Горение газов

Как правило, горение возникает от какого-либо источника зажигания. По существу это только начальная стадия процесса горения, т.е. ее иниции­рование. Безусловно, указанная стадия важна с точки зрения профилактики пожаров и взрывов, но предотвратить их не всегда удается. Поэтому для практических работников пожарной охраны большое значение имеет воз­можность прогнозирования динамики развития горения, а именно, в каком режиме и с какими параметрами будет развиваться пожар или взрыв на ре­альных объектах. Кроме того, в практической деятельности приходится стал­киваться с необходимостью реставрации картины развития уже происшед­ших пожаров и взрывов. Для этого необходимо знать основные закономерно­сти процессов распространения, развития горения. Эти сведения необходимы также для правильного выбора наиболее эффективного вида и способа при­менения огнетушащего средства в конкретных условиях.

При изучении дисциплины «Теория горения и взрыва» вы познакоми­лись с различными режимами горения газов: кинетическим и диффузион­ным, ламинарным и турбулентным. Кинетическое горение возможно только в предварительно перемешанных смесях горючего и окислителя. Во всех остальных случаях горение будет протекать в диффузионном режиме.

Общие закономерности кинетического режима горения

Если с помощью оптического прибора рассмотреть кинетическое пла­мя в неподвижной горючей смеси, то можно увидеть следующую картину (рис. 1). Справа находятся нагретые до высокой температуры продукты горе­ния (Т_пг), слева — холодная с температурой (То) исходная горючая смесь, а между ними - ярко светящаяся полоска - фронт пламени с толщиной ( ). Го­рючий компонент во фронте пламени сгорает, и в продуктах горения его концентрация практически равна нулю. Естественно, температура продуктов горения, равная температуре горения (Т_г), больше температуры исходной смеси (То) (Т_пг = Т_г То). Поскольку теплота передается от горячего к хо­лодному, в сторону исходной смеси будет идти тепловой поток ( ), нагревая прилегающий к ней слой, так называемую зону подогрева. Передача теплоты от нее осуществляется теплопроводностью.

Рис. 1. Схема фонтана.

Нормальное или дефлаграционное горение — это распространение пламени по однородной горючей среде, при котором фронт пламени движет­ся вследствие ее послойного разогрева по механизму теплопроводности от продуктов горения.

Толщина фронта пламени , как правило, не превышает десятых долей миллиметра. Поэтому его обычно принимают за поверхность, отде­ляющую исходную смесь от продуктов горения. Как показали исследования, своим свечением фронт пламени обязан многоатомным радикалам: С=С , СН , НСО и др. Есть в пламени и ионы, концентрация которых дости­гает 10 - 10¹ м^-3. Возникновение ионов в пламени имеет химическую и тер­мическую природу.

Влияние различных факторов на скорость распространения пламени

Нормальная скорость распространения пламени (u_н) зависит от теплофизических свойств газопаровоздушной смеси. Но в еще большей степе­ни скорость распространения зависит от ее физико-химических свойств -скорости и температуры реакции горения:

т.е. пропорциональна скорости реакции окисления ( ) и обратно пропорциональна температуре горения ( ). Определяющим параметром, безуслов­но, будет скорость реакции.

Запишем уравнение скорости химической реак­ции горения:

Рассмотрим, как будет меняться скорость реакций окисления для сме­сей с разным соотношением горючего и воздуха (рис. 2).

Из графика видно, что для смеси стехиометрического состава (коэффи­циент избытка воздуха = 1) скорость реакции окисления максимальна:

При увеличении концентрации горючего в смеси, когда а становит­ся < 1, воздух находится в недостатке, и горючее сгорает не полностью, а частично. Поэтому меньше выделится теплоты Q_гор, а значит Т_г снизится.

Скорость реакций окисления по сравнению со стехиометрической уменьшится, причем сразу из-за снижения и концентрации окислителя , и температуры горения. То есть при последовательном снижении а (что экви­валентно увеличению концентрации С_гор в смеси) скорость реакций окисле­ния w и температуры горения Т_г будет последовательно снижаться. На гра­фике при С_гор > С_г.стех кривая становится нисходящей. Значит, при > 1 ско­рость реакций окисления также снижается, и в целом на графике получается парабола.

Именно такая зависимость скорости реакции горения от концентрации горючего компонента в исходной смеси предопределяет параболический вид зависимости многих параметров процесса горения от состава смеси: темпера­туры самовоспламенения и минимальной энергии зажигания, концентраци­онных пределов распространения пламени. Вид параболы имеет также и за­висимость нормальной скорости распространения пламени и_н от концентра­ции горючего С_г (рис. 2).

Рис.2. Зависимость скорости распространения пламени от концентрации пропана в воздухе при температурах 311 К (1); 644 К (2); 811 К (3).

Согласно теории максимальная скорость распространения пламени (u^мах) должна соответствовать стехиометрической концентрации. Однако экспериментальные ее значения несколько сдвинуты в сторону богатых по содержанию горючих смесей (а< 1). С увеличением начальной температуры смеси скорость распространения пламени должна повышаться, что и дается на практике.

Для различных веществ u_н зависит от их химического строения и ко­леблется в довольно широких пределах (табл. 1). Для большинства смесей углеводородных топлив с воздухом u_н < 1 м/с. При введении в горючую смесь балласта — избыточного воздуха или азота заметно снижается темпера­тура горения.

Таблица 1. Нормальная скорость распространения пламени для некоторых горючих смесей

Горючая смесь	Формула	uн,м/с
Водород + воздух	Н2 + 0,5(О2 + 3,76N2)	1.60
Ацетилен + воздух	СH=СН+2,5(О2+ 3,76N2	1.50
Ацетилен + кислород	СН=СН + 2,5О2	8.00
Этилен + воздух	СН2=СН2+3(О2 + 3,76N2)	0.60
Бутан + воздух	С4Н10 + 6,5(О2 + 3,76N2)	0.40
Метан + воздух	CH4 + 3(О2 + 3,76N2)	0.34

40

Рис.5. Влияние флегматизаторов на скорость распространения пламени по пропану С₃Н₈ ( = 1.15).

Введение в горючую смесь азота N₂, аргона Аr, диоксида углерода СО₂ разбавляет ее и тем самым снижает скорость реакции окисления и распро­странения пламени.

Данные рис. 5. иллюстрируют эти факты.