169

IV.II. РАЗВИТИЕ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ

ГЛАВА 9. ГОРЕНИЕ ГАЗОПАРОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ

Все основные теоретические представления о горении базируются на экспериментальных результатах изучения горения предварительно перемешанных газовых смесей. В этом случае горение легче поддается теоретическому описанию, горючие смеси в любом соотношении легко готовить, пл а- мена в подобных смесях распространяются самопроизвольно в сторону исходной смеси.

Такое распространение пламени по однородной горючей среде, при котором фронт пламени движется вследствие ее послойного разогрева по механизму теплопроводности от продуктов горения называется нормаль-

ным или дефлаграционным горением.

Основные теоретические положения тепловой теории распространения пламени по газопаровоздушным смесям изложены в главах 4 и 5.

Показано, что основным фактором, определяющим скорость распространения пламени в газовых смесях, является скорость химической реакции горения.

9.1. Концентрационные пределы распространения пламени

Обратимся вновь к рис. 5.5. и 5.6. На них представлена зависимость скорости реакции горения (нормальной скорости распространения пламени) от концентрации горючего в газопаровоздушной смеси. В обоих случаях максимальные значения скорости реакции и Uн соответствуют стехиометрической концентрации горючего, т.е. при коэффициенте избытка воздуха α = 1.

При отклонении от стехиометрического состав смеси как в сторону бедных по горючему смесей (α > 1), так и в сторону богатых смесей (α < 1) скорость реакции горения снижается, достигая своих предельных значений,

170

ниже которых реакция горения не возможна.

Это означает, что существуют два значения концентраций горючего вещества, при которых нормальная скорость распространения пламени достигает своих критических значений. Их называют концентрационными пределами распространения пламени (сокращенно - КПР).

Нижний и верхний концентрационный предел распространения пламени (воспламенения) - соответственно, минимальное и максимальное содержание горючего вещества в однородной смеси с окислительной средой, при котором возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания. Обозначается НКПР (ϕн) и ВКПР (ϕв).

КПР применяют при расчете взрывобезопасных концентраций газов, паров, пылей в воздухе рабочей зоны, внутри технологического оборудования, трубопроводов, при проектировании вентиляционных систем.

Область концентраций горючего, заключенная между КПР, называется областью распространения пламени или областью воспламенения.

Горючие смеси, в которых концентрация горючего вещества находится вне области воспламенения, не могут быть зажжены даже от самого мощно-

го источника зажигания. Если смесь не имеет КПР, то она вообще него-

рюча.

КПР для реальных горючих веществ определяется экспериментально по ГОСТ 12.1.044-89. Там же приведены инженерные методы расчета КПР в воздухе.

Расчет КПР	Пример 9.1. Рассчитать концентрационные пределы
по аппроксимационной	распространения пламени газа пропана С3Н8.
формуле

Концентрационные пределы распространения пламени (область воспламенения) для газо- и паровоздушных смесей могут быть рассчитаны по следующей формуле

ϕН (В)

где

	=	100		, %,	(9.1)
		а β + b

171

ϕ Н(В) - нижний (верхний) концентрационный предел распространения пламени ( НКПР и ВКПР ), %;

β - число молекул кислорода ( коэффициент перед кислородом в уравнении реакции горения вещества );

a и b - константы, имеющие значения, приведенные в таблице 9.1.

Для расчета массовой концентрации можно воспользоваться формулой:

	масс		М	3
ϕн		=		, кг/м или г/л.			(9.2)
			(а β +b) VМ
							Таблица 9.1.
	Значения коэффициентов “а” и “b” для расчета концентрационных
			пределов распространения пламени
		КПР			а		B
НКПР					8,684		4,679
ВКПР
		β≤ 7,5			1,550		0,560
		β> 7,5			0,768		6,554

1. Составляем уравнение реакции горения пропана.

С3Н8 + 5( О2 + 3,76 N2 ) =3СО2 + 4Н2О + 5· 3,76 N2

β= 5

2. ϕн	= НКПР =		100			=2,07 %
		8,684 5 + 4,679
ϕв	= ВКПР =		100		=	12,03%
		1,55 5 +0,56
				Пример 9.2. Вычислить нижний концентрационный
Расчет
КПР по известным				предел распространения пламени фенола С6Н5ОН. Теплота
энтальпиям образования				образования фенола составляет 94,2 кДж/моль.
веществ

Если известно значение энтальпии (теплоты) образования, НКПР может быть рассчитан по формуле

ϕн =

100

, %,

(9.3)

h n

+ h

n

H

+ h n + h

N

n

N

+ h

f

∆H 0

+1

C C

H

O O

f

где

nС, nH, nO, nN, nf - число атомов С, Н, О, N в молекуле горючего; коэффициенты

	172
hC = 8,737;	hН = 2,757; hО = −0,522; hN = −0,494; ; hf = 2,36 10-2 кДж/моль;
∆Н0f - стандартная теплота образования горючего вещества, кДж/моль.
Решение:
ϕн =	100		= 1,39 %
		8,737 6 + 2,757 6 − 0,494 1+ 2,36 10−2 94,2 +1

По справочным данным НКПР фенола составляет 1,52 %.

Для определения КПР смесей газов и паров можно воспользоваться формулой Ле Шателье:

ϕн(см) =

100

, %

(9.4)

ϕ

ϕ

ϕ

1

+

2

+

3

+...

ϕн1

ϕн2

ϕн3

ϕв(см) =

100

, % где

(9.5)

ϕ

ϕ

ϕ

+2 + 3 +...

ϕв1 ϕв2 ϕв3

ϕн(см), ϕн(см) – концентрационные пределы распространения пламени смеси;

ϕн1, ϕн2, ϕн3 - НКПР каждого компонента газовой смеси;

ϕв1, ϕв2, ϕв3 - ВКПР каждого компонента газовой смеси.

Расчет КПР	Пример 9.3. Рассчитать КПР смеси газов следующего состава:
газовой смеси	угарный газ СО – 10 %; водород Н2 – 60 %; метан СН4 – 30 %.

1. Определяем НКПР и ВКПР каждого горючего компонента (по справочным данным или расчетным путем):

для угарного газа	ϕн = 12,5 %;	ϕв = 74 %
для водорода	ϕн = 4 %;	ϕв = 75 %
для метана	ϕн = 5 %;	ϕв = 15 %

2. Определяем НКПР и ВКПР для смеси газов по формулам (9.4) и (9.5):

ϕн(см) =					100								= 4,58 %
		10			+		60				+ 30
12,5					4						5
ϕв(см) =					100							= 34 %.
	10		+			60			+		30
74					75						15