9.2.Общие закономерности для пределов распространения пламени.

Тепловая теория пределов распространения пламени Я.Б. Зельдовича устанавливает основные количественные критические условия для пределов распространения пламени. Так, зависимость скорости пламени от адиабатической температуры горения (Т_ад) приближенно описывается уравнением

(9.1)

При неадиабатическом сгорании, то есть наличии потерь, температура про-дуктов реакции и величины скорости пламени меньше теоретических и при критических условиях

(9.2)

Поделив уравнение (9.2) на (9.1), находим:

Допуская, что Т_кр·Т_ад ≈Т_ад² , получаем

При критических условиях и_н= и_кр, тогда

, а

. (9.3)

Таким образом, охлаждение зоны реакции больше чем на характеристический интервал температуры приводит к прекращению горения.

После решения уравнений теплового баланса и их преобразований критическое значение нормальной скорости пламени

. (9.4)

Тепловые потери не могут понизить нормальную скорость пламени более чем в е раз. При более интенсивной теплоотдаче стационарное горение прекращается.

Таким образом, по мере удаления состава смеси от стехиометрического или увеличения содержания инертного компонента температура горения, а с нею и нормальная скорость пламени настолько понижаются, что потери излучением приводят к заметной неадиабатичности горения. При дальнейшем понижении концентрации недостающего компонента достигается критическое значение и_н, и горение становится невозможным. Так, потери излучением, не зависящие от аппаратурных условий, становятся важнейшим фактором, определяющим границы стационарного горения в бесконечном пространстве. Их значение устанавливают концентрационные пределы распространения пламени.

9.3. Затухание пламени в узких каналах.

Если в затухании пламени главную роль играет теплоотвод излучением, который определяет пределы распространения пламени, то для быстрогорящих газовых смесей радиационные потери малы и зона пламени может охлаждаться только путем теплопроводности. Теплоотвод возрастает при уменьшении диаметра канала, по которому распространяется пламя.

Интенсивность теплоотвода q₂ можно определить по закону теплопередачи Ньютона (6.3). Для единицы объема охлаждаемого газа

, (9.5)

где S/V – отношение поверхности теплоотдачи к величине объема охлаждаемого газа.

Закономерности теплоотдачи остаются такими же, как и в случае теплового взрыва (§ 6.1), несмотря на различие этих процессов, и условие (9.3) остается в силе.

Рассмотрим принцип распространения пламени в трубе с переходом в узкие каналы (рис. 37).

Рис. 37.

При переходе горения в узкие каналы поверхность теплоотдачи S резко возрастает и соответственно теплопотери к стенкам каналов за счет резкого усиления теплопроводности. В достаточно узких каналах возможны теплопотери, приводящие к гашению даже наиболее быстрогорящих взрывчатых смесей.

Рассмотрим соотношение между теплоприходом (q₁) и теплоотводом (q₂) при горении определенного состава смеси с переходом пламени в узкие каналы (рис. 38), причем d₁ > d_кр > d₃.

Рис. 38. Соотношение между теплоприходом и теплоотводом: q₂^' < q₂^кр < q₂^" – теплопотери канала соответственно при d₁ > d_кр > d₂.

При уменьшении диаметра канала возрастает скорость теплопотерь, а следовательно наклон прямых q₂. И при диаметре канала d_кр наступают кри-тические условия гашения пламени.

Возможность горения в узких каналах зависит от трех факторов:

- химического состава горючей среды, определяющего величину нормальной скорости пламени U_н;

- давления смеси Р;

- диаметра пламегасящих каналов d_кр.

Установлено, что в условиях горения газовых смесей на пределе распространения пламени известный в теории теплопередачи безразмерный критерий Пекле (Ре)

, (9.6)

где - коэффициент температуропроводности, зависящий только от давления х ~ 1/Р.

Эмпирически связь между d_кр и давлением смеси Р выражается уравнением

, (9.7)

где а – показатель степени для различных составов смесей равен 0,83-1,0.

Условие постоянства Ре на пределе гашения является основным универсальным законом, определяющим возможности использования огнепреградителей.

Важная особенность гашения пламени в узких каналах заключается в том, что хотя этот процесс обусловлен теплопередачей от газа к твердым стенкам, пределы гашения не зависят от свойств материала стенок пламегасящих каналов, в том числе и теплопроводности. Возможность гашения определяется условиями охлаждения слоя газа, толщина которого соизмерима с шириной фронта пламени.

Такая особенность обусловлена большой разностью плотностей сгорающего газа и материала пламегасителя. В результате газ, сгорающий в ог-непреградителе, охлаждается, практически не нагревая при этом стенки канала. Основная часть процесса теплоотдачи реализуется в газовой, а не в твердой фазе, хотя тепло отводится в твердую стенку. Лишь длительное истечение сгоревшего газа через канал может привести к значительному нагреву его стенок.

Следует отметить, что в выражения для критических условий гашения не входит длина пламегасящих каналов. Реально эта зависимость, а также влияние формы пламегасящих каналов существуют.

Эта особенность горения в узких каналах используется в огнепрегради-телях с узкими каналами, отделяющими аппарат, в котором возможно ини-циирование очагов горения, от защищаемого огнепреградителем окружающего пространства, заполненного взрывчатой средой.

9.4. Пределы распространения пламени в системе горючий газ +

окислитель + флегматизатор.

Поскольку температура горения является главным фактором, определяющим скорость пламени – для данного состава горючей смеси, величина и_н зависит в первую очередь от соотношения концентраций горючего и окислителя и общего содержания инертных компонентов. Если при фиксированном соотношении содержаний горючего и окислителя к их смеси добавлять инертные компоненты, температура горения понижается, так как энергия химического превращения затрачивается на нагревание дополнительных компонентов смеси продуктов сгорания.

Добавки различных веществ могут флегматизировать горючую систему, т.е. уменьшать скорость горения вплоть до превращения такой системы в негорючую. По характеру воздействия на реакцию в пламени флегматизаторы можно в принципе разделить на два основных класса.

К первому классу тепловых флегматизаторов, относятся компоненты, не принимающие прямого участия во взаимодействии горючего с окислителем, но понижающие температуру горения. Избыточный компонент смеси также можно рассматривать как тепловой флегматизатор. Ко второму классу, химически активных флегматизаторов, относятся ингибиторы – отрицательные катализаторы, способные тормозить реакцию при неизменной температуре горения вследствие их специфического, чисто химического воздействия на реакцию.

Инертные компоненты влияют и на концентрационные пределы распространения пламени. Типичная зависимость предельной концентрации горючего от содержания инертного компонента, т. е. схема пределов области воспламеняемости в тройной смеси горючее + окислитель + инертный компонент показана на рис. 39.

При увеличении содержания инертного компонента I уменьшается диапазон горючих составов между верхним и нижним концентрационными пределами. При определенном содержании инертного компонента I_кр обе ветви кривой критических составов π_min (I) и π_max (I) смыкаются в точке, называемой мысом области воспламеняемости, или точке флегматизации.

Рис. 39. Схема области воспламеняемости в смеси горючий газ + окислитель + флегматизатор: 1 – верхний концентрационный предел; 2 – нижний концентрационный предел; 3 – мыс области взрываемости; I – область богатых негорючих смесей; II – область бедных негорючих смесей; III – область горючих смесей.

Если концентрация инертного компонента больше I_кр, поджигание невозможно при любом соотношении содержаний горючего и окислителя. Область составов, отвечающих горючим смесям, ограничена критической кривой и осью ординат. Опыт показывает, что для смесей, в которых окислителем является кислород, а инертным компонентом азот, только π_mах заметно зависит от I, ветвь π_min (I) идет почти параллельно оси абсцисс.

Пределы в системе горючее + окислитель + инертный компонент часто представляют в треугольной диаграмме. По каждой из трех осей равностороннего треугольника откладывается содержание одного из компонентов. Любой точке, расположенной внутри треугольника, отвечает состав, определяемый величинами отрезков, отсекаемых по каждой из осей линиями, параллельными сторонам треугольника, проходящими через данную точку. Область горючих составов ограничена критической кривой; ее крайние точки опираются на ось, вдоль которой откладываются составы бинарных (двойных) смесей горючее окислитель (I = 0).

На рис. 40 для иллюстрации приведена диаграмма пределов распространения пламени в системе СН₄ + О₂ + N₂ при нормальных условиях. Точки А и В характеризуют составы предельных бинарных смесей: 5,1 и 61% горючего. Точки С и D соответствуют воздушным смесям, содержащим 74,7 и 67,8% N₂, у которых содержание СН₄ равно соответственно 5,3 и 14,2%. Точка М описывает состав у «мыса» области взрываемости: 81,9% N₂, 6,0% СН₄ и 12,1% О₂. Треугольные диаграммы используют также для описания критических составов смесей, свободных от инертных компонентов, но содержащих по два горючих или окислителя.

Рис. 40. Диаграмма пределов распространения пламени в системе СН₄ + О₂ + N₂.

Добавки инертных компонентов, уменьшая температуру горения, флегматизируют смесь, затрудняют горение. Поэтому с ростом содержания инертного компонента пределы сужаются. Пределы в известной степени зависят от природы инертных компонентов ввиду различия их теплосодержаний при температуре горения. Эта величина уменьшается в ряду: ∆Нсо₂ > ∆Нн₂о > ∆Hn₂.

При определении пределов для систем, содержащих различные инертные флегматизаторы, можно учесть сравнительно небольшую разность пределов, величина которой зависит от природы инертного компонента. Этот эффект иллюстрирует рис. 41, на котором приведены пределы распространения пламени для смесей СН₄ + воздух + (Аг, Не, N₂, H₂O, СО₂) при нормальных условиях. Если смесь содержит несколько инертных компонентов, их специфику бывает трудно учесть. В таком случае все инертные компоненты приравниваются к азоту, чем создается некоторый «запас надежности».

Рис. 41. Зависимость пределов распространения пламени от природы инертного компонента в системе СН₄ + воздух + (Аг, Не, N₂ , Н₂О, СО₂: 1 – СО₂; 2 – Н₂О; 3 – N₂ (добавочный); 4 – Не; 5 – Ar.