Условия за съществуване на фронт на пламъка. Закон на Майкелсън. Какво е турбулентна дифузия на пламъка и фронт на пламъка Фронт на просмукване на пламъка

Огън без пламък Вятърът духаше, снегът валеше, минувачите ускоряваха крачка. Но шест или седем момчета самоотвержено се тълпяха на тротоара близо до малка каменна къща. „Три рубли!“ В гласа на едролицето румено момче се долавяха радост и нежност. той

Духовният фронт на империята Духовният фронт на империята За романа на Александър Проханов „Човек от звездите” Михаил Килдяшов 25.07.2012 г.

Фронт без флангове Фронт без флангове Юрий Котенок 26.09.2012 г

Тема 7. РАЗПРОСТРАНЕНИЕ НА ПЛАМЪКА.

7.1. Топлинна теория на горенето.

При адиабатен, т.е. изгаряне, което не е придружено от топлинни загуби, цялата доставка на химическа енергия на горимата система се превръща в топлинна енергияреакционни продукти. Температурата на продуктите на адиабатното горене не зависи от скоростта на реакциите, протичащи в пламъка, а само от общия им топлинен ефект и топлинния капацитет на крайните продукти. Това количество се нарича адиабатна температура на горене Tg важна характеристиказапалима среда. За повечето горими смеси стойността на Tg е в диапазона 1500-3000° K. Очевидно Tg е максималната температура на реакционните продукти при липса на външно нагряване. Действителната температура на продуктите от горенето може да бъде само по-ниска от T g при загуба на топлина.

Според термичната теория на горенето, разработена от съветските учени Я.Б. Зелдович и Д.А. Франк-Каменецки, разпространението на пламъка става чрез предаване на топлина от продуктите на горенето към неизгорялата (прясна) смес. Разпределението на температурата в газовата смес, като се вземе предвид отделянето на топлина от химическата реакция и топлопроводимостта, е показано на фиг. 26.

Фронт на пламъка, т.е. зоната, в която протича реакцията на горене и интензивното самонагряване на горивния газ, започва при температурата на самозапалване Tst и завършва при температура Tg.

Пред фронта на пламъка, разпространяващ се надясно, има свежа смес, а отзад има продукти от горенето. Смята се, че в зоната на нагряване реакцията протича толкова бавно, че отделянето на топлина се пренебрегва.

Процесът на пренос на топлина по време на стационарно разпространение на пламъка не води до загуба на топлина и намаляване на температурата в сравнение с Tg непосредствено зад фронта на пламъка. Отвеждането на топлина от всеки горящ слой газ при запалване на съседния, още ненагрят, се компенсира от подобно количество топлина, получено преди това в запалителния слой по време на собственото му запалване. Допълнителната топлина на първоначалния импулс на запалване не нарушава забележимо стационарния режим на горене, тъй като ролята му намалява все повече и повече с увеличаване на количеството изгорен газ.

Продуктите от горенето губят топлина само в резултат на радиация и при контакт с твърда повърхност. Ако излъчването е незначително, такова горене се оказва практически адиабатно. Забележими топлинни загуби са възможни само на определено разстояние зад фронта на пламъка.

По този начин, започването на изгаряне на газова смес в една точка води до нагряване на близкия слой, който се нагрява чрез топлопроводимост от реакционните продукти до самозапалване. Изгарянето на този слой води до запалване на следващия и т.н. до пълното изгаряне на горивната смес. Топлината, отведена от реакционната зона в прясната смес, се компенсира напълно от освобождаването на реакционна топлина и се появява стабилен фронт на пламъка. В резултат на послойно изгаряне, фронтът на пламъка се движи през сместа, осигурявайки разпространението на пламъка.

Ако прясната смес се движи към фронта на пламъка със скорост еднаква скоростразпространение на пламъка, пламъкът ще бъде неподвижен (неподвижен).

Теоретична обосновка на условията за разпространение на пламъка може да се даде при разглеждане на неподвижен пламък, когато скоростта на неговото разпространение Upl е равна на скоростта на подаване на газовата смес υ g: Upl =υg (фиг. 27). В този случай връзката между нормалната скорост на горене U n и скоростта на разпространение на пламъка U pl ще бъде изразена с уравнението:

Uп = Uмн* sinφ. (7.1)

Следното количество топлина се подава към свежата смес от единица повърхност на пламъка за единица време чрез топлопроводимост:

(7.2)

където: - коефициент на топлопроводимост;

Ширина на предната част на пламъка.

Тази топлина се изразходва за нагряване на прясната смес от началната температура T o до температурата на горене T g:

където: с– специфична топлинна мощност;

Плътност на сместа.

Като се вземат предвид уравнения (7.2) и (7.3) при U pl =υ g, скоростта на разпространение на пламъка се определя от съотношението:

(7.4)

където: - коефициент на топлопроводимост.

Тъй като скоростта на горене зависи много от температурата, изгарянето на по-голямата част от газа се извършва в зона, чиято температура е близка до Tg.

Скоростта на химическа реакция, както е обсъдено в § 6.1., се определя от уравнението:

. (7.5)
Тогава скоростта на разпространение на пламъка е:

където: b– показател в зависимост от свойствата на сместа, .

По този начин пламъкът няма да може да се разпространи през горимата смес, ако температурата му е под теоретичната температура на горене с повече (вижте § 9.3).

- характерен температурен диапазон в химичната кинетика. Промяната на температурата с това количество води до промяна в скоростта на реакцията с "e" пъти.

Граничната стойност на скоростта на разпространение на пламъка UPR се определя от съотношението:

(7.7)

За разлика от разглеждания случай на нормално горене, в реални условия на експлозии в затворено пространство процесът на дефлаграционно горене е самоускоряващ се. Това се дължи на разширяването на повърхността на горене, появата на движение на газ и увеличаване на налягането по време на горене.

7.2. Горене в затворен обем.

Когато газовете горят в отворена тръба и в поток, реакционните продукти се разширяват свободно, налягането остава почти постоянно. Изгарянето в затворен съд е свързано с повишаване на налягането. Има голяма стойностза решаване на проблеми с безопасността при експлозия. Повишаването на налягането при горене в затворени апарати, както и в помещения, може да доведе до разрушения и аварии.

По време на изгаряне без топлинни загуби (адиабатно изгаряне) в затворен обем, в резултат на повишаване на температурата от T o до температурата на горене T g и промяна в броя на грам молекулите по време на реакцията, налягането се увеличава от P o към P g:

(7.8)

където: m, n – брой молове вещества преди и след експлозията, стехиометрично

състав на сместа.

Най-голямото налягане обаче не се развива за стехиометрични смеси, въпреки че те имат най-висока топлина на изгаряне и създават максимална T g, а за смеси, обогатени с горими вещества, които имат максимална скорост на изгаряне. При дефлаграционно горене налягането достига 7-10 atm, при детонация е много по-високо.

Характерна особеностпроцес на горене в затворен обем е неравномерното разпределение на температурата на реакционните продукти веднага след изгарянето. Първоначално горящата част от горимата смес, разположена в центъра на съда, реагира при начално налягане p o; последният слой, изгарящ в стената, реагира при крайно налягане r.

Нагряването на всеки газов слой се извършва на два етапа: по време на химична трансформация и адиабатно компресиране. Въпреки че съставът на продуктите от горенето и налягането са еднакви във всички точки на обема, крайната температура зависи значително от последователността на двата процеса на нагряване. При адиабатна компресия от налягане p oдо натиск rповишаването на температурата от T o до T се определя от уравнението на Поасон

, (7.9)

където: g = s r / sv.

Крайната температура на продуктите от горенето ще бъде по-висока, ако газът първо се нагрее по време на химическа трансформация и след това температурата му се повиши по време на компресия съгласно уравнение (7.9), отколкото в случай на обратна последователност на двата процеса.

7.3. Движение на газове по време на горене.

Разширяването на газове в пламък (според закона на Гей-Люсак) води до факта, че горенето винаги е придружено от движение на газове. Нека обозначим с ρ g - плътността на изходната среда, ρ pr - плътността на продуктите на горене, тяхната скорост спрямо неподвижния фронт на пламъка е равна на u pr. За всеки квадратен сантиметър от предната повърхност потокът носи u n cm 3 от горимата смес всяка секунда, нейната маса е равна на u n* ρ g, съответно от тази секция на пламъка се отстранява за 1 сек u pr cm 3 реакционни продукти с маса u pr* ρ pr горящата смес и реакционните продукти са равни, тогава

u n* ρ g = u pr* ρ pr (7.10)

Уравнение (7.10) изразява закона за запазване на масата по време на горене.

Стойността на u надвишава нормална скоростпламък толкова пъти, колкото плътността на изходната среда е по-голяма от плътността на продуктите от горенето. Увеличаването на скоростта на газовия поток по време на горенето е следствие от разширяването на газовете.

Абсолютна температурапри изгаряне се увеличава 5–10 пъти. Ако горенето става при постоянно налягане, газът се разширява в r o / r pr веднъж. Нека разгледаме изгарянето на неподвижен фронт на пламъка в отворена тръба, показано на фигура 28.

ориз. 28. Схема за обяснение на площния закон: S – напречно сечение на тръбата, F – повърхност на фронта на пламъка, ω – скорост на изходната горима смес, T 0 – температура и плътност на изходната смес, U H – нормална скорост на горене, U PL – скоростта на разпространение на пламъка, U PR е скоростта на продуктите от горенето, T PR е температурата и плътността на продуктите от горенето.

Тъй като пламъкът е неподвижен, ω = U PR. Тогава, например, на 1 cm 2 от повърхността на фронта на пламъка F, потокът носи ω cm 3 / s от горимата смес. Масата му е равна на ω. Съответно U PR cm 3 /s продукти от горенето с маса U PR се отстраняват от тази секция. Тогава, съгласно закона за запазване на масата (уравнение 7.10) при ω = U PL:

(7.11)

По този начин обемната скорост на продуктите от горенето надвишава скоростта на горене толкова пъти, колкото плътността на първоначалната среда е по-голяма от плътността на продуктите от горенето.

От друга страна, ако U N cm 3 /s от сместа гори на 1 cm 2 от повърхността на фронта на пламъка, тогава U N * F cm 3 /s изгаря по цялата площ F. В същото време обемът на горивния газ е равен на обемната скорост на газовия поток ω*S cm 3 /s. Тогава U H *F = ω*S, или ω = U H *F / S.

При равенство ω =U PL:

UPL= U H* Е / С. (7.12)

получаваме областен закон: скоростта на разпространение на пламъка в тръбата ще бъде толкова пъти по-голяма от нормалната, колкото повърхността на пламъка надвишава напречното сечение на тръбата.

Ако разгледаме неподвижна горима смес, тогава с разпространението на фронта на пламъка рязко нагрятите газове нямат време да се разширят и налягането в зоната на горене рязко се увеличава, което се „разширява“ и изтласква газовете от двете страни на пламъка , и не само продуктите на горенето се изтласкват, но има и движение на първоначалната смес пред фронта на пламъка, както на фигура 29:

Скоростта на газовете се увеличава с изгарянето на първоначалната смес и съответно налягането на газа. В този случай от единия край на тръбата се изхвърлят компресирани горещи газове, а от другия - компресирана изходна смес, която се запалва експлозивно от изхвърления пламък в атмосферата на помещението, последвано от ударна вълна, пожар и унищожаване.

7.4. Коефициенти на ускоряване на горенето.

Различните режими на дефлаграционно горене се различават само по скоростта на разпространение на пламъка поради неравномерното развитие на повърхността на фронта на пламъка. Изгарянето на първоначално неподвижен газ винаги се усложнява от външни смущаващи влияния, които изкривяват формата на пламъка. Най-важните от тях са гравитацията, триенето и турбулентността на горящата смес.

Така че, когато се запали в средата вертикална тръбаКакто е показано на фигура 30, тежката първоначална смес е разположена над леките продукти на горенето. В този случай конвективните потоци на първоначалната смес се движат надолу, а продуктите от горенето се движат нагоре. Под тяхно влияние фронтът на пламъка се разтяга и горенето се ускорява.

Когато пламъкът се разпространява надолу, запалимата среда е неподвижна и смущението на фронта на пламъка е незначително. При ниски скорости на горене и дължина на тръбата формата на пламъка е близка до плоската.

В този случай обаче газът също се движи надолу по тръбата поради разширение по време на горене. Триенето на движещия се газ по стените води до намаляване на скоростта му в периферията и разтягане на фронта на пламъка, като профилът на скоростта на фронта на пламъка също придобива формата на купол. Повърхността на пламъка прогресивно се увеличава и горенето се ускорява.

Доста бързо изгаряне, при което скоростта на пламъка достига стотици m/sec, възниква при турбулизация на газовата смес и съответно при турбулизация на фронта на пламъка. Турбулизирането води до значително разширяване на фронта на пламъка, ускоряване на топлообмена между продуктите на горенето и първоначалната смес и съответно изгарянето. Този тип горене често се нарича експлозия.

7.5. Условия за експлозия.

Както разбрахме по-рано, експлозията е химическа или физическа трансформация на вещество, придружена от изключително бърз преход на неговата енергия в енергията на компресия и движение на първоначалните вещества, продуктите на тяхната трансформация и среда. Въз основа на това химическата експлозия е изключително бърза реакция на горене, придружена от рязък преход на освободената топлинна енергия в енергията на компресия и движение на изходните вещества, продуктите на горенето и околната среда.

Експлозията се състои от три етапа:

1) преобразуване на енергията на химичната реакция в топлинна енергия;

2) преобразуване на топлинната енергия в енергията на силно сгъстен газ;

3) разпространение на сгъстен газ под формата на ударна вълна.

Основните условия за химическа реакция под формата на експлозия са:

1. Екзотермичност, което се дължи на факта, че силата на връзките между атомите в реакционните продукти е много по-висока, отколкото в изходните вещества, така че се освобождава „допълнителна“ енергия. При ендотермичните реакции експлозия не възниква.

2. Образуване на газ, защото:

· първо, преходът към газообразно състояние по време на химическа реакция на всяко вещество в постоянен обем води до повишаване на налягането;

· второ, газовете имат много висок коефициент на обемно разширение при нагряване. Без наличието на газове ще настъпи само нагряване на веществото.

3. Висока скорост на реакция и способността му да се саморазпространява и самоускорява. Саморазпространението възниква поради термична „вълна“, причинена от топлопроводимост (дефлаграционна експлозия) или ударна вълна от сгъстени газове (детонация).

Топлинната „вълна“ се поддържа от топлината, отделена по време на горенето, а ударната вълна се поддържа от самия сгъстен газ.

Автоматичното ускоряване на реакцията и появата на експлозия възникват в резултат на повишаване на температурата на реагиращите вещества поради топлината на реакцията или увеличаване на активните радикали или увеличаване на налягането в ударната вълна.

Тема 4. ВИДОВЕ ГОРЕНЕ.

Според различни характеристики и характеристики горивните процеси могат да бъдат разделени на следните видове:

Според агрегатното състояние на запалимо вещество:

Изгаряне на газове;

Изгаряне на течности и топене на твърди вещества;

Изгаряне на нетопими твърди прахообразни и компактни вещества.

Според фазовия състав на компонентите:

Хомогенно изгаряне;

Хетерогенно горене;

Изгаряне на експлозиви.

Според готовността на горимата смес:

Дифузно горене (пожар);

Кинетично горене (експлозия).

Според динамиката на фронта на пламъка:

Стационарни;

Нестабилен.

Според естеството на движение на газа:

ламинарен;

Бурен.

Според степента на изгаряне на запалимото вещество:

Непълен.

Според скоростта на разпространение на пламъка:

Нормално;

Дефлаграция;

Детонация.

Нека разгледаме по-отблизо тези видове.

4.1. Горене на газообразни, течни и твърди вещества.

В зависимост от агрегатното състояние на горимото вещество се разграничават изгарянето на газове, течности, прахообразни и компактни твърди вещества.

Съгласно GOST 12.1.044-89:

1. Газовете са вещества, чиято критична температура е по-ниска от 50 o C. Tcr е минималната температура на нагряване на 1 мол вещество в затворен съд, при която то напълно се превръща в пара (виж § 2.3).

2. Течностите са вещества с точка на топене (точка на капене) под 50 o C (вижте § 2.5).

3. Твърдите вещества са вещества с точка на топене (точка на капене) над 50 0 С.

4. Праховете са натрошени твърди вещества с размер на частиците по-малък от 0,85 mm.

Зоната, в която протича химическа реакция в запалима смес, т.е. горенето се нарича фронт на пламъка.

Нека разгледаме процесите на горене в въздушна средас примери.

Изгаряне на газове в газова горелка.Тук се наблюдават 3 зони на пламък (фиг. 12):

ориз. 12. Схема на изгаряне на газ: 1 – прозрачен конус – това е изходният газ, който се нагрява (до температура на самозапалване); 2 – светеща зона на фронта на пламъка; 3 – продукти на горене (те са почти невидими при пълно изгаряне на газове и особено при изгаряне на водород, когато не се образуват сажди).

Ширината на фронта на пламъка в газовите смеси е десетки фракции от милиметър.

Изгаряне на течности в отворен съд.При изгаряне в открит съд има 4 зони (фиг. 13):

ориз. 13. Течно горене: 1 – течност; 2 – течни пари (тъмни зони); 3 – фронт на пламъка; 4 – продукти от горенето (дим).

Ширината на фронта на пламъка в този случай е по-голяма, т.е. реакцията протича по-бавно.

Изгаряне на топящи се твърди вещества.Помислете за изгарянето на свещ. В този случай се наблюдават 6 зони (фиг. 14):

ориз. 14. Горене на свещ: 1 – твърд восък; 2 – разтопен (течен) восък; 3 – тъмен прозрачен паров слой; 4 – фронт на пламъка; 5 – продукти от горенето (дим); 6 – фитил.

Горящият фитил служи за стабилизиране на горенето. Течността се абсорбира в него, издига се през него, изпарява се и изгаря. Ширината на фронта на пламъка се увеличава, което увеличава площта на осветеност, тъй като се използват по-сложни въглеводороди, които при изпаряване се разпадат и след това реагират.

Изгаряне на нетопими твърди вещества.Ще разгледаме този вид горене, като използваме примера за изгаряне на кибрит и цигара (фиг. 15 и 16).

Тук също има 5 секции:

ориз. 15. Горене на кибрит: 1 – пресни дърва; 2 – овъглена дървесина; 3 – газове (газифицирани или изпарени летливи вещества) – това е тъмна прозрачна зона; 4 – фронт на пламъка; 5 – продукти от горенето (дим).

Вижда се, че изгорялата зона на кибрита е много по-тънка и има черен цвят. Това означава, че част от клечката е овъглена, т.е. нелетливата част остава, а летливата част се изпарява и изгаря. Скоростта на горене на въглищата е много по-бавна от тази на газовете, така че няма време да изгори напълно.

Фиг. 16. Изгаряне на цигара: 1 – начална тютюнева смес; 2 – тлеещ участък без фронт на пламъка; 3 – дим, т.е. продукт от изгорели частици; 4 – дим, изтеглен в белите дробове, който е предимно газифицирани продукти; 5 – кондензирана смола върху филтъра.

Безпламъчното термично-окислително разлагане на веществото се нарича тлеене. Възниква при недостатъчна дифузия на кислород в зоната на горене и може да възникне дори при много малко количество кислород (1-2%). Димът е сив, а не черен. Това означава, че в него има повече газифицирани, отколкото изгорени вещества.

Повърхността на пепелта е почти бяла. Това означава, че при достатъчно количество кислород се получава пълно изгаряне. Но вътре и на границата на горящия слой с пресните има черно вещество. Това показва непълно изгаряне на овъглени частици. Между другото, парите от изпарени смолисти вещества се кондензират върху филтъра.

Подобен тип горене се наблюдава при изгаряне на кокс, т.е. въглища, от които са отстранени летливи вещества (газове, смоли), или графит.

По този начин процесът на горене на газове, течности и повечето твърди вещества протича в газообразна форма и е придружен от пламък. Някои твърди вещества, включително тези със склонност към самозапалване, горят като тлеещи на повърхността и вътре в материала.

Изгаряне на прахообразни вещества.Изгарянето на праховия слой става по същия начин, както в компактното състояние, само скоростта на горене се увеличава поради увеличаването на повърхността на контакт с въздуха.

Изгарянето на прахообразни вещества под формата на въздушна суспензия (облак прах) може да се случи под формата на искри, т.е. изгаряне на отделни частици, в случай на ниско съдържание на летливи вещества, които не са в състояние да образуват достатъчно количество газове по време на изпаряване за единичен фронт на пламъка.

Ако се образува достатъчно количествогазифицирани летливи вещества, тогава има пламтящо горене.

Изгаряне на експлозиви.ДО този видТова включва изгарянето на експлозиви и барут, така наречените кондензирани вещества, които вече съдържат химически или механично свързано гориво и окислител. Например: в тринитротолуен (TNT) C 7 H 5 O 6 N 3 × C 7 H 5 × 3NO 2 окислителите са O 2 и NO 2; барутът съдържа сяра, селитра, въглища; Самоделният експлозив се състои от алуминиев прах и амониева селитра, а свързващото вещество е соларно масло.

4.2. Хомогенно и хетерогенно горене.

Въз основа на разгледаните примери, в зависимост от агрегатното състояние на сместа от гориво и окислител, т.е. в зависимост от броя на фазите в сместа има:

1. Хомогенно изгарянегазове и пари от запалими вещества в среда на газообразен окислител. По този начин реакцията на горене протича в система, състояща се от една фаза (агрегатно състояние).

2. Хетерогенно горенетвърди запалими вещества в среда на газообразен окислител. В този случай реакцията протича на границата, докато хомогенна реакция протича в целия обем.

Това е изгарянето на метали, графит, т.е. практически нелетливи материали. Много газови реакции са от хомогенно-хетерогенен характер, когато възможността за протичане на хомогенна реакция се дължи на едновременното възникване на хетерогенна реакция.

В газовата фаза протича изгарянето на всички течни и много твърди вещества, от които се отделят пари или газове (летливи вещества). Твърдите и течните фази играят ролята на резервоари на реагиращи продукти.

Например хетерогенната реакция на самозапалване на въглища преминава в хомогенна фаза на изгаряне на летливи вещества. Коксовият остатък изгаря хетерогенно.

4.3. Дифузия и кинетично горене.

Въз основа на степента на подготовка на горимата смес се разграничават дифузионно и кинетично горене.

Разгледаните видове горене (с изключение на експлозиви) се отнасят до дифузионно горене. Пламък, т.е. Зоната на горене на смес от гориво и въздух трябва постоянно да се захранва с гориво и кислород, за да се осигури стабилност. Доставянето на горим газ зависи само от скоростта на подаването му в зоната на горене. Скоростта на навлизане на запалима течност зависи от интензивността на нейното изпарение, т.е. от налягането на парите над повърхността на течността и, следователно, от температурата на течността. Температура на запалванее най-ниската температура на течност, при която пламъкът над нейната повърхност няма да изгасне.

Изгарянето на твърди частици се различава от изгарянето на газове чрез наличието на етап на разлагане и газификация с последващо запалване на летливи продукти на пиролиза.

Пиролиза- това е отопление органична материякъм високи температурибез достъп на въздух. В този случай се получава разлагане или разделяне на сложни съединения на по-прости (коксуване на въглища, крекинг на нефт, суха дестилация на дървесина). Следователно изгарянето на твърдо горимо вещество в продукт на горене не е концентрирано само в зоната на пламъка, а има многоетапен характер.

Нагряването на твърдата фаза предизвиква разлагане и отделяне на газове, които се запалват и изгарят. Топлината от горелката загрява твърдата фаза, карайки я да се газифицира и процесът се повтаря, като по този начин се поддържа горенето.

Моделът на горене на твърдо вещество предполага наличието на следните фази (фиг. 17):

ориз. 17. Модел на горене

твърда материя.

Загряване на твърдата фаза. За топящи се вещества, топенето се случва в тази зона. Дебелината на зоната зависи от температурата на проводимостта на веществото;

Пиролиза или реакционна зона в твърдата фаза, в която се образуват газообразни запалими вещества;

Предпламък в газовата фаза, при който се образува смес с окислител;

Пламък или реакционна зона в газовата фаза, в която продуктите от пиролизата се превръщат в газообразни продукти на горене;

Продукти от горенето.

Скоростта на подаване на кислород към зоната на горене зависи от неговата дифузия през продукта на горенето.

Като цяло, тъй като скоростта на химичната реакция в зоната на горене при разглежданите типове горене зависи от скоростта на навлизане на реагиращите компоненти и повърхността на пламъка чрез молекулярна или кинетична дифузия, този тип горене се нарича дифузия.

Структурата на пламъка на дифузионното горене се състои от три зони (фиг. 18):

Зона 1 съдържа газове или пари. В тази зона няма горене. Температурата не надвишава 500 0 C. Настъпва разлагане, пиролиза на летливи вещества и нагряване до температурата на самозапалване.

ориз. 18. Структура на пламъка.

В зона 2 се образува смес от пари (газове) с атмосферен кислород и настъпва непълно изгаряне до CO с частично редуциране до въглерод (малко кислород):

C n H m + O 2 → CO + CO 2 + H 2 O;

В 3-та външна зона настъпва пълно изгаряне на продуктите от втората зона и се наблюдава максималната температура на пламъка:

2CO+O2 =2CO2;

Височината на пламъка е пропорционална на коефициента на дифузия и скоростта на газовия поток и обратно пропорционална на плътността на газа.

Всички видове дифузионно горене са присъщи на пожарите.

КинетиченГоренето е изгаряне на предварително смесен запалим газ, пара или прах с окислител. В този случай скоростта на горене зависи само от физикохимичните свойства на горимата смес (топлопроводимост, топлинен капацитет, турбулентност, концентрация на вещества, налягане и др.). Поради това скоростта на горене рязко се увеличава. Този вид горене е присъщо на експлозиите.

В този случай, когато горимата смес се запали във всяка точка, фронтът на пламъка се премества от продуктите на горенето в прясната смес. По този начин пламъкът при кинетично горененай-често нестационарни (фиг. 19).

ориз. 19. Схема на разпространение на пламъка в горима смес: - източник на запалване; - посока на движение на фронта на пламъка.

Въпреки че, ако първо смесите запалимия газ с въздух и го подадете в горелката, тогава при запалване ще се образува неподвижен пламък, при условие че скоростта на потока на сместа е равна на скоростта на разпространение на пламъка.

Ако скоростта на подаване на газ се увеличи, пламъкът се откъсва от горелката и може да изгасне. И ако скоростта се намали, пламъкът ще бъде изтеглен в горелката с възможна експлозия.

Според степента на изгаряне, т.е. пълнотата на реакцията на горене до крайните продукти, възниква изгаряне пълни и непълни.

Така че в зона 2 (фиг. 18) изгарянето е непълно, т.к Няма достатъчно кислород, който се изразходва частично в зона 3 и се образуват междинни продукти. Последните изгарят в зона 3, където има повече кислород, до пълно изгаряне. Наличието на сажди в дима показва непълно изгаряне.

Друг пример: когато има недостиг на кислород, въглеродът изгаря до въглероден окис:

Ако добавите O, реакцията ще завърши:

2СО+O 2 =2СО 2.

Скоростта на горене зависи от естеството на движението на газовете. Следователно се прави разлика между ламинарно и турбулентно горене.

Така пример за ламинарно горене е пламъкът на свещ в неподвижен въздух. При ламинарно изгарянеслоеве газове протичат успоредно, без да се завихрят.

Турбулентно горене– вихрово движение на газовете, при което газовете от горенето се смесват интензивно и фронтът на пламъка е размит. Границата между тези типове е критерият на Рейнолдс, който характеризира връзката между инерционните сили и силите на триене в потока:

където: u- скорост на газовия поток;

п- кинетичен вискозитет;

л– характерен линеен размер.

Числото на Рейнолдс, при което настъпва преходът на ламинарен граничен слой към турбулентен, се нарича критично Re cr, Re cr ~ 2320.

Турбулентността увеличава скоростта на горене поради по-интензивен пренос на топлина от продуктите на горенето към прясната смес.

4.4. Нормално горене.

В зависимост от скоростта на разпространение на пламъка по време на кинетичното горене може да възникне или нормално горене (в рамките на няколко m/s), или експлозивна дефлаграция (десетки m/s), или детонация (хиляди m/s). Тези видове горене могат да се трансформират едно в друго.

Нормално горене– това е горене, при което разпространението на пламъка става при липса на външни смущения (турбуленция или промени в налягането на газа). Зависи само от естеството на запалимото вещество, т.е. топлинен ефект, топлопроводимост и коефициенти на дифузия. Следователно това е физическа константа на смес с определен състав. В този случай скоростта на горене обикновено е 0,3-3,0 m/s. Горенето се нарича нормално, защото векторът на скоростта на неговото разпространение е перпендикулярен на фронта на пламъка.

4.5. Дефлаграционно (експлозивно) горене.

Нормалното горене е нестабилно и има тенденция към самоускоряване в затворено пространство. Причината за това е изкривяването на фронта на пламъка поради триенето на газа по стените на съда и промените в налягането в сместа.

Нека разгледаме процеса на разпространение на пламъка в тръба (фиг. 20).

ориз. 20. Схема на възникване на експлозивно горене.

Отначало в отворения край на тръбата пламъкът се разпространява с нормална скорост, т.к продуктите от горенето се разширяват свободно и излизат. Налягането на сместа не се променя. Продължителността на равномерното разпространение на пламъка зависи от диаметъра на тръбата, вида на горивото и неговата концентрация.

Тъй като фронтът на пламъка се движи вътре в тръбата, продуктите на реакцията, които имат по-голям обем в сравнение с първоначалната смес, нямат време да излязат навън и тяхното налягане се увеличава. Това налягане започва да тласка във всички посоки и следователно, преди фронта на пламъка, първоначалната смес започва да се движи към разпространението на пламъка. Слоевете, съседни на стените, са инхибирани. Най-висока скоростима пламък в центъра на тръбата, по-малък пламък по стените (поради отвеждане на топлина в тях). Следователно фронтът на пламъка се простира в посоката на разпространение на пламъка и повърхността му се увеличава. Пропорционално на това се увеличава количеството на горимата смес за единица време, което води до увеличаване на налягането, а това от своя страна увеличава скоростта на движение на газа и т.н. По този начин се наблюдава лавинообразно увеличаване на скоростта на разпространение на пламъка до стотици метри в секунда.

Процесът на разпространение на пламъка през горима газова смес, при който самоускоряващата се реакция на горене се разпространява поради нагряване чрез топлопроводимост от съседния слой от продукти на реакцията, се нарича дефлаграция. Обикновено скоростите на горене при дефлаграция са дозвукови, т.е. по-малко от 333 m/s.

4.6. Детонационно изгаряне.

Ако разгледаме изгарянето на горима смес слой по слой, тогава в резултат на термично разширение на обема на продуктите от горенето, всеки път, когато се появява вълна на компресия пред фронта на пламъка. Всяка следваща вълна, движейки се през по-плътна среда, настига предишната и се наслагва върху нея. Постепенно тези вълни се комбинират в една ударна вълна (фиг. 21).

ориз. 21. Схема на формиране на детонационна вълна: R o< Р 1 < Р 2 < Р 3 < Р 4 < Р 5 < Р 6 < Р 7 ; 1-7 – нарастание давления в слоях с 1-го по 7-ой.

При ударна вълна, в резултат на адиабатно компресиране, плътността на газа моментално се увеличава и температурата се повишава до T 0 за самозапалване. В резултат на това горимата смес се запалва от ударна вълна и детонация– разпространение на горене чрез възпламеняване от ударна вълна. Детонационната вълна не изгасва, т.к подхранван от ударни вълни от пламъка, движещ се зад него.

Особеността на детонацията е, че тя възниква при свръхзвукова скорост 1000-9000 m/s, определена за всеки състав на сместа, и следователно е физична константа на сместа. Зависи само от калоричното съдържание на горимата смес и топлинния капацитет на продуктите от горенето.

Срещата на ударна вълна с препятствие води до образуване на отразена ударна вълна и още по-голямо налягане.

Детонацията е най-много опасен погледпламъкът се разпространи, защото има максимална мощност на експлозия (N=A/t) и огромна скорост. На практика детонацията може да се „неутрализира” само в преддетонационния участък, т.е. на разстояние от точката на запалване до точката на детонационно горене. За газовете дължината на този участък е от 1 до 10 m.

Изгаряне на газова смес в затворени тръбигенерира ехо, което води до пълно преструктуриране на фронта на пламъка. Детайлите на това явление бяха възпроизведени за първи път в числени симулации.

Пламък, взаимодействащ с мощна звукова вълна, може да произведе интересни пространствени структури (вижте например впечатляващо видео с „огнена визуализация“ на звукови вълни). звукова вълнав този случай не е задължително да е външно: интензивното изгаряне на газова смес от гориво и окислител в затворен обем, например в тръби, генерира ехо, което може да изкриви фронта на пламъка и да промени режима на реакцията на горене.

Изкривяването на пламъка по време на горене в тръби е известно от повече от век, но едва с класическите експерименти на Джефри Сиърби от 1992 г. този процес е систематично изследван. По-специално, Сирби наблюдава турбулизирането на пламъка под въздействието на собственото му ехо. Това явление само по себе си не изглежда изненадващо, но все още не е предложено теоретично описание на този процес. Въпросите, които изискваха отговори, бяха: „Как точно се случва преходът към турбулентност?“, „Кои вибрации на пламъка се люлеят първи?“ и т.н. Всичко това от своя страна оковава ръцете на изследователите, тези, които търсят възможностипрактическо приложение на този ефект в технологиите (най-общо казано, турбулентността на пламъка е от голямо значение за ракетната индустрия).

Скорошна статия на руско-шведския изследователски екип A. Petchenko et al., Physical Review Letters, 97, 164501 (19 октомври 2006 г.), направи първата стъпка към изграждането на такава теория. Авторите на тази работа извършиха детайлна числена симулация на процеса на изгаряне на газова смес в дълга и много тясна тръба, затворена в единия край (сместа беше запалена от отворения край и пламъкът се разпространи дълбоко в тръбата) . За опростяване на изчисленията беше решен двуизмерен, а не триизмерен проблем, газовата смес се считаше за идеален газ и процесът на горене беше моделиран чрез хипотетична едноетапна и необратима химическа реакция с дадено отделяне на топлина и активиране енергия. Но цялата газова и термодинамика - компресия и разширение, газови потоци, пренос на топлина, структура на фронта на пламъка - бяха напълно взети предвид.

Резултатите от симулацията ясно доказаха, че при наближаване на затворения край, фронтът на пламъка започва да "трепери". Това трептене генерира звуково ехо със същата честота, което още повече „разклаща” пламъка. В непосредствена близост до края на тръбата трептенията на пламъка станаха толкова силни, че фронтът на пламъка буквално се сгъна в акордеон. По време на всеки период от тези колебания фронтът на пламъка рязко се дестабилизира, освобождавайки тесен и много дълъг поток от студен газ в зоната, заета от горещи продукти на горенето. След това струята бързо изгоря, фронтът на пламъка се превърна във вихрушка и след това отново се изравни. Скоростта на токовете, генерирани от тези трептения, е десетки пътинадвишава „нормалната“ скорост на разпространение на пламъка в открито пространство.

Силните трептения и генерираните от тях вихри обикновено са първият етап от прехода към турбулентност. Авторите на статията обаче не бързат да обявят откриването на механизма на турбулизация на пламъка. Факт е, че наличната днес изчислителна мощност прави възможно извършването на такова детайлно моделиране само в изключително тесни тръби, най-вероятно дори в капиляри. Как ще се промени този процес в широките тръби, за които са получени експериментални данни и в които влиянието на стените върху потоците е значително по-слабо, предстои да се проучи. Също така ще бъде интересно да се провери дали изкривяванията на пламъка, открити в симулацията, са същият "пламък на лале", който беше наблюдаван преди много време, но все още остава необяснен (вижте C. Clanet и G. Searby. Относно "пламъка на лале" Феномен (PDF, 1 ,3 MB) // Горене и пламък, 1996. Т. 105. С. 225-238).