1.3. Горение газов

Для описания процессов горения обычно используется термин нормальная скорость пламени, который характеризует скорость обычного фронта пламени в неподвижной газовой смеси. В реальных условиях горения пламя всегда существует в движущихся потоках.

Поведение пламени в таких условиях подчиняется двум законам:

– первый из них устанавливает, что составляющая скорости газового потока v по нормали к фронту пламени, распространяющегося по непод-

вижной смеси, равна нормальной скорости распространения пламени и, деленной на cos :

v = u/cos φ, (1.2)

где − угол между нормалью к поверхности пламени и направлением газового потока.

Этот закон применим только к плоскому пламени. Обобщение его на реальный случай с искривлением фронта пламени дает формулировку второго закона − закона площадей.

Предположим, что в газовом потоке, имеющем скорость v и поперечное сечение , стационарно расположен искривленный фронт пламени с общей поверхностью S. В каждой точке фронта пламени пламя распространяется по нормали к его поверхности со скоростью U. Тогда объём горючей смеси, сгорающей в единицу времени , составит

ω = U · S. (1.3)

С другой стороны, в соответствии с балансом исходного газа этот же объём равен

ω = v ∙ ε. (1.4)

Приравнивая левые части (1.2) и (1.3), получаем

v = U · S/ε. (1.5)

В системе отсчёта, в которой фронт пламени перемещается по неподвижной газовой смеси, соотношение (1.5) означает, что пламя распространяется относительно газа со скоростью v. Формула (1.5) является математическим выражением закона площадей, из которого следует важный вывод: при искривлении фронта пламени скорость горения вырастает пропорционально увеличению его поверхности. Поэтому неоднородное движение газа всегда интенсифицирует горение.

Из закона площадей следует, что турбулентность увеличивает скорость горения. На пожарах это выражается сильной интенсификацией процесса распространения пламени. Различают два вида турбулентного горения: горение однородной газовой смеси и микродиффузионное турбулентное горение. В свою очередь, при горении однородной смеси в режиме турбулентного горения возможны два случая: возникновение мелкомасштабной и крупномасштабной турбулентности. Такое разделение производится в зависимости от соотношения масштаба турбулентности и толщины фронта пламени. При масштабе турбулентности, меньшем толщины фронта пламени, ее относят к мелкомасштабной, при большем − к крупномасштабной. Механизм действия мелкомасштабной турбулентности обусловлен интенсификацией процессов горения за счёт ускорения процессов тепломассопереноса в зоне пламени. Наибольшие скорости горения наблюдаются при крупномасштабной турбулентности. В этом случае возможны два механизма ускорения горения: поверхностный и объёмный.

Одним из видов горения газов является дефлаграционное горение. Состав горючих смесей может быть различным. В общем случае содержание горючего компонента может колебаться от нуля до ста процентов, однако, не все смеси горючего и окислителя способны распространять пламя. Распространение возможно лишь в определённом интервале концентраций. При зажигании смесей, состав которых выходит за эти пределы, реакция горения, инициированная зажигающим импульсом, затухает на небольшом расстоянии от места зажигания. Для смесей горючего и окислителя, находящихся в газообразном состоянии, существуют минимальная и максимальная концентрации горючего, которые ограничивают область горючих смесей. Эти концентрации называются соответственно нижним и верхним концентрационными пределами распространения пламени. Вне пределов распространение пламени по данной смеси невозможно. Рассмотрим причины, обусловливающие наличие предельных условий распространения пламени по газовым смесям. В начальный момент инициирования горения (искрой, накаленным телом или открытым пламенем) в горючей смеси возникает зона высокой температуры, из которой тепловой поток будет направлен в окружающее пространство. Часть тепла поступает в свежую (еще не сгоревшую) смесь, другая часть − в продукты горения. Если поток тепла в свежую смесь недостаточен для возбуждения в ней реакции горения, первоначальный очаг пламени затухает.

Таким образом, наличие пределов распространения пламени по газовым смесям объясняется теплопотерями из зоны реакции. Детонацией называется процесс превращения горючей смеси или взрывчатого вещества, сопровождающийся выделением теплоты и распространяющийся с постоянной скоростью, превышающей скорость распространения звука в данной смеси или веществе.

В отличие от дефлаграционного горения, где распространение пламени обусловлено относительно медленными процессами диффузии и теплопроводности, детонация представляет собой комплекс мощной ударной волны и следующей за её фронтом зоны химического превращения. Благодаря резкому повышению температуры и давления за фронтом ударной волны химическое превращение исходных веществ в продукты горения протекает чрезвычайно быстро в очень тонком слое, непосредственно прилегающем к фронту ударной волны (рис. 1.2).

Распределение давления в детонационной

волне

Продукты

Химической реакции

Зона хими-

ческого

превращени

Взрывчатое

вещество

Рис. 1.2. Схема детонационной волны

Ударная волна сжимает и нагревает горючую смесь (или взрывчатое вещество), вызывая химическую реакцию, продукты которой сильно расширяются – происходит взрыв. Энергия, выделяющаяся в результате химического превращения, поддерживает существование ударной волны, не давая ей затухать. Скорость перемещения детонационной волны постоянна для каждой горючей смеси и взрывчатого вещества и достигает 1000–3000 м/с в газовых смесях и 8000–9000 м/с – в конденсированных взрывчатых веществах (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Скорость детонации некоторых горючих смесей и взрывчатых веществ

Смесь или вещество	Агрегатное состояние	Плотность, г /см3	Скорость детонации, м/с
2H2+O2	газ	−	2820
CH4+2O2	газ	−	2320
CS2+3O2	газ	−	1800
Нитроглицерин, C3H5(ONO2)	жидкость	1,60	7750

Окончание табл. 1.1

Тринитрол (тротил), C7H5(ONO2)3 CH3	тв. в-во	1,62	6950
Пентаэритритетранитрат, C5H8 (ONO2)4	тв. в-во	1,77	8500
Циклотриметилентринитроамин (гексоген) C3H6O6N6	тв. в-во	1,80	8850

Давление во фронте ударной волны при детонации газовых смесей достигает 1–5 МПа (10–50 атм.), а конденсированных веществ − 10 ГПа. В газообразных горючих смесях распространение детонации возможно только при условиях, когда концентрация горючего газа (или паров горючей жидкости) находится в определенных пределах, зависящих от химической природы горючей смеси, давления и температуры. Например, в смеси водорода с кислородом при комнатной температуре и атмосферном давлении детонационная волна способна распространяться, если концентрация водорода находится в пределах от 20 до 90 % об.

Переход дефлаграционного горения в детонацию в газовоздушных смесях возможен в следующих случаях:

• при обогащении горючей смеси кислородом;

• при очень больших размерах газовых облаков;

• при наличии турбулизаторов горения.

В горючих облаках достаточно больших размеров неизбежен переход от дефлаграционного горения к детонации, при этом аналитическая оценка приводит к следующим критическим размерам облаков, при которых вероятность возникновения детонации высока: для водорода воздушных смесей − 70 м, для пропановоздушных − 3500 м, для метановоздушных − 5000 м. Турбулизация процесса горения газовых смесей с помощью различных препятствий по пути распространяющегося пламени приводит к существенному сокращению критических размеров газовых облаков, и возникающая в этом случае детонационная волна становится источником возбуждения детонации в неограниченном пространстве.