|
|
теория горения-1. Удк 614 б бк я тзз рецензенты
1
12
)
(1.13)
(1.14)
1.7. Вынужденное воспламенение (зажигание) горючих смесей39Задавшись размерами нагретого тела d, можно определить концентрационные пределы зажигания горючих смесей фп(в) = f ( T CJ), пределы зажигания подавлению Ркр = / ( Г ст) и другие пределы в зависимости от мощности источника зажигания. Рассмотренная схема механизма вынужденного воспламенения горючей газовой смеси от нагретого тела показала, что температура тела при зажигании должна быть выше, чем при самовоспламенении смеси из-за наличия теплоотвода от горячей стенки в горючий газ расхода горючих компонентов в пристенном слое наличия каталитических свойств материала стенки. Третья причина обусловлена интенсивным расходом компонентов горючей смеси вблизи каталитической поверхности. В пограничном слое горючее расходуется так интенсивно, что распространение химической реакции окисления за пределы прилегающей зоны и возникновение процесса горения во всей смеси становятся невозможными при тех температурах, при которых они возникают от некатали тических металлических поверхностей. Особенно хорошо это видно в экспериментах с использованием в качестве поджигающего элемента платины (температура зажигания стехиометрической смеси составляет 1450 К для платины и 1020 К — для стали. Рассмотренные процессы относятся к стационарным при которых разогрев стенки происходит сочень малой скоростью. Однако в реальных условиях чаще всего возникают нестационарные процессы. При внезапном разогреве стенки до температуры Ть Т или Т или внесении в горючую смесь постороннего тела с температурой выше Г процесс зажигания качественно будет выглядеть так, как показано на рис. 1.11, теза короткое время зажигания от нагретой стенки (или нагретого тела) прогреется не весь газа лишь небольшой пограничный слой газа толщиной Температура газовой смеси по всей глубине сосуда останется почти такой же, как и была, те. (Tr)L >S T 0. Почти весь градиент температур от Тт
до Г установится в слое 8 и тепловой поток от горячей стенки будет значителен только в слое 8. Если в качестве источника зажигания в горючую газовоздушную смесь внезапно ввести нагретое до высокой температуры твердое тело конечных размеров d, то картина процесса зажигания будет аналогична рассмотренной Глава 1. Возникновение процессов горенияРис. 1.11. Распределение температуры в горючей газовой среде при быстром нагреве стенкиПри этом размер и термодинамические параметры зоны разогрева горючей газовой смеси (толщина слоя смеси, ее температура, скорость подогрева и др) будут зависеть от размеров, формы и температуры поджигающего тела, количества запасенного тепла (те. запаса энергии, источника зажигания и других факторов. Очевидно, что чем меньше площадь поверхности источника зажигания, тем выше должна быть температура его поверхности для обеспечения требуемого запаса тепла в подогретом слое горючего газа чем меньше собственная теплоемкость источника поджигания (его собственная масса, тем выше должна быть его начальная температура для сообщения горючей смеси требуемого начального импульса, необходимого для возникновения процессов горения чем выше температура воспламенения (самовоспламенения) данного вида горючей смеси, тем, соответственно, выше должна быть температура поверхности источника поджигания, и т.д. Эти общие положения хорошо подтверждаются как теоретическими исследованиями (см. уравнения (1.13), (1.14)) таки результатами экспериментов по изучению влияния на температуру зажигания размеров тела, площади его 1.7. Вынужденное воспламенение (зажигание) горючих смесей41поверхности, давления горючей смеси и ее природы, периода задержки (индукционного периода, скорости потока смеси (рис. Рис. 1.12. Зависимость температуры зажигания горючей смеси от размеров тела — пентан 2 - светильный газ 3 — водород Рис. 1.13. Зависимость температуры зажигания горючей смеси от площади нагретой поверхности Глава 1. Возникновение процессов горения Из экспериментальных данных, представленных на рис. 1.12 очевидно, что с увеличением диаметра поджигающего шарика dm с 1 до 5 мм температура поджигающей поверхности нагретого тела монотонно снижается для всех трех видов горючей смеси примерно на С. Кроме того, у легковоспламенимых водородно-воздушных смесей температура воспламенения во всех случаях остается минимальной. Зависимость температуры зажигания от площади зажигающей поверхности Тзаж = f ( S ) наиболее наглядно представлена на рис. 1.13. При достаточно большой площади зажигающей поверхности (П > 200 см) критическая температура зажигания смеси природного газа с воздухом асимптотически приближается к своему минимальному значению С. Приуменьшении площади зажигающей поверхности до 50 см она постепенно становится выше С, а при дальнейшем уменьшении площади резко нарастает до С, стремясь к бесконечности при приближении размеров зажигающей поверхности к нулю, те. нагретые тела очень маленьких размеров (dm« 1 мм) практически неспособны поджечь горючую смесь даже при очень высоких значениях температуры. Зависимость температуры зажигающей поверхности от давления и вида горючей смеси показана на рис. Рис. 1.14. Зависимость температуры зажигания горючей метано-воздушной смеси от давления при различном времени воздействия источника зажигания — 0,5 с 2 1 с 3 -2 с 4 — 3 с 1.7. Вынужденное воспламенение (зажигание) горючих смесей43и 1.15. Из экспериментальных данных, представленных на этих рисунках, очевидно, что температура вынужденного зажигания горючих газовых смесей и паровоздушных смесей паров горючих жидкостей монотонно снижается до С для метано-воздушных смесей и до минимальной температуры воспламенения углеводородов примерно С для смеси паров нефти с воздухом при давлении примерно 25—30 атм. Эти закономерности изменения допустимой (критической) температуры, близкой к температуре зажигания пожароопасных газо- и паровоздушных смесей, от вида горючего, состава смеси, давления, размеров поджигающего тела и других параметров воспламенения необходимо знать для обеспечения пожарной безопасности технологических процессов производства, при проведении научно обоснованной экспертизы пожаров ив ряде других ситуаций, связанных с обеспечением пожарной безопасности промышленных предприятий. Большой практический и научный интерес представляют явления вынужденного зажигания движущихся газовых смесей (или неподвижных газовых смесей движущимся источником зажигания летящими искрами, падающими каплями расплавленного металла и др, так Рис. 1.15. Зависимость температуры зажигания паров горючих жидкостей от давления — бензол 2 — цилиндровое масло 3 — бензин 4 — нефть Глава 1. Возникновение процессов горения как они чаще встречаются на практике. Кроме того, эти закономерности подтверждают и наглядно иллюстрируют механизм тепловой картины зажигания, которая была рассмотрена выше. Очевидно, что при зажигании газовой смеси движущимся нагретым телом, движущейся газовой смесью или нагретой стенкой теплообмен газа с нагретым телом или стенкой становится интенсивнее, интенсивнее происходит размывание теплового поля вокруг нагретого тела. Поэтому, чтобы нагреть горючую смесь до температуры зажигания (до температуры интенсивного протекания химической реакции, необходимы более мощные источники тепла нагретое тело больших размеров или тело, нагретое до больших температур. При увеличении относительной скорости движения горючей газовой смеси или источника поджигания эта зависимость тоже увеличивается (например, увеличивается критическая температура зажигания). Экспериментальные данные по зажиганию движущихся газовоздушных смесей нагретыми металлическими стержнями приведены на рис. 1.16. Из приведенных зависимостей очевидно, что минимального значения температуры зажигающей поверхности стержня, обтекаемого потоком горючей газовоздушной смеси, достаточно для таких лег- ковоспламеняемы х горючих, как водород и ацетилен. Но и для них с увеличением скорости потока температура поджигающей поверхности возрастает. Наиболее крутой Рис. 1.16. Зависимость температуры зажигания горючей смеси от скорости потока — пентан 2 — оксид пропилена 3 — оксид этилена — сероуглерод 5 — ацетилен 6 — водород 1.7. Вынужденное воспламенение (зажигание) горючих смесей45характер зависимости температуры поджигающей поверхности от скорости газового потока имеют такие горючие, как сероуглерод, оксид пропилена и пентан. У этих горючих с увеличением скорости потока в 2 раза температура зажигающей поверхности повышается на С. Эти закономерности изменения температуры зажигания горючих смесей при тех или иных физических условиях протекания процесса зажигания также необходимо учитывать, как при экспертизе пожара. Заж игание горючих газовых смесей электрической искрой является довольно распространенным видом вынужденного воспламенения как при управляемом, таки при неуправляемом горении. Механизм данного процесса намного сложнее теплового механизма зажигания нагретым телом. При электрическом разряде в горючей смеси образуется канал (определенный объем газа, имеющий высокую температуру (до десятков тысяч градусов) и состоящий из возбужденных и ионизированных молекул (плазмы. Ионизация газов в зоне электрического разряда и образование возбужденных молекул способствуют интенсивному течению химических реакций, что, в свою очередь, приводит к воспламенению. Время действия разряда ничтожно мало — тысячные доли секунды, но время тепловой релаксации системы настолько велико, что его можно рассматривать с позиций термодинамического равновесия, когда мгновенно выделяемое тепло медленно распределяется от первоначально нагретого газа в окружающее пространство. Таким образом, зажигающую искру можно рассматривать как своеобразное разогретое газообразное тело. В соответствии с этим существует две теории искрового зажигания ионная и тепловая. Вопрос только в том, какой из них является доминирующими при каких условиях, те. когда преобладают одни факторы, а когда другие. Это необходимо знать как для усиления зажигающего действия электрической искры в тепловых установках, двигателях и других устройствах, таки для предотвращения пожаров и случайных взрывов газовоздушных и паровоздушных смесей. При искровом зажигании для каждого вида горючего и смеси газов существует минимальная мощность электрического разряда, при которой смесь способна воспламениться возникает фронт пламени и происходит его Глава 1. Возникновение процессов горения дальнейшее распространение за пределы зоны зажигания, которая называется критической энергией зажигания. Минимальная мощность искры зависит от состава смеси, ее давления, температуры и некоторых других параметров смеси. Ученый Я. Б. Зельдович разработал тепловую теорию искрового зажигания Согласно этой теории электрическая искра заменяется точечным источником тепла, который в определенный момент выделяет некоторое количество тепла Q. За счет данного тепла газовое пространство, окружающее источник, разогревается. Если объем газового пространства, разогретого этим теплом до температуры выше температуры горения Гг, больше критической величины RKp, то происходит воспламенение смеси. Критический объем газа определяется из следующих условий. Если время охлаждения разогретого энергией искры газового объема от температуры ТТ до температуры ТГ- в больше характеристического времени химической реакции горения, то зажигание газовой смеси возможно, а если это время меньше 1 • 10 4 сто смесь не воспламенится:
где 0 — интервал температур, при котором скорость реакции уменьшится в ераз.
Числовое значение критического радиуса разогретой сферы газовой смеси, которая способна воспламенить весь объем смеси, может быть определено через толщину фронта пламени 5ПЛ:
Для большинства горючих газовых смесей стехиометрического состава при нормальном давлении, температуре и ламинарном режиме горения бпл= 0,1 мм. Считается, что слой газовой смеси, прилежащий к сферической поверхности разогретого объема газа, успевает воспламениться прежде, чем разогретый объем газа охладится до температуры ниже зажигания. Количество тепла, которое нагреет такой объем смеси от Т до Тг, можно подсчитать по формуле
Е где R3KB — радиус разогретой сферы газа
1.7. Вынужденное воспламенение (зажигание) горючих смесей
47
Критическое количество тепла, необходимое для зажигания смеси электрической искрой, можно определить по формуле
Это выражение позволяет проанализировать влияние различных физико-химических параметров горючей газовой смеси на энергию вынужденного зажигания Езаж Q. Известно, что X, ср и особенно Wn зависят от вида горючего, состава смеси и других условий воспламенения. Количественно энергия вынужденного воспламенения горючих газовых смесей является ничтожно малой величиной и колеблется для различных газовых смесей от десятых долей до нескольких миллиджоулей. Минимальное значение критической энергии зажигания наиболее распространенных горючих газовоздушных смесей составляет мДж, но для некоторых углеводородов QKp может оказаться несколько ниже, в связи с этим по соображениям техники безопасности следует ввести поправочный коэффициент запаса, критическую энергию зажигания горючих и взрывоопасных углеводородных смесей с воздухом условно можно принять равной 0,1 мДж.
В ряде экспериментов процесс вынужденного зажигания горючих газовых смесей электрической искрой фиксировался методом скоростной киносъемки. Из этих кинограмм очевидно, что, если к моменту времени, равному 1 • 10 4 с, объем сферы разогретых газов и зародившийся очаг горения достигали размера примерно 1 мм, процесс горения распространялся на всю смесь. Если нет — зона разогретых газов размывалась в той же смеси, но при энергии искры меньше критической горения вообще не возникало.
При воспламенении газовозушных смесей неизбежны потери энергии на излучение за счет высоких температур газа в электрической искре, теплопотери на нагрев электродов. Поэтому с учетом гасящего действия тела электродов фактическая энергия зажигания будет несколько больше, а критическая энергия зажигания ЕЩ
) *0,1 мДж, полученная по тепловой теории, может быть принята в качестве предельной.
Кроме перечисленных факторов, минимальная критическая энергия зажигания углеводородовоздушных сме
Глава 1. Возникновение процессов горения сей зависит от вида горючего, концентрационного состава горючей смеси, давления, диаметра и вида материала электродов и др. Оценим количественно влияние газового потока. Время жизни электрической искры в зависимости от ее мощности Е колеблется в очень широких пределах от -0,01 до -1000 мкс. Возьмем среднюю продолжительность искры -1 0 мкс, а характеристическое время тепловых процессов при вынужденном зажигании горючих газовых смесей электрической искрой примем равным характеристическому времени химической реакции 100 мс. Тогда при скорости потока в 100 мс горючая газовая смесь сместится от оси проскока искры на расстояние в 10 мм, те. враз большее характеристического диаметра начального объема разогретой газовой смеси, а при скорости газа всего 10 мс на расстояние в 1 мм, те. на величину, вполне соизмеримую с критическим радиусом сферы разогретого газа. Поэтому при рассмотрении вынужденного зажигания движущихся горючих смесей вводят поправку на П-образную форму разогретой зоны и другие осложняющие факторы например, мелкомасштабную турбулентность, влияющие на условия теплообмена, режим горения и др. Очевидно, что для воспламенения движущихся газовых смесей необходима мощная электрическая искра, пропорциональная объему нагреваемой смеси. В физике дается следующее примерное соотношение: E3=E3o+AW?t.(1.17) Графически эта зависимость представлена на рис. 1.17. С увеличением скорости течения газовой пропано-воздуш- ной смеси энергия вынужденного зажигания растет. Возрастает она и с понижением давления в газовой смеси. Для пропано- и метано-воздушных смесей стехиометрического состава при нормальном давлении энергия вынужденного зажигания равна 0,2 мДж, при давлении 230 мм рт. стона возрастает до 2 мДж, а при снижении давления до 125 мм рт. ст. возрастает до 6 мДж. Дальнейшее повышение критической энергии зажигания смеси обусловлено повышением скорости газовоздушного потока и изменением степени его турбулентности, ноне превышает 100 мДж даже при зажигании движущихся газовых смесей при пониженном давлении. Для неподвижных смесей и при нормальных условиях эта величина редко превышает 1.7. Вынужденное воспламенение (зажигание) горючих смесей мДж. Минимальное ее Е мд ж значение еще меньше — при- кр мерно 0,2—0,3 мДж.
Сущ ествую теще такие 64- виды вынужденного вое- 56- пламенен и я, как зажигание горячими струями газа, зажигание от постороннего 40- источника пламени, зажигание в результате адиабатического сжатия.
24 -Первый и третий виды зажигания применяются преимущественно в технике, 8 - в специальных устройствах по сжиганию горючих газов - 0 15 30 45 60 мд. и паров горючих жидкостей. Второй вид зажигания рис Зависимость от постороннего источника минимальной энергии пламени) мало чем отлича- зажигания пропано- ется от механизма р асп ро -воздушной смеси от скорости странения фронта пламени, при давлении 125 мм рт. ст При этом в поджигаемую горючую смесь вводятся активные центры химической реакции горения и подводится тепло, способное инициировать процесс воспламенения и горения поджигаемой газовой смеси. Зажигание паров горючих жидкостей зависит от вида жидкости и ее температуры. Если она находится при температуре вспышки или несколько выше и над ее поверхностью образовалась горючая газовоздушная смесь соответствующей концентрации, то процесс ее зажигания мало отличается от рассмотренного выше. Если температура жидкости ниже температуры вспышки, то энергии зажигающего тела (раскаленного тела, искр твердого материала или серии электрических искр) должно хватить на испарение некоторого количества легковоспламеняющейся жидкости (Л В Жили горючей жидкости (ГЖ ) для создания горючей газовоздушной смеси, а затем на ее последующее зажигание по механизму, рассмотренному выше. Для зажигания твердых горючих веществ и материалов необходим такой запас тепловой энергии искры или другого внешнего источника зажигания, чтобы его хватило Теория горения и взрыва Глава 1. Возникновение процессов горения либо на пиролиз части материала и образование горючей газовоздушной смеси, либо на создание малого очага гетерогенного горения — тления, которое при определенных условиях может развиться и перейти в открытое пламенное горение, приводящее к пожару. Поэтому очевидно, что минимальной энергией зажигания обладают горючие газовоздушные и паровоздушные смеси. Именно они являются наиболее пожаро- и взрывоопасными. Опасность же тех или иных источников зажигания, которые могут вызвать воспламенение конденсированных видов горючих (горючих жидкостей и твердых горючих материалов, связана со многими дополнительными факторами ив каждом конкретном случае они должны тщательно анализироваться. Они зависят от вида горючей жидкости, ее температуры, теплоты испарения, условий газообмена и т.д., а при поджигании твердых горючих материалов — от их вида, влажности, температуры, дисперсности и др. При этом индукционный период зажигания, в который входят и время фазового превращения горючего, и время смесеобразования, и собственно время поджигания, увеличивается в сотни и тысячи раз. Знание этих данных существенно как сточки зрения изучения физики процесса вынужденного зажигания, таки при расследовании различных причини обстоятельств возникновения пожаров и загораний при экспертизе пожаров. Для оценки степени пожаро- и взрывобезопасности тех или иных технологических процессов производств, при экспертизе проектов и пожаров нередко требуются значения критических энергий зажигания конкретных видов горючих смесей, веществ и материалов. В справочной литературе такие данные для большинства новых видов горючих материалов отсутствуют, поэтому возникает необходимость аналитического расчета этих параметров. Для этого рекомендуется использовать, например, сравнительный метод расчета минимальной энергии зажигания, выраженной через нормальную скорость горения: где £’кР и £’кР — критическая энергия зажигания двух разных веществ W,| и W" — скорости горения по нормали к поверхности горения' 2( 1 18 )
|
|
|
Скачать 2.36 Mb.