2622

Втабл. 2 представлены экспериментальные значения температур воспламенения для водородно-воздушной смеси, определенные различными исследователями. Анализ показывает, что в зависимости от способа определения значения температур воспламенения существенно различаются.

Втабл. 2 указан метод, с помощью которого была определена температура воспламенения. Наиболее надежным следует считать метод поступления заранее приготовленной газовоздушной смеси определенного состава и давления в нагретый сосуд, из которого предварительно откачали воздух. Этот метод температуру самовоспламенения отождествляет с минимальной температурой стенки сосуда, при которой происходит самовоспламенение. Измеряемая температура в действительности несколько превышает минимально возможную. Это связано с задержкой воспламенения, которая определяется индукционным периодом (чем меньше температура стенки превосходит минимально возможную температуру, тем больше индукционный период). Если температура стенки будет равна минимально возможной температуре, то индукционный период теоретически станет равен бесконечности.

Таблица 2

Экспериментальные значения температур воспламенения для водородно-воздушной смеси [9]

В табл. 3 приведены минимальные значения температуры воспламенения некоторых газовоздушных смесей, полученные опытным путем.

20

При повышении температуры стенки кривая температур в инертной среде сохраняет свой характер, только вблизи стенки падает круче (кривые Т2-А2 и Т3-А3 на рис. 7 б, в).

С повышением температуры стенки кривая температур в горючей смеси вблизи стенки падает все менее круто, так как с ростом температуры возрастает скорость химических реакций и соответственно увеличивается выделение теплоты.

При определенной температуре стенки температура реагирующей смеси вблизи нее понижаться не будет (кривая Т2-А2'), а при более высоких температурах пойдет вверх (Т3-А3'). В последнем случае стационарное состояние системы будет невозможно, так как по мере удаления от источника зажигания температура среды прогрессивно возрастает, что приводит к воспламенению смеси.

Рис. 7. Вынужденное зажигание газовоздушной смеси от раскаленной стенки

Температура Т2 является критической – температурой зажигания. По физическому смыслу она аналогична температуре воспламенения при самовоспламенении горючей смеси. Источник зажигания, нагретый до Т2 , перестает участвовать в процессе (поток теплоты от него равен нулю), и определяющими становятся условия в слое газа, который непосредственно примыкает к источнику зажигания.

Температура зажигания от местного источника выше температуры самовоспламенения. Это объясняется быстрым спадом температуры вблизи стенки и значительным снижением концентрации горючего у зажигающей поверхности вследствие реакций. В результате этого

22

может наблюдаться следующее явление: вблизи раскаленного тела реакция произойдет, но распространяться не будет. Для распространения пламени необходимо повысить температуру стенки. Очевидно, чем меньше размеры источника, тем интенсивнее будет падение температуры вблизи его поверхности и тем выше должна быть температура зажигания. Это положение подтверждается экспериментально.

Газовоздушную смесь можно зажечь только при определенных соотношениях газа и воздуха. Очень бедные и очень богатые смеси не горят. Наименьшая концентрация горючего в смеси, при которой газ зажигается, называется нижним пределом воспламенения; наибольшая концентрация горючего, при которой газ может гореть, – верхним пределом воспламенения. Если газовоздушную смесь предварительно подогревают, указанные пределы расширяются.

Наличие пределов воспламенения газа объясняется тем, что для бедных и богатых смесей значительно снижается теоретическая температура горения, а вследствие потерь теплоты в окружающую среду температура пламени настолько падает, что смесь теряет способность к горению.

Таблица 4

Пределы воспламенения газовоздушных смесей в зависимости от концентраций в них горючего (в % по объему) [9]

В табл. 4 приведены пределы воспламенения газовоздушных смесей в зависимости от концентрации в них горючего.

23

3.ГОРЕНИЕ ГАЗА В ПОТОКЕ

3.1.Нормальное распространение пламени

При вынужденном зажигании смеси возникает пламя, которое распространяется с определенной скоростью, захватывая все новые объемы свежей смеси горючего с окислителем.

Пламенем называется зона, в которой протекает реакция горения. Следовательно, пламя, возникшее в объеме или в потоке газовоздушной смеси, отделяет еще не сгоревшую смесь от продуктов горения. Характерным свойством пламени является его свечение.

Существует два случая распространения пламени: нормальное, или

медленное горение, и детонационное горение.

Представим трубку, запаянную с одного конца и заполненную газовоздушной смесью. Если смесь поджечь со стороны открытого конца трубки, узкий слой смеси воспламенится, сгорит и за счет выделившейся теплоты температура его повысится. То есть возникает фронт пламени и начинается процесс передачи теплоты теплопроводностью от сгоревшего газа к близлежайшим холодным слоям газовоздушной смеси. Пламя равномерно движется вдоль трубки, а тепловой поток, опережая его, распространяется молекулярной теплопроводностью от горячих слоев пламени к холодной смеси. Равномерное движение пламени у открытого конца трубки происходит почти при постоянном давлении. Линейная скорость движения пламени вдоль трубки называется скоростью равномерного распространения пламени.

Распространение пламени, связанное с процессом молекулярной теплопроводности, называется нормальным распространением пла-

мени. Оно характеризуется нормальной скоростью распространения пламени UН , которая определяется физико-химическими свойствами смеси. Направление скорости UН совпадает с направлением нормали к поверхности фронта пламени.

Нормальная скорость распространения пламени невелика. Например, для наиболее быстро горящей водородо–воздушной смеси она составляет 2,67 м/с.

В рассмотренной выше трубке равномерное движение имеет место примерно на ¼ длины трубки, а затем возникает вибрационное движение или броски пламени. Средняя скорость поступательного движения пламени возрастает. При очень сильных бросках пламя или гаснет, или возникает детонационное горение.

24

Детонация обуславливается поджиганием горючей смеси при ее адиабатном сжатии в ударной волне. Детонационное горение распространяется с очень большой скоростью (несколько километров в секунду) и сопровождается значительными перепадами давлений. Для детонации характерно разрушающее действие.

Рассмотрим один из методов экспериментального определения нормальной скорости распространения пламени. На рис. 8 показан прибор для определения скорости распространения пламени в трубах. Трубка 1 из тугоплавкого стекла заполняется газовоздушной смесью, а баллон 4 – инертным газом. Объем баллона в 80–100 раз превышает объем трубки и служит для поддержания постоянного давления в процессе горения смеси. При определении скорости кран 2 открывается, а смесь поджигается запалом 3. Фронт пламени перемещается в сторону запаянного конца трубки, и его фотографируют скоростной кинокамерой. Зная промежутки между кадрами, можно рассчитать скорость движения пламени .

Полученная скорость зависит от диаметра трубки. Это связано с тем, что стенка поглощает теплоту и отводит ее в окружающую среду, что затрудняет процесс распространения пламени. Теплоотвод через стенку зависит от диаметра трубки и от материала, из которого она изготовлена.

В технических расчетах часто используют скорости распространения пламени, полученные описанным методом. При этом важно знать, при каких диаметрах были получены результаты. При уменьшении диаметра трубки охлаждающее действие ее стенок увеличивается, что приводит к понижению скорости распространения пламени. При малых диаметрах трубок теплоотвод настолько увеличивается, что пламя вообще не может распространяться. Такой диаметр называется критическим. Например, для стехиометрической смеси водородовоздушной смеси критический диаметр равен 0,9 мм. А для смеси метана с воздухом – примерно 3,5 мм.

25

В реальных условиях при распространении пламени в трубах всегда возникает турбулизация потока, поэтому фронт пламени искривляется, его поверхность увеличивается и оказывается больше поперечного сечения трубки. Это и является основной причиной ускорения горения. Поэтому наблюдаемая скорость движения пламени всегда больше нормальной скорости. Если поперечное сечение трубки обозначить через f, а поверхность фронта пламени – через F, то можно написать следующее соотношение:

f = UН F; = UH F / f.

Например, при горении метана в трубке диаметром 50 мм скорость движения пламени за счет искривления фронта может увеличиться в

3 – 6 раз.

Процесс распространения пламени искажается тем сильнее, чем больше диаметр трубки. На рис. 9 показан характер изменения кривой

непрерывно возрастает.

На рис. 10 показана зависимость скорости равномерного движения пламени, измеренная в трубке, диаметром 25 мм для газовоздушных смесей различных концентраций [10]. Значения максимальных скоростей равномерного движения пламени в трубке диаметром 25 мм приведены в табл. 5.

Рассмотрим ламинарный поток газовоздушной смеси в трубке в направлении оси х (рис. 11).

26

27

В отдалении от фронта пламени набегающий поток имеет температуру, равную Т0 (температуру холодной смеси) и концентрацию горючего с0 . По мере приближения к фронту пламени смесь подогревается. Концентрация горючего в зоне подогрева изменяется мало ввиду малой скорости реакции.

Скорость реакции становится заметной при температуре воспламенения ТВ . Нагрев набегающего потока свежей смеси осуществляет тепловой поток, выходящий из зоны реакции.

Интенсивность тепловыделения qW (см. рис. 11) определяется как произведение теплоты реакции q на скорость W. Из рисунка следует, что максимум тепловыделения соответствует не температуре воспла-

28

менения ТВ , а более высокой температуре, близкой к температуре горения ТГ . То есть основная масса газа выгорает в весьма узкой зоне, которая имеет температуру, мало отличающуюся от температуры горения. Для горящей смеси метана с воздухом ширина зоны горения составляет ~ 0,6 мм. В этой узкой зоне происходит и основное изменение концентрации с горючего. Процесс горения завершается там, где полностью израсходовано горючее, т.е. его концентрация стала равной нулю (с = 0), а температура достигает максимального значения и делается равной температуре горения. Таким образом, во фронте неподвижного пламени происходит стабилизация процесса.

Рассмотренный процесс нормального распространения пламени представлен как чисто теплопроводный. В действительности на скорость распространения пламени кроме теплообмена оказывают влияние диффузионные явления. Они приводят к тому, что одновременно с процессом подогрева смеси происходит диффузионное перемешивание продуктов горения и свежего газа. В результате этого горит смесь, сильно разбавленная продуктами горения. На реакции горения также оказывают влияние активные центры, которые диффундируют в предпламенные зоны. Существующие решения в области процесса распространения пламени еще не обладают достаточной точностью, поэтому в инженерной практике пользуются экспериментальными значениями нормальных скоростей распространения пламени.

3.2. Распределение пламени в ламинарном потоке

Газогорелочное устройство должно осуществлять стабилизацию процесса горения. Для этого необходимо создать такие условия, чтобы фронт пламени был остановлен.

Возникший фронт пламени распространяется навстречу потоку газовоздушной смеси, стабилизируется в той области, где скорость потока равна скорости фронта пламени. Если поток газовоздушной смеси двигался бы в трубе с равномерным полем скоростей и его скорость была бы равна скорости распространения пламени, то возникший поперечный фронт пламени был бы остановлен в пространстве. Фронт пламени расположился бы перпендикулярно оси потока, а скорость его WПОТ полностью уравновесила бы скорость пламени UН . Условием стабилизации горения является равенство

29