной характеристикой горючей среды. У большинства горючих смесей величина Т_г лежит в пределах 1500 ÷ 3000°К. Очевидно, что Т_г – максимальная температура продуктов реакции в отсутствие внешнего подогрева. Фактическая температура продуктов сгорания может быть только меньше Т_г в случае возникновения тепловых потерь.

Согласно тепловой теории горения, разработанной советскими уче­ными Я. Б. Зельдовичем и Д. А. Франк-Каменецким, распространение пламени происходит путем передачи тепла от продуктов горения к несгоревшей (све­жей) смеси. Распределение температур в газовой смеси с учетом тепловыде­ления от химической реакции и теплопроводности показано на рис. 6.1:

Рис. 6.1. Распределение температур в газовой смеси

Фронт пламени, т.е. зона, в которой происходит реакция горения и ин­тенсивный саморазогрев сгорающего газа, начинается при температуре само­воспламенения  Т_св и заканчивается при температуре Т_г.

Перед распространяющимся вправо фронтом пламени находится свежая смесь, а сзади – продукты горения. Считается, что в зоне подогрева реакция протекает настолько медленно, что выделением тепла пренебрегают.

Процесс теплопередачи при стационарном распространении пламени не приводит к потерям тепла и понижению температуры по сравнению с Т_г непосредственно за фронтом пламени. Теплоотвод из каждого сгорающего слоя газа при поджигании соседнего, еще не нагретого, скомпенсирована аналогичным количеством тепла, ранее полученным в поджигающем слое при его собственном поджигании. Дополнительное тепло начального поджигающего импульса заметно не искажает стационарного режима горения, так как его роль все более уменьшается по мере увеличения количества сгоревшего газа.

Продукты сгорания теряют тепло только в результате излучения и при соприкосновении с твердой поверхностью. Если излучение незначительно, такое сгорание оказывается практически адиабатическим. Заметные тепловые потери возможны лишь на определенном расстоянии за фронтом пламени.

Таким образом, инициирование горения газовой смеси в одной точке приводит к нагреву близлежащего слоя, который разогревается путем тепло­проводности от продуктов реакции до самовоспламенения. Сгорание этого слоя влечет за собой воспламенение следующего и т.д. до полного выгорания горючей смеси. Отводимое из зоны реакции в свежую смесь тепло полностью компенсируется выделением тепла реакции, и возникает устойчивый фронт пламени. В результате послойного сгорания фронт пламени перемещается по смеси, обеспечивая распространение пламени.

Если свежая смесь движется навстречу фронту пламени со скоростью, равной скорости распространения пламени, то пламя будет неподвижным (стационарным).

К свежей смеси от единицы поверхности пламени в единицу времени путем теплопроводности подводится количество тепла:

(6.7) 

где  – коэффициент теплопроводности;  – ширина фронта пламени.

Это тепло расходуется на нагрев свежей смеси от начальной температуры до температуры горения :

(6.8)

где с – удельная теплоемкость;   – плотность смеси.

С учетом уравнений (6.7) и (6.8) при  U_пл=υ_г скорость распространения пла­мени определяется соотношением:

, (6.9)

где  – коэффициент температуропроводности.

Поскольку скорость горения очень сильно зависит от температуры, сгорание основной массы газа происходит в зоне, температура которой близка к

Скорость химической реакции определяется уравнением:

(6.10) Тогда скорость распространения пламени:

(6.11)

где b – показатель, зависящий от свойств смеси.

Таким образом, пламя не сможет распространяться по горючей смеси, если его температура будет ниже теоретической температуры горения на ве­личину   .

Максимальная скорость распространения пламени наблюдается не при стехиометрическом соотношении горючего и окислителя в смеси, а при избытке горючего. При предварительном подогреве смеси значительно увеличивается скорость распространения пламени в реальных условиях, так как она пропорциональна квадрату начальной температуры смеси.