1. Горение газов

Горение газов может происходить в различных режимах: кинетическом и диффузионном, ламинарном и турбулентном. Кинетическое горение возможно только в предварительно перемешанных смесях горючего и окислителя. Во всех остальных случаях горение будет протекать в диффузионном режиме. При возрастании высоты пламени (обычно выше 30 см) ламинарное пламя практически всегда приобретает турбулентный характер.

1.1. Общие закономерности кинетического режима горения

Если с помощью оптического прибора рассмотреть кинетическое пламя в неподвижной горючей смеси, то можно увидеть следующую картину (рис. 1). Справа находятся нагретые до высокой температуры продукты горения (Т_пг), слева − холодная с температурой (Т₀) исходная горючая смесь, а между ними − ярко светящаяся полоска − фронт пламени с толщиной (). Горючий компонент во фронте пламени сгорает, и в продуктах горения его концентрация практически равна нулю. Естественно, температура продуктов горения, равная температуре зоны горения (Т_г), больше температуры исходной смеси (Т₀) Т_пг = Т_г >> Т₀. Поскольку теплота по механизму теплопроводности передается от горячего тела к холодному, в сторону исходной смеси будет идти тепловой поток (q), нагревая прилегающий к ней слой, так называемую зону подогрева.

Рис. 1. Схема фронта (а) и изменение температуры и концентрации горючего (б) в кинетическом пламени: _ПОД – зона подогрева; _ГОР – зона горения; _ФП – фронт пламени; u_н – нормальная скорость распространения пламени

Смесь в этом слое воспламенится при достижении температуры самовоспламенения (Т_с^). Зона горения переместится в сторону исходной смеси, двигаясь от слоя к слою. Фронт пламени будет непрерывно перемещаться до самой границы горючей смеси. Такое распространение пламени называют нормальным или дефлаграционным горением. Нормальное или дефлаграционное горение − это распространение пламени по однородной горючей среде, при котором фронт пламени движется вследствие ее послойного разогрева по механизму теплопроводности от продуктов горения. Толщина фронта пламени (d_фП), как правило, не превышает десятых долей миллиметра. Поэтому его обычно принимают за поверхность, отделяющую исходную смесь от продуктов горения. Как показали исследования, своим свечением фронт пламени обязан многоатомным радикалам: С=С:, :CH, ^.HCO и др. Есть в пламени и ионы, концентрация которых достигает 10¹⁶− 10¹⁷ м⁻³. Возникновение ионов в пламени имеет химическую и термическую природу.

1.2. Влияние различных факторов на скорость распространения пламени

Нормальная скорость распространения пламени (u_н) зависит от теплофизических свойств газовоздушной смеси. Но в еще большей степени скорость распространения зависит от ее физико-химических свойств − скорости горения V, и температуры в зоне реакции горения, Т_г

(1)

т.е. u_н пропорциональна скорости реакции окисления (V) и находится в экспоненциальной зависимости от обратной температуры зоны горения (Т_г). Определяющим параметром, безусловно, будет скорость реакции. Запишем уравнение скорости химической реакции горения

, (2)

где k₀ – предэкспоненциальный множитель из уравнения Аррениуса,

С_г, С_ок – концентрации горючего и окислителя,

m, n – порядки реакции соответственно по горючему и окислителю,

Е_а – энергия активации химической реакции.

Рассмотрим, как будет меняться скорость реакций окисления для смесей с разным соотношением горючего и окислителя (рис. 2).

Из графика видно, что для смеси стехиометрического состава (коэффициент избытка воздуха  = 1) скорость реакции окисления максимальна.

При увеличении концентрации горючего в смеси выше стехиометрического количества, когда   становится < 1 (кислород находится в недостатке), горючее сгорает не полностью. В этом случае меньше выделится теплоты реакции горения Q_гор и произойдет снижение T_г. Скорость реакции окисления по сравнению со стехиометрическим составом смеси уменьшится, причем как из-за снижения концентрации окислителя О₂, так и температуры зоны горения. То есть при последовательном снижении  (что эквивалентно увеличению концентрации С_г в смеси) скорость реакции окисления  и температуры зоны горения T_г будут последовательно снижаться. На графике при C_г > С_г^стех  кривая становится резко нисходящей. Снижение же скорости реакции окисления при  > 1 объясняется уменьшением тепловыделения в зоне горения в связи с более низкой концентрацией в ней горючего.

Рис. 2. Зависимость скорости горения от концентрации

горючего в смеси

Именно такая, как на рис. 2, зависимость скорости реакции горения от концентрации горючего компонента в исходной смеси предопределяет параболический вид зависимостей других параметров процесса горения от состава смеси: температуры самовоспламенения и минимальной энергии зажигания, концентрационных пределов распространения пламени. Вид параболы имеет также и зависимость нормальной скорости распространения пламени u_н от концентрации горючего в смеси С_Г. На рис. 3 приведены такие зависимости для случая горения воздушно-пропановой смеси при различных значениях начальной температуры.

Рис. 3. Зависимость скорости распространения пламени от концентрации пропана в воздухе при начальной температуре 311 K (1); 644 K (2); 811 K (3)

Согласно описанным выше представлениям, максимальная скорость распространения пламени  (u_н^мах) должна соответствовать стехиометрической концентрации горючего. Однако экспериментально найденные ее значения несколько сдвинуты в сторону богатых по содержанию горючих смесей. С увеличением начальной температуры смеси скорость распространения пламени должна повышаться, что и наблюдается на практике. Например, для воздушной смеси паров бензина и керосина она имеет вид, приведенный на рис. 4. При введении в горючую смесь избыточного воздуха или азота температура горения также заметно снижается.

Рис. 4. Зависимость скорости распространения пламени  от начальной

температуры воздушной смеси паров бензина и керосина с воздухом ( = 0.95).

Для различных веществ u_н зависит от их химической природы и колеблется в довольно широких пределах (табл. 1). Для большинства смесей углеводородных топлив с воздухом u_н < 1 м/с.

Таблица 1.

Нормальная скорость распространения пламени

для некоторых горючих смесей

Состав горючей смеси	Молекулярный состав	uн , м/с
Водород + воздух	Н2 + 0,5(О2 + 3,76N2)	1.60
Ацетилен + воздух	СНСН+2,5(О2+ 3,76N2)	1.50
Ацетилен + кислород	СНСН + 2,5О2	8.00
Этилен + воздух	СН2=СН2+3(О2 + 3,76N2)	0.60
Бутан + воздух	С4Н10 + 6,5(О2 + 3,76N2)	0.40
Метан + воздух	СН4 + 3(О2 + 3,76N2)	0.34

Введение в горючую смесь инертных и нейтральных газов: азота N₂, аргона Аr, диоксида углерода СО₂ разбавляет ее и тем самым снижает как скорость реакции окисления, так и скорость распространения пламени. Это хорошо видно из зависимостей, приведенных на рис. 5.

При этом при определенной (флегматизирующей) концентрации разбавителей горение вообще прекращается. Наиболее сильное влияние оказывает введение хладонов, так как они обладают еще и ингибирующим действием на реакцию горения. Как видно из рис. 5, введение в горючую смесь хладона (114В2) в 4–10 раз эффективнее, чем нейтральных газов - разбавителей.

Флегматизирующая способность газов - разбавителей зависит от их теплофизических свойств, и в частности, от их теплопроводности и теплоемкости.

Рис. 5. Влияние концентрации разбавителей и хладона 114В2 на скорость распространения пламени в пропано-воздушной смеси ( = 1.15)