Вопрос 4. Механизм горения жидкостей.

Температура воспламенения – это такая температура, при которой выделяются пары с такой скоростью, что после их зажигания возникает устойчивое горение.

У легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ) температура воспламенения выше температуры вспышки на 1-5 ⁰С.

Чем ниже температура вспышки, тем меньше интервал между температурой вспышки и температурой воспламенения.

У горючих жидкостей (ГЖ) интервал между температурой вспышки и температурой воспламенения составляет 25-35 ⁰С.

Итак, жидкость получила определенное количество тепла, необходимого для испарения такого количества паров, чтобы при наличии источника зажигания произошло воспламенение по всему объему.

Процесс горения жидкостей начинается с воспламенения паровоздушной смеси.

О свойствах пламени к самопроизвольному распространению при горении газовых смесей мы уже говорили.

Каков же механизм распространения пламени при горении жидкостей?

Рассмотрим распространение пламени по поверхности жидкости.

Распространение пламени по поверхности жидкости.

При локальном воздействии источника зажигания на горючую жид­кость, жидкость будет прогреваться.

Будет возрастать скорость испаре­ния и при достижении над поверхностью жидкости температуры воспламене­ния произойдет зажигание паровоздушной смеси и установится устойчивое пламя, которое с определенной скоростью будет распространяться над по­верхностью жидкости.

Каким же образом происходит распространения пламени по поверхности жид­кости?

Распространение пламени происходит вследствие теплопередачи излу­чением, конвекцией и теплопроводностью от зоны пламени к поверхности зеркала жидкости.

Тепло распространяется на нижние слои горючей жидкости, прогрева­я и испаряя ее. Тем самым обеспечивается приток жидкости в парообраз­ном состоянии к зоне горения.

Как это происходит? Жидкость в парообразном состоянии, смешиваясь с воздухом, образует горючую паровоздушную смесь и поставляет ее в зону горения.

Аналогичным образом, тепло частично пос­тупает еще и на негорящие участки поверхности жидкости, прогревая пос­ледние.

Вследствие чего увеличивается процесс испарения жидкости и при достижении НКПРП паров жидкости над испаряемым участком они (пары) вспыхивают, и происходит их зажигание от пламени и так далее.

Таким образом, скорость распространения пламени по поверхности жидкости опре­деляется скоростью прогрева поверхности жидкости под воздействием лучистого теплового потока, т.е. скоростью образования горючей паровоз­душной смеси над зеркалом жидкости.

В установившемся процессе горения, т.е. при постоянной температуре пламени, наблюдается равновесие между количеством сгоревшего в зоне горения (пламени) вещества и массой пара, поступающего в зону горения (в пламя).

Это определяет постоянную скорость испарения и, следовательно, выгорание жидкости в течение всего процесса горения.

Влияние природы ГЖ и начальной температуры на скорость распрост­ранения пламени.

1) Природа жидкости.

Влияет теплота испарения жидкости Q_исп. и ее t_всп..

Чем выше значение этих параметров, тем более длительное время не­обходимо, чтобы прогреть эту жидкость до образования паровоздушных го­рючих концентраций и тем, следовательно, ниже скорость распространения пламени.

Теплота испарения и температура вспышки в гомологическом ряду предельных углеводородов повышается, следовательно, понижается скорость распространения пламени.

2) Влияние начальной температуры.

Повышение начальной температуры повышает скорость распространения пламени, так как снижается время, необходимое для прогрева данной жид­кости до температуры вспышки.

Если начальная температура жидкости приближается к температуре вспышки, скорость распространения пламени резко возрастает, так как над поверхностью жидкости уже образовалась паровоздушная смесь, спо­собная гореть без дополнительного прогрева.

Механизм выгорания жидкости.

После воспламенения жидкости и распространения пламени по ее по­верхности устанавливается диффузионный режим ее выгорания, который ха­рактеризуется удельной массовой m и линейной Uл скоростями выгорания.

Удельная массовая скорость - количество вещества, выгорающего с единицы площади зеркала жидкости в единицу времени (кг^.м^-2.с^-1).

Линейная скорость - расстояние, на которое перемещается уровень зеркала жидкости в единицу времени за счет ее выгорания (м^.с^-1).

Массовая и линейная скорости выгорания взаимосвязаны друг с дру­гом через плотности жидкости ρ:

m = u_л ρ

Итак, после воспламенения жидкости температура ее поверхности повышает­ся от температуры воспламенения до кипения, происходит формирование прогретого слоя.

В этот период скорость выгорания жидкости постепенно повышается, возрастает высота факела пламени в зависимости от диамет­ра резервуара и вида горючей жидкости.

После 1-10 мин горения наступа­ет стабилизация процесса: скорость выгорания и размеры пламени остают­ся в дальнейшем неизменными.

Устанавливается тепловой баланс между зо­ной горения и поверхностью жидкости.

Нагрев поверхности жидкости лучистым потоком от пламени сопровож­дается передачей тепла вглубь жидкости. Этот процесс происходит за счет тепло­проводности и конвекции, за счет движения нагретых пламенем слоев жидкости.

И именно за счет этого образуется прогретый или гомотермический слой, тол­щина которого возрастает во время горения.

У некоторых жидкостей распределение температуры вглубь или образование гомотермического слоя идет плавно, т.е. постепенно понижается по мере удаления от поверхности горящего зеркала жидкости.

К таким жидкостям относятся – керосин, дизельное топливо, соляровое и трансформаторное масла.

У других жидкостей наблюдается слой определенной толщины, температура которого одинакова во всех точках.

За нижней границей этого слоя идет резкое понижение температуры.

Это происходит при горении таких жидкостей, как сырая нефть, бензин, мазут.

Графически прогревание жидкости вглубь можно представить следующим образом:

Прямым следствием образования прогретого слоя является выброс нефтепродуктов из горящего резервуара.

Он обусловлен вскипанием прог­ретых слоев воды, расположенных под гомотермическим слоем.

Выброс про­исходит в тот момент, когда толщина прогретого слоя достигает уровня воды.

Выброс горящей жидкости может произойти, если под ее слоем жидкости находится вода, жидкость при горении прогревается в глубину с образованием прогретого слоя, достигающего слоя воды, а температура прогретого слоя горящей жидкости выше температуры кипения воды.

Отсутствие одного их этих условий исключает возможность выброса. Первое условие на практике связано с хранением нефти и нефтепродуктов, два других условия определяются свойствами самой жидкости.

В связи с этим выбросы наблюдаются при горении только нефти и мазута и не наблю­даются при горении таких нефтепродуктов, как керосин, дизельное топли­во и др.

Нефть и мазут прогреваются весьма интенсивно, и температура прог­ретого слоя при этом всегда выше 100^оС.

Керосин и дизельное топливо прогреваются медленно и не образуют прогретого гомотермического слоя.

Температура прогретого слоя бензина всегда ниже температуры кипения воды, поэтому выброс маловероятен.

Расчет кинетических параметров жидкостей можно найти в справочнике Химика, т.1, с.912-917.