Тепловая теория горения.

При адиабатическом, т.е. не сопровождающемся тепловыми потерями сгорании, весь запас химической энергии горючей системы переходит в тепловую энергию продуктов реакции. Температура продуктов адиабатичес-кого сгорания не зависит от скорости реакций, протекающих в пламени, а лишь от их суммарного теплового эффекта и теплоемкостей конечных про-дуктов. Эта величина называется адиабатической температурой горения Т_г. Она является важной характеристикой горючей среды. У большинства горючих смесей величина Т_г лежит в пределах 1500-3000° К. Очевидно, что Т_г – максимальная температура продуктов реакции в отсутствие внешнего по-догрева. Фактическая температура продуктов сгорания может быть только меньше Т_гв случае возникновения тепловых потерь.

Согласно тепловой теории горения, разработанной советскими уче­-ными Я.Б. Зельдовичем и Д.А. Франк-Каменецким, распространение пламени происходит путем передачи тепла от продуктов горения к несгоревшей (све­-жей) смеси. Распределение температур в газовой смеси с учетом тепловыде­-ления от химической реакции и теплопроводности показано на рис. 26.

Рис. 26.

Фронт пламени, т.е. зона, в которой происходит реакция горения и ин­-тенсивный саморазогрев сгорающего газа, начинается при температуре само­-воспламенения Т_св и заканчивается при температуре Т_г.

Перед распространяющимся вправо фронтом пламени находится све­-жая смесь, а сзади – продукты горения. Считается, что в зоне подогрева ре­-акция протекает настолько медленно, что выделением тепла пренебрегают.

Процесс теплопередачи при стационарном распространении пламени не приводит к потерям тепла и понижению температуры по сравнению с Т_г непосредственно за фронтом пламени. Теплоотвод из каждого сгорающего слоя газа при поджигании соседнего, еще не нагретого, скомпенсирован аналогичным количеством тепла, ранее полученным в поджигающем слое при его собственном поджигании. Дополнительное тепло начального поджи-гающего импульса заметно не искажает стационарного режима горения, так как его роль все более уменьшается по мере увеличения количества сгорев- шего газа.

Продукты сгорания теряют тепло только в результате излучения и при соприкосновении с твердой поверхностью. Если излучение незначительно, такое сгорание оказывается практически адиабатическим. Заметные тепловые потери возможны лишь на определенном расстоянии за фронтом пламени.

Таким образом, инициирование горения газовой смеси в одной точке приводит к нагреву близлежащего слоя, который разогревается путем тепло­-проводности от продуктов реакции до самовоспламенения. Сгорание этого слоя влечет за собой воспламенение следующего и т.д. до полного выгорания горючей смеси. Отводимое из зоны реакции тепло в свежую смесь полностью компенсируется выделением тепла реакции и возникает устойчивый фронт пламени. В результате послойного сгорания фронт пламени перемещается по смеси, обеспечивая распространение пламени.

Если свежая смесь движется навстречу фронту пламени со скоростью, равной скорости распространения пламени, то пламя будет неподвижным (стационарным).

Теоретическое обоснование условий распространения пламени можно привести при рассмотрении стационарного пламени, когда ско­рость его рас-пространения U_пл равна скорости подачи газовой смеси υ_г: U_пл=υ_г (рис. 27). В данном случае соотношение между нор­мальной скоростью горения U_н и ско-ростью распространения пла­мени U_пл выразится уравнением:

U_н = U_пл*sinφ. (7.1)

		горелка

Рис. 27.

К свежей смеси от единицы поверхности пламени в единицу времени путем теплопроводности подводится количество тепла:

(7.2)

где: - коэффициент теплопроводности;

- ширина фронта пламени.

Это тепло расходуется на нагрев свежей смеси от начальной темпера­-туры Т_о до температуры горения Т_г:

(7.3)

где: с – удельная теплоемкость;

- плотность смеси.

С учетом уравнений (7.2) и (7.3) при U_пл=υ_г скорость распространения пла­мени определяется соотношением:

(7.4)

где: - коэффициент температуропроводности.

Поскольку скорость горения очень сильно зависит от температуры, сгорание основной массы газа происходит в зоне, температура которой близ-ка к Т_г.

Скорость химической реакции, как рассмотрено в § 6.1., определяется уравнением:

. (7.5)
Тогда скорость распространения пламени:

(7.6)

где: b – показатель, зависящий от свойств смеси, .

Таким образом, пламя не сможет распространяться по горючей смеси, если его температура будет ниже теоретической температуры горения на ве­-личину превышающую (см. § 9.3).

- характеристический интервал температур в химической кинетике. Изменение температуры на эту величину приводит к изменению скорости реакции в “e” раз.

Предельное значение скорости распространения пламени U_ПРЕД опреде­-ляется соотношением:

(7.7)

В отличие от рассмотренного случая нормального горения, в реальных условиях взрывов в замкнутом пространстве процесс дефлаграционного горе-ния самоускоряется. Это связано с расширением поверхности горения, воз­-никновением движения газов и повышением давления при горении.