Распространение пламени

Интенсивность горения неподвижных или ламинарно-движущихся горючих газовых смесей характеризуется нормальной скоростью распространения пламени U_n (пламя распространяется по нормали к фронту горения).

Рассмотрим процесс распространения пламени в предварительно подготовленной горючей смеси, когда эта смесь движется внутри трубки. В результате начавшегося горения создается фронт пламени толщиной d и перемещающийся в направлении движения смеси. Стабилизация фронта пламени наблюдается при равенстве скоростей смеси и противоположно направленной скорости перемещения фронта пламени.

Скорость нормального распространения пламени зависит:

- от состава смеси,

- от температуры,

- от вида горючего газа и окислителя.

Скорость нормального распространения пламени имеет значения:

- СО + воздух – 0,43 м/с;

- СН₄ + воздух – 0,38 м/с;

- Н₂ + воздух – 2,65 м/с;

- Н₂ + кислород – 13,0 м/с.

Распространение пламени можно рассматривать как процесс ускорения реакции при прохождении газа через зону пламени [10].

Фронт горения делит массу газа на две части (рис. 3.4):

- перед фронтом горения – слабо нагретая газовая смесь,

- позади фронта горения – сильно нагретые продукты сгорания.

В зоне горения температура изменяется от начальной Т₀ до температуры горения Т_г, при этом уменьшается концентрация горючих веществ от С₀ до 0.

Рисунок 3.4 - Изменение температуры, концентрации

горючих веществ и скорости реакции во фронте пламени

Скорость реакции W зависит от концентрации С горючих веществ и температуры Т, поэтому в зоне пламени скорость реакции проходит через максимум (увеличивается с повышением температуры и уменьшается по мере уменьшения концентрации горючих). Чем больше скорость химической реакции, тем больше скорость распространения пламени и меньше время пребывания газа в зоне пламени (рис. 3.5).

Рисунок 3.5 - Определение толщины фронта пламени

Заменим истинное распределение температур ломаной линией, проведя касательную в точке перегиба и продолжив ее до пересечения с прямыми Т₀ и Т_г. Расстояние между точками пересечения d – тепловая ширина фронта пламени. Максимальный градиент температур в пламени (рис. 3.5) можно представить в виде

.

Поток теплоты из зоны пламени идет на нагрев свежей смеси теплопроводностью

.

С другой стороны, эта теплота затрачивается на подогрев смеси в количестве G = r·U_n·1 (1 кг/м³· 1м/с × 1м² = 1 кг/с) от температуры Т₀ до Т_г: .

Приравнивая q, получим соотношение, связывающее нормальную скорость распространения пламени U_n и толщину фронта пламени d:

, (3.8)

где a – коэффициент температуропроводности, м²/с.

При нормальном распространении пламени химические реакции протекают в очень тонком слое. Толщина фронта пламени d составляет доли миллиметра.

При адиабатных условиях скорость нормального распространения пламени может быть определена по формуле [11]

, (3.9)

где а – коэффициент температуропроводности, м²/с;

k₀ и Е – предэкспоненциальный множитель и энергия активации уравнения Аррениуса для данной реакции горения, м/с и Дж/моль;

Т₀ – начальная температура горения, К;

Т_т – теоретическая температура горения, К;

R=8,314 кДж/моль – универсальная газовая постоянная.

Скорости нормального распространения пламени при горении смеси метан-воздух представлена на рис. 3.6.

Рисунок 3.6 - Зависимость скорости нормального распространения пламени от коэффициента избытка воздуха для смеси метан-воздух

Скорость нормального распространения пламени U_n, зависит от энергии активации Е и теоретической температуры горения Т_т. Теоретическая температура горения Т_т зависит от состава исходной горючей смеси. Максимальная температура горения Т_т достигается при коэффициенте избытка воздуха α, близком к единице (рис. 3.6), следовательно, и максимальная скорость распространения пламени достигается в стехиометрической смеси.

Предварительный подогрев смеси увеличивает нормальную скорость распространения пламени U_n, так как при этом повышается температура горения. Инертные добавки (например, азот воздуха) снижают скорость горения, поскольку при этом снижается температура горения.