3.2. Теория горения газопаровоздушных смесей

Теорией горения газов в 1889 г. начал заниматься профессор В. А. Михельсон. Он определил, что горение не может существовать, не распространяясь.

Основные положения теории горения и детонации газов сформулировал Я. Б. Зельдович в 1942 г. при участии Н. Н. Семенова, Д. А. Франк-Каменецкого, К. И. Щелкина, Б. Вильсона.

В настоящее время исследования в данной области продолжают: во ВНИИПО МЧС – В. И. Макеев, С. И. Таубкин, Ю. Н. Шебеко, А. Я. Корольченко; в МГСУ – проф. В. В. Казеннов и Т. Хирано в Токийском университете.

Горючие смеси могут быть простыми и сложными. Простые смеси содержат в своем составе один горючий компонент, сложные – два и более горючих компонента.

Наиболее простой, поддающийся теоретическому анализу вид горения – кинетическое горение предварительно перемешанных смесей горючего и окислителя.

На пожаре этот вид горения встречается сравнительно редко. Его можно наблюдать, главным образом, на стадии воспламене­ния при самовоспламенении или зажигании. Иногда он имеет место при пожарах технологического оборудования, и по внешне­му проявлению этот режим горения обычно воспринимается как взрыв или вспышка.

При внесении источника зажигания в горючую смесь (Ок + ГВ) начинается реакция окисления горючего с окислителем в зоне действия источника зажигания. Если скорость реакции окисления в каком-то элементарном объеме этой зоны достигает максимума, то возникает горение. Горение на границе элементарного объема со средой называется фронтом пламени. Фронт пламени имеет вид сферы (см. рис. 3.1) и представляет собой узкую светящуюся трехмерную область, в которой начинается и завершается химическая реакция взаимодействия горючего с окислителем. В этой зоне в виде теплоты сгорания выделяется вся потенциальная (химическая) энергия топлива и температура повышается до максимального значения – температуры горения. Температура фронта пламени за счет тепла реак­ции горения составляет 1000-3000 ⁰С и зависит от со­става ГС.

Рис. 3.1. Схема распространения пламени по предводительно перемешанной гомогенной смеси: 1 – исходная горючая смесь; 2 – фронт пламени; 3 – продукты горения; _ф.п. – толщина фронта пламени

В зоне перед фронтом пламени концентрация исходных компонентов почти не меняется, поскольку химическое взаимодействие между ними не протекает и температура ГС равна начальной. Непосредственно перед фронтом пламени (зоной химической реакции) концентрация реагентов понижается из-за разбавления ее продуктами реакции. Во фронте пламени в результате химической реакции горения концентрация исходных компонентов резко снижается до нуля, а температура достигает максимального значения. Вследствие молекулярной теплопроводности температура перед зоной химической реакции монотонно повышается от начальной температуры горючей смеси до температуры, близкой к температуре горения, образуя зону физического прогрева.

Для большинства углеводородных смесей фронт пламени представляет собой яркую зону свечения, которую можно наблюдать визуально или зарегистрировать с помощью фотосъемки. Свечение фронта пламени имеет химическую природу, является результатом превращения вещества и определяется радикалами С₂, СН и НСО. При этом толщина зоны свечения соответствует толщине зоны реакции.

Тол­щина фронта пламени, по вычислениям Я. Б. Зельдови­ча, равна _ф.п. = 1-100 мкм, поэтому фронт пламени условно считают поверхностью. Хотя толщина зоны горения и невелика, однако вполне достаточна для протекания реакции го­рения.

Необходимо отметить, что в пламени существуют электрические заряды – ионы и электроны, концентрация которых составляет 10¹⁷ ионов на 1 м³. Это подтверждается тем, что пламя под действием электрического напряжения искажается, отклоняясь к отрицательному электроду. В настоящее время можно считать доказанным, что в пламени имеет место как термическая ионизация газа, так и ионизация за счет элементарных химических актов (хемиионизация).

Рассмотрим возможные варианты горения и условия, при которых они возможны.

Дефлаграционное горение. Состав ГС может быть раз­личным. В общем случае содержание горючего компонента может изменяться от нуля до ста процентов. Однако опыт показывает, что не все смеси горючего и окислителя способны распространять пламя. Распространение возможно лишь в определенном интервале концентраций. Данное количество является показателем ПВО и называется концентрационным пределом распространения пламени (КПРП). При зажигании смесей, состав которых выходит за эти пределы, реакция горения, ини­циированная зажигающим импульсом, затухает на небольшом расстоянии от места зажигания.

Для смесей горючего и окислителя, находящихся в газообразном состоянии, существуют минимальная и максимальная концентрации горю­чего, которые ограничивают область горючих смесей. Эти концентрации называются соответственно нижним и верхним концентрационным пределом распространения пламени (НКПРП и ВКПРП). Вне пределов распространение пламе­ни по данной смеси невозможно. Различные ГПВС имеют свои концентрационные пределы распространения пламени. Например, для метана СН₄ КПРП возможен между 5-15 %; для водорода Н₂ между 2-84 %. Причины, обусловливающие наличие КПРП более подробно будут рассмотрены далее.

Распространение пламени протекает с определенной скоростью. Различают следующие скорости распространения пламени (U_пл, м/с):

• нормальная («фундаментальная»)  скорость перемещения фронта пламени относительно свежей смеси в направлении, перпендикулярном (по нормали) к поверхности пламени (см. рис. 3.2).

, (3.1)

где U_н – нормальная скорость распространения пламени, м/с;

n – расстояние, м, пройденное фронтом пламени по нормали к поверхности фронта за время , с.

Рис. 3.2. Схема распространения пламени по гомогенной горючей смеси.

В случае стационарного пламени, когда его фронт неподвижен

, (3.2)

где V_см – расход свежей смеси, м³/с;

F – поверхность фронта пламени.

Величина нормальной скорости распространения пламени является показателем ПВО для газов:

• видимая (наблюдаемая) – скорость пламени относительно стенок трубы или поверхности (см. рис. 3.2).

, (3.3)

где U_В – видимая скорость перемещения пламени, м/с;

ℓ – расстояние, м, пройденное фронтом пламени за время , с.

Если горючую смесь направить навстречу пламени снизу вверх со скоростью _см ≈ U_В, то можно получить неподвижный стационарный фронт пламени, т. е. в этом случае скорость распространения пламени, согласно определению, будет равна скорости истечения свежей смеси:

, (3.4)

где _см – скорость истечения горючей газовой смеси, м/с;

V_см – расход свежей смеси, м³/с;

S – площадь поперечного сечения трубы, м².

Нормальная скорость во столько раз меньше видимой, во сколько поверхность фронта пламени больше площади поперечного сечения трубы. Если угол между векторами видимой и нор­мальной скорости обозначить через  (рис. 3.2), тогда:

U_н = U_Вcos. (3.5)

Соотношение (3.5), предложенное Михельсоном, называется законом косинуса.

• массовая скорость выгорания – количество вещества, сгораемого в единицу времени с единицы поверхности горючей жидкости. Например, для нефти U_М = 0,04 кг/м²с.

U_М = U_н ₀, (3.6)

где U_М – массовая скорость, кг/(м²с);

₀ – плотность исходной горючей смеси, кг/м³.

Формула (3.6) устанавливает взаимосвязь массовой и нор­мальной скоростей горения.

Факторы (условия), влияющие на U_пл:

1. природа горючего, теплопроводность и теплоемкость газа. Например, малореакционные метан и бензин имеют скорость распространения пламени до 40 м/с, среднереакционные этан и пропан – до 80 м/с, высокореакционный водород и ацетилен – до 160 м/с;

2. состав смеси: при стехиометрической концентрации скорость распространения пламени максимальная, при НКПРП и ВКПРП  минимальная, флегматизаторы и ингибиторы тормозят химическую реакцию и соответственно уменьшают скорость;

3. конфигурация пространства: разгон пламени происходит при соотношениях длины трубы к диаметру L/D  1, расширение продуктов горения приводит к движению нагретого газа перед фронтом, генерируется турбулентность, что увеличивает скорость пламени, иногда приводит к детонации. Наличие препятствия сокращает критическую длину: чем больше размеры препятствия, тем легче переход в детонацию. С увеличением диаметра труб скорость распростране­ния пламени растет неравномерно. При увеличении диа­метра труб до 0,1-0,15 м скорость растет довольно бы­стро; при дальнейшем увеличении диаметра труб она продолжает увеличиваться, но в меньшей степени. Уве­личение температуры происходит до тех пор, пока диа­метр не достигнет некоторого предельного диаметра, выше которого увеличение скорости не происходит. При уменьшении диаметра трубы скорость распространения пламени уменьшается, и при некотором малом диаметре пламя в трубе не распространяется. Это явление можно объяснить увеличением тепловых потерь через стенки трубы.

Видимая скорость распространения пламени не постоянна, она возрастает и может перейти в детонацию (см. рис. 3.3).

Переход дефлаграционного горения в детонацию в газовоздушных смесях возможен в следующих случаях:

• при обогащении горючей смеси кислородом;

• при очень больших размерах газовых облаков;

• при наличии турбулизаторов горения.

Рис. 3.3. Схема распространения пламени по трубе Коварда-Джонса: слева наблюдается затухание пламени, а слева направо увеличивается площадь пламени, следовательно растет интенсивность горения

Согласно теории гидродинамической неустойчивости и автотурбулизации фронта нормального горения в горючих облаках достаточно больших размеров неизбежен переход от дефлаграционного горения к детонации. Экстраполяционные оценки приводят к следующим критическим размерам облаков, при которых вероятность возникновения детонации высока: для водородовоздушных смесей – 70 м, для пропановоздушных – 3500 м, для метановоздушных – 5 тыс. м.

Турбулизация процесса горения газовых смесей с помощью различных препятствий по пути распространяющегося пламени приводит к существенному сокращению критических размеров газовых облаков, и возникающая в этом случае детонационная волна становится источником возбуждения детонации в неограниченном пространстве.

Детонация. Детонацией называется процесс превращения горючей смеси или взрывчатого вещества (ВВ), сопровождающийся выделением теплоты и распространяющийся с постоянной скоростью, превышающей скорость распространения звука в данной смеси или веществе. Детонация ВВ будет рассмотрена далее.

В отличие от дефлаграционного горения, где распространение пламени обусловлено относительно медленными процессами диффузии и теплопроводности, детонация представляет собой комплекс мощной ударной волны и следующей за ее фронтом зоны химического превращения. Благодаря резкому повышению температуры и давления за фронтом ударной волны химическое превращение исходных веществ в продукты горения протекает чрезвычайно быстро в очень тонком слое, непосредственно прилегающем к фронту ударной волны.

Ударная волна сжимает и нагревает горючую смесь, вызывая химическую реакцию, продукты которой сильно расширяются – происходит взрыв. Энергия, выделяющаяся в результате химического превращения, поддерживает существование ударной волны, не давая ей затухать. Скорость перемещения детонационной волны постоянна для каждой горючей смеси и достигает 1000-3000 м/с в газовых смесях. Например, скорость детонации водородо-кислородной смеси составляет 2820 м/с, метано-кислородной – 2320 м/с. Давление во фронте ударной волны при детонации газовых смесей достигает 1-5 МПа (10-50 атм).

Таким образом, высокая скорость кинетического горения образует избыточное давление Р и ударную волну, т. е. часто протекает в виде взрыва. Взрыву предшествует ряд физико-химических процессов: окисление, самовоспламенение, затем только горение паров, которое сопровождается избыточным давлением и ударной волной.

Распространение пламени при кинетическом горении осуществляется следующими механизмами:

• диффузионным, при котором перемещение фронта пламени происходит за счет диффузии активных центров – радикалов, атомов водорода Н из зоны химических реакций в свежую смесь;

• тепловым, который возможен за счет потока тепла, способного нагревать смесь до температуры самовоспламенения. Тепло передается преимущественно излучением, и незначительно – конвекцией и теплопроводностью газовых и паровоздушных смесей.

На практике действует диффузионно-тепловой механизм.

При распространении горения по углеводородам активные центры (R, атомы Н) из зоны пламени диффундируют в предпламенную зону, где горючее окисляется до СО и Н₂О с небольшими добавками СО₂ и Н₂. Когда температура фронта пламени (границы предпламенной и пламенной зоны) достигает значения температуры самовоспламенения, скорость тепловыделения резко превышает скорость теплопотерь и происходит «цепочно-тепловой взрыв», дающий поток активных центров в свежую смесь.

Различают несколько видов пламени:

1. Стационарное, или неподвижное (рис. 3.4):

• ламинарное диффузионное горение  это спокойное горение, когда отчетливо видно очертание слоев пламени.

_н

_смк

_в

воздух

газ

Рис. 3.4. Структура стационарного диффузионного пламени (высота пламени зависит от скорости подачи газа)

• турбулентное диффузионное пламя возникает при: увеличении скорости подачи газа, наличии помех (см. рис. 3.5).

приподнятое пламя

h_пл

Скорость подачи газа м³/с

Рис. 3.5. Структура турбулентного диффузионного пламени

2. нестационарное или подвижное – фронт пламени перемещается относительно поверхности или стенок. Подобный вид пламени может быть только турбулентным: диффузионным или кинетическим.