Горение парогазовых смесей при повышенных температурах и давлениях

Теорией горения
газов в 1889 г. начал
заниматься профессор В. А. Михельсон.
Он определил, что горение не может
существовать, не
распространяясь.

Основные
положения
теории горения и детонации газов
сформулировал Я. Б. Зельдович в 1942 г. при
участии Н. Н. Семенова, Д. А. Франк-Каменецкого,
К. И. Щелкина, Б. Вильсона.

В
настоящее время исследования в данной
области продолжают:
во ВНИИПО МЧС – В. И. Макеев, С. И. Таубкин,
Ю. Н. Шебеко, А. Я. Корольченко; в МГСУ –
проф. В. В. Казеннов и Т. Хирано в Токийском
университете.

Горючие смеси
могут быть простыми и сложными. Простые
смеси содержат
в своем составе один горючий компонент,
сложные
– два и более горючих компонента.

Наиболее простой,
поддающийся теоретическому анализу
вид горения – кинетическое
горение предварительно перемешанных
смесей горючего и окислителя.

На
пожаре этот вид горения встречается
сравнительно редко. Его можно наблюдать,
главным образом, на стадии воспламене­ния
при самовоспламенении или зажигании.
Иногда он имеет место
при пожарах технологического оборудования,
и по внешне­му
проявлению этот режим горения обычно
воспринимается как
взрыв или вспышка.

При
внесении источника зажигания в горючую
смесь (Ок + ГВ)
начинается
реакция окисления горючего с окислителем
в зоне действия источника зажигания.
Если скорость реакции
окисления в каком-то элементарном объеме
этой зоны
достигает максимума, то возникает
горение. Горение на
границе элементарного объема со средой
называется фронтом
пламени.
Фронт пламени имеет вид сферы (см. рис.
3.1) и представляет
собой узкую светящуюся трехмерную
область, в которой начинается и завершается
химическая реакция взаимодействия
горючего с окислителем.
В этой зоне в виде теплоты сгорания
выделяется вся потенциальная
(химическая) энергия топлива и температура
повышается до
максимального значения – температуры
горения. Температура
фронта пламени за счет тепла реак­ции
горения составляет 1000-3000 0С
и зависит от со­става
ГС.

Рис. 3.1. Схема
распространения пламени по предводительно
перемешанной гомогенной смеси: 1 –
исходная горючая смесь; 2 – фронт пламени;
3 – продукты горения; ф.п.
– толщина фронта пламени

В зоне
перед фронтом пламени концентрация
исходных компонентов
почти не меняется, поскольку химическое
взаимодействие
между ними не протекает и температура
ГС
равна начальной. Непосредственно перед
фронтом пламени (зоной химической
реакции) концентрация реагентов
понижается из-за разбавления
ее продуктами реакции. Во
фронте пламени в результате химической
реакции горения концентрация
исходных компонентов резко снижается
до нуля, а
температура достигает максимального
значения. Вследствие молекулярной
теплопроводности температура перед
зоной химической реакции
монотонно повышается от начальной
температуры горючей
смеси до температуры, близкой к
температуре
горения,
образуя зону физического прогрева.

Для
большинства углеводородных смесей
фронт
пламени
представляет
собой яркую зону свечения, которую можно
наблюдать визуально
или зарегистрировать с помощью фотосъемки.
Свечение
фронта пламени имеет химическую природу,
является результатом
превращения вещества и определяется
радикалами С2,
СН
и НСО. При этом толщина зоны свечения
соответствует толщине
зоны реакции.

Тол­щина
фронта пламени, по вычислениям Я. Б.
Зельдови­ча,
равна ф.п.
= 1-100
мкм, поэтому фронт пламени условно
считают поверхностью. Хотя толщина зоны
горения и невелика,
однако вполне достаточна для протекания
реакции го­рения.

Необходимо
отметить, что в пламени
существуют электрические заряды – ионы
и электроны, концентрация которых
составляет 1017
ионов на 1 м3.
Это подтверждается тем, что пламя под
действием электрического напряжения
искажается, отклоняясь к отрицательному
электроду. В настоящее время можно
считать доказанным,
что в пламени имеет место как термическая
ионизация газа,
так и ионизация за счет элементарных
химических актов (хемиионизация).

Рассмотрим
возможные варианты горения и условия,
при которых они возможны.

Дефлаграционное
горение.
Состав ГС
может быть раз­личным.
В общем случае содержание горючего
компонента может изменяться
от нуля до ста процентов. Однако опыт
показывает, что не все смеси
горючего
и окислителя способны распространять
пламя. Распространение возможно лишь
в определенном интервале концентраций.
Данное
количество является показателем ПВО и
называется концентрационным
пределом распространения пламени
(КПРП). При
зажигании смесей,
состав которых выходит за эти пределы,
реакция горения, ини­циированная
зажигающим импульсом, затухает на
небольшом расстоянии от места
зажигания.

Для
смесей горючего и окислителя, находящихся
в газообразном состоянии,
существуют минимальная и максимальная
концентрации горю­чего,
которые ограничивают область горючих
смесей. Эти концентрации называются
соответственно нижним и верхним
концентрационным пределом
распространения пламени (НКПРП и ВКПРП).
Вне пределов распространение пламе­ни
по данной смеси невозможно.
Различные ГПВС имеют свои концентрационные
пределы распространения пламени.
Например, для метана СН4
КПРП возможен между 5-15 %; для водорода
Н2
между 2-84 %. Причины,
обусловливающие наличие КПРП более
подробно будут рассмотрены далее.

Распространение
пламени протекает с определенной
скоростью.
Различают следующие скорости
распространения пламени(Uпл,
м/с):

• нормальная
  («фундаментальная»)
  
  скорость перемещения фронта пламени
  относительно свежей смеси в направлении,
  перпендикулярном (по нормали) к
  поверхности пламени (см. рис. 3.2).

,
(3.1)

где Uн
– нормальная скорость распространения
пламени, м/с;

n
– расстояние, м, пройденное фронтом
пламени по нормали к поверхности фронта
за время ,
с.

Рис. 3.2. Схема
распространения пламени по гомогенной
горючей смеси.

В случае стационарного
пламени, когда его фронт неподвижен

,
(3.2)

где Vсм
– расход свежей смеси, м3/с;

F
– поверхность фронта пламени.

Величина нормальной
скорости распространения пламени
является показателем ПВО для газов:

• видимая
  (наблюдаемая) – скорость пламени
  относительно стенок трубы или поверхности
  (см. рис. 3.2).

,
(3.3)

где UВ
– видимая скорость перемещения пламени,
м/с;

ℓ – расстояние,
м, пройденное фронтом пламени за время
,
с.

Если
горючую смесь направить навстречу
пламени снизу вверх со скоростью
см
≈ UВ,
то можно получить неподвижный стационарный
фронт пламени, т. е. в этом случае скорость
распространения
пламени, согласно определению, будет
равна скоростиистечения
свежей смеси:

,
(3.4)

где
см
–
скорость истечения горючей газовой
смеси, м/с;

Vсм
– расход свежей смеси, м3/с;

S
–
площадь поперечного сечения трубы, м2.

Нормальная
скорость во столько раз меньше видимой,
во сколькоповерхность
фронта пламени больше площади поперечного
сечения
трубы. Если угол между векторами видимой
и нор­мальной
скорости обозначить через 
(рис. 3.2), тогда:

Uн
=
UВcos.
(3.5)

Соотношение
(3.5), предложенное Михельсоном, называется
законом
косинуса.

• массовая
  скорость
  выгорания
  – количество вещества, сгораемого в
  единицу времени с единицы поверхности
  горючей жидкости. Например, для нефти
  UМ
  = 0,04 кг/м2с.

UМ
= Uн
0,
(3.6)

где
UМ
–
массовая скорость, кг/(м2с);

0
–
плотность исходной горючей смеси, кг/м3.

Формула
(3.6) устанавливает взаимосвязь массовой
и нор­мальной
скоростей горения.

Факторы
(условия), влияющие на Uпл:

1. природа
   горючего,
   теплопроводность и теплоемкость газа.
   Например, малореакционные метан и
   бензин имеют скорость распространения
   пламени до 40 м/с, среднереакционные
   этан и пропан – до 80 м/с, высокореакционный
   водород и ацетилен – до 160 м/с;

2. состав
   смеси:
   при стехиометрической концентрации
   скорость распространения пламени
   максимальная, при НКПРП и ВКПРП 
   минимальная, флегматизаторы и ингибиторы
   тормозят химическую реакцию и
   соответственно уменьшают скорость;

3. конфигурация
   пространства:
   разгон пламени происходит при соотношениях
   длины трубы к диаметру L/D 
   1, расширение продуктов горения приводит
   к движению нагретого газа перед фронтом,
   генерируется турбулентность, что
   увеличивает скорость пламени, иногда
   приводит к детонации.
   Наличие препятствия сокращает критическую
   длину: чем больше размеры препятствия,
   тем легче переход в детонацию. С
   увеличением диаметра труб скорость
   распростране­ния
   пламени растет неравномерно. При
   увеличении диа­метра
   труб до 0,1-0,15 м скорость растет довольно
   бы­стро;
   при дальнейшем увеличении диаметра
   труб она продолжает увеличиваться, но
   в меньшей степени. Уве­личение
   температуры происходит до тех пор, пока
   диа­метр
   не достигнет некоторого предельного
   диаметра, выше
   которого увеличение скорости не
   происходит. При уменьшении
   диаметра трубы скорость распространения
   пламени
   уменьшается, и при некотором малом
   диаметре пламя
   в трубе не распространяется. Это явление
   можно объяснить
   увеличением тепловых потерь через
   стенки трубы.

Видимая
скорость распространения пламени не
постоянна, она возрастает и может перейти
в детонацию (см. рис. 3.3).

Переход
дефлаграционного горения в детонациюв
газовоздушных смесях возможен
в следующих
случаях:

• при обогащении
  горючей смеси кислородом;

• при очень больших
  размерах газовых облаков;

• при наличии
  турбулизаторов горения.

Рис. 3.3. Схема
распространения пламени по трубе
Коварда-Джонса: слева наблюдается
затухание пламени, а слева направо
увеличивается площадь пламени,
следовательно растет интенсивность
горения

Согласно
теории гидродинамической неустойчивости
и автотурбулизации фронта нормального
горения в горючих облаках достаточно
больших размеров
неизбежен переход от дефлаграционного
горения к детонации.
Экстраполяционные оценки приводят к
следующим критическим
размерам облаков, при которых вероятность
возникновения детонациивысока:
для водородовоздушных смесей – 70 м, для
пропановоздушных – 3500 м, для метановоздушных
– 5 тыс. м.

Турбулизация
процесса горения газовых смесей с
помощью различных препятствий по пути
распространяющегося пламени приводит
к существенному сокращению критических
размеров газовых облаков, и возникающая
в этом случае детонационная волна
становится источником возбуждения
детонации в неограниченном пространстве.

Детонация.
Детонацией называется процесс превращения
горючей смеси
или взрывчатого вещества (ВВ),
сопровождающийся выделением теплоты
и распространяющийся с постоянной
скоростью, превышающей скорость
распространения звука в данной смеси
или веществе. Детонация ВВ будет
рассмотрена далее.

В
отличие от дефлаграционного горения,
где распространение пламени обусловлено
относительно медленными процессами
диффузии и теплопроводности,
детонация представляет собой комплекс
мощной ударной
волны и следующей за ее фронтом зоны
химического превращения. Благодаря
резкому повышению температуры и давления
за фронтом ударной
волны химическое превращение исходных
веществ в продукты горения
протекает чрезвычайно быстро в очень
тонком слое, непосредственно
прилегающем к фронту ударной волны.

Ударная
волна сжимает и нагревает горючую смесь,
вызывая химическую реакцию, продукты
которой сильно расширяются
– происходит взрыв. Энергия, выделяющаяся
в результате химического
превращения, поддерживает существование
ударной волны, не давая ей затухать.
Скорость перемещения детонационной
волны постоянна для
каждой горючей смеси и достигает
1000-3000 м/с в газовых смесях. Например,
скорость детонации водородо-кислородной
смеси составляет 2820 м/с, метано-кислородной
– 2320 м/с. Давление
во фронте ударной волны при детонации
газовых смесей достигает 1-5 МПа (10-50
атм).

Таким образом,
высокая скорость кинетического горения
образует избыточное давление
Р
и
ударную волну, т. е.
часто протекает в виде взрыва.
Взрыву
предшествует ряд физико-химических
процессов: окисление, самовоспламенение,
затем только горение паров, которое
сопровождается избыточным давлением
и ударной волной.

Распространение
пламени при кинетическом горении
осуществляется
следующими механизмами:

• диффузионным, при
  котором перемещение фронта пламени
  происходит за счет диффузии активных
  центров – радикалов, атомов водорода
  Н из зоны химических реакций в свежую
  смесь;

• тепловым, который
  возможен за счет потока тепла, способного
  нагревать смесь до температуры
  самовоспламенения. Тепло передается
  преимущественно излучением, и
  незначительно – конвекцией и
  теплопроводностью газовых и паровоздушных
  смесей.

На практике
действует диффузионно-тепловой механизм.

При
распространении горения по углеводородам
активные
центры
(R,
атомы Н) из зоны пламени диффундируют
в предпламенную зону, где горючее
окисляется до СО и Н2О
с небольшими добавками СО2
и Н2.
Когда температура фронта пламени
(границы предпламенной и пламенной
зоны) достигает значения температуры
самовоспламенения, скорость тепловыделения
резко превышает скорость теплопотерь
и происходит «цепочно-тепловой
взрыв»,
дающий поток активных центров в свежую
смесь.

Различают несколько
видов пламени:

1. Стационарное,
   или неподвижное
   (рис. 3.4):

• ламинарное
  диффузионное горение
  
  это спокойное горение, когда отчетливо
  видно очертание слоев пламени.

н

смк

в

воздух

газ

Рис. 3.4. Структура
стационарного диффузионного пламени
(высота
пламени
зависит от скорости
подачи
газа)

• турбулентное
  диффузионное пламя
  возникаетпри:
  увеличении скорости подачи газа, наличии
  помех (см. рис. 3.5).

приподнятое
пламя

hпл

Скорость подачи
газа м3/с

Рис. 3.5. Структура
турбулентного диффузионного пламени

2. нестационарноеилиподвижное
   – фронт пламени перемещается относительно
   поверхности или стенок. Подобный вид
   пламени может быть только турбулентным:
   диффузионным или кинетическим.