|
|
1. Кинетическое и диффузионное горение………………………………….3 2. Гомогенное и гетерогенное горение………………………………………6 3. Детонационное го. Теория Горения и взрыва. Контрольная работа по дисциплине Теория горения и взрыва
Институт естественных и технических наук
Заочная форма обучения
Кафедра Безопасности Жизнедеятельности
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
по дисциплине «Теория горения и взрыва»
Вариант 3
Выполнил:
студент
Фамилия:
Имя:
Отчество:
Содержание
Кинетическое и диффузионное горение………………………………….3
Гомогенное и гетерогенное горение………………………………………6
Детонационное горение……………………………………………………7
Дефлаграционное горение………………………………………………....9
Список литературы……………………………………………………….10
Диффузионное и кинетическое горение
Возникновение и протекание процесса горения определяются следующими условиями: наличием горючего вещества, кислорода и источника воспламенения. Горючее вещество и кислород составляют горючую систему, а источник воспламенения вызывает в ней реакцию горения. При установившемся горении источником воспламенения служит зона реакции. Горючие системы могут быть химически однородными и неоднородными. К химически однородным относятся системы, в которых воздух и горючее вещество равномерно перемешаны. Примером могут служить смеси горючих газов, паров или пыли с воздухом. К химически неоднородным относятся системы, в которых горючее вещество и воздух имеют поверхности раздела: твердые горючие материалы и жидкости, находящиеся в воздухе.
Рис. 1. Схема зоны горения паров (гомогенное горение)
Примером горения паров и газов является горение паров, поднимающихся со свободной поверхности жидкости (рис. 1).
Кислород из воздуха, в результате разности парциальных давлений, диффундирует через слой продуктов сгорания к зоне горения. При этом скорость реакции горения зависит только от скорости диффузии кислорода.
Примером горения на поверхности твердого вещества является горение древесного угля, кокса. В этом случае диффузии кислорода к зоне горения также препятствуют продукты сгорания, что видно из схемы, показанной на рис. 14.2. Концентрация кислорода в объеме воздуха (ci) значительно больше концентрации его у зоны горения (с0). Отсутствие достаточного количества кислорода в зоне горения тормозит химическую реакцию горения.
Рис. 14.2. Схема диффузии кислорода в зону горения твердого вещества (гетерогенное горение)
Таким образом, полное время сгорания химически неоднородной горючей системы складывается из времени, необходимого для физического контакта между горючим веществом и кислородом воздуха Тф , и времени, затрачиваемого для протекания самой химической реакции, хх.
В случае гомогенного горения Тф называется временем смесеобразования, а в случае гетерогенного горения - временем транспортировки кислорода из воздуха к твердой поверхности горения.
В зависимости от соотношения Тф и тх горение называют диффузным или кинетическим. При горении химически неоднородных горючих систем время диффузии кислорода к горючему веществу несоизмеримо больше времени, необходимого для протекания химической реакции, т.е. Тф » тх и можно принять тг Тф. Это означает, что скорость горения определяется скоростью диффузии кислорода к горючему веществу и такое горение и называют диффузионным.
Если время физической стадии процесса оказывается несоизмеримо меньшим, чем время, необходимое для протекания химической реакции, т.е. Тф « тх, то можно принять тг
Тф. Скорость процесса горения практически определяется только скоростью химической реакции. Такое горение называют кинетическим. Так горят химически однородные системы. Так как скорость химической реакции при высокой температуре велика, то горение таких смесей происходит мгновенно и носит характер взрыва.
При соизмеримости продолжительности химической реакции и физической стадии процесса горение протекает в промежуточной области (рис. 3), где на его скорость влияют как химические, так и физические факторы.
Рис. 3. Зависимость скорости кинетического (1) и диффузионного (2) горения от температуры
Кривая 1 изображает изменение скорости реакции при кинетическом горении. При низких температурах скорость реакции окисления в смеси слабо зависит от изменения температуры, и кривая 1 на этом участке медленно поднимается вверх. При более высоких температурах реакция окисления начинает сильно ускоряться при повышении температуры, и кривая 1 круто поднимается. Таким образом, скорость реакции в кинетической области зависит только от температуры реагирующих веществ.
Кривая 2 отображает изменение скорости реакции при диффузном горении. При низких температурах ход кривой 2 одинаков с кривой 1, так как скорость реакции окисления меньше скорости диффузии кислорода в зону горения и, следовательно, реакция протекает в кинетической области. При повышении температуры реагирующих веществ скорость реакции становится выше скорости диффузии кислорода в зону горения, и скорость процесса определяется скоростью диффузии кислорода в зону горения. Кривая 2 в точке А изменяет свое направление, отклоняясь вправо от кривой 1. Дальнейший ход кривой 2 показывает, что скорость процесса горения в диффузионной области очень мало зависит от температуры.
Гомогенное и гетерогенное горение
К гомогенному относится горение предварительно перемешанных газов. Многочисленными примерами гомогенного горения являются процессы сгорания газов или паров, в которых окислителем является кислород воздуха: горение смесей водорода, смесей оксида углерода и углеводородов с воздухом. В практически важных случаях не всегда выполняется условие полного предварительного перемешивания. Поэтому всегда возможны комбинации гомогенного с другими видами горения.
Гомогенное горение может быть реализовано в двух режимах: ламинарном и турбулентном. Турбулентность ускоряет процесс горения за счет дробления фронта пламени на отдельные фрагменты и соответственно увеличения площади контакта реагирующих веществ при крупномасштабной турбулентности или ускорения процессов те-пломассопереноса во фронте пламени при мелкомасштабной. Турбулентному горению присуща автомодельность: турбулентные вихри увеличивают скорость горения, что приводит к увеличению турбулентности.
Все параметры гомогенного горения проявляются и в процессах, в которых окислителем выступает не кислород, а другие газы. Например, фтор, хлор или бром.
Гетерогенное горение происходит на поверхности раздела фаз. При этом одно из реагирующих веществ находится в конденсированном состоянии, другое (обычно кислород воздуха) поступает за счет диффузии газовой фазы. Обязательным условием гетерогенного горения является очень высокая температура кипения (или разложения) конденсированной фазы. При несоблюдении этого условия горению предшествует испарение или разложение. От поверхности в зону горения поступает поток пара или газообразных продуктов разложения, и горение происходит в газовой фазе. Такое горение можно отнести к диффузионным квазигетерогенным, но не полностью гетерогенным, поскольку процесс горения происходит уже не на границе фаз. Развитие такого горения осуществляется за счет теплового потока от факела пламени к поверхности материала, который обеспечивает дальнейшее испарение или разложение и поступление горючего в зону горения. В подобных ситуациях возникает смешанный случай, когда реакции горения частично протекают гетеро-генно - на поверхности конденсированной фазы, частично гомогенно - в объеме газовой смеси.
Примером гетерогенного горения является горение каменного и древесного угля. При сгорании этих веществ протекают реакции двоякого рода. Некоторые сорта каменного угля выделяют при нагревании летучие компоненты. Сгоранию таких углей предшествует их частичное термическое разложение с выделением газообразных углеводородов и водорода, сгорающих в газовой фазе. Кроме того, при сгорании чистого углерода может образовываться оксид углерода СО, догорающий в объеме. При достаточном избытке воздуха и высокой температуре поверхности угля объемные реакции протекают настолько близко от поверхности, что в определенном приближении дает основание считать такой процесс гетерогенным.
Примером действительно гетерогенного горения является горение тугоплавких нелетучих металлов. Эти процессы могут осложняться образованием окислов, покрывающих горящую поверхность и препятствующих контакту с кислородом. При большой разнице в физико-химических свойствах между металлом и его окислом в процессе горения окисная пленка растрескивается, и доступ кислорода в зону горения обеспечивается.
Детонационное горение
Детонационное горение характеризуется скоростью распространения пламени, превышающей скорость распространения звука в данной среде, и часто наблюдается в трубах большой длины и большого диаметра. Высокая скорость химической реакции горения при детонации обусловлена действием ударной волны, которая является в данных условиях не чем иным, как тепловым импульсом воспламенения. При этом давление детонационного горения достигает колоссальных значений, во много раз превышающих начальное давление.
Если рассматривать сгорание горючей смеси послойно, то в результате термического расширения объема продуктов сгорания каждый раз впереди фронта пламени возникает волна сжатия. Каждая последующая волна, двига-ясь по более плотной среде, догоняет предыдущую и накладывается на нее. Постепенно эти волны соединяются в одну ударную волну (рис. 21).
Рис. 1. Схема образования де-тонационной волны: Ро< Р1 < Р2 < Р3 < Р4 < Р5 < Р6 < Р7; 1-7 – нарастание давления в слоях с 1-го по 7-ой.
В ударной волне в результате адиабатического сжатия мгновенно уве-личивается плотность газов и повышается температура до Т0 самовоспламе-нения. В результате происходит зажигание горючей смеси ударной волной и возникает детонация – распространение горения путем воспламенения удар-ной волной. Детонационная волна не гаснет, т.к. подпитывается ударными волнами от движущегося вслед за ней пламени.
Особенность детонации – она происходит с определенной для каждого состава смеси сверхзвуковой скоростью 1000-9000 м/с, поэтому является фи-зической константой смеси. Она зависит только от калорийности горючей смеси и теплоемкости продуктов сгорания.
Встреча ударной волны с препятствием ведет к образованию отражен-ной ударной волны и еще большему давлению.
Детонация – самый опасный вид распространения пламени, т.к. имеет максимальную мощность взрыва (N=A/t) и огромную скорость. Практически «обезвредить» детонацию можно лишь на преддетонационном участке, т.е. на расстоянии от точки зажигания до места возникновения детонационного горения. Для газов длина этого участка от 1 до 10 м.
Дефлаграционное горение
Дефлаграция – это режим распространения пламени по горючей газовой смеси, осуществляемый путем диффузии активных центров и передачи тепла из фронта пламени в несгоревшую смесь. Дефлаграция обычно бывает в предварительно перемешанных горючих газовых смесях (гомогенное горение) с дозвуковыми скоростями, определяемыми скоростью химической реакции (кинетическое горение) (см. Горение). Дефлаграция Минимальная скорость дефлаграции сопоставима с нормальной скоростью распространения пламени. Такую дефлаграцию называют «слабой дефлаграцией», в отличие от «сильной дефлаграции», имеющей скорость, близкую к звуковой (330 м/с). «Сильная дефлаграция» может при определенных условиях самопроизвольно переходить в детонацию, отличающуюся от дефлаграции иным механизмом и скоростью распространения пламени (до 9000 м/с).
Механизм ускорения пламени при дефлаграции связан с турбулентностью пламени, возникающей за счет влияния стенок, ограничивающих газовую смесь, или за счет автотурбулизации пламени. В реальных условиях, при аварийном выбросе горючей газовой смеси в производственное помещение, роль «ускорителя» пламени могут выполнять технологическое оборудование, площадки обслуживания аппаратов, строительные конструкции. Например, для водородовоздушных смесей критический размер загромождения (начальный размер облака) составляет 1 м, для метановоздушных смесей — 10 м.
Передача зажигающего импульса при дефлаграции осуществляется послойно путем молекулярной теплопроводности при постоянном давлении. Продукты сгорания перемещаются в сторону, противоположную движению фронта пламени. В замкнутом пространстве (аппарате, помещении) в результате дефлаграции возникает избыточное давление, которое можно с достаточной точностью определить по известному уравнению в зависимости от свободного объема помещения, теплоты сгорания горючей смеси, массы горючего вещества и других величин. Получаемая величина избыточного давления используется при категорировании помещений по взрывопожарной опасности, расчете площади легкосбрасываемых конструкций, учитывается при разработке мероприятий по гражданской обороне объектов.
Список литературы
1. Абдурагимов, И. М. Физико-химические основы развития и тушения пожаров / И. М. Абдурагимов, В. Д. Говоров, В. Е. Макаров. - М.: ВИПТШ МВД СССР, 1980.
2. Абдурагимов, И. М. Процессы горения : учебное пособие / И. М. Абдурагимов, А. С. Андросов, Л. К. Исаева. — М.: ВИПТШ МВД СССР, 1984.
3. Андросов, А. С. Методические указания к решению задач по курсу «Процессы горения» / А. С. Андросов. — М.: ВИПТШ МВД СССР, 1984.
4. Арефьев, К. М. Основы практической теории горения /К. М. Арефьев [и др.]. — Л.: Энергоатомиздат, 1986.
5. Жученков, Е. И. Исследование эксплуатационных свойств современных взрывчатых веществ / Е. И. Жученков [и др.]. — М.: Изд-во МГУ им. М. В. Ломоносова, 2003.
6. Казаков О. Г. Основы теории неуправляемого горения и взрыва/ О. Г. Казаков [и др.]. — Брянск : БГТУ, 2005.
7. Кутузов, Б. Н. Разрушение горных пород взрывом / Б. Н. Кутузов. — М. : Изд-во МГУ им. М. В. Ломоносова, 1994.
|
|
|
Скачать 163.57 Kb.