Затухание пламени в узких каналах

Если в затухании пламени главную роль играет теплоотвод излучением, который определяет пределы распространения пламени, то для быстрогорящих газовых смесей радиационные потери малы и зона пламени может охлаждаться только путем теплопроводности. Теплоотвод возрастает при уменьшении диаметра канала, по которому распространяется пламя.

Интенсивность теплоотвода q₂ можно определить по закону теплопередачи Ньютона (6.3). Для единицы объема охлаждаемого газа

, (9.5)

где S/V – отношение поверхности теплоотдачи к величине объема охлаждаемого газа.

Закономерности теплоотдачи остаются такими же, как и в случае теплового взрыва (§ 6.1), несмотря на различие этих процессов, и условие (9.3) остается в силе.

Рассмотрим принцип распространения пламени в трубе с переходом в узкие каналы (рис. 37).

Рис. 37.

При переходе горения в узкие каналы поверхность теплоотдачи S резко возрастает и соответственно теплопотери к стенкам каналов за счет резкого усиления теплопроводности. В достаточно узких каналах возможны теплопотери, приводящие к гашению даже наиболее быстрогорящих взрывчатых смесей.

Рассмотрим соотношение между теплоприходом (q₁) и теплоотводом (q₂) при горении определенного состава смеси с переходом пламени в узкие каналы (рис. 38), причем d₁ > d_кр > d₃.

Рис. 38. Соотношение между теплоприходом и теплоотводом: q₂^' < q₂^кр < q₂^" – теплопотери канала соответственно при d₁ > d_кр > d₂.

При уменьшении диаметра канала возрастает скорость теплопотерь, а следовательно наклон прямых q₂. И при диаметре канала d_кр наступают кри-тические условия гашения пламени.

Возможность горения в узких каналах зависит от трех факторов:

- химического состава горючей среды, определяющего величину нормальной скорости пламени U_н;

- давления смеси Р;

- диаметра пламегасящих каналов d_кр.

Установлено, что в условиях горения газовых смесей на пределе распространения пламени известный в теории теплопередачи безразмерный критерий Пекле (Ре)

, (9.6)

где - коэффициент температуропроводности, зависящий только от давления х ~ 1/Р.

Эмпирически связь между d_кр и давлением смеси Р выражается уравнением

, (9.7)

где а – показатель степени для различных составов смесей равен 0,83-1,0.

Условие постоянства Ре на пределе гашения является основным универсальным законом, определяющим возможности использования огнепреградителей.

Важная особенность гашения пламени в узких каналах заключается в том, что хотя этот процесс обусловлен теплопередачей от газа к твердым стенкам, пределы гашения не зависят от свойств материала стенок пламегасящих каналов, в том числе и теплопроводности. Возможность гашения определяется условиями охлаждения слоя газа, толщина которого соизмерима с шириной фронта пламени.

Такая особенность обусловлена большой разностью плотностей сгорающего газа и материала пламегасителя. В результате газ, сгорающий в ог-непреградителе, охлаждается, практически не нагревая при этом стенки канала. Основная часть процесса теплоотдачи реализуется в газовой, а не в твердой фазе, хотя тепло отводится в твердую стенку. Лишь длительное истечение сгоревшего газа через канал может привести к значительному нагреву его стенок.

Следует отметить, что в выражения для критических условий гашения не входит длина пламегасящих каналов. Реально эта зависимость, а также влияние формы пламегасящих каналов существуют.

Эта особенность горения в узких каналах используется в огнепрегради-телях с узкими каналами, отделяющими аппарат, в котором возможно ини-циирование очагов горения, от защищаемого огнепреградителем окружающего пространства, заполненного взрывчатой средой.

9.4. Пределы распространения пламени в системе горючий газ +

окислитель + флегматизатор.

Поскольку температура горения является главным фактором, определяющим скорость пламени – для данного состава горючей смеси, величина и_н зависит в первую очередь от соотношения концентраций горючего и окислителя и общего содержания инертных компонентов. Если при фиксированном соотношении содержаний горючего и окислителя к их смеси добавлять инертные компоненты, температура горения понижается, так как энергия химического превращения затрачивается на нагревание дополнительных компонентов смеси продуктов сгорания.

Добавки различных веществ могут флегматизировать горючую систему, т.е. уменьшать скорость горения вплоть до превращения такой системы в негорючую. По характеру воздействия на реакцию в пламени флегматизаторы можно в принципе разделить на два основных класса.

К первому классу тепловых флегматизаторов, относятся компоненты, не принимающие прямого участия во взаимодействии горючего с окислителем, но понижающие температуру горения. Избыточный компонент смеси также можно рассматривать как тепловой флегматизатор. Ко второму классу, химически активных флегматизаторов, относятся ингибиторы – отрицательные катализаторы, способные тормозить реакцию при неизменной температуре горения вследствие их специфического, чисто химического воздействия на реакцию.

Инертные компоненты влияют и на концентрационные пределы распространения пламени. Типичная зависимость предельной концентрации горючего от содержания инертного компонента, т. е. схема пределов области воспламеняемости в тройной смеси горючее + окислитель + инертный компонент показана на рис. 39.

При увеличении содержания инертного компонента I уменьшается диапазон горючих составов между верхним и нижним концентрационными пределами. При определенном содержании инертного компонента I _кр обе ветви кривой критических составов π_min (I) и π_max (I) смыкаются в точке, называемой мысом области воспламеняемости, или точке флегматизации.

Рис. 39. Схема области воспламеняемости в смеси горючий газ + окислитель + флегматизатор: 1 – верхний концентрационный предел; 2 – нижний концентрационный предел; 3 – мыс области взрываемости; I – область богатых негорючих смесей; II – область бедных негорючих смесей; III – область горючих смесей.

Если концентрация инертного компонента больше I _кр, поджигание невозможно при любом соотношении содержаний горючего и окислителя. Область составов, отвечающих горючим смесям, ограничена критической кривой и осью ординат. Опыт показывает, что для смесей, в которых окислителем является кислород, а инертным компонентом азот, только π_mах заметно зависит от I, ветвь π_min (I) идет почти параллельно оси абсцисс.

Пределы в системе горючее + окислитель + инертный компонент часто представляют в треугольной диаграмме. По каждой из трех осей равностороннего треугольника откладывается содержание одного из компонентов. Любой точке, расположенной внутри треугольника, отвечает состав, определяемый величинами отрезков, отсекаемых по каждой из осей линиями, параллельными сторонам треугольника, проходящими через данную точку. Область горючих составов ограничена критической кривой; ее крайние точки опираются на ось, вдоль которой откладываются составы бинарных (двойных) смесей горючее окислитель (I = 0).

На рис. 40 для иллюстрации приведена диаграмма пределов распространения пламени в системе СН₄ + О₂ + N₂ при нормальных условиях. Точки А и В характеризуют составы предельных бинарных смесей: 5,1 и 61% горючего. Точки С и D соответствуют воздушным смесям, содержащим 74,7 и 67,8% N₂, у которых содержание СН₄ равно соответственно 5,3 и 14,2%. Точка М описывает состав у «мыса» области взрываемости: 81,9% N₂, 6,0% СН₄ и 12,1% О₂. Треугольные диаграммы используют также для описания критических составов смесей, свободных от инертных компонентов, но содержащих по два горючих или окислителя.

Рис. 40. Диаграмма пределов распространения пламени в системе СН₄ + О₂ + N₂.

Добавки инертных компонентов, уменьшая температуру горения, флегматизируют смесь, затрудняют горение. Поэтому с ростом содержания инертного компонента пределы сужаются. Пределы в известной степени зависят от природы инертных компонентов ввиду различия их теплосодержаний при температуре горения. Эта величина уменьшается в ряду: ∆Нсо₂ > ∆Нн₂о > ∆Hn₂.

Рис. 41. Зависимость пределов распространения пламени от природы инертного компонента в системе СН₄ + воздух + (Аг, Не, N₂, Н₂О, СО₂: 1 – СО₂; 2 – Н₂О; 3 – N₂ (добавочный); 4 – Не; 5 – Ar.

9.5. Закономерности для точки флегматизации.

Наиболее безопасные для технологических целей смеси горючего, кислорода и инертного компонента, состав которых соответствует зоне, находящейся правее мыса области воспламеняемости на рис. 37 (I > I _кр) отличаются одной важной особенностью. Любая трехкомпонентная смесь кислорода, горючего и инертного компонента невзрывчата при произвольном соотношении содержаний двух последних, если в такой смеси [О₂] < Y, где Y – содержание кислорода у точки флегматизации.

Известно, что эта предельная концентрация Y, практически одинакова для большинства горючих газов и паров. Так, если составлять горючие смеси, используя обогащаемый азотом воздух, то для СН₄, С₂Н₆, С₃Н₈, С₄Н₁₀, С₅Н₁₂, С₆Н₁₄, С₃Н₆, С₄Н₈, С₆Н₆, (СН₃)₂СО эта величина будет находиться в пределах 11,0—13,5%. Если добавкой к воздуху служит двуокись углерода, значение Y для указанных горючих увеличится до 13,4 — 15,6% абс. (т.е. приблизительно на 20%) вследствие большей теплоемкости СО₂. Для смесей эндотермических соединений — этилена и бутадиена — значения Y ниже, чем для большинства горючих. Особенно резкое отличие наблюдается для водорода, окиси углерода и ацетилена.

Выше отмечалось, что нижний концентрационный предел не изменяется при частичной замене кислорода азотом. Оказывается, что эта закономерность соблюдается практически вплоть до составов, соответствующих положению мыса области взрываемости. При этом величина Y смесей, флегматизированных азотом, мало отличается от содержания кислорода, эквивалентного количеству горючего на нижнем пределе. Это предположение позволяет находить расчетные значения Y

Y = vπ_min (9.8)

где v – стехиометрический коэффициент для реакции полного окисления данного горючего кислородом. Ниже приведены экспериментальные пре-дельные содержания кислорода в горючих смесях:

Изложенные соображения позволяют вычислять значения Y для неиссле­дованных горючих газов или многокомпонентных смесей по вели­чине нижнего концентрационного предела, т. е., по существу, из термохимиче­ских данных. Так, для ацетилена, у которого π_min = 2,5%, следует ожидать Y = 6,2%. Возможность вычисления Y имеет большое практическое значение, так как экспериментальные определения предельной концентрации кислорода производились лишь для ограниченного числа горючих газов и па­ров. Величина же Y представляет собой важную характеристику взрывобезо­пасности для ряда технологических процессов.

Результаты исследований взрывоопасности систем горючий газ + воздух + инерт удобнее представлять на тройных диаграммах в виде прямоугольного треугольника. При этом картина более наглядна (рис. 42) и точнее обрабатывается.

Рис. 42. Предельные условия взрывоопасности в системе газ + кислород (воздух) + инерт.

Точки:

К – 100% воздуха, или 21% кислорода;

Г – 100% горючего газа;

И – 100% инертного газа (флегматизатора);

Ф – точка флегматизации;

Н (Н’) – нижний концентрационный предел воспламенения в смеси

газ + воздух (кислород);

В (В’) – верхний концентрационный предел воспламенения в смеси

газ + воздух (кислород);

1 – максимально взрывоопасная концентрация кислорода в смеси

газ + кислород (воздух);

2 – минимально взрывоопасная концентрация кислорода в смеси

газ + кислород (воздух);

3 – минимальное содержание кислорода в смеси И + К, ниже кото-

рого смеси не воспламеняются при любой добавке газа.

4 – минимальное содержание газа в смеси Г + И, ниже которого

смеси невзрывоопасны при любой добавке кислорода (воздуха);

К_ф – содержание кислорода в точке флегматизации;

Г_ф – содержание горючего газа в точке флегматизации;

100 – И_ф – содержание инерта в точке флегматизации;

С (С’) – стехиометрический состав смеси Г + К при коэффициенте

избытка воздуха α = 1.

Линии:

К – 4 – составы с одинаковым соотношением И +Г;

Г – 3 – составы с одинаковым соотношением И + К;

И – С – стехиометрические составы Г + К в тройной смеси

при α = 1.

Области:

ИСК – бедные смеси с α > 1;

ИСГ – богатые смеси с α < 1;

И3Ф4 – невоспламеняющиеся смеси;

ИФВГ – воспламеняемые смеси при добавке кислорода;

ЗФНК – воспламеняемые смеси при добавке горючего газа.