Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория горения и взрыва. Лабораторный практикум. Учебное пособие
.pdf
Гомогенное горение – процесс взаимодействия горючего и окислителя,
которые находятся в одинаковом агрегатном состоянии. К гомогенному
горению можно отнести горение жидкости и металлов.
Гетерогенное горение – характерно для углистого остатка.
Отличительным признаком такого горения является отсутствие пламени над
поверхностью вещества.
Беспламенное горение в ряде случаев называют тлением.
Наиболее широко распространено гомогенное горение газов и паров в
воздухе, причем горючее может быть предварительно перемешано с
окислителем или же нет.
Однородная смесь – предварительно перемешанная смесь горючего с
окислителем.
Кинетическое горение – процесс горения гомогенной однородной
(предварительно перемешанной) горючей смеси. Скорость ее горения
определяется только кинетикой окислительных реакций.
В большинстве случаев на реальных пожарах горючее предварительно не
перемешано с окислителем. В этом случае окислитель поступает в пламя из
окружающей среды преимущественно за счет процессов диффузии.
Диффузионное горение (пламя) - это процесс горения неоднородной
(предварительно не перемешанной) горючей смеси, в котором существенную
роль играют процесс диффузии окислителя к фронту пламени.
По газодинамическим параметрам различают ламинарное и турбулентное
горение (пламя).
Ламинарное горние (от лат. lamina - слой, пластина) – спокойное,
безвихревое пламя устойчивой геометрической формы.
Турбулентное горние (от лат. turbulence - вихрь) – беспокойное,
закрученное вихрями пламя постоянно меняющейся формы.
Газодинамический режим горения зависит от линейной скорости
распространения пламени по горючему веществу или смеси и характеризуется
критерием Рейнольдса Re.
21
Re = v · d · /,
(2.1)
где v – линейная скорость потока, м/с;
d – диаметр, м;
- плотность потока кг/м3;
- динамический коэффициент вязкости, Нс/м2.
При Re < 2300 режим горения ламинарный, при 2300 < Re < 10000 –
переходный, при Re > 10000 – турбулентный.
Гомогенный режим горения характеризуется наличием пламени.
Пламя – это часть газового пространства, где протекают все физико-
химические процессы горения. Пламя, как правило, излучает свет, лишь в
редких случаях оно невидимо, например, при горении водорода.
Наиболее высокотемпературная поверхность пламени, где протекают
окислительно-восстановительные процессы, называется реакционной зоной
или фронтом пламени.
Диффузионное пламя имеет три слоя, ясных границ между которыми в
действительности не существует, но каждый из них отличается своим
составом газов, протекающими процессами, температурой и другими
особенностями.
Рисунок 2.1 - Схема диффузионного пламени
1 – внутренний слой пламени; 2 – слой пламени высоких температур;
Внутренний слой состоит из паров и газов, выделяющихся из горючего
вещества в результате его нагревания. Горения в этом слое не происходит,
3 – наружный слой пламени, слой полного горения
22
поэтому температура здесь наиболее низкая, по сравнению с температурой
других слоев.
В местах, примыкающих к следующему слою пламени, температура
паров и газов становится более высокой, и здесь начинается разложение
сложных молекул паров на более простые. Объем этой зоны пламени бывает
очень велик и зависит от величины площади, выделяющей газообразные
продукты, скорости их выделения или испарения, а также скорости горения.
Увеличение объема пламени, при увеличении скорости выделения паров
и газов, можно наблюдать, например, при горении жидкости. Начальный
момент горения сопровождается образованием небольшого пламени, т.к. в
этот период температура поверхностного слоя жидкости, а вместе с ней и
скорость испарения паров – невелики.
По мере нагревания жидкости увеличивается упругость ее паров и
скорость испарения, а вместе с ними и величина пламени. Увеличение
пламени прекращается, когда температура поверхностного слоя жидкости
достигает или близка к температуре кипения и устанавливается равновесие
между количеством тепла, необходимым для испарения, и количеством тепла,
излучаемым пламенем на горящую поверхность жидкости. В этом слое
пламени происходит окисление паров и газов и их неполное горение. Воздух
поступает в этот слой в ограниченном количестве, т.к. большая его часть
вошла в химическое соединение при диффузии через наружный слой.
Температура здесь много выше, чем в первом слое и приближается к
максимальной температуре пламени. Разложение горючих продуктов и
недостаток воздуха для полного горения ведут к образованию в этом слое
свободного углерода, который находится в свободном состоянии и светится.
Свет, испускаемый этим слоем образует видимое пламя.
В наружном слое (3) пламени происходит полное горение продуктов,
образовавшихся в предыдущем слое. Здесь горят окись углерода и водород,
пламя которых, как известно, имеет синий цвет, заметный только в темноте.
23
В одном и том же поперечном сечении пламени температура
а
б
в
г
рассматриваемого слоя превышает, хоть и незначительно, температуру
предыдущего слоя. Наиболее высокая температура пламени наблюдается у
границы двух слоев (2 и 3).
Материалы и оборудование, используемые в работе:
Горелка Теклю, ротаметр РТ-1, штатив, газовый баллон смеси горючих
газов, термопара, мультиметр (гальванометр).
Описание установки:
Установка включает в себя лабораторную горелку Теклю, в которую из
баллона через ротаметр подается смесь горючих газов. С помощью ротаметра
устанавливается необходимым расход газа через горелку (рисунок 2.2).
Температура в разных слоях пламени определяется посредством термопары и
регистрируется по мультиметру (рисунок 2.3).
Рисунок 2.2 - Схема лабораторной установки с горелкой Теклю:
а- ротаметр; б-штатив; в-газовый баллон; г-горелка Теклю
24
Рисунок 2.3 - Схема установки для измерения температуры
Порядок проведения работы:
1. Исследование строения ламинарного пламени при диффузионном
режиме горения.
Зажечь горелку, отрегулировать ламинарное пламя высотой 5-10 см.
Записать расход газа и высоту пламени. На 2-3 секунды внести поперек в
среднюю зону пламени лучинку или стальную проволоку и зафиксировать
места их обгорания (наиболее интенсивного нагрева).
В маленький конус нижней части пламени наклонно внести стеклянную
трубку. К открытому концу трубки поднести зажженную лучину.
Отметить высоту появившегося на трубке фитилька пламени, и,
перемещая другой конец трубки в пламени по высоте конуса, наблюдать в
какой области пламени горелки фитилек погаснет.
С помощью термопары подключенной к мультиметру (гальванометру)
(рисунок 2.3) измерить температуру пламени в точках пограничных зон.
Примерные точки измерения температуры пламени при исследуемых
режимах горения указаны на рисунке 2.4. Зарисовать схему пламени и
отметить на ней замеренные температуры (приложение А).
25
Рисунок 2.4 - Примерные точки измерения температур пламени
2. Исследование газодинамических режимов диффузионного
пламени.
Увеличить расход газа до переходного режима горения. Измерить и
записать расход газа и высоту факела пламени. Зарисовать схему пламени.
Повторить действия. Определить зону с минимальной и максимальной
температурой пламени и отметить ее на схеме.
Аналогично действиям по исследованию переходного режима горения
повторить опыт для турбулентного режима горения. Все результаты
измерений записать в табл. 2.3.
3. Исследование видов пламен пламени при кинетическом режиме горения
лабораторной горелки Теклю.
Открутить кольцо регулирующее подачу воздуха до значения
максимального устойчивого кинетического горения. При необходимости
отрегулировать подачу газа иглой Жиклера. Повторить действия аналогично
предыдущим, результаты измерений занести в таблицу 2.3.
26
Таблица № 2.3 – Результаты измерений
Режим
горения
Газодинамичес
кий режим
горения
Показания
ротаметра
Расход газа
Qi,
м
3
/с
Минимальн
ая
температура,
t
мин
, 0С
Максимальн
ая
температура,
t
мах
, 0С
Значение
Re
i
Линейная
скорость
газа vi,
м/с
Диффузио
нный
Ламинарный
Переходный
Турбулентный
Кинетичес
кий
Турбулентный
Rei = (vi ∙ d ∙см)/см,
(2.2)
vi = Qi /S,
(2.3)
S=π∙d2/4,
(2.4)
Qi =17,36 + 1,84∙х+5,55∙10-3∙х2
(2.5)
Вычисления производим согласно следующей схеме:
1. Рассчитать критерий Рейнольдса и занести результаты в табл.2.3.
где vi – линейная скорость потока, м/с;
где S – площадь сечения сопла горелки Теклю, м
где d – диаметр сопла горелки Теклю, м; (за значение d принять 0,5 мм)
Qi – расход газа (м3/с);
Расход газа вычисляем, используя градировочную характеристику (ГХ)
для ротаметров серии РМ модификации РМФ (ГХ производится заводом –
изготовителем и занесена в паспорт прибора):
где х –величина показаний шкалы ротаметра;
– плотность, кг/м3;
i
– динамический коэффициент вязкости, Н∙с/м2 (для газовой смеси:
i
бутан - 40%, изобутан-55%, пропан -5%).
Значения , для газов, входящих в состав смеси, определить из
справочной литературы.
27
см=
см=
0,40∙
0,40∙
бутана +
бутана +
0,55∙
0,55∙
изобутана +
изобутана +
0,05∙
0,05∙
По результатам расчетов сделать вывод о газодинамических режимах
горения и занести результаты расчетов в таблицу 2.3
Содержание отчета
1. Название лабораторной работы
2. Цель работы.
3. Описание и схема экспериментальной установки.
4. Записать порядок выполнения работы.
5. Изобразить схему диффузионного ламинарного пламени,
переходного, турбулентного и кинетического пламени.
пропана
пропана
6. Результаты измеренных температур и расходов газа занести в
таблицу 2.3.
7. Произвести расчет критерия Рейнольдса для всех исследуемых
режимов горения.
8. Записать выводы согласно проведенных исследований.
Контрольные вопросы:
1. Записать химическое уравнение реакции окисления пропана и бутана
в воздухе и кислороде. Расставить стехиометрические коэффициенты.
Рассчитать количество киломолей веществ, участвующих в процессах
горения.
2. Как изменится скорость реакции горения бутана от повышения
температуры на 100С. Записать уравнение Вант-Гоффа в общем виде.
3. Как изменится скорость реакции горения пропана с увеличением
давления?
4. Какие процессы, происходящие в пламени, относятся к физическим и
какие к химическим?
5. Что определяет режим процесса горения? Описать виды режимов
горения, и их основные характеристики.
28
2.3. Материальный и тепловой баланс процессов горения
К продуктам сгорания относятся жидкие, газообразные и твердые
вещества. Их состав зависит от состава горючего вещества и условий его
горения. При пожарах чаще всего горят органические вещества (дерево, нефть
и нефтепродукты, бумага, ткань, резина и др.).
В зависимости от условий сгорания реагентов могут образовываться
продукты полного и неполного сгорания. Продукты полного сгорания
включают водяной пар, углекислый газ, диоксид серы, галогеноводород и азот.
К продуктам неполного сгорания относятся окись углерода, продукты
термоокислительного разложения и сажа. Реже при пожарах горят
неорганические вещества, такие как калий, фосфор, натрий, кальций, титан,
алюминий, магний и др. Продукты горения — твердые вещества (чаще всего
оксиды). Одни из них (P2O5, MgO, Na2O) в продуктах сгорания мелко
диспергированы и поднимаются в воздух в виде плотного дыма. Другие
(AL2O3, TiO2) в процессе горения находятся в расплавленном состоянии.
Продукты сгорания многих органических и неорганических веществ
содержат взвешенные твердые частицы (сажа, окислы, соли и др.).
Образующиеся продукты сгорания образуют дисперсную систему – дым.
Дым, состоящий из мелкодисперсных частиц, образуется в результате
неполного сгорания. Он образуется как при беспламенном, так и при
пламенном горении, хотя характер частиц и формы их образования весьма
различны. Дым при тлении аналогичен дыму, который получается, когда
любой углеродсодержащий материал нагревается до температур, при которых
происходит химическое разложение и эволюция летучих продуктов горения.
Состав продуктов термоокислительного разложения зависит от природы
горючих веществ, температуры и условий контакта с окислителем (от
коэффициента избытка воздуха). В составе дыма, образующегося на пожарах
при горении органических веществ, кроме продуктов полного и неполного
сгорания, содержатся продукты термоокислительного разложения горючих
29
веществ. Образуются они при нагреве еще не горящих горючих веществ,
находящихся в среде воздуха или дыма, содержащего кислород. Концентрация
продуктов сгорания и термоокислительного разложения одних и тех же
горючих веществ непостоянна и во многом зависит от условий горения. Эти
продукты сгорания представляют опасность для человека. В связи с этим их
состояние в дыме определяется экспериментально.
Для оценки вероятности возникновения пожара и его последствий
(нефтепровод или газопровод, заводской цех, складское помещение, жилая
квартира, коттедж и т.д.) необходимо уметь рассчитывать материальный
баланс процессов горения различных горючих веществ.
Горение веществ при пожаре происходит почти всегда в среде воздуха.
Только в специально приготовленных смесях (топливо, термитный состав,
взрывчатое вещество) или при газовой сварке металлов горение происходит за
счет кислорода, выделяемого окислителем, или за счет газообразного
кислорода. Поэтому рассмотрим методы расчета материального баланса при
горении горючих веществ и материалов в среде воздуха.
Расчет сводится к решению следующих задач:
– определение количества воздуха, необходимого для горения;
– определение количества и состава продуктов сгорания.
Поскольку воздух является одним из основных компонентов горючей
смеси, приведем данные по его характеристикам. Состав атмосферного
воздуха достаточно сложен. Кроме основных компонентов – кислорода О2 и
азота N2, в нем содержатся инертные газы (аргон, неон, гелий, криптон,
ксенон), озон О3, углекислый газ СО2, пары воды H2O и частицы аэрозолей
(пыль). Однако объем второстепенных компонентов в сухом очищенном
воздухе не превышает 1 %.
Поэтому будем считать, что воздух состоит из двух компонентов –
кислорода - 21%, азота –79 %. На один объем (моль) кислорода в воздухе
приходится 79/21 = 3,76 объема (моля) азота, который не вступает в реакции
горения. Однако его приходится учитывать при составлении уравнения
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]