Развитие горения 4 page

В случае, когда фазы аэрозоля находятся в относительном движе­нии, система (4.54)-(4.57) должна быть дополнена выражением для нор­мальной скорости пламени

(4.58)

Для оценки величины рассмотрим случай, когда . Прене-

брегая завихренностью продуктов сгорания, представим поле течения га­зовой фазы с помощью метода особенностей в виде

(4.59)

где интегрирование производится по поверхности пламени; dS_л - элемент поверхности пламени с векторной кооодинатой

Рис. 4.25. Схема течения газовой фазы вблизи головной части лидера

В соответствии с выражением (4.58)

(4.60)

Глава 4. Развитие горения

Поле скоростей (4.59) удовлетворяет условиям (4.56)-(4.58) (кроме условий, связывающих давление по обе стороны от фронта пламени -следствие пренебрежения завихренностью продуктов сгорания), когда фронт пламени имеет форму трубы и занимает все ее сечение. При этом выражение для и_л имеет следующий вид:

(4.61)

Ввиду сложности интегрирования уравнений движения (4.54) и (4.55) при воспользуемся приближенным методом решения.

Рассмотрим часть фронта пламени в виде трубки тока газовой фазы, охва­тывающей поверхность фронта пламени (рис. 4.25). Запишем интегралы уравнений движения (4.54). Из неразрывности течения следует, что

(4.62)

где S1, S2 - площади соответствующих сечений трубки тока; - величи­на, усредненная по поверхности фронта пламени; S - нормальная ско­рость горения.

Отсутствие силы гидродинамического сопротивления при осесим-метричном обтекании идеальной жидкостью тела с формой лидера приво­дит к сохранению потока импульса

(4.63)

Приближенность равенств (4.62) и (4.63) связана с завихренностью движения продуктов сгорания, которая приводит к некоторому рас­пределению скоростей газовой фазы по сечению S2. Вводим феномено­логический коэффициент

(4.64)

где и_но - нормальная скорость пламени на оси симметрии.

Коэффициент выбирается из условия наилучшего согласия тео­ретических результатов с экспериментальными. Предполагая, что поле скоростей газа перед лидером близко к полю скоростей идеальной жид­кости, обтекающей шар диаметром D (D - диаметр цилиндрической части тела лидера при ), перепишем условие (4.58) в виде

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва

(4.65)

(4.66)

Приближенность равенства (4.66) связана с отсутствием точного ре­шения соответствующей задачи (в разложении по степеням оставляли только главные члены). Преобразуя уравнения (4.62) и (4.66), получим

(4.67) откуда (4.68)

Предположив, что в формулах (4.67) и (4.68) = 1 [что коррелирует с результатом оценки (4.61)], получим, что скорость (и_л) лидера для орга­нических аэрозолей на нижнем пределе ( = 5) составляет примерно 30-50 см • с^-1, а в максимуме ( = 10) - несколько м • с"¹. Для оценки величины в формулу (4.67) подставим значение диаметра лидера, равное мини­мальному (исходя из области применения теории) поперечному размеру неустойчивости: . Тогда получим

Из приводимых оценок следует, что для органических частиц (p_s = 1 г • см^-3) с диаметром d_s = 50 мкм снижение в два раза по сравнению с

происходит при поперечном размере лидера

Дальнейшее снижение , по-видимому, невозможно из-за сравни­мых размеров диаметра лидера D и толщины фронта пламени

Таким образом, на примере простой модели конвективного горения показано, что искривление фронта пламени в аэрозоле вплоть до фраг­ментации на отдельные зоны горения («языки» пламени) приводит к обо­гащению ведущей части пламени горючим примерно в два раза по срав­нению с плоским фронтом пламени. Разобранный пример показывает трудности описания турбулентного горения аэрозолей, так как кон­вективное движение фаз в свежей смеси меняет соотношение горючего и окислителя, поступающих во фронт пламени, и таким образом делает не­возможным использование представлений о постоянстве нормальной ско­рости горения, широко применяемых в теории горения газо паровоз­душных систем.

Глава 4. Развитие горения

4.4. Диффузионное горение жидкостей

Механизм горения. Для понимания механизма горения жидкостей следует иметь в виду, что их температура самовоспламенения (табл. 4.3) всегда значительно выше температуры кипения. Вследствие этого горение жидкостей всегда происходит в паровой фазе.

Таблица 4.3 Сопоставление температур кипения и еомовоспламенения горючих жидкостей

Над поверхностью жидкости постоянно присутствует паровоздуш­ная смесь, состоящая из паров жидкости и молекул воздуха. Концентра­ция паров характеризуется давлением насыщенных паров, которое суще­ственно зависит от температуры жидкости. Эта зависимость описывается уравнением Клайперона-Клаузиуса:

(4.69)

где Р_нас - давление насыщенных паров жидкости при температуре Т; Н_исп - теплота испарения.

Из уравнения (4.69) следует, что давление насыщенных паров (и, со­ответственно, их концентрация) с увеличением температуры жидкости воз­растают экспоненциально. Поэтому, при некоторой температуре над по­верхностью жидкости создается концентрация паров, равная нижнему кон-

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва ______________________

центрационному пределу распространения пламени. При зажигании этих паров внешним источником возникает вспышка - сгорание образовавшейся паровоздушной смеси с выделением значительного количества тепла.

Часть этого тепла расходуется на дополнительное испарение горючей жидкости, и, таким образом, горение поддерживается непрерывным процессом испарения горючего с поверхности за счет тепла, подводимого от пламени.

Поскольку пламя имеет значительно более высокую температуру, чем начальная температура среды, после начальной вспышки скорость испарения увеличивается и возникшее пламя самоподдерживается.

В установившемся состоянии горение паровоздушной смеси харак­теризуется двумя взаимосвязанными процессами: испарением горючей жидкости за счет тепла, выделяемого в зоне пламени, и сгоранием посту­пающих в зону горения паров. В установившемся режиме скорости этих процессов должны быть равны.

В практически важных случаях сгорание образующихся паров про­исходит практически мгновенно, сразу после их поступления в зону горе­ния и смешения с окружающим воздухом. Поэтому скорость выгорания* определяется скоростью испарения, как наиболее медленным процессом.

Таким образом, горение жидкости есть химический процесс сгора­ния ее паров, регулируемый скоростью испарения жидкости, зависящий от количества и условий подводимого к жидкости тепла, то есть от усло­вий теплообмена между пламенем и поверхностью жидкости.

Механизм горения жидкости проиллюстрируем примером горения со свободной поверхности, например, в резервуаре. При достаточной концен­трации паров и их зажигании над поверхностью жидкости возникает пламя, а уровень жидкости начинает опускаться. Достаточно быстро после воз­никновения горения устанавливается стационарный режим, характеризую­щийся постоянной скоростью выгорания. Схематически горение жидкости со свободной поверхности показано на рис. 4.26 Сгорание в факеле пламе­ни происходит за счет диффузионного смешения паров горючей жидкости и воздуха. Поверхность жидкости нагревается до температуры кипения. В процессе выгорания происходит прогрев жидкости в глубину.

Под скоростью выгорания понимается скорость процесса уменьшения массы жид­кости в процессе горения. Различают линейную скорость горения (мм/мин), харак­теризующую скорость снижения уровня жидкости при ее горении в резервуаре, и массовую (кг/м²час), характеризующую убыль массы жидкости в прогрессе горения с единицы поверхности в единицу времени.

Рис. 4.26. Схема диффузионного горения жидкости 1 - зона горения; 2 - зона догорания; 3 - пары жидкости; 4 - конвективные токи воздуха; 5 - зона подогрева жидкости; 6 — жидкость в резервуаре

Подвод тепла к жидкости в процессе диффузионного горения осуще­ствляется главным образом теплопередачей излучением от факела пламени. Скорость выгорания определяется величиной теплоты испарения жидкости и количеством тепла, подведенного к поверхности жидкости от факела пламени.

Значения скоростей выгорания некоторых жидкостей приведены в табл. 4.4

Таблица 4.4 Скорость выгорания жидкостей

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва

Форма и размеры пламени. Форма и размеры диффузионного пламени жидкостей существенно зависят от диаметра горелки или ре­зервуара, в которых происходит горение.

Пламя в горелках диаметром 10-15 мм имеет резко очерченную ко­ническую форму, которая практически не меняется в течение всего про­цесса горения. Увеличение диаметра горелки приводит к появлению пульсаций в пламени, дроблению его на отдельные фрагменты, колеба­нию высоты. При диаметрах резервуаров более 15 см. процесс диффузи­онного горения приобретает турбулентный характер.

Эксперименты и наблюдения процессов горения при реальных по­жарах показывают, что высота диффузионного пламени повышается с увеличением диаметра резервуаров.

Структура и форма пламени жидкостей при горении в резервуарах различного диаметра свидетельствуют о переходе ламинарного режима горения при малых диаметрах к турбулентному - при больших.

Зона пламени представляет собой очень тонкий слой, в котором происходит окисление горючего. В зоне пламени сгорает стехиометриче-ская смесь горючего и окислителя. В направлении к границам зоны пла­мени концентрации реагирующих компонентов убывают.

Рис. 4.27. Схема распределения концентраций

в диффузионном пламени: 1 -распределение кислорода;

2 - продукты реакции; 3 - азот; 4 - горючие пары

Прогрев жидкости при горении. Повышение поверхностного слоя жидкости до температуры кипения вызывает поток тепла вглубь жидко­сти. Теплопередача от поверхностного к нижележащим слоям реализуется в основном по механизму теплопроводности и ламинарной конвекцией. Прогрев жидкости за счет теплопроводности осуществляется на глубину в несколько сантиметров.

Ламинарная конвекция возникает при горении жидкостей в резер­вуарах с металлическими стенками. Стенки при горении нагреваются бы­стрее жидкости. Поэтому и жидкость у стенок резервуара имеет более вы­сокую температуру, чем в центре. В случае горения легкокипящих жидко­стей возможно даже закипание жидкости вблизи стенки резервуара. Обра­зующиеся при этом пузырьки пара способствуют интенсивному переме­шиванию жидкости и быстрому ее прогреву на большую глубину. В по­добных случаях возможно образование гомотермического слоя, то есть слоя жидкости с постоянной температурой. С течением времени толщина гомотермического слоя увеличивается.

Образование гомотермического слоя возможно также при горении смесей жидкостей с разными температурами кипения, например, нефте-

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва ______________________

продуктов. При нагреве поверхностного слоя до температур, близких к температуре кипения, из него преимущественно испаряются легкокипя-щие компоненты, а оставшаяся жидкость обогащается более высококипя-щими, которые имеют соответственно, и большую плотность. Перемеще­ние более плотных слоев вниз интенсифицирует процесс прогрева.

Установлено, что чем выше температура кипения горящей жидко­сти, тем труднее образуется гомотермический слой.

Знание условий образования гомотермического слоя особенно важно для обеспечения безопасности при тушении пожаров резервуаров с нефтью и нефтепродуктами. В процессе длительной эксплуатации резервуаров в придонном пространстве скапливается вода, содержащаяся в нефти. При возникновении горения образующийся гомотермический слой с температу­рой выше 100 °С достигает воды и вызывает ее вскипание. Возникающие при этом пузырьки пара устремляются вверх. Массовое вскипание воды сопровождается выбросом горящей жидкости из резервуара.

Влияние диаметра резервуара на скорость выгорания. Зависи­мость скорости выгорания от диаметра резервуара для всех горючих жид­костей одинакова. В качестве примера на рис. 4.28 показано влияние диа­метра резервуара на скорость выгорания керосина. При увеличении диа­метра скорость выгорания вначале быстро снижается, затем скорость снижения уменьшается. Далее наблюдается возрастание скорости выгора­ния с увеличением диаметра резервуара и последующее приближение скорости выгорания к предельному значению. Этот предел достигается при диаметрах порядка 1,2-1,3 м.

Таким образом, вся область рассматриваемой зависимости делится на три части, в каждой из которых наблюдаемая зависимость определяет­ся особенностями процесса выгорания. Уменьшение скорости выгорания с ростом диаметра на первом участке кривой объясняется условиями под­вода тепла от факела пламени к поверхности жидкости. Количество тепла, поступающего излучением, пропорционально площади поверхности жид­кости, а количество тепла, поступающего теплопроводностью за счет на­грева стенок сосуда, пропорционально периметру сосуда. При этом доля тепла, передаваемого жидкости стенками, к теплу, поставляемому лучи­стым потоком, будет пропорциональна отношению периметра сосуда к площади поверхности жидкости, т. е. к площади поперечного сечения со­суда. Таким образом, с ростом диаметра теплоподвод от стенок сосуда

Глава 4. Развитие горения

снижается, и скорость выгорания становится меньше. Сказанное справед­ливо для ламинарного процесса выгорания.

Рис. 4.28 Зависимость скорости выгорания от диаметра резервуара для керосина

При увеличении диаметра сосуда свыше 0,1 м происходит переход от ламинарного горения к турбулентному. Рост скорости выгорания в этой области обусловлен повышением количества тепла, поступающего к по­верхности жидкости от зоны горения. Турбулентность увеличивает объем факела и, соответственно, количество тепла, поглощаемое жидкостью.

Дальнейшее увеличение диаметра резервуара свыше 1,3 м приводит к формированию развитого турбулентного режима, при котором величина теплового потока от факела пламени к поверхности жидкости стабилизи­руется и скорость выгорания практически не изменяется.

Влияние концентрации кислорода на скорость выгорания. Уве­личение концентрации кислорода в атмосфере, окружающей горящую жид­кость, сопровождается увеличением скорости сгорания паров и температуры

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва

пламени. С ростом температуры пламени увеличивается его излучательная способность и, соответственно, тепловой поток от факела пламени к поверх­ности жидкости. Поэтому можно ожидать, что повышение концентрации ки­слорода должно приводить к увеличению скорости выгорания. Действительно, как это видно из рис. 4.29, повышение содержания кислорода в воздухе сопро­вождается непрерывным увеличением скорости выгорания.

Рис. 4.29. Зависимость скорости

выгорания дизельного топлива (1)

и бензина (2) от концентрации

кислорода в газовой среде

Рис 4.30. Зависимость температуры

на поверхности горящей жидкости от

концентрации кислорода в газовой среде

1 - дизельное топливо; 2 - бензин

Одновременно можно отметить, что снижение концентрации кисло­рода по сравнению с воздухом нормального состава приводит к резкому снижению скорости выгорания, при содержании кислорода 15% диффу­зионное горение прекращается.

Критическое содержание кислорода ( 15%об.) примерно одинаково для многих горючих жидкостей. Это наблюдение используется при созда­нии систем газового пожаротушения.

4.5. Горение твердых материалов

Механизм горения. Горение конденсированных систем, к которым относятся твердые материалы, в отличие от газов характеризуется нали-

Глава 4. Развитие Горения

чием стадии разложения и газификации твердой фазы. Горение твердых материалов в среде воздуха происходит в результате воспламенения лету­чих продуктов пиролиза. Его можно рассматривать как диффузионное квазигетерогенное, поскольку оно протекает не на границе раздела фаз, а в основном в газовой фазе.

При распространении волны горения по твердым материалам выде­ляются следующие зоны (рис. 4.31):

Рис. 4.31. Модель горения твердых материалов

• Зона без реакции - зона прогрева конденсированной фазы. У термопластичных материалов эта зона ограничивается слоем расплава. Толщина зоны прогрева зависит от соотношения коэффициента темпера­туропроводности и скорости горения. Для многих материалов толщина этой зоны составляет около 3 мм.

• Зона пиролиза - реакционная зона в конденсированной фазе, в которой происходит разложение твердого материала на газообразные продукты.

• Предпламенная зона в газовой фазе, в которой низкомолекуляр­ные продукты пиролиза дополнительно разлагаются. Здесь же начинается процесс воспламенения, который инициируется атомами водорода, диф­фундирующими в предпламенную зону из зоны пламени.

• Зона пламени или реакционная зона в газовой фазе. В этой зоне протекают основные реакции окисления, выделяется основная часть тепла и наблюдается максимальная температура.

• Зона продуктов сгорания.

Истинно гетерогенным является горение нелетучих металлов.

ns

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва _________________________

Таким образом, характерной особенностью горения твердых мате­риалов является многостадийный процесс их превращения в конечные продукты сгорания.

Этот процесс включает в себя следующие стадии:

• поглощение твердым материалом тепловой энергии от источни­ка зажигания;

• разложение конденсированной фазы с образованием летучих продуктов и карбонизированного остатка;

• воспламенение газообразных продуктов пиролиза;

• горение газообразных продуктов пиролиза.
Возникновению и распространению пламени предшествует нагрев и

термическое разложение твердого материала. Первичное возникновение пламени рассматривается как процесс зажигания. Зажигание является сложным нестационарным процессом, который заключается в быстром разогреве локального участка твердого материала до высокой температу­ры открытым пламенем, электрической искрой, накаленным телом. В ре­зультате такого воздействия над поверхностью твердого материала возни­кает пламя. Для устойчивого зажигания температура поверхности должна быть доведена до температуры близкой к температуре поверхности при горении в условиях стационарного процесса. Переход от зажигания к ста­ционарному режиму горения твердого материала возможен с момента по­явления пламени.

Воспламенение твердых материалов в воздухе рассматривается с по­зиций теории воспламенения газов. Однако, возможны условия, когда процесс горения начинается вследствие гетерогенной реакции взаимодей­ствия кислорода с поверхностным слоем.

Характер переноса тепла к твердому материалу для его нагрева и воспламенения зависит от вида источника зажигания и условий воздейст­вия теплового потока на поверхность. В условиях пожара твердые мате­риалы разогреваются в основном за счет конвективного и радиационного переноса тепла от пламени. Поглощение тепла твердым материалом при излучении зависит от спектральных характеристик материала и источника теплового потока.

В нагретом под действием потока тепла поверхностном слое происхо­дит пиролиз твердых материалов. При этом основную роль играет термо­окислительная деструкция. Однако, преобладание термической или термо­окислительной деструкции в процессе газификации твердых материалов при

Глава 4. Развитие горения

горении зависит от природы материала, механизма его разложения, темпера­туры пиролиза, зависящей от температуры поверхности горящего материала, а также от условий диффузии кислорода к горящей поверхности.

Летучие продукты пиролиза твердых материалов состоят из горю­чих и негорючих соединений. Основными негорючими продуктами явля­ются Н₂О, С0₂ и галоидводороды. Горючая часть состоит из Н₂, СО, на­сыщенных и ненасыщенных углеводородов, альдегидов, спиртов, кетонов и других органических соединений. Количество и состав продуктов пиро­лиза зависят от природы материала, механизма и кинетики процесса пи­ролиза, температуры разложения.

Воспламенение твердых материалов происходит, если содержание горючих газообразных продуктов пиролиза в газовой фазе достигнет нижнего концентрационного предела распространения пламени. Это ус­ловие является необходимым, но недостаточным для возникновения ус­тойчивого горения. Для того, чтобы пламя не погасло необходимо пере­дать твердому материалу такое количество тепла, которое обеспечивает непрерывную подачу в зону горения достаточное количество горючих га­зообразных веществ.

После воспламенения твердого материала начинается процесс пере­мещения фронта пламени по его поверхности. Количественной характе­ристикой этого процесса является линейная скорость распространения пламени - расстояние, пройденное фронтом пламени в единицу времени.

Перемещение фронта пламени осуществляется за счет передачи час­ти тепла, выделяющегося в зоне горения. Передача тепла от факела пла­мени к поверхности твердого материала осуществляется радиацией, кон­векцией и теплопроводностью. В зависимости от условий горения доля тепла, поступающего к поверхности материала по тому или иному меха­низму, может быть различной. Поэтому значение скорости горения для одного и того же материала в зависимости от условий горения может из­меняться в значительных пределах.

Прогрев участков поверхности твердого материала перед фронтом пламени сопровождается термическим разложением с образованием лету­чих продуктов. Поэтому распространение пламени происходит, по суще­ству, по газовой фазе.

В отличие от жидкостей, поверхность которых всегда горизонталь­на, распространение пламени по твердым материалам может происходить при различной их ориентации в пространстве: горизонтальной, верти-

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва

кальной или промежуточной. В зависимости от ориентации поверхности изменяется скорость распространения пламени: она максимальна для ус­ловий распространения пламени снизу вверх для вертикальной поверхно­сти и минимальна для распространения пламени сверху вниз. В остальных случаях скорости имеют промежуточное значение.

Рис. 4.32. Схема распространения фронта пламени

по поверхности твердого материала

1 - твердый материал, 2 - зона диффузионного горения,

3 - передняя кромка пламени, 4 - зона пиролиза,

5 - зона газообразных продуктов разложения,

6 - зона начала разложения твердого материала перед

фронтом пламени, 7 - газообразные продукты горения

Существенное влияние на скорость распространения пламени ока­зывает толщина материала. При оценке условий распространения пламени различают термически толстые и термически тонкие материалы. Такое