Лекция 4. Процессы распространения пламени

В топливно-воздушной смеси источник воспламенения, например электрическая искра или рециркулирующие газы, создает узкую зону химической реакции, которая в результате переноса теплоты и активных центров распространяется от одного слоя смеси к другому. Таким образом, процесс распространения зоны реакции (распространения пламени) представляет собой ряд последовательно идущих непрерывных процессов зажигания.

Распространение пламени (зоны резкого возрастания температуры и интенсивной реакции) является важнейшим вопросом теории горения, так как различают нормальное распространение горения, или дефлаграцию, где ведущим процессом является передача тепла теплопроводностью, и детонацию, где поджигание производится ударной волной. Нормальное горение, в свою очередь, подразделяется на ламинарное и турбулентное.

Ламинарное горение

Характер и интенсивность переноса теплоты и вещества в горючей смеси зависит от ее гидродинамического состояния. В неподвижной среде и в потоке с ламинарным режимом движения перенос теплоты и вещества происходит главным образом путем молекулярной теплопроводности и молекулярной диффузии. Опыты показывают, что в этом случае химические реакции протекают в очень тонком слое (пламени), отделяющем несгоревшую смесь от продуктов сгорания. Толщина фронта пламени составляет доли миллиметра. Из-за плохой теплопроводности газов распространение пламени происходит медленно. Например, в неподвижной смеси углеводородов с воздухом скорость распространения пламени составляет 0,3 – 1,2 м/с и даже для наиболее быстро горящей смеси водорода с воздухом не превышает 3 м/с.

Интенсивность процесса горения неподвижных или ламинарно движущихся горючих смесей характеризуется нормальной скоростью распространения пламени u_n и массовой скоростью горения u_m. Под нормальной скоростью распространения пламени понимается линейная скорость перемещения элементов фронта пламени относительно свежей смеси в направлении нормали к поверхности фронта пламени в данном месте. Эта нормальная скорость является физико-химической константой горючей смеси.

Массовая скорость горения представляет собой количество смеси, сгорающее на единице поверхности фронта пламени в единицу времени. Связь между u_n и u_m выражается соотношением:

u_m = u_nρ,

где ρ – плотность горючей смеси.

Диффузионно-тепловая теория нормального расп

ространения пламени приводит к следующему выражению для u_n:

u_n =√Аа_см /τ,

где А – безразмерный коэффициент, зависящий от начальной температуры смеси, температуры горения и кинетики реакции горения;

а_см – температуропроводность смеси;

τ - время химической реакции во фронте пламени.

Вычисление нормальной скорости распространения пламени из-за недостаточности знаний по химической кинетике многих реакций горения затруднено. Поэтому ее значения определяют экспериментально, в частности с использованием пламени бунзеновской горелки. Регулируя состав газовоздушной смеси, вытекающей из горелки при ламинарном режиме движения, можно добиться появления устойчивого и резко очерченного конуса горения (рис. 4.1.). Поверхность этого конуса, или, что то же самое, фронт пламени (неподвижный относительно огневой кромки цилиндрического канала горения) будет двигаться по направлению к газовоздушной смеси, вытекающей из горелки. Пламя в этом случае распространяется по нормали к поверхности воспламенения в каждой ее точке. При этом на поверхности конусного фронта пламени осуществляется равенство скоростей – проекции скорости потока газовоздушной смеси на нормаль к образующей конуса w_н и нормальной скорости распространения пламени:

u_н = w_н = w_пот ∙ cos φ,

где w_пот – скорость потока газовоздушной смеси. Так как при ламинарном движении газовоздушной смеси распределение скоростей по поперечному сечению происходит по параболе, то для каждой точки, лежащей на образующей конуса, можно определить нормальную скорость распространения пламени.

Рис. 4.1. Схема ламинарного факела однородной смеси

Для приближенных расчетов принимают скорость прохождения горючей смеси через фронт пламени постоянной, равной u_n по всей поверхности конуса. В этом случае нормальная скорость распространения пламени определяется по формуле:

u_n =V_см / S = V_см / (π R + Н²),

где V_см – объем горючей смеси, проходящей через горелку, м³/с;

S – поверхность конусного фронта горения, м²;

R – радиус основания конуса, м;

Н – высота конуса, м.

Значения теоретической скорости нормального распространения пламени (при адиабатном горении) для смесей различных газов с воздухом приведены в таблице 4.1

Таблица 4.1

Значения u_n для смесей различных газов с воздухом при атмосферном давлении и температуре 20^оС

Нормальная скорость распространения пламени сильно зависит от состава смеси (соотношения топлива и окислителя) и начальной температуры смеси. На рис. 4.2 показана зависимость скорости распространения пламени в воздушных смесях водорода, окиси углерода, этилена и метана от состава смеси (коэффициента избытка воздуха). Характер этих зависимостей характеризуется куполообразными кривыми. Максимальные значения нормальной скорости распространения пламени лежат в области богатых горючих смесей (при избытке горючего), а не при стехиометрическом соотношении.

Рис. 4.2. Зависимость u_n от коэффициента расхода воздуха в смеси (t_см = 20^оС, давление - атмосферное)

На рис 4.3 показано влияние начальной температуры смеси на максимальные значения нормальной скорости распространения пламени. Как видно из этого рисунка предварительный подогрев горючей смеси увеличивает скорость распространения пламени, так как при этом повышается температура горения.

Рис. 4.3. Влияние начальной температуры газовоздушной смеси на u_n^макс (давление – атмосферное)

По результатам экспериментальных исследований установлено, что максимальная скорость нормального распространения пламени растет пропорционально начальной температуре горючей смеси в степени 1,7.