Диффузионное и кинетическое горение

Рассмотренные виды горения (кроме взрывчатки) относятся к диффузионному горению.

Температурой воспламенения называется наименьшая температура жидкости, при которой пламя над ее поверхностью не погаснет.

Пиролиз – это нагрев органических веществ до высоких температур без доступа воздуха.

Модель горения твердого вещества предполагает наличие следующих фаз (рис. 17):

Рис. 17. Модель горения

твердого вещества.

- прогрева твердой фазы. У плавящихся веществ в этой зоне происходит плавление. Толщина зоны зависит от температуропроводности вещества;

- пиролиза, или реакционной зоны в твердой фазе, в которой образуются газообразные горючие вещества;

- предпламенной в газовой фазе, в которой образуется смесь с окислителем;

- пламени, или реакционной зоны в газовой фазе, в которой превращение продуктов пиролиза в газообразные продукты горения;

- продуктов горения.

Диффузионное горение - когда скорость химической реакции в зоне горения в рассматриваемых видах горения зависит от скорости поступления реагирующих компонентов к поверхности пламени путем молекулярной или кинетической диффузии.

Структура пламени диффузионного горения (рис.18):

В 1 зоне - газы или пары. Горение не происходит. Температура не превышает 500⁰С. Происходит разложение, пиролиз летучих и нагрев до температуры самовоспламенения.

Рис. 18. Структура пламени.

Во 2 зоне - смесь паров (газов) с кислородом воздуха и происходит неполное сгорание до СО с частичным восстановлением до углерода (мало кислорода):

C_nH_m + O₂ → CO + CO₂ + Н₂О;

2CO = CO + C.

В 3 внешней зоне - полное сгорание продуктов второй зоны и наблюдается максимальная температура пламени:

2CO+O₂=2CO₂;

C+O₂=CO₂.

Высота пламени пропорциональна коэффициенту диффузии и скорости потока газов и обратно пропорциональна плотности газа.

Кинетическим горением называется горение заранее перемешанных горючего газа, пара или пыли с окислителем. Скорость горения зависит только от физико-химических свойств горючей смеси (теплопроводности, теплоемкости, турбулентности, концентрации веществ, давления и т.п.). Поэтому скорость горения резко возрастает. Такой вид горения присущ взрывам.

Рис. 19. Схема распространения пламени в горючей смеси: - источник зажигания; - направления движения фронта пламени.

По степени сгорания, т.е. полноты протекания реакции горения до конечных продуктов, горение бывает полным и неполным.

Пример: при недостатке кислорода углерод сгорает до угарного газа:

2C+O₂=2СО.

Если добавить O, то реакция идет до конца:

2СО+O₂=2СО₂.

При ламинарном горении слои газов текут параллельно, не завихряясь. Пример: пламя свечи в не-подвижном воздухе.

Турбулентное горение – вихревое движение газов, при котором интенсивно перемешиваются сгорающие газы, и фронт пламени размывается.

Критерий Рейнольдса, который характеризует соотношение между силами инерции и силами трения в потоке:

, (4.1)

где: u - скорость газового потока;

n - кинетическая вязкость;

l – характерный линейный размер.

Re_кр ~ 2320.

1.Ламинарные пламена предварительно перемешанной смеси. В ла­минарных пламенах предварительно перемешанной смеси горючее и окислитель смешиваются до начала горения и поток ламинарен. При­мерами такого пламени являются плоское ламинарное пламя и пламя бунзеновской горелки (в случае бедных смесей) (рис. 1.1).

2.Турбулентные пламена предварительно перемешанной смеси. Как видно из табл. 1.2, другим примером пламен предварительно пере­мешанной смеси является широко известное пламя двигателя внут­реннего сгорания с искровым зажиганием (двигателя Отто), в кото­ром поток редко бывает ламинарным.

3.Ламинарные пламена предварительно не перемешанной смеси. В случае ламинарных пламен предварительно не перемешанной сме­си (в литературе употребляется также термин ламинарное диффу­зионное пламя) горючее и окислитель перемешиваются во время процесса горения. Поток является ламинарным. Как видно из табл. 1.2, примерами таких пламен являются пламя свечи, керосиновой лампы и костра. Для исследований обычно используются две важные конфи­гурации ламинарных пламен: ламинарные пламена с противотоком и ламинарные пламена с предварительно не перемешанной смесью с параллельными потоками (рис. 1.2.).

4.Турбулентные пламена с предварительно не перемешанной сме­сью. В этом случае пламена с предварительно не перемешанной сме­сью горят в турбулентном потоке, и для турбулентности слабой интен­сивности можно использовать концепцию микроламинарных пламен. По соображениям безопасности в промышленных горел­ках и установках используются главным образом пламена предва­рительно не перемешанной смеси. Несмотря на использование очень сложных и совершенных систем перемешивания горючей смеси, пла­мена предварительно не перемешанной смеси обладают желтым све­чением из-за излучения частиц сажи, образующихся в результате хи­мических реакций в зонах с богатой смесью.

5.Смешанные ламинарные пламена с предварительно перемешан­ной и не перемешанной смесью. Пламена данного типа часто исполь­зуются для обогрева жилища и нагрева воды. Горючее и воздух пред­варительно перемешиваются, давая богатую смесь с Ф = 1,4. Затем продукты горения богатой смеси, смешиваемые с окружающим воз­духом для уменьшения сажеобразования, сгорают в пламени предва­рительно не перемешанной смеси. Миллионы устройств с такого рода пламенами используются на практике; в них сгорает около 30 % всего природного газа.