Struktura płomienia dyfuzyjnego zależy w dużym stopniu od przekroju przepływu palnych par i gazów oraz od jego prędkości. Ze względu na charakter przepływu rozróżnia się płomienie dyfuzyjne laminarne i turbulentne.
Burzliwy zwany niespokojnym, wirującym płomieniem o stale zmieniającym się kształcie.
wraz ze wzrostem natężenia przepływu płomień zmienia swój kształt i staje się niespokojny, wirując wirami, stale zmieniając kształt, jest to płomień burzliwy.
To zachowanie płomienia w trybie turbulentnym tłumaczy się tym, że tak bardzo więcej gaz palny, czyli w danym momencie coraz więcej paliwa musi zostać utlenione, co prowadzi do wzrostu wielkości płomienia i jego dalszej turbulizacji.
Front Płomienia- cienka warstwa powierzchniowa ograniczająca płomień, w którym bezpośrednio zachodzą reakcje redoks.
Grubość czoła płomienia jest niewielka, zależy od parametrów gazodynamicznych i mechanizmu rozprzestrzenianie się płomienia(deflagracja lub detonacja) i może wynosić od dziesiątych części milimetra do kilku centymetrów. Wewnątrz płomienia prawie całą objętość zajmują gazy palne (GG) i pary. Produkty spalania (PG) znajdują się w czole płomienia. W środowisku występuje środek utleniający.
Schemat płomienia dyfuzyjnego palnik gazowy oraz zmiany stężeń substancji palnych, utleniacza i produktów spalania w przekroju płomienia pokazano na rys. 1.2.
Grubość czoła płomienia różnych mieszanin gazów w trybie laminarnym wynosi średnio 0,5 – 10 -3 cm całkowita transformacja paliwa do produktów spalania w tej wąskiej strefie wynosi 10 -3 –10 -6 s.
Strefa maksymalnej temperatury znajduje się 5-10 mm nad stożkiem świetlnym płomienia, a dla mieszaniny propan-powietrze wynosi około 1600 K.
Płomień dyfuzyjny powstaje podczas spalania, gdy procesy spalania i mieszania zachodzą jednocześnie.
Jak zauważono wcześniej, główna różnica między spalaniem dyfuzyjnym a spalaniem wstępnie zmieszanych mieszanin palnych polega na tym, że szybkość przemiany chemicznej podczas spalania dyfuzyjnego jest ograniczona procesem mieszania utleniacza i paliwa, nawet jeśli prędkość reakcja chemiczna bardzo wysoka, intensywność spalania jest ograniczona warunkami mieszania.
Ważną konsekwencją tego pomysłu jest fakt, że w czole płomienia znajduje się paliwo i utleniacz stosunek stechiometryczny. Niezależnie od proporcji przepływów oddzielnie dostarczanego utleniacza i paliwa, czoło płomienia jest zawsze ustawione w takim położeniu, aby przepływ reagentów odbywał się w stosunkach stechiometrycznych. Zostało to potwierdzone wieloma eksperymentami.
Siłą napędową dyfuzji tlenu do strefy spalania jest różnica jego stężeń wewnątrz płomienia (CO = 0) i w otaczającym powietrzu (początkowy CO = 21%). W miarę zmniejszania się tej różnicy zmniejsza się szybkość dyfuzji tlenu i przy pewnym stężeniu tlenu w otaczającym powietrzu - poniżej 14-16%, spalanie ustaje. Zjawisko samoistnego tłumienia (samogaśnięcia) obserwuje się podczas spalania w zamkniętych przestrzeniach.
Każdy płomień zajmuje pewną objętość w przestrzeni, której zewnętrzne granice mogą być wyraźnie lub niejasno ograniczone. Podczas spalania gazów kształt i wielkość powstałego płomienia zależy od rodzaju mieszaniny początkowej, kształtu palnika i urządzeń stabilizujących. Wpływ składu paliwa na kształt płomienia określa się na podstawie jego wpływu na szybkość spalania.
Wysokość płomienia jest jedną z głównych cech wielkości płomienia. Jest to szczególnie ważne przy rozważaniu spalania i gaszenia fontann gazowych oraz spalania produktów naftowych w zbiornikach otwartych.
Wysokość płomienia jest tym większa, im większa jest średnica rury i większe natężenie przepływu, a im mniejsza, tym większa jest normalna prędkość rozprzestrzeniania się płomienia.
Dla danej mieszaniny paliwa i utleniacza wysokość płomienia jest proporcjonalna do prędkości przepływu i kwadratu średnicy strumienia:
gdzie jest prędkość przepływu;
średnica strumienia;
Współczynnik dyfuzji.
Ale jednocześnie kształt płomienia pozostaje nieznany i zależy od naturalnej konwekcji i rozkładu temperatury w czole płomienia.
Zależność ta utrzymuje się do pewnego natężenia przepływu. Wraz ze wzrostem prędkości przepływu płomień ulega turbulizacji, po czym zatrzymuje się dalszy wzrost jego wysokości. To przejście następuje, jak już wspomniano, przy pewnych wartościach kryterium Reynoldsa.
W przypadku płomieni, gdy następuje znaczne uwolnienie niespalonych cząstek w postaci dymu, pojęcie wysokości płomienia traci swoją definicję, ponieważ trudno jest określić granicę spalania produktów gazowych w górnej części płomienia.
Ponadto w płomieniach zawierających cząstki stałe, w porównaniu do płomieni zawierających wyłącznie gazy spalinowe, promieniowanie znacznie wzrasta.
Wymagania dotyczące komór spalania i ich charakterystyki
Komory spalania turbin gazowych pracują w szeroki zakres masa Muszą mieć małe wymiary, wagę i nadawać się do użytku po spaleniu różne typy paliwo. Ponadto CS musi zapewnić dopuszczalny poziom szkodliwe emisje z produktami spalania (tlenki azotu, siarka). Specjalne wymagania CS przedstawiono z punktu widzenia niezawodności eksploatacyjnej, gdyż znajdują się one w trudnych warunkach temperaturowych.
Ponadto komory spalania muszą posiadać:
· wysoka wydajność spalania;
· niskie straty ciśnienia;
· małe wymiary tj. wysoka intensywność termiczna;
· określone pole temperatury;
· szybki i niezawodny start;
· wystarczająco duży zasób;
· Wystarczająca łatwość instalacji i konserwacji zapobiegawczej.
Współczynnik efektywności spalania (lub sprawność komory spalania) definiuje się jako:
Gdzie Pytanie 1– ilość ciepła faktycznie uwolniona w objętości roboczej komory; Pytanie 2– całkowita ilość ciepła, jaka teoretycznie mogłaby wyzwolić się podczas całkowitego spalania paliwa.
Płomień w komorze spalania, rozwijający się w warunkach ruchu wymuszonego przy centralnym dopływie paliwa, składa się z trzech głównych stref: strefy wewnętrznej I, strefy tworzenia mieszanki i spalania II oraz strefy III – strefy powietrza zewnętrznego Rys. 4.2.
W strefie II 0 ≤ α ≥ ∞. W strefie wewnętrznej α = 0 nie ma powietrza.
W strefie 2 następuje tworzenie mieszaniny i spalanie. Dzieli się na dwa: wewnętrzny - a i zewnętrzny - b.
Strefa wewnętrzna wypełniona jest mieszaniną gazów palnych i produktów spalania, a strefa zewnętrzna mieszaniną produktów spalania i powietrza. Granicę pomiędzy strefami stanowi czoło płomienia spalania. W tym przedziale znajdują się wszystkie obszary od α = 0 do α = ∞. W grubości frontu spalania α= 1; paliwo przemieszczające się od nasady do strefy ogonowej jest rozcieńczane produktami spalania, a powietrze nasyca się produktami spalania. Prowadzi to do tego, że w strefie spalania zmniejsza się ciepło spalania paliwa, tj. maleje ilość ciepła,
Ryż. 4.2. Przód płomienia spalania.
na jednostkę powierzchni frontu spalania warunki spalania pogarszają się, aż do zgaśnięcia płomienia i usunięcia części niespalonego paliwa. Należy pamiętać, że proces ten jest typowy dla nieograniczonej przestrzeni. W rzeczywistych komorach spalania charakter spalania, ze względu na ograniczony przepływ, jest w dużej mierze zdeterminowany właściwościami aerodynamicznymi komory spalania. Ponadto w strefie spalania utrzymuje się wysoka temperatura, co prowadzi do spalania mieszaniny z bardzo dużą szybkością, w tym przypadku o szybkości spalania decyduje przede wszystkim szybkość tworzenia mieszaniny, ponieważ szybkość reakcji chemicznych będzie wielokrotnie większa niż szybkość tworzenia mieszaniny. Proces ten nazywany jest spalaniem dyfuzyjnym. Można to łatwo kontrolować zmieniając warunki tworzenia mieszaniny, co z kolei można zmienić za pomocą środków projektowych - zastosowanie siatek pierścieni łopatkowych jako turbulatorów itp.
Jedną z głównych cech komory spalania jest wielkość naprężenia cieplnego, czyli stosunek ilości ciepła uwolnionego w komorze spalania do jej objętości pod ciśnieniem spalania.
J/m2 MPa (4,10)
Gdzie R. K.S– ciśnienie płynu roboczego w komorze spalania, MPa; V– objętość komory spalania, m3.
Na podstawie wartości ciepła właściwego określa się objętość komory spalania.
Aby zapewnić stabilne spalanie w całym zakresie trybów pracy, ważna jest organizacja procesu spalania, który charakteryzuje się powierzchnią czoła płomienia spalania i jest określony na podstawie równania:
Gdzie U T – turbulentna prędkość rozprzestrzeniania się płomienia, zwykle przyjmowana w przedziale (40 ÷ 60 m/s); F f – czoło płomienia spalania; – ciepło spalania mieszaniny; ρ cm - gęstość mieszaniny.
Dolną wartość opałową mieszanki wyznacza się z równania:
Gęstość mieszaniny wyznacza się z równania Mendelejewa-Clayperona:
Gdzie T KS to temperatura mieszanki w komorze spalania.
Front płomienia spalania według równania:
Stałe spalanie możliwe z F tf≥ F.
3. ROZPRZESTRZENIE PŁOMIENIA W MIESZANKACH GAZOWYCH
Szybkość rozprzestrzeniania się płomienia podczas spalania substancji stałych, ciekłych i gazowych ma znaczenie praktyczne z punktu widzenia zapobiegania pożarom i wybuchom.
Rozważmy prędkość rozprzestrzeniania się płomienia w mieszaninach palnych gazów i par z powietrzem. Znając tę prędkość, można określić bezpieczne prędkości przepływu gazu i powietrza w rurociągu, szybie, centrali wentylacyjnej i innych instalacjach wybuchowych.
Jako przykład na ryc. 3.1 pokazuje schemat wentylacja wyciągowa w kopalni węgla. Z wyrobisk kopalni 1 rurociągiem 2 usuwana jest pylista mieszanina powietrza i pyłu węglowego, a w niektórych przypadkach także metan wydzielający się w pokładach węgla. W przypadku pożaru czoło płomienia 3 rozprzestrzeni się w stronę zasp 1. Jeżeli prędkość przemieszczania się mieszanki palnejw będzie mniejsza niż prędkość propagacji frontu płomieniaI w stosunku do ścian rury, płomień przedostanie się do szybu i doprowadzi do eksplozji. Dlatego do normalnej pracy systemu wentylacyjnego konieczne jest przestrzeganie warunków
w > ty.
Szybkość usuwania mieszaniny wybuchowej musi być większa niż prędkość rozprzestrzeniania się frontu płomienia.
Zapobiegnie to przedostawaniu się płomieni do szybów kopalni.
Ryż. 3.1. Schemat rozprzestrzeniania się płomienia w kopalni:
1 – wał; 2 – rurociąg; 3 – przód płomienia
Teoria rozprzestrzeniania się płomienia, opracowana w pracach Ya.B. Zeldovich i D.A. Franka-Kameneckiego opiera się na równaniach przewodności cieplnej, dyfuzji i kinetyki chemicznej. Zapłon mieszaniny palnej rozpoczyna się zawsze w jednym miejscu i rozprzestrzenia się na całą objętość zajmowaną przez mieszaninę palną. Rozważmy przypadek jednowymiarowy - rurkę wypełnioną palną mieszaniną (ryc. 3.2). T Jeśli mieszanina zapali się na jednym końcu rury, wąski front płomienia rozprzestrzeni się wzdłuż rury, oddzielając produkty spalania (za frontem płomienia) od świeżej palnej mieszaniny. Czoło płomienia ma kształt czapy lub stożka, którego wypukła część jest zwrócona w kierunku ruchu płomienia. Czoło płomienia stanowi cienka warstwa gazu (o szerokości 10 -4 ÷10 -6) m. W tej warstwie zachodzą reakcje spalania chemicznego, zwane strefą spalania. Temperatura czoła płomienia w zależności od składu mieszaniny wynosi
= (1500 ÷ 3000) K. Uwolnione ciepło spalania jest wykorzystywane do ogrzewania produktów spalania świeżej mieszanki palnej i ścianek rury w wyniku procesów przewodnictwa cieplnego i promieniowania.
Ryż. 3.2. Schemat propagacji frontu płomienia w rurze 
Kiedy czoło płomienia porusza się w rurze, w mieszaninie palnej powstają fale sprężania, które powodują ruchy wirowe. Zawirowania gazów zaginają czoło płomienia, nie zmieniając jego grubości i charakteru zachodzących w nim procesów. Na jednostkowej powierzchni czoła płomienia w jednostce czasu spala się zawsze ta sama ilość substancji .
.Wartość jest stała dla każdej mieszaniny palnej i nazywana jest szybkością spalania masyZnajomość obszaru czoła płomienia S, spalane w całym froncie spalania w jednostce czasu:
Każdy element frontu płomienia dSzawsze porusza się względem świeżej mieszanki w kierunku normalnej do czoła płomienia w danym punkcie (rys. 3.2), a prędkość tego ruchu:
gdzie jest gęstość świeżej mieszanki palnej.
Ogrom nazywana jest normalną prędkością rozprzestrzeniania się płomienia i ma wymiar m/s. Jest to stała wartość procesu spalania danej mieszaniny i nie zależy od warunków hydrodynamicznych towarzyszących procesowi spalania. Normalna prędkość rozprzestrzeniania się płomienia jest zawsze mniejsza niż prędkość obserwowana I, czyli prędkość ruchu czoła spalania względem ścianek rury:
ty n< u .
Jeżeli czoło płomienia jest płaskie i skierowane prostopadle do osi rury, to w tym przypadku obserwowana i normalna prędkość rozprzestrzeniania się płomienia będzie taka sama
ty n = ty .
Obszar wypukłego czoła płomieniaProblem Szawsze większa niż powierzchnia przodu samolotuS pl, Dlatego
> 1.
Normalna prędkość rozprzestrzeniania się płomieniaty ndla każdej mieszaniny palnej zależy od domieszki gazów obojętnych, temperatury mieszaniny, wilgotności i innych czynników. W szczególności wstępne podgrzewanie gazu palnego zwiększa prędkość rozprzestrzeniania się płomienia. Można wykazać, że prędkość rozprzestrzeniania się płomieniaty nproporcjonalnie do kwadratu temperatury bezwzględnej mieszaniny:
u n.= stała · T 2.
Na ryc. Rysunek 3.3 przedstawia zależność prędkości rozprzestrzeniania się płomienia w palnej mieszaninie „powietrze – tlenek węgla” w zależności od stężenia CO. Jak wynika z powyższych wykresów, prędkość rozprzestrzeniania się płomienia wzrasta wraz ze wzrostem temperatury mieszaniny. Dla każdej wartości temperatury prędkość rozprzestrzeniania się płomienia ma maksimum w obszarze koncentracji tlenek węgla CO równy ~40%.
Na prędkość rozprzestrzeniania się płomienia wpływa pojemność cieplna gazu obojętnego. Im większa pojemność cieplna gazu obojętnego, tym bardziej obniża on temperaturę spalania i tym bardziej zmniejsza prędkość rozprzestrzeniania się płomienia. Tak więc, jeśli mieszanina metanu i powietrza zostanie rozcieńczona dwutlenkiem węgla, prędkość rozprzestrzeniania się płomienia może zmniejszyć się 2-3 razy. Na prędkość rozprzestrzeniania się płomienia w mieszaninach tlenku węgla z powietrzem wpływają: wielki wpływ wilgoć zawarta w mieszaninie, obecność cząstek sadzy i domieszek gazów obojętnych.
Ryż. 3.3. Zależność prędkości rozprzestrzeniania się płomienia
na stężenie tlenku węgla w mieszaninie
Temat 7. ROZPRZESTRZANIE SIĘ PŁOMIENIA.
7.1. Termiczna teoria spalania.
W adiabacie, tj. spalaniu, któremu nie towarzyszą straty cieplne, przetwarzana jest cała rezerwa energii chemicznej układu palnego energia cieplna produkty reakcji. Temperatura produktów spalania adiabatycznego nie zależy od szybkości reakcji zachodzących w płomieniu, a jedynie od ich całkowitego efektu cieplnego i pojemności cieplnej produktów końcowych. Wielkość ta nazywana jest temperaturą spalania adiabatycznego Tg. Jest to ważna cechałatwopalne środowisko. Dla większości mieszanin palnych wartość Tg mieści się w przedziale 1500-3000° K. Oczywiście Tg jest maksymalną temperaturą produktów reakcji przy braku zewnętrznego ogrzewania. Rzeczywista temperatura produktów spalania może być niższa niż T g w przypadku utraty ciepła.
Zgodnie z termiczną teorią spalania opracowaną przez radzieckich naukowców Ya.B. Zeldovich i D.A. Franka-Kameneckiego, rozprzestrzenianie się płomienia następuje poprzez przenoszenie ciepła z produktów spalania do niespalonej (świeżej) mieszanki. Rozkład temperatur w mieszaninie gazów z uwzględnieniem wydzielania ciepła w wyniku reakcji chemicznej oraz przewodności cieplnej pokazano na rys. 26.
Front płomienia, tj. strefa, w której zachodzi reakcja spalania i intensywne samonagrzanie gazów spalinowych, zaczyna się od temperatury samozapłonu Tst i kończy się temperaturą Tg.
Przed frontem płomienia rozprzestrzeniającym się w prawo znajduje się świeża mieszanina, a za nimi produkty spalania. Uważa się, że w strefie grzewczej reakcja przebiega tak wolno, że zaniedbuje się wydzielanie ciepła.
Proces wymiany ciepła podczas stacjonarnego rozprzestrzeniania się płomienia nie powoduje strat ciepła i spadku temperatury w porównaniu do Tg bezpośrednio za frontem płomienia. Odprowadzenie ciepła z każdej płonącej warstwy gazu przy zapaleniu sąsiedniej, jeszcze nienagrzanej warstwy, jest kompensowane przez podobną ilość ciepła odebraną wcześniej w warstwie zapalającej podczas jej własnego zapłonu. Dodatkowe ciepło początkowego impulsu zapłonu nie zakłóca w sposób zauważalny ustalonego trybu spalania, gdyż jego rola maleje coraz bardziej wraz ze wzrostem ilości spalanego gazu.
Produkty spalania tracą ciepło dopiero w wyniku promieniowania i kontaktu z powierzchnią stałą. Jeśli promieniowanie jest nieznaczne, spalanie takie okazuje się praktycznie adiabatyczne. Zauważalne straty ciepła są możliwe dopiero w pewnej odległości za czołem płomienia.
Zatem inicjacja spalania mieszaniny gazów w jednym miejscu prowadzi do nagrzania sąsiedniej warstwy, która nagrzewa się pod wpływem przewodzenia ciepła od produktów reakcji aż do samozapłonu. Spalanie tej warstwy pociąga za sobą zapłon kolejnej itd. aż palna mieszanina całkowicie się wypali. Ciepło usunięte ze strefy reakcji do świeżej mieszaniny jest całkowicie kompensowane przez uwolnienie ciepła reakcji i pojawia się stabilny front płomienia. W wyniku spalania warstwa po warstwie czoło płomienia przemieszcza się przez mieszaninę, umożliwiając rozprzestrzenianie się płomienia.
Jeśli świeża mieszanina przemieszcza się w kierunku czoła płomienia z prędkością równą prędkości rozprzestrzeniania się płomienia, wówczas płomień będzie nieruchomy (nieruchomy).
Teoretyczne uzasadnienie warunków propagacji płomienia można podać rozważając płomień stacjonarny, gdy prędkość jego propagacji Upl jest równa prędkości zasilania mieszaniny gazowej υg: Upl = υg (rys. 27). W w tym przypadku zależność pomiędzy normalną szybkością spalania U n i prędkością rozprzestrzeniania się płomienia U pl będzie wyrażona równaniem:
UN = Upl* sinφ. (7.1)
Z jednostki powierzchni płomienia na jednostkę czasu do świeżej mieszanki dostarczana jest następująca ilość ciepła, w zależności od przewodności cieplnej:
(7.2)
gdzie: - współczynnik przewodzenia ciepła;
Szerokość przodu płomienia.
Ciepło to jest zużywane na ogrzewanie świeżej mieszanki od temperatury początkowej T o do temperatury spalania T g:
Gdzie: Z– pojemność cieplna właściwa;
Gęstość mieszaniny.
Uwzględniając równania (7.2) i (7.3) przy U pl = υ g, prędkość rozprzestrzeniania się płomienia wyznaczana jest zależnością:
(7.4)
gdzie: - współczynnik dyfuzyjności cieplnej.
Ponieważ szybkość spalania w dużym stopniu zależy od temperatury, spalanie większości gazu następuje w strefie, której temperatura jest bliska Tg.
Szybkość reakcji chemicznej, o której mowa w § 6.1., jest określona równaniem:
. (7.5)
Wtedy prędkość rozprzestrzeniania się płomienia wynosi:
Gdzie: B– wskaźnik zależny od właściwości mieszaniny, .
Zatem płomień nie będzie mógł rozprzestrzenić się w mieszaninie palnej, jeśli jej temperatura będzie niższa od teoretycznej temperatury spalania o kwotę przekraczającą (patrz § 9.3).
- charakterystyczny zakres temperatur w kinetyce chemicznej. Zmiana temperatury o tę wartość prowadzi do zmiany szybkości reakcji o „e” razy.
Wartość graniczną prędkości rozprzestrzeniania się płomienia UPR wyznacza zależność:
(7.7)
W odróżnieniu od rozpatrywanego przypadku normalnego spalania, w rzeczywistych warunkach wybuchu ciasnota proces spalania deflagracyjnego ulega samoprzyspieszeniu. Dzieje się tak na skutek rozszerzania się powierzchni spalania, występowania ruchu gazu i wzrostu ciśnienia podczas spalania.
7.2. Spalanie w zamkniętej objętości.
Kiedy gazy spalają się w otwartej rurze i w przepływie, produkty reakcji rozszerzają się swobodnie, a ciśnienie pozostaje prawie stałe. Spalanie w zamkniętym naczyniu wiąże się ze wzrostem ciśnienia. Ma wielka wartość do rozwiązywania problemów związanych z bezpieczeństwem wybuchowym. Wzrost ciśnienia podczas spalania w zamkniętych aparatach, a także w pomieszczeniach może prowadzić do zniszczeń i wypadków.
Podczas spalania bez strat ciepła (spalanie adiabatyczne) w zamkniętej objętości, w wyniku wzrostu temperatury od To do temperatury spalania T g i zmiany liczby gram cząsteczek podczas reakcji, ciśnienie wzrasta z Po do Pg:
(7.8)
gdzie: m, n – liczba moli substancji przed i po eksplozji, stechiometryczna
skład mieszanki.
Jednak największe ciśnienie nie rozwija się dla mieszanin stechiometrycznych, chociaż mają one najwyższe ciepło spalania i tworzą maksymalną Tg, ale dla mieszanin wzbogaconych w substancje palne, które mają maksymalną szybkość spalania. Podczas spalania deflagracyjnego ciśnienie osiąga 7-10 atm, podczas detonacji jest znacznie wyższe.
Cecha charakterystyczna proces spalania w zamkniętej objętości to nierównomierny rozkład temperatury produktów reakcji bezpośrednio po spaleniu. Początkowo paląca się część palnej mieszaniny, znajdująca się w środku naczynia, reaguje pod ciśnieniem początkowym po; ostatnia warstwa, paląca się przy ścianie, reaguje pod końcowym ciśnieniem R.
Ogrzewanie każdej warstwy gazu przebiega dwuetapowo: podczas przemiany chemicznej i sprężania adiabatycznego. Chociaż skład produktów spalania i ciśnienie są takie same we wszystkich punktach objętości, temperatura końcowa zależy w dużym stopniu od kolejności obu procesów ogrzewania. Pod adiabatycznym sprężaniem pod ciśnieniem po aż do ciśnienia R wzrost temperatury od To do T jest określony przez równanie Poissona
, (7.9)
gdzie: g = s r / sw.
Temperatura końcowa produktów spalania będzie wyższa, jeśli gaz zostanie najpierw podgrzany podczas przemiany chemicznej, a następnie jego temperatura wzrośnie podczas sprężania zgodnie z równaniem (7.9), niż w przypadku odwrotnej kolejności obu procesów.
7.3. Ruch gazów podczas spalania.
Ekspansja gazów w płomieniu (zgodnie z prawem Gay-Lussaca) powoduje, że spalaniu zawsze towarzyszy ruch gazów. Oznaczmy przez ρ g - gęstość ośrodka początkowego, ρ pr - gęstość produktów spalania, ich prędkość względem stacjonarnego czoła płomienia jest równa u pr. Na każdy centymetr kwadratowy powierzchni czołowej przepływ przynosi u n cm 3 palnej mieszaniny co sekundę, jej masa jest równa odpowiednio u n* ρ g, z tej części płomienia usuwa się w ciągu 1 sekundy do pr cm 3 produkty reakcji o masie u pr* ρ pr wówczas spalająca się mieszanina i produkty reakcji są sobie równe
u n* ρ g = u pr* ρ pr (7.10)
Równanie (7.10) wyraża prawo zachowania masy podczas spalania.
Wartość upr przekracza normalną prędkość płomienia o tyle razy, o ile gęstość ośrodka wyjściowego jest większa od gęstości produktów spalania. Wzrost prędkości przepływu gazów podczas spalania jest konsekwencją rozszerzania się gazów.
Temperatura bezwzględna podczas spalania wzrasta 5–10 razy. Jeśli spalanie zachodzi pod stałym ciśnieniem, gaz rozszerza się w r o / r pr raz. Rozważmy spalanie nieruchomego czoła płomienia w otwartej rurze, jak pokazano na rysunku 28.
Ryż. 28. Schemat objaśnienia prawa powierzchni: S – przekrój rury, F – powierzchnia czoła płomienia, ω – prędkość początkowej mieszaniny palnej, T 0 – temperatura i gęstość mieszaniny początkowej, U H – normalna prędkość spalania, U PL – prędkość rozprzestrzeniania się płomienia, U PR to prędkość produktów spalania, T PR to temperatura i gęstość produktów spalania.
Ponieważ płomień jest nieruchomy, ω = U PR. Następnie np. na 1 cm2 powierzchni czoła płomienia F przepływ przynosi ω cm3/s palnej mieszaniny. Jego masa jest równa ω. W związku z tym z tej sekcji usuwa się U PR cm 3 /s produktów spalania o masie U PR. Następnie zgodnie z zasadą zachowania masy (równanie 7.10) przy ω = U PL:
(7.11)
Zatem prędkość objętościowa produktów spalania przekracza prędkość spalania tyle razy, ile gęstość pierwotnego ośrodka jest większa niż gęstość produktów spalania.
Natomiast jeśli U N cm 3 /s mieszaniny pali się na 1 cm 2 powierzchni czoła płomienia, to U N * F cm 3 /s pali się na całej powierzchni F. Jednocześnie objętość gazów spalinowych jest równa prędkości objętościowej przepływu gazu ω*S cm 3 /s. Wtedy U H *F = ω*S lub ω = U H *F / S.
Z równością ω =U PL:
UPL= U H* F / S. (7.12)
Dostajemy prawo obszarowe: prędkość rozprzestrzeniania się płomienia w rurze będzie tyle razy większa niż normalnie, w miarę jak powierzchnia płomienia przekracza przekrój rury.
Jeśli weźmiemy pod uwagę stacjonarną mieszaninę palną, to w miarę rozprzestrzeniania się czoła płomienia gwałtownie podgrzane gazy nie mają czasu na rozszerzanie się, a ciśnienie w strefie spalania gwałtownie wzrasta, co „rozszerza się” i wypycha gazy na obie strony płomienia , i nie tylko produkty spalania są wypychane, ale następuje również ruch mieszaniny początkowej przed czoło płomienia, jak na rysunku 29:
Prędkość gazów wzrasta w miarę spalania początkowej mieszaniny i odpowiednio ciśnienia gazu. W tym przypadku z jednego końca rury wyrzucane są sprężone, gorące, spalone gazy, z drugiego zaś sprężona mieszanina początkowa, która zapala się wybuchowo od płomienia wyrzuconego do atmosfery pomieszczenia, po czym następuje fala uderzeniowa, pożar i zniszczenie.
7.4. Czynniki przyspieszania spalania.
Różne tryby Spalanie deflagracyjne różni się jedynie szybkością rozprzestrzeniania się płomienia ze względu na nierównomierny rozwój powierzchni czoła płomienia. Spalanie początkowo nieruchomego gazu jest zawsze komplikowane przez zakłócające wpływy zewnętrzne, które zniekształcają kształt płomienia. Najważniejsze z nich to grawitacja, tarcie i turbulencja spalającej się mieszanki.
Zatem po zapaleniu w środku pionowej rury, jak pokazano na rysunku 30, ciężka mieszanina początkowa znajduje się nad lekkimi produktami spalania. W tym przypadku strumienie konwekcyjne mieszanki początkowej przesuwają się w dół, a produkty spalania w górę. Pod ich wpływem czoło płomienia rozciąga się, a spalanie przyspiesza.
Gdy płomień rozprzestrzenia się w dół, medium palne jest nieruchome, a zakłócenie czoła płomienia jest nieznaczne. Przy małych szybkościach spalania i małej długości rury kształt płomienia jest prawie płaski.
Jednak w tym przypadku gaz również przemieszcza się w dół rury na skutek rozszerzania się podczas spalania. Tarcie poruszającego się gazu o ścianki powoduje zmniejszenie jego prędkości na obwodzie i rozciągnięcie czoła płomienia, a profil prędkości czoła płomienia również przyjmuje postać kopuły. Powierzchnia płomienia stopniowo wzrasta, a spalanie przyspiesza.
Dość szybkie spalanie, w którym prędkość płomienia sięga setek m/s, następuje podczas turbulizacji mieszaniny gazów i odpowiednio podczas turbulizacji czoła płomienia. Turbulizacja powoduje znaczne rozszerzenie czoła płomienia, przyspieszenie wymiany ciepła pomiędzy produktami spalania a mieszaniną początkową i w związku z tym spalanie. Ten rodzaj spalania nazywany jest często eksplozją.
7,5. Warunki wybuchu.
Jak dowiedzieliśmy się wcześniej, eksplozja to chemiczna lub fizyczna przemiana substancji, której towarzyszy niezwykle szybka przemiana jej energii w energię sprężania i ruchu substancji pierwotnych, produktów ich przemiany i środowisko. Na tej podstawie eksplozja chemiczna jest niezwykle szybką reakcją spalania, której towarzyszy gwałtowne przejście uwolnionej energii cieplnej na energię sprężania i ruchu substancji wyjściowych, produktów spalania i środowiska.
Eksplozja składa się z trzech etapów:
1) konwersja energii reakcji chemicznej na energię cieplną;
2) konwersja energii cieplnej na energię wysokosprężonego gazu;
3) propagacja sprężonego gazu w postaci fali uderzeniowej.
Główne warunki reakcji chemicznej w postaci eksplozji to:
1. Egzotermiczność, co wynika z faktu, że siła wiązań między atomami w produktach reakcji jest znacznie większa niż w substancjach wyjściowych, w związku z czym uwalniana jest „dodatkowa” energia. W reakcjach endotermicznych nie następuje eksplozja.
2. Tworzenie się gazu, ponieważ:
· po pierwsze, przejście w stan gazowy podczas reakcji chemicznej dowolnej substancji w stałej objętości prowadzi do wzrostu ciśnienia;
· po drugie, gazy mają bardzo wysoki współczynnik rozszerzalności objętościowej po podgrzaniu. Bez obecności gazów nastąpi jedynie ogrzewanie substancji.
3. Wysoka szybkość reakcji i zdolność do samorozprzestrzeniania się i samoprzyspieszania. Samorozprzestrzenianie się następuje w wyniku „fali” termicznej wywołanej przewodnictwem cieplnym (eksplozja deflagracyjna) lub fali uderzeniowej sprężonych gazów (detonacja).
„Fala” termiczna jest podtrzymywana przez ciepło wydzielane podczas spalania, a fala uderzeniowa jest podtrzymywana przez sam sprężony gaz.
Automatyczne przyspieszenie reakcji i wystąpienie eksplozji następuje w wyniku wzrostu temperatury reagujących substancji na skutek ciepła reakcji lub wzrostu aktywnych rodników lub wzrostu ciśnienia fali uderzeniowej.
Temat 4. RODZAJE SPALANIA.
Według różnych cech i właściwości procesy spalania można podzielić na następujące typy:
Według stanu skupienia substancji palnej:
Spalanie gazów;
Spalanie cieczy i topnienie ciał stałych;
Spalanie nietopliwych substancji stałych, pyłopodobnych i zwartych.
Według składu fazowego składników:
Spalanie materiałów wybuchowych.
Zgodnie z przygotowaniem mieszaniny palnej:
Spalanie dyfuzyjne (ogień);
Spalanie kinetyczne (eksplozja).
Zgodnie z dynamiką czoła płomienia:
Stacjonarny;
Niepewny.
Zgodnie z naturą ruchu gazu:
Warstwowy;
Burzliwy.
W zależności od stopnia spalania substancji palnej:
Niekompletny.
W zależności od prędkości rozprzestrzeniania się płomienia:
Normalna;
Deflagracja;
Detonacja.
Przyjrzyjmy się bliżej tym typom.
4.1. Spalanie substancji gazowych, ciekłych i stałych.
W zależności od stan skupienia W substancjach palnych rozróżnia się spalanie gazów, cieczy, pyłów i zwartych ciał stałych.
Według GOST 12.1.044-89:
1. Gazy są substancjami temperatura krytyczna które są mniejsze niż 50 o C. Tcr to minimalna temperatura ogrzewania 1 mola substancji w zamkniętym naczyniu, przy której całkowicie zamienia się ona w parę (patrz § 2.3).
2. Ciecze to substancje o temperaturze topnienia (kroplenia) poniżej 50 o C (patrz § 2.5).
3. Ciało stałe to substancje o temperaturze topnienia (temperaturze kroplenia) powyżej 50 0 C.
4. Pyły to rozdrobnione ciała stałe o wielkości cząstek mniejszej niż 0,85 mm.
Obszar, w którym zachodzi reakcja chemiczna w mieszaninie palnej, tj. spalanie nazywa się frontem płomienia.
Rozważmy procesy spalania w środowisko powietrzne z przykładami.
Spalanie gazów w palniku gazowym. Obserwuje się tu 3 strefy płomieni (ryc. 12):
Ryż. 12. Schemat spalania gazu: 1 – stożek przezroczysty – jest to gaz początkowy podgrzewany (do temperatury samozapłonu); 2 – strefa świetlna czoła płomienia; 3 – produkty spalania (są prawie niewidoczne podczas całkowitego spalania gazów, a szczególnie podczas spalania wodoru, gdy nie tworzy się sadza).
Szerokość czoła płomienia w mieszaninach gazów wynosi dziesiątki ułamków milimetra.
Spalanie cieczy w otwartym naczyniu. Podczas spalania w otwartym naczyniu wyróżnia się 4 strefy (ryc. 13):
Ryż. 13. Spalanie cieczy: 1 – ciecz; 2 – para cieczy (ciemne obszary); 3 – czoło płomienia; 4 – produkty spalania (dym).
Szerokość czoła płomienia w tym przypadku jest większa, tj. reakcja przebiega wolniej.
Spalanie topionych ciał stałych. Weźmy pod uwagę palenie świecy. W tym przypadku obserwuje się 6 stref (ryc. 14):
Ryż. 14. Palenie świecy: 1 – twardy wosk; 2 – wosk stopiony (płynny); 3 – ciemna przezroczysta warstwa pary; 4 – czoło płomienia; 5 – produkty spalania (dym); 6 – knot.
Płonący knot służy do stabilizacji spalania. Ciecz wchłania się w nią, unosi się przez nią, odparowuje i pali się. Zwiększa się szerokość czoła płomienia, co zwiększa obszar jasności, ponieważ stosowane są bardziej złożone węglowodory, które po odparowaniu rozpadają się, a następnie reagują.
Spalanie nietopliwych ciał stałych. Rozważymy ten rodzaj spalania na przykładzie spalania zapałki i papierosa (ryc. 15 i 16).
Tutaj również znajduje się 5 sekcji:
Ryż. 15. Palenie zapałki: 1 – świeże drewno; 2 – drewno zwęglone; 3 – gazy (zgazowane lub odparowane substancje lotne) – jest to ciemnoprzezroczysta strefa; 4 – czoło płomienia; 5 – produkty spalania (dym).
Można zauważyć, że spalony obszar zapałki jest znacznie cieńszy i ma czarny kolor. Oznacza to, że część zapałki została zwęglona, tj. część nielotna pozostała, a część lotna odparowała i spaliła się. Szybkość spalania węgla jest znacznie mniejsza niż gazów, więc nie ma czasu na całkowite spalenie.
Ryc. 16. Palenie papierosów: 1 – oryginalna mieszanka tytoniowa; 2 – sekcja tląca bez czoła płomienia; 3 – dym, tj. produkt spalonych cząstek; 4 – zasysany do płuc dym, będący głównie produktami zgazowania; 5 – żywica skondensowana na filtrze.
Bezpłomieniowy rozkład termooksydacyjny substancji nazywany jest tleniem. Występuje przy niedostatecznej dyfuzji tlenu do strefy spalania i może wystąpić już przy bardzo małej ilości tlenu (1-2%). Dym jest niebieskawy, a nie czarny. Oznacza to, że jest w nim więcej substancji zgazowanych niż spalonych.
Powierzchnia popiołu jest prawie biała. Oznacza to, że przy wystarczającej podaży tlenu następuje całkowite spalanie. Jednak wewnątrz i na granicy spalonej warstwy ze świeżymi warstwami znajduje się czarna substancja. Wskazuje to na niepełne spalanie zwęglonych cząstek. Nawiasem mówiąc, na filtrze kondensują się opary odparowanych substancji żywicznych.
Podobny rodzaj spalania obserwuje się przy spalaniu koksu, tj. węgiel, z którego usunięto substancje lotne (gazy, żywice), lub grafit.
Zatem proces spalania gazów, cieczy i większości ciał stałych zachodzi w postaci gazowej i towarzyszy mu płomień. Niektóre substancje stałe, w tym te, które mają tendencję do samozapłonu, palą się w wyniku tlenia na powierzchni i wewnątrz materiału.
Spalanie substancji pylących. Spalanie warstwy pyłu przebiega analogicznie jak w stanie zwartym, jedynie szybkość spalania wzrasta w wyniku zwiększenia powierzchni kontaktu z powietrzem.
Spalanie substancji pylistych w postaci zawiesiny powietrznej (chmury pyłu) może nastąpić w postaci iskier, tj. spalanie pojedynczych cząstek, w przypadku małej zawartości substancji lotnych, które nie są w stanie wytworzyć podczas odparowania wystarczającej ilości gazów dla pojedynczego frontu płomienia.
Jeśli utworzy się wystarczająca ilość zgazowanych substancji lotnych, następuje spalanie płomieniowe.
Spalanie materiałów wybuchowych. DO ten gatunek Obejmuje to spalanie materiałów wybuchowych i prochu, tzw. substancji skondensowanych, które zawierają już związane chemicznie lub mechanicznie paliwo i utleniacz. Na przykład: w trinitrotoluenie (TNT) C 7 H 5 O 6 N 3 × C 7 H 5 × 3NO 2 środkami utleniającymi są O 2 i NO 2; proch zawiera siarkę, saletrę, węgiel; Domowy materiał wybuchowy składa się z proszku aluminiowego i azotanu amonu, a spoiwem jest olej solarny.
4.2. Spalanie jednorodne i heterogeniczne.
Na podstawie rozważonych przykładów, w zależności od stanu skupienia mieszaniny paliwa i utleniacza, tj. w zależności od liczby faz w mieszaninie wyróżnia się:
1. Jednorodne spalanie gazy i pary substancji łatwopalnych w środowisku gazowego utleniacza. Zatem reakcja spalania zachodzi w układzie składającym się z jednej fazy (stan skupienia).
2. Spalanie heterogeniczne stałe substancje łatwopalne w środowisku gazowego utleniacza. W tym przypadku reakcja zachodzi na granicy faz, natomiast reakcja jednorodna zachodzi w całej objętości.
Jest to spalanie metali, grafitu, tj. praktycznie nielotne materiały. Wiele reakcji gazowych ma charakter jednorodno-heterogeniczny, gdy możliwość zajścia reakcji jednorodnej wynika z jednoczesnego powstania reakcji heterogenicznej.
Spalanie wszystkich substancji ciekłych i wielu substancji stałych, z których wydzielają się pary lub gazy (substancje lotne), następuje w fazie gazowej. Fazy stałe i ciekłe pełnią rolę zbiorników produktów reakcji.
Na przykład niejednorodna reakcja samozapłonu węgla przechodzi w jednorodną fazę spalania substancji lotnych. Pozostałość koksu spala się niejednorodnie.
4.3. Dyfuzja i spalanie kinetyczne.
W zależności od stopnia przygotowania mieszaniny palnej rozróżnia się spalanie dyfuzyjne i kinetyczne.
Rozważane rodzaje spalania (z wyjątkiem materiałów wybuchowych) odnoszą się do spalania dyfuzyjnego. Płomień, tj. Aby zapewnić stabilność, strefa spalania mieszanki paliwowo-powietrznej musi być stale zasilana paliwem i tlenem. Dopływ gazu palnego zależy wyłącznie od szybkości jego dostarczania do strefy spalania. Szybkość wnikania cieczy palnej zależy od intensywności jej parowania, tj. od ciśnienia pary nad powierzchnią cieczy, a co za tym idzie od temperatury cieczy. Temperatura zapłonu to najniższa temperatura cieczy, przy której płomień nad jej powierzchnią nie zgaśnie.
Spalanie ciał stałych różni się od spalania gazów obecnością etapu rozkładu i zgazowania, a następnie zapłonu lotnych produktów pirolizy.
Piroliza- to jest ogrzewanie materia organiczna Do wysokie temperatury bez dostępu powietrza. W tym przypadku następuje rozkład, czyli rozszczepienie związków złożonych na prostsze (koksowanie węgla, kraking oleju, sucha destylacja drewna). Dlatego spalanie stałej substancji palnej do produktu spalania nie koncentruje się tylko w strefie płomienia, ale ma charakter wieloetapowy.
Ogrzewanie fazy stałej powoduje rozkład i wydzielanie się gazów, które zapalają się i spalają. Ciepło z palnika podgrzewa fazę stałą, powodując jej zgazowanie, a proces się powtarza, utrzymując w ten sposób spalanie.
Model spalania stałego zakłada obecność następujących faz (rys. 17):
Ryż. 17. Model spalania
stała materia.
Ogrzewanie fazy stałej. W przypadku substancji topiących się w tej strefie następuje topienie. Grubość strefy zależy od temperatury przewodności substancji;
Piroliza, czyli strefa reakcji w fazie stałej, w której tworzą się gazowe substancje palne;
Płomień wstępny w fazie gazowej, w którym tworzy się mieszanina z utleniaczem;
Płomień, czyli strefa reakcji w fazie gazowej, w której produkty pirolizy przekształcają się w gazowe produkty spalania;
Produkty spalania.
Szybkość dostarczania tlenu do strefy spalania zależy od jego dyfuzji przez produkt spalania.
Ogólnie rzecz biorąc, ponieważ szybkość reakcji chemicznej w strefie spalania w rozważanych rodzajach spalania zależy od szybkości wnikania reagujących składników i powierzchni płomienia poprzez dyfuzję molekularną lub kinetyczną, ten rodzaj spalania nazywa się dyfuzja.
Struktura płomienia spalania dyfuzyjnego składa się z trzech stref (ryc. 18):
Strefa 1 zawiera gazy lub pary. W tej strefie nie ma spalania. Temperatura nie przekracza 500 0 C. Następuje rozkład, piroliza substancji lotnych i ogrzewanie do temperatury samozapłonu.
Ryż. 18. Struktura płomienia.
W strefie 2 powstaje mieszanina par (gazów) z tlenem atmosferycznym i następuje niepełne spalanie do CO z częściową redukcją do węgla (mała ilość tlenu):
C n H m + O 2 → CO + CO 2 + H 2 O;
W trzeciej strefie zewnętrznej następuje całkowite spalanie produktów drugiej strefy i obserwuje się maksymalną temperaturę płomienia:
2CO+O2=2CO2;
Wysokość płomienia jest proporcjonalna do współczynnika dyfuzji i natężenia przepływu gazu i odwrotnie proporcjonalna do gęstości gazu.
Wszystkie rodzaje spalania dyfuzyjnego są nieodłącznym elementem pożarów.
Kinetyczny Spalanie to spalanie wstępnie zmieszanego palnego gazu, pary lub pyłu z utleniaczem. W tym przypadku szybkość spalania zależy wyłącznie od właściwości fizykochemicznych mieszaniny palnej (przewodność cieplna, pojemność cieplna, turbulencja, stężenie substancji, ciśnienie itp.). Dlatego szybkość spalania gwałtownie wzrasta. Ten rodzaj spalania jest nieodłącznym elementem eksplozji.
W takim przypadku, gdy w dowolnym momencie zapali się mieszanina palna, czoło płomienia przemieszcza się z produktów spalania do świeżej mieszanki. Zatem płomień o godz spalanie kinetyczne najczęściej niestabilny (ryc. 19).
Ryż. 19. Schemat rozprzestrzeniania się płomienia w mieszaninie palnej: - źródło zapłonu; - kierunek ruchu frontu płomienia.
Chociaż, jeśli najpierw zmieszasz palny gaz z powietrzem i wprowadzisz go do palnika, to po zapaleniu utworzy się nieruchomy płomień, pod warunkiem, że natężenie przepływu mieszaniny będzie równe prędkości rozprzestrzeniania się płomienia.
W przypadku zwiększenia prędkości podawania gazu płomień odrywa się od palnika i może zgasnąć. A jeśli prędkość zostanie zmniejszona, płomień zostanie wciągnięty do palnika z możliwą eksplozją.
Według stopnia spalania, tj. po zakończeniu reakcji spalania do produktów końcowych następuje spalanie kompletne i niekompletne.
Zatem w strefie 2 (rys. 18) spalanie jest niepełne, ponieważ Nie ma wystarczającej ilości tlenu, który jest częściowo zużywany w strefie 3 i powstają produkty pośrednie. Te ostatnie wypalają się w strefie 3, gdzie jest więcej tlenu, aż do całkowitego spalenia. Obecność sadzy w dymie wskazuje na niepełne spalanie.
Inny przykład: gdy brakuje tlenu, węgiel spala się do tlenku węgla:
Jeśli dodasz O, reakcja zakończy się:
2СО+O 2 =2СО 2.
Szybkość spalania zależy od charakteru ruchu gazów. Dlatego rozróżnia się spalanie laminarne i turbulentne.
Zatem przykładem spalania laminarnego jest płomień świecy w nieruchomym powietrzu. Na spalanie laminarne warstwy gazów przepływają równolegle, bez wirowania.
Spalanie turbulentne– wirowy ruch gazów, w którym następuje intensywne mieszanie gazów spalinowych i rozmycie czoła płomienia. Granicę pomiędzy tymi typami stanowi kryterium Reynoldsa, które charakteryzuje zależność pomiędzy siłami bezwładności a siłami tarcia w przepływie:
Gdzie: ty- prędkość przepływu gazu;
N- lepkość kinetyczna;
l– charakterystyczny rozmiar liniowy.
Liczba Reynoldsa, przy której następuje przejście laminarnej warstwy granicznej w turbulentną, nazywa się krytyczną Re cr, Re cr ~ 2320.
Turbulencja zwiększa szybkość spalania ze względu na intensywniejsze przekazywanie ciepła z produktów spalania do świeżej mieszanki.
4.4. Normalne spalanie.
W zależności od prędkości rozprzestrzeniania się płomienia podczas spalania kinetycznego może nastąpić normalne spalanie (w ciągu kilku m/s), wybuchowa deflagracja (dziesiątki m/s) lub detonacja (tysiące m/s). Te rodzaje spalania mogą się wzajemnie przekształcać.
Normalne spalanie– jest to spalanie, podczas którego rozprzestrzenianie się płomienia następuje przy braku zakłóceń zewnętrznych (turbulencji lub zmian ciśnienia gazu). Zależy to wyłącznie od charakteru substancji palnej, tj. efekt cieplny, przewodność cieplna i współczynniki dyfuzji. Jest to zatem stała fizyczna mieszaniny o określonym składzie. W tym przypadku prędkość spalania wynosi zwykle 0,3-3,0 m/s. Spalanie nazywa się normalnym, ponieważ wektor prędkości jego propagacji jest prostopadły do czoła płomienia.
4,5. Spalanie deflagracyjne (wybuchowe).
Normalne spalanie jest niestabilne i ma tendencję do samoprzyspieszania w zamkniętej przestrzeni. Powodem tego jest zakrzywienie czoła płomienia na skutek tarcia gazu o ścianki naczynia i zmiany ciśnienia w mieszaninie.
Rozważmy proces rozprzestrzeniania się płomienia w rurze (ryc. 20).
Ryż. 20. Schemat występowania spalania wybuchowego.
Początkowo na otwartym końcu rury płomień rozprzestrzenia się z normalną prędkością, ponieważ produkty spalania rozszerzają się swobodnie i wychodzą na zewnątrz. Ciśnienie mieszaniny nie zmienia się. Czas równomiernego rozprzestrzeniania się płomienia zależy od średnicy rury, rodzaju paliwa i jego stężenia.
W miarę przemieszczania się frontu płomienia wewnątrz rury produkty reakcji, posiadające większą objętość w porównaniu do mieszaniny wyjściowej, nie mają czasu na ucieczkę na zewnątrz i ich ciśnienie wzrasta. Ciśnienie to zaczyna pchać we wszystkich kierunkach i dlatego przed frontem płomienia początkowa mieszanina zaczyna przesuwać się w kierunku rozprzestrzeniania się płomienia. Warstwy przylegające do ścian zostają zahamowane. Płomień ma największą prędkość w środku rury, a najwolniejsza prędkość w pobliżu ścian (ze względu na odprowadzanie w nich ciepła). Dlatego czoło płomienia rozciąga się w kierunku rozprzestrzeniania się płomienia, a jego powierzchnia zwiększa się. Proporcjonalnie do tego wzrasta ilość palnej mieszaniny na jednostkę czasu, co pociąga za sobą wzrost ciśnienia, a to z kolei zwiększa prędkość ruchu gazu itp. W ten sposób następuje lawinowy wzrost prędkości rozprzestrzeniania się płomienia do setek metrów na sekundę.
Nazywa się proces rozprzestrzeniania się płomienia przez palną mieszaninę gazów, w którym samoprzyspieszająca reakcja spalania rozprzestrzenia się w wyniku ogrzewania przez przewodzenie ciepła z sąsiedniej warstwy produktów reakcji deflagracja. Zazwyczaj szybkości spalania deflagracyjnego są poddźwiękowe, tj. mniej niż 333 m/s.
4.6. Spalanie detonacyjne.
Jeśli weźmiemy pod uwagę spalanie mieszaniny palnej warstwa po warstwie, to w wyniku rozszerzalności cieplnej objętości produktów spalania za każdym razem, gdy przed frontem płomienia pojawia się fala sprężania. Każda kolejna fala, przechodząc przez gęstszy ośrodek, dogania poprzednią i nakłada się na nią. Stopniowo fale te łączą się w jedną falę uderzeniową (ryc. 21).
Ryż. 21. Schemat powstawania fali detonacyjnej: R o< Р 1 < Р 2 < Р 3 < Р 4 < Р 5 < Р 6 < Р 7 ; 1-7 – нарастание давления в слоях с 1-го по 7-ой.
Podczas fali uderzeniowej, w wyniku sprężania adiabatycznego, gęstość gazów natychmiast wzrasta, a temperatura wzrasta do T 0 w celu samozapłonu. W rezultacie palna mieszanina zostaje zapalona przez falę uderzeniową i detonacja– propagacja spalania poprzez zapłon falą uderzeniową. Fala detonacyjna nie gaśnie, bo zasilany falami uderzeniowymi od płomienia poruszającego się za nim.
Osobliwością detonacji jest to, że zachodzi ona przy prędkości naddźwiękowej 1000-9000 m/s, określonej dla każdego składu mieszaniny, a zatem jest stałą fizyczną mieszaniny. Zależy to tylko od kaloryczności palnej mieszaniny i pojemności cieplnej produktów spalania.
Spotkanie fali uderzeniowej z przeszkodą powoduje powstanie odbitej fali uderzeniowej i jeszcze większego ciśnienia.
Detonacja jest najniebezpieczniejszym rodzajem rozprzestrzeniania się płomienia, ponieważ... ma maksymalną moc wybuchu (N=A/t) i ogromną prędkość. W praktyce detonację można „neutralizować” jedynie w odcinku przeddetonacyjnym, tj. w odległości od punktu zapłonu do miejsca spalania detonacyjnego. W przypadku gazów długość tego odcinka wynosi od 1 do 10 m.
Załadunek...