- •Теоретия горения и взрыва анахов сергей вадимович
- •1. Введение.
- •Тема 2. Физические основы горения.
- •2.1. Свойства газов.
- •2.2. Свойства газовых смесей.
- •3. Парциальные давление и объем.
- •2.3. Свойства жидкостей.
- •2.4. Свойства сжиженных газов.
- •2.5. Свойства твердых веществ.
- •Тема 3. Химические основы горения.
- •3.1. Химизм реакций горения.
- •3.2.Теплосодержание веществ.
- •3.3. Тепловой эффект реакции.
- •3.4. Кинетические основы газовых реакций.
- •3.5. Энергия активации реакции.
- •3.6. Катализ.
- •3.7. Адсорбция.
- •Тема 4. Виды горения.
- •4.1. Горение газообразных, жидких и твердых веществ.
- •4.2. Гомогенное и гетерогенное горение.
- •4.3. Диффузионное и кинетическое горение.
- •4.4. Нормальное горение.
- •4.5. Дефлаграционное (взрывное) горение.
- •4.6. Детонационное горение.
- •Тема 5. Показатели пожаровзрывоопасности веществ.
- •5.1. Общие показатели для горючих веществ и видов горения.
- •5.2. Показатели взрывопожароопасности газо-, паро- и пылевоздушных смесей.
- •5.3. Показатели пожароопасности твердых компактных и пыле- видных веществ.
- •Тема 6. Возникновение горения.
- •6.1. Тепловое самовоспламенение (тепловой взрыв).
- •6.2. Самовозгорание.
- •6.3. Цепное самовоспламенение (цепной взрыв).
- •6.4. Зажигание.
- •Тема 7. Распространение пламени.
- •7.1. Тепловая теория горения.
- •7.2. Горение в замкнутом объеме.
- •7.3. Движение газов при горении.
- •7.5. Условия возникновения взрыва.
- •Тема 8. Ударные волны и детонация.
- •8.1. Ударные волны в инертном газе.
- •8.2. Воспламенение при быстром сжатии.
- •8.3. Возникновение детонации.
- •8.4. Стационарный режим распространения детонации.
- •8.5. Определение скорости детонации.
- •8.6. Вырождение детонации.
- •Тема 9. Погасание пламени (прекращение горения).
- •9.1. Концентрационные пределы распространения пламени.
- •9.2.Общие закономерности для пределов распространения пламени.
- •9.3. Затухание пламени в узких каналах.
- •9.5. Закономерности для точки флегматизации.
- •9.6. Механизм флегматизации взрывоопасных смесей.
- •Особенности физического взрыва
- •Энергетический потенциал
- •За что держится пламя?
Тема 9. Погасание пламени (прекращение горения).
Радикальным способом прекращения горения является разделение горючего и окислителя. Однако это возможно только при диффузионном горении. В остальном для обоих видов горения погасание пламени может происходить при следующих условиях:
1. Снижение концентраций компонентов горючей смеси.
2. Охлаждение зоны горения.
3. Ингибирование горючей смеси.
Первые два способа взаимозависимы, так как охладить зону горения можно:
- либо снижением концентраций компонентов смеси и, тем самым, тепловыделения реакции;
- либо повышением теплоотвода в стенки реакционного сосуда.
9.1. Концентрационные пределы распространения пламени.
Из теории горения следует, что по мере понижения содержания недостающего компонента горючей смеси, а с ним и температуры горения, уменьшается нормальная скорость пламени. Изложенная в теме 7 теория не накладывает каких-либо ограничений на возможность уменьшения скорости пламени при обеднении горючей смеси. Нормальная скорость пламени ин может, казалось бы, уменьшаться до нуля, а температура горения – до температуры исходных газов.
В теме 7 мы рассматривали процесс сгорания как адиабатический. Но в реальных условиях существуют тепловые потери, которые нарушают адиабатичность сгорания.
Скорость неадиабатического пламени уменьшается при охлаждении зоны горения. Однако эта зона отдает непосредственно в окружающее пространство небольшое количество тепла. Более интенсивны тепловые потери, связанные с охлаждением слоев газа, прилегающих к пламени (рис. 35). При этом температура остывающих продуктов сгорания оказывается меньше температуры зоны реакции и возникает температурный градиент, направленный в сторону сгоревшего газа. В результате зона реакции охлаждается путем теплопроводности. В тепловых потерях участвует также и нагретая, но несгоревшая смесь, передающая в конечном счете тепло зоны реакции в окружающее пространство.
Рис. 35. Изменение распределения температуры во фронте пламени под влиянием тепловых потерь: 1 – адиабатическое горение; 2, 3 – горение с тепловым потерями (q2<q3).
Относительная роль теплопотерь за счет теплопроводности к стенкам сосуда и излучения возрастает с уменьшением скорости горения, так как при этом продолжительность процесса теплоотдачи от нагретого газа больше. При определенном критическом значении тепловых потерь зона реакции прогрессивно охлаждается, реакция тормозится, и пламя затухает. Этот режим соответствует пределу распространения пламени.
При изучении механизма теплового самовоспламенения (рис. 22) было показано, что превышение теплоприхода над теплоотводом, приводящее к саморазогреву и воспламенению горючей смеси, начинается при температуре стенок сосуда То=Ткр. При этом мы рассматривали определенный состав смеси, то есть соотношение горючего и окислителя, изменяя температуру стенок реакционного сосуда.
Теперь рассмотрим случай, когда температура стенок То=const, а изменяется концентрация компонентов смеси.
Скорость выделения тепла, как и скорость пламени изменяется по уравнению (6.2):
,
в котором существенную роль играет тепловой эффект реакции (Q) и концентрация веществ (с).
Схема соотношения между теплоотводом q2 и теплоприходом q1 при трех разных составах q1max, q1кр и q1и показана на рис. 36.
Рис. 36. Соотношение между теплоприходом и теплоотводом в горючих смесях при q1max > q1кр > q1и.
Величина тепловыделения, скорость пламени и температура горения достигают максимального значения для стехиометрических смесей (q1max).
При удалении состава смеси от стехиометрического возрастают потери тепла из зоны пламени на нагрев избытка компонента. Это приводит к снижению теплового эффекта реакции, прогрессивному охлаждению зоны горения и уменьшению скорости распространения пламени до Uпр (кривая q1кр). При снижении количества горючего (бедные смеси) или окислителя (богатые смеси) больше критического пламя гаснет либо, с другой стороны, невозможно поджечь такую смесь внешним импульсом тепла (q1).
Таким образом, скорость пламени не может быть меньше определенного критического значения. Распространение пламени в смесях горючего и окислителя возможно лишь в определенном интервале концентраций. При поджигании смесей, состав которых выходит за эти пределы, стационарное пламя не образуется, и реакция, вызванная поджигающим импульсом, затухает на некотором расстоянии от места ее инициирования. При выходе составов за эти пределы стационарное пламя затухает.
Для смесей горючего и окислителя принято различать верхнюю πmax и нижнюю πmin предельные концентрации горючего, которыми ограничена область взрывоопасных составов. Эти пределы являются важнейшей характеристикой взрывоопасное горючих газов и паров. Они зависят в основном от содержания инертных компонентов в смеси и в меньшей степени – от давления и температуры. С повышением начальной температуры смеси πmin снижается, а πmax повышается, поскольку в смесь вносится внешнее физическое тепло.
Изменение начального давления смеси влияет на пределы по-разному. Так, для смеси водорода с воздухом они почти не изменяются, в то время как для окиси углерода резко сужаются и при 20 атм смеси становятся невзрывоопасными.
Значения πmin и πmax определяют границы составов смесей, содержащих горючее и окислитель, образование которых не связано с опасностью взрыва. Исходя из этих величин, определяют возможности выбора безопасных составов в технологических процессах.
Значения концентрационных пределов несколько зависят от формы и направления распространения пламени в сосуде, в котором изучается горение. При поджигании у верхнего конца вертикальной трубы распространение пламени возможно в более узком интервале концентраций, чем при поджигании у нижнего конца. Эта особенность обусловлена возникновением конвективных потоков, поднимающих вверх нагретые продукты сгорания и тем самым облегчающих распространение пламени вверх у предельных составов.
Ниже приведены значения концентрационных пределов распространения пламени вверх для воздушных и кислородных смесей различных горючих при атмосферном давлении и комнатной температуре.
Таблица 9.1. Концентрационные пределы распространения пламени.
Горючее вещество |
Воздушные смеси |
Кислородные смеси |
|||
Название |
Формула |
πmin |
πmax |
πmin |
πmax |
Водород |
Н2 |
4.0 |
7.5 |
4.0 |
94 |
Окись углерода |
СО |
12.5 |
74 |
15.5 |
94 |
Метан |
СН4 |
5.3 |
14 |
5.1 |
61 |
Пропан |
С3Н8 |
2.2 |
9.5 |
2.3 |
55 |
Бутан |
С4Н10 |
1.9 |
8.5 |
1.8 |
49 |