10.1. Роль концентраційних меж поширеня полум'я у погасанні полум'я

З теорії горіння виходить, що у міру пониження змісту компоненту горючої суміші, а з ним і температури горіння, зменшується нормальна швидкість полум'я. Нормальна швидкість полум'я и_н може, здавалося б, зменшуватися до нуля, а температура горіння - до температури початкових газів.

В реальних умовах існують теплові втрати, які порушують адіабатичність згоряння.

Швидкість неадіабатичного полум'я зменшується при охолоджуванні зо-ни горіння. Проте ця зона віддає безпосередньо в навколишнє середовище невелику кількість тепла. Інтенсивніші теплові втрати, пов'язані з охолоджуванням шарів газу, прилеглих до полум'я (рис. 9.1). При цьому температура остигаючих продуктів згоряння виявляється менше за температуру зону реакції і виникає температурний градієнт, направлений у бік згорілого газу. В результаті зона реакції охолоджується шляхом те-плопроводности. У теплових втратах бере участь також і нагріта, але несгорівша суміш, що передає тепло зони реакції до навколишнього середовища.

Відносна роль тепловтрат за рахунок теплопровідності до стінок судини і випромінювання зростає із зменшенням швидкості горіння, оскільки при цьому тривалість процесу тепловіддачі від нагрітого газу більша. При певному критичному значенні теплових втрат зона реакції про-грессивно охолоджується, реакція гальмується, і полум'я затухає. Цей режим відповідає межі розповсюдження полум'я.

При вивченні механізму теплового самозаймання (рис. 10.1) було показано, що перевищення теплоприходу над тепловідведенням, що приводить до саморазогреву і займання горючої суміші, починається при температурі стінок судини То=Т_кр.

.

Рис. 10.1 - Зміна розподілу температури у фронті полум'я під впливом теплових втрат: 1 - адіабатичне горіння; 2, 3 - горіння з тепловим втратами (q₂<q₃).

При цьому ми розглядали певний склад сме-си, тобто співвідношення пального і окислювача, змінюючи температуру стінок реакційної судини.

Тепер розглянемо випадок, коли температура стінок Т_о=const а змінюється концентрація компонентів суміші.

Швидкість виділення тепла, як і швидкість полум'я змінюється по рівнянню:

(10.1)

у якому істотну роль грає тепловий ефект реакції (Q) і концентрація речовин (с). Схема співвідношення між теплоотводом q₂ і теплоприходом q₁ при трьох різних сумішах q₁^max, q₁^кр и q₁^и показана на рис. 10.2.

Величина тепловиділення, швидкість полум'я і температура горіння досягають максимального значення для стехиометрических сумішей (q_1max).

При видаленні складу суміші від стехиометрического зростають втрати тепла із зони полум'я на нагрів надлишку компоненту. Це призводить до зниження теплового ефекту реакції, прогресивного охолоджування зони горіння і зменшення швидкості розповсюдження полум'я до U_пр (крива q₁^кр). При зниженні кількості пального (бідні суміші) або окислювача (багаті суміші) більше критичного полум'я гасне або, з іншого боку, неможливо підпалити таку суміш зовнішнім імпульсом тепла (q₁).

Для сумішей пального і окислювача прийнято розрізняти верхню π_max і нижню π_min граничні концентрації пального, якими обмежена область вибухонебезпечних складів. Ці межі є найважливішою характеристикою вибухонебезпечне горючих газів і пари. Вони залежать в основному від вмісту інертних компонентів в суміші і у меншій мірі - від тиску і температури. З підвищенням початкової температури суміші π_min знижується, а π_max підвищується, оскільки до суміші вноситься зовнішнє фізичне тепло.

.

Рис. 10.2 - Співвідношення між теплоприходом і теплоотводом в горючих сумішах при q₁^max > q₁^кр > q₁^и

Зміна початкового тиску суміші впливає на межі по-різному. Так, для суміші водню з повітрям вони майже не змінюються, тоді як для окислу вуглецю різко звужуються і при 20 атм суміші стають невибухонебезпечними.

Значення π_min і π_max визначають межі складів сумішей, що містять пальне і окислювач, утворення яких не пов'язане з небезпекою вибуху. Виходячи з цих величин, визначають можливості вибору безпечних складів в технологічних процесах.

Значення концентраційних меж декілька залежать від форми і напряму розповсюдження полум'ю в судині, в якій вивчається горіння. При підпалі у верхнього кінця вертикальної труби розповсюдження полум'я можливе у вужчому інтервалі концентрацій, чим при підпалі у нижнього кінця. Ця особливість обумовлена виникненням конвективних потоків, що піднімають вгору нагріті продукти згорання і що тим самим полегшують розповсюдження полум'я вгору у граничних складів.

Нижче приведені значення концентраційних меж розповсюдження полум'я вгору для повітряних і кисневих сумішей різних пальних при атмосферному тиску і кімнатній температурі.

Таблиця 9.1. Концентраційні межі поширення полум'я.

Горюча речовина		Повітряні суміші		Кисневі суміші
Назва	Формула	πmin	πmax	πmin	πmax
Водень	Н2	4.0	7.5	4.0	94
Окись вуглецю	СО	12.5	74	15.5	94
Метан	СН4	5.3	14	5.1	61
Пропан	С3Н8	2.2	9.5	2.3	55
Бутан	С4Н10	1.9	8.5	1.8	49

Загальні закономірності для меж розповсюдження полум'я

Теплова теорія меж розповсюдження полум'я Я.Б. Зельдовіча встановлює основні кількісні критичні умови для меж розповсюдження полум'я. Так, залежність швидкості полум'я від адіабатичної температури горіння (Т_ад) приблизно описується рівнянням

(10.2)

При неадіабатичному згоранні, тобто наявності втрат, температура продуктів реакції і величини швидкості полум'я менше теоретичних і за критичних умов

(10.3)

Поділивши рівняння (10.3) на (10.2), знаходимо:

(10.4)

Допускаючи, що Т_кр·Т_ад ≈Т_ад² , отримаємо

(10.5)

За критичних умов и_н= и_кр, тоді

, а

(10.6)

Таким чином, охолоджування зони реакції більш ніж на характеристичний інтервал температури приводить до припинення горіння.

Після вирішення рівнянь теплового балансу і їх перетворень критичне значення нормальної швидкості полум'я

.

(10.7)

Теплові втрати не можуть знизити нормальну швидкість полум'я більш ніж в е разів. При інтенсивнішій тепловіддачі стаціонарне горіння припиняється.

Таким чином, у міру видалення складу суміші від стехиометрического або збільшення змісту інертного компоненту температура горіння, а з нею і нормальна швидкість полум'я настільки знижуються, що втрати из-лучением приводять до помітної неадіабатичності горіння. При подальшому пониженні концентрації бракуючого компоненту досягається критичне значення и_н, і горіння стає неможливим. Так, втрати випромінюванням, не залежні від апаратурних умов, стають найважливішим чинником, що визначає межі стаціонарного горіння в нескінченному просторі. Їх значення встановлюють концентраційні межі розповсюдження полум'я.