9.2.Общие закономерности для пределов распространения пламени.

Тепловая теория пределов распространения пламени Я.Б. Зельдовича устанавливает основные количественные критические условия для пределов распространения пламени. Так, зависимость скорости пламени от адиабати-ческой температуры горения (Т_ад) приближенно описывается уравнением

. (9.1)

При неадиабатическом сгорании, то есть наличии потерь, температура про-дуктов реакции и величины скорости пламени меньше теоретических и при критических условиях

(9.2)

Поделив уравнение (9.2) на (9.1), находим:

Допуская, что Т_кр·Т_ад ≈Т_ад² , получаем

При критических условиях и_н= и_кр, тогда

, а

. (9.3)

Таким образом, охлаждение зоны реакции больше чем на характеристи-ческий интервал температуры приводит к прекращению горения.

После решения уравнений теплового баланса и их преобразований кри-тическое значение нормальной скорости пламени

. (9.4)

Тепловые потери не могут понизить нормальную скорость пламени бо-лее чем в е раз. При более интенсивной теплоотдаче стационарное горение прекращается.

Таким образом, по мере удаления состава смеси от стехиометрического или увеличения содержания инертного компонента температура горения, а с нею и нормальная скорость пламени настолько понижаются, что потери из-лучением приводят к заметной неадиабатичности горения. При дальнейшем понижении концентрации недостающего компонента достигается критиче-ское значение и_н, и горение становится невозможным. Так, потери излучени-ем, не зависящие от аппаратурных условий, становятся важнейшим факто-ром, определяющим границы стационарного горения в бесконечном про-странстве. Их значение устанавливают концентрационные пределы распро-странения пламени.

9.3. Затухание пламени в узких каналах.

Если в затухании пламени главную роль играет теплоотвод излучением, который определяет пределы распространения пламени, то для быстрогоря-щих газовых смесей радиационные потери малы и зона пламени может охла-ждаться только путем теплопроводности. Теплоотвод возрастает при умень-шении диаметра канала, по которому распространяется пламя.

Интенсивность теплоотвода q₂ можно определить по закону теплопере-дачи Ньютона (6.3). Для единицы объема охлаждаемого газа

, (9.5)

где S/V – отношение поверхности теплоотдачи к величине объема охлаждае-мого газа.

Закономерности теплоотдачи остаются такими же, как и в случае теп-лового взрыва (§ 6.1), несмотря на различие этих процессов, и условие (9.3) остается в силе.

Рассмотрим принцип распространения пламени в трубе с переходом в узкие каналы (рис. 37).

Рис. 37.

При переходе горения в узкие каналы поверхность теплоотдачи S резко возрастает и соответственно теплопотери к стенкам каналов за счет резкого усиления теплопроводности. В достаточно узких каналах возможны теплопо-тери, приводящие к гашению даже наиболее быстрогорящих взрывчатых смесей.

Рассмотрим соотношение между теплоприходом (q₁) и теплоотводом (q₂) при горении определенного состава смеси с переходом пламени в узкие каналы (рис. 38), причем d₁ > d_кр > d₃.

Рис. 38. Соотношение между теплопри-ходом и теплоотводом: q₂^' < q₂^кр < q₂^" – теплопотери канала соответственно при d₁ > d_кр > d₂.

При уменьшении диаметра канала возрастает скорость теплопотерь, а следовательно наклон прямых q₂. И при диаметре канала d_кр наступают кри-тические условия гашения пламени.

Возможность горения в узких каналах зависит от трех факторов:

- химического состава горючей среды, определяющего величину нор-мальной скорости пламени U_н;

- давления смеси Р;

- диаметра пламегасящих каналов d_кр.

Установлено, что в условиях горения газовых смесей на пределе рас-пространения пламени известный в теории теплопередачи безразмерный кри-терий Пекле (Ре)

, (9.6)

где - коэффициент температурной проводности, зависящий только от давления х ~ 1/Р.

Эмпирически связь между d_кр и давлением смеси Р выражается уравне-нием

, (9.7)

где а – показатель степени для различных составов смесей равен 0,83-1,0.

Условие постоянства Ре на пределе гашения является основным уни-версальным законом, определяющим возможности использования огнепре-градителей.

Важная особенность гашения пламени в узких каналах заключается в том, что хотя этот процесс обусловлен теплопередачей от газа к твердым стенкам, пределы гашения не зависят от свойств материала стенок пламега-сящих каналов, в том числе и теплопроводности. Возможность гашения оп-ределяется условиями охлаждения слоя газа, толщина которого соизмерима с шириной фронта пламени.

Такая особенность обусловлена большой разностью плотностей сго-рающего газа и материала пламегасителя. В результате газ, сгорающий в ог-непреградителе, охлаждается, практически не нагревая при этом стенки кана-ла. Основная часть процесса теплоотдачи реализуется в газовой, а не в твер-дой фазе, хотя тепло отводится в твердую стенку. Лишь длительное истечение сгоревшего газа через канал может привести к значительному нагреву его стенок.

Следует отметить, что в выражения для критических условий гашения не входит длина пламегасящих каналов. Реально эта зависимость, а также влияние формы пламегасящих каналов существуют.

Эта особенность горения в узких каналах используется в огнепрегради-телях с узкими каналами, отделяющими аппарат, в котором возможно ини-циирование очагов горения, от защищаемого огнепреградителем окружающе-го пространства, заполненного взрывчатой средой.

9.4. Пределы распространения пламени в системе горючий газ +

окислитель + флегматизатор.

Поскольку температура горения является главным фактором, опреде-ляющим скорость пламени – для данного состава горючей смеси, величина и_н зависит в первую очередь от соотношения концентраций горючего и окисли-теля и общего содержания инертных компонентов. Если при фиксированном соотношении содержаний горючего и окислителя к их смеси добавлять инертные компоненты, температура горения понижается, так как энергия хи-мического превращения затрачивается на нагревание дополнительных ком-понентов смеси продуктов сгорания.

Добавки различных веществ могут флегматизировать горючую систему, т.е. уменьшать скорость горения вплоть до превращения такой системы в не-горючую. По характеру воздействия на реакцию в пламени флегматизаторы можно в принципе разделить на два основных класса.

К первому классу тепловых флегматизаторов, относятся компоненты, не принимающие прямого участия во взаимодействии горючего с окислите-лем, но понижающие температуру горения. Избыточный компонент смеси также можно рассматривать как тепловой флегматизатор. Ко второму классу, химически активных флегматизаторов, относятся ингибиторы – отрица-тельные катализаторы, способные тормозить реакцию при неизменной тем-пературе горения вследствие их специфического, чисто химического воздей-ствия на реакцию.

Инертные компоненты влияют и на концентрационные пределы рас-пространения пламени. Типичная зависимость предельной концентрации го-рючего от содержания инертного компонента, т. е. схема пределов области воспламеняемости в тройной смеси горючее + окислитель + инертный ком-понент показана на рис. 39.

При увеличении содержания инертного компонента I уменьшается диа-пазон горючих составов между верхним и нижним концентрационными пре-делами. При определенном содержании инертного компонента I_кр обе ветви кривой критических составов π_min (I) и π_max (I) смыкаются в точке, называе-мой мысом области воспламеняемости, или точке флегматизации.

Рис. 39. Схема области воспламе-няемости в смеси горючий газ + окислитель + флегматизатор: 1 – верхний концентрационный предел; 2 – нижний концентрационный пре-дел; 3 – мыс области взрываемости; I – область богатых негорючих сме-сей; II – область бедных негорючих смесей; III – область горючих сме-сей.

Если концентрация инертного компонента больше I_кр, поджигание не-возможно при любом соотношении содержаний горючего и окислителя. Об-ласть составов, отвечающих горючим смесям, ограничена критической кри-вой и осью ординат. Опыт показывает, что для смесей, в которых окислите-лем является кислород, а инертным компонентом азот, только π_mах заметно за-висит от I, ветвь π_min (I) идет почти параллельно оси абсцисс.

Пределы в системе горючее + окислитель + инертный компонент часто представляют в треугольной диаграмме. По каждой из трех осей равносто-роннего треугольника откладывается содержание одного из компонентов. Любой точке, расположенной внутри треугольника, отвечает состав, опреде-ляемый величинами отрезков, отсекаемых по каждой из осей линиями, па-раллельными сторонам треугольника, проходящими через данную точку. Об-ласть горючих составов ограничена критической кривой; ее крайние точки опираются на ось, вдоль которой откладываются составы бинарных (двой-ных) смесей горючее окислитель (I = 0).

На рис. 40 для иллюстрации приведена диаграмма пределов распро-странения пламени в системе СН₄ + О₂ + N₂ при нормальных условиях. Точки А и В характеризуют составы предельных бинарных смесей: 5,1 и 61% горю-чего. Точки С и D соответствуют воздушным смесям, содержащим 74,7 и 67,8% N₂, у которых содержание СН₄ равно соответственно 5,3 и 14,2%. Точ-ка М описывает состав у «мыса» области взрываемости: 81,9% N₂, 6,0% СН₄ и 12,1% О₂. Треугольные диаграммы используют также для описания крити-ческих составов смесей, свободных от инертных компонентов, но содержа-щих по два горючих или окислителя.

Рис. 40. Диаграмма пределов распространения пламени в сис-теме СН₄ + О₂ + N₂.

Добавки инертных компонентов, уменьшая температуру горения, флег-матизируют смесь, затрудняют горение. Поэтому с ростом содержания инерт-ного компонента пределы сужаются. Пределы в известной степени зависят от природы инертных компонентов ввиду различия их теплосодержаний при температуре горения. Эта величина уменьшается в ряду: ∆Нсо₂ > ∆Нн₂о > ∆Hn₂.

При определении пределов для систем, содержащих различные инерт-ные флегматизаторы, можно учесть сравнительно небольшую разность пре-делов, величина которой зависит от природы инертного компонента. Этот эффект иллюстрирует рис. 41, на котором приведены пределы распростране-ния пламени для смесей СН₄ + воздух + (Аг, Не, N₂, H₂O, СО₂) при нормаль-ных условиях. Если смесь содержит несколько инертных компонентов, их специфику бывает трудно учесть. В таком случае все инертные компоненты приравниваются к азоту, чем создается некоторый «запас надежности».

Рис. 41. Зависимость пределов распространения пламени от природы инертного компонента в системе СН₄ + воздух + (Аг, Не, N₂ , Н₂О, СО₂: 1 – СО₂; 2 – Н₂О; 3 – N₂ (добавочный); 4 – Не; 5 – Ar.