Нормальное распространение пламени

Пламенем называется зона, в которой протекают реакции горения. Характерным свойством пламени является его свечение. Пламя, возникшее в объеме или в потоке газовоздушной смеси (ГВС), отделяет еще несгоревшую смесь от продуктов горения.

Проделаем мысленный эксперимент (рис. 10.1). Возьмем прозрачную трубку, открытую с одного торца. Заполним трубку газовоздушной смесью (в пределах воспламенения) и воспламеним смесь у открытого торца. Возникнет пламя, которое будет перемещаться вдоль трубки. Продукты сгорания свободно истекают из открытого торца трубки.

Рис. 10.1. Мысленный эксперимент

Перемещение пламени вызывается тем, что ГВС перед ним нагревается до температуры воспламенения за счет теплоты, поступающей из пламени теплопроводностью и диффузией раскаленных продуктов сгорания и радикалов. Линейная скорость, с которой перемещается пламя (фронт горения) по однородной ГВС называется равномерной скоростью распространения пламени (v, м/с). Величина равномерной скорости распространения пламени зависит от физико-химических констант ГВС и от формы фронта горения, которая в свою очередь зависит от диаметра трубки. С увеличением диаметра трубки равномерная скорость увеличивается, т.к. фронт горения искривляется, усиливаются завихрения и конвективные потоки. С уменьшением диаметра трубки равномерная скорость распространения пламенизамедляется и при каком-то значении диаметра процесс горения прекращается. Это объясняется тем, что с уменьшением размеров трубки (канала) возрастает отношение периметра к площади сечения трубки. Теплопотери в окружающую среду превышают теплопоступления из объема пламени – горение прекращается. Это наглядно показано на рис. 10. 2.

Рис. 10.2. Зависимость прихода теплоты Q_пр и теплопотерь Q_пот от

диаметра трубки (канала)

Теплопотери в окружающую среду (Q_пот) происходят через цилиндрическую стенку, поверхность которой для единичной длины трубки пропорциональна диаметру, т.е. прямая зависимость. Теплоприход Q_пр зависит от объема смеси и для единичной длины трубки пропорционален квадрату диаметра, т.е. квадратичная зависимость.

Диаметр, меньше которого горение невозможно, называется критическим диаметром. Впервые наличие критического диметра установил английский ученый Гемфри Дэви в 1815 году. Исследуя возможность предотвращения взрывов метана в угольных шахтах, он ограждал пламя открытых светильников различными сетками. Оказалось, что при размерах ячейки сетки меньше некоторого значения, пламя не проскакивает через сетку. Особенно эффективными оказались медные сетки. В результате была предложена взрывобезопасная шахтерская лампа (лампа Дэви). Горючий газ попадая через сетку внутрь лампы воспламенялся, но горение не распространялось наружу и не вызывало взрыв газовоздушной смеси. Величина критического диаметра для стехиометрических смесей газов с воздухом составляет: метан – 3,5 мм, водород – 0,9 мм. Сейчас в системах отвода дымовых газов и вентиляции опасных производств широко используются огнепреградительные сетки (пламегасители).

Для сравнения горючих свойств газов, независимо от диаметра трубки, введено понятие нормальная скорость распространения пламени. Нормальной скоростью распространения пламени (U_Н , м/с) называется скорость, с которой пламя перемещается по нормали (перпендикулярно) к поверхности фронта горения. Нормальная скорость распространения пламени зависит только от физико-химических констант ГВС и находится по формуле:

, (10.17)

где – коэффициент температуропроводности ГВС.

Здесь λ – коэффициент теплопроводности, с – теплоемкость и

– плотность ГВС.

Величина нормальной скорости распространения пламени зависит от природы горючего газа и состава ГВС, т.е. от коэффициента α. На рис. 3 показана зависимость нормальной скорости от коэффициента α для метановоздушной смеси.

Рис. 10.3. Зависимость нормальной скорости от коэффициента α

для метановоздушной смеси

Из рис. 10.3 следует, что величина нормальной скорости возрастает с увеличением коэффициента α, достигает максимума при α ≈ 0,9 а, затем уменьшается. Наглядно видна зона устойчивого воспламенения и горения, которая находится в диапазоне α = 0,6 ÷ 2,0, или от 5% до 15% содержания метана в ГВС.

Значения максимальной нормальной скорости для чистых газов в смеси с воздухом: метан – 0,37 м/с, пропан – 0,38 м/с, водород – 2,7 м/с.

Скорость распространения пламени в смеси с кислородом всегда выше.