Концентрационные пределы распространения пламени

Из теории горения следует, что по мере понижения содержания недостающего компонента горючей смеси, а с ним и температуры горения, уменьшается нормальная скорость пламени. Изложенная в теме 7 теория не накладывает каких-либо ограничений на возможность уменьшения скорости пламени при обеднении горючей смеси. Нормальная скорость пламени и_н может, казалось бы, уменьшаться до нуля, а температура горения – до температуры исходных газов.

В теме 7 мы рассматривали процесс сгорания как адиабатический. Но в реальных условиях существуют тепловые потери, которые нарушают адиабатичность сгорания.

Скорость неадиабатического пламени уменьшается при охлаждении зоны горения. Однако эта зона отдает непосредственно в окружающее пространство небольшое количество тепла. Более интенсивны тепловые потери, связанные с охлаждением слоев газа, прилегающих к пламени (рис. 35). При этом температура остывающих продуктов сгорания оказывается меньше температуры зоны реакции и возникает температурный градиент, направленный в сторону сгоревшего газа. В результате зона реакции охлаждается путем теплопроводности. В тепловых потерях участвует также инагретая, но несгоревшая смесь, передающая в конечном счете тепло зоны реакции в окружающее пространство.

Рис. 35. Изменение распределения температуры во фронте пламени под влиянием тепловых потерь: 1 – адиабатическое горение; 2, 3 – горение с тепловым потерями (q₂<q₃).

Относительная роль теплопотерь за счет теплопроводности к стенкам сосуда и излучения возрастает с уменьшением скорости горения, так как при этом продолжительность процесса теплоотдачи от нагретого газа больше. При определенном критическом значении тепловых потерь зона реакции прогрессивно охлаждается, реакция тормозится, и пламя затухает. Этот режим соответствует пределу распространения пламени.

При изучении механизма теплового самовоспламенения (рис. 22) было показано, что превышение теплоприхода над теплоотводом, приводящее к саморазогреву и воспламенению горючей смеси, начинается при температуре стенок сосуда Т_о=Т_кр. При этом мы рассматривали определенный состав смеси, то есть соотношение горючего и окислителя, изменяя температуру стенок реакционного сосуда.

Теперь рассмотрим случай, когда температура стенок Т_о=const, а изменяется концентрация компонентов смеси.

Скорость выделения тепла, как и скорость пламени изменяется по уравнению (6.2):

,

в котором существенную роль играет тепловой эффект реакции (Q) и концентрация веществ (с).

Схема соотношения между теплоотводом q₂ и теплоприходом q₁ при трех разных составах q₁^max, q₁^кр и q₁^и показана на рис. 36.

Рис. 36. Соотношение между теплоприходом и теплоотводом в горючих смесях при q₁^max > q₁^кр > q₁^и.

Величина тепловыделения, скорость пламени и температура горения достигают максимального значения для стехиометрических смесей (q₁^max).

При удалении состава смеси от стехиометрического возрастают потери тепла из зоны пламени на нагрев избытка компонента. Это приводит к снижению теплового эффекта реакции, прогрессивному охлаждению зоны горения и уменьшению скорости распространения пламени до U_пр (кривая q₁^кр). При снижении количества горючего (бедные смеси) или окислителя (богатые смеси) больше критического пламя гаснет либо, с другой стороны, невозможно поджечь такую смесь внешним импульсом тепла (q₁).

Таким образом, скорость пламени не может быть меньше определенного критического значения. Распространение пламени в смесях горючего и окислителя возможно лишь в определенном интервале концентраций. При поджигании смесей, состав которых выходит за эти пределы, стационарное пламя не образуется, и реакция, вызванная поджигающим импульсом, затухает на некотором расстоянии от места ее инициирования. При выходе составов за эти пределы стационарное пламя затухает.

Для смесей горючего и окислителя принято различать верхнюю π_max и нижнюю π_min предельные концентрации горючего, которыми ограничена область взрывоопасных составов. Эти пределы являются важнейшей характеристикой взрывоопасное горючих газов и паров. Они зависят в основном от содержания инертных компонентов в смеси и в меньшей степени – от давления и температуры. С повышением начальной температуры смеси π_min снижается, а π_max повышается, поскольку в смесь вносится внешнее физическое тепло.

Изменение начального давления смеси влияет на пределы по-разному. Так, для смеси водорода с воздухом они почти не изменяются, в то время как для окиси углерода резко сужаются и при 20 атм смеси становятся невзрывоопасными.

Значения π_min и π_max определяют границы составов смесей, содержащих горючее и окислитель, образование которых не связано с опасностью взрыва. Исходя из этих величин, определяют возможности выбора безопасных составов в технологических процессах.

Значения концентрационных пределов несколько зависят от формы и направления распространения пламени в сосуде, в котором изучается горение. При поджигании у верхнего конца вертикальной трубы распространение пламени возможно в более узком интервале концентраций, чем при поджигании у нижнего конца. Эта особенность обусловлена возникновением конвективных потоков, поднимающих вверх нагретые продукты сгорания и тем самым облегчающих распространение пламени вверх у предельных составов.

Ниже приведены значения концентрационных пределов распространения пламени вверх для воздушных и кислородных смесей различных горючих при атмосферном давлении и комнатной температуре.

Таблица 9.1. Концентрационные пределы распространения пламени.

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 адиабатической 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 характеристический интервал температуры приводит к прекращению горения.

После решения уравнений теплового баланса и их преобразований критическое значение нормальной скорости пламени

. (9.4)

Тепловые потери не могут понизить нормальную скорость пламени более 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 излучением приводят к заметной неадиабатичности горения. При дальнейшем понижении концентрации недостающего компонента достигается критическое значение и_н, и горение становится невозможным. Так, потери излучением, не зависящие от аппаратурных условий, становятся важнейшим фактором, определяющим границы стационарного горения в бесконечном пространстве. Их значение устанавливают концентрационные пределы распространения пламени.