теория горения-1. Удк 614 б бк я тзз рецензенты
 Скачать 2.36 Mb.
|
|
1.8. Концентрационные пределы зажигания газопаровоздушных смесей Если сравниваемые вещества близки по своему химическому строению, результаты расчета подходят для практических целей. Если в качестве стандартного вещества для сравнения принять бутан, то минимальную критическую энергию зажигания газопаровоздушных смесей при нормальных условиях можно оценить по формуле. Если WH, Ек веществ и композиций неизвестны, то их приходится определять экспериментально. Концентрационные пределы зажигания газопаровоздушных смесей Согласно механизму вынужденного воспламенения зажигания) горючих смесей для возникновения и развития процесса горения необходимо наличие горючего, окислителя и высокотемпературного источника зажигания. Источник зажигания активирует некоторую часть молекул, сообщая им энергию, равную или выше энергии активизации. В химическую реакцию вступают лишь те молекулы горючего и окислителя, энергия которых в момент соударения превышает энергию активации. В результате образуются новые вещества. Выделившаяся химическая энергия переходит в тепловую. Тепло передается соседним частицам, увеличивая их энергию и, соответственно, обеспечивая тем самым непрерывную цепь последовательных превращений веществ горючей смеси в продукты реакции. Таким образом, в реакционной системе, содержащей молекулы горючего и окислителя, могут происходить три типа столкновений молекул горючее-горючее, окисли тель-окислитель, окислитель-горючее. При этом только последний вид соударений может оказаться эффективным, поскольку только в данном случае могут образоваться продукты реакции и выделится тепло. Очевидно, что вероятность того или иного типа взаимодействий зависит отколи чества тех или иных молекул в смеси. Если смесь содержит избыток окислителя (бедная смесь, ас большей вероятностью будут протекать взаимодействия (столкновения) молекул окислителя друг с другом. Для богатых смесей, наоборот, с большей вероятностью будут происходить столкновения молекул горючего. Максимальная Глава 1. Возникновение процессов горения вероятность столкновения молекул окислителя и горючего характерна для смеси, содержащей окислитель и горючее в стехиометрическом соотношении ( а = где Са — концентрация горючего Сь — концентрация окислителя а, b — коэффициенты в уравнении реакции горения при горючем и окислителе. Следовательно, при отклонении от стехиометрического соотношения горючего и окислителя как в сторону бедных, таки в сторону богатых смесей скорость химической реакции, а соответственно, и интенсивность тепловыделения будет снижаться. Кроме того, выделившееся меньшее количество тепла будет все в большей степени расходоваться на активацию неэффективных процессов, которые не приводят к тепловыделению. При отклонении состава смеси от стехиометрического интервала 0, при котором скорость химической реакции уменьшается в е раз, самопроизвольное горение смеси прекращается Следовательно, для воспламенения и последующего распространения горения по смеси необходимо, чтобы концентрация недостающего компонента (горючего или окислителя) была не ниже некоторого минимального предела. Область воспламенения — это область концентраций горючего вещества, внутри которой его смеси с окислителем способны воспламеняться от источника зажигания с последующим распространением пламени. Нижний концентрационный предел воспламенения (НКПВ) — минимальная концентрация горючего вобла сти воспламенения. Верхний концентрационный предел воспламенения (В К П В ) — максимальная концентрация горючего в области воспламенения. Таким образом, смеси, содержащие горючее ниже НКПВ и выше ВКПВ, образуют области негорючих концентраций, поскольку энергия инициирования процессов горения за пределами КПВ уходит в бесконечность. Д ля всех парогазовоздуш ны х смесей зависимости минимальной энергии зажигания Екр = / ( Сот их концен- 1.8. Концентрационные пределы зажигания газопаровоздушных смесей 53 трации С практически одинаковы. Некоторые из этих кр зависимостей представлены на рис. 1.18 и 1.19. Как следует из рис. 1.19, минимальная энергия зажигания составляет примерно 0,2 мДж \2 и соответствует составу, близкому к стехиометрическому. По мере обогащения или обеднения смеси £ кр возрастает, уходя в бесконечность на концентрационных пределах. Экспериментальные результаты подтверждают вывод ® о том, что за концентрацией' ^ ными пределами воспламенение горючей смеси невозможно и смеси становятся негорючими при любой мощности источника зажигания. Концентрационные пределы, мДж ф, об. Рис. 1.18. Зависимость минимальной энергии зажигания от состава метано-воздушной смеси характерны также для гетеро- ПРИ давлении 230 мм рт. ст. Е м Дж Рис. 1.19. Зависимость энергии зажигания от концентрации углеводородо-воздушных смесей Глава 1. Возникновение процессов горения генных систем, те. аэрозолей (частицы твердого горючего вещества в воздухе. Нижнему концентрационному пределу воспламенения газов, паров горючих жидкостей и аэрозолей в практике пожарной охраны придается большое значение, поскольку он характеризует степень пожароопасности. Концентрационные пределы воспламенения можно рассчитать по стандартным методикам или определить экспериментальным путем в стеклянных трубах диаметром 55 мм и высотой 1,5 м. Нижний концентрационный предел воспламенения определяют по предельной теплоте сгорания. Количество тепла, выделяющееся при горении смесей на нижнем КПВ, составляет практически для всех горючих веществ величину, близкую к 1830 кДж м где Ql[p — предельная теплота горения, 1830 кДж м 3; Qu — низшая теплота горения стехиометрического состава смеси, кДж м 3; Сн — нижний КПВ, об. %: Сн = Опр100 (122) Qa ВКПВ и НКПВ ориентировочно можно определить по эмпирической зависимости КПВ от количества молекул кислорода, необходимых для полного окисления молекулы горючего: г - 100 ( 1 ^н(в) — * *—7J’ а п +Ь где п — число молекул кислорода в уравнении горения а , Ь — постоянные (табл. Таблица Значения постоянных аи Ь* П ределы воспламенения Значения постоянных а Н К П В 4,679 ВКПВ: п < 7,5 1,55 п > 7 ,5 0,768 Оценим НКПВ и ВКПВ для метана по двум приведенным методикам 1.8. Концентрационные пределы зажигания газопаровоздушных смесей Запишем термохимическое уравнение горения метана СН4+ 2 0 2+ 2 ■ 3,76N2 -> С 0 2+ 2НгО + 2 • 3,76N2; Q h = 35 875 кДж/м3. Согласно методике предельной теплоты горения Опр 100 = J8 3 0 _ 100 = 5 i % QH 35 Значит, НКПВ составляет Согласно эмпирической зависимости 2-8,684 + Р- = в 1,55-2 + Пределы воспламенения зависят от условий, сопутствующих воспламенению мощности источника зажигания, температуры горючей смеси, давления, присутствия инертных газов и т.п. Влияние мощности источника зажигания можно оценить по зависимости Екр- С ) (см. рис. 1.18, 1.19). С увеличением мощности источника зажигания область воспламенения расширяется. Это означает, что НКПВ уменьшается, а ВКПВ возрастает. Однако расширение пределов не безгранично. При определенной мощности источника (насыщенной) дальнейшего изменения КПВ не происходит. При снижении мощности источника область воспламенения сужается и при некотором критическом значении происходит выравнивание НКПВ и ВКПВ. Это означает, что при дальнейшем снижении мощности смесь не воспламенится при любом соотношении горючего и окислителя. Изменение давления в горючей смеси меняет область воспламенения и критическую энергию зажигания. Снижение давления в горючей смеси равнозначно снижению концентраций горючего и окислителя. Вероятность соударений молекул снижается, скорость химической реакции при некотором давлении уменьшается, скорость тепловыделения достигает критического значения и самопроизвольного развития химической реакции при действии источника зажигания не происходит. Снижение давления приводит к увеличению критической энергии зажигания Глава 1. Возникновение процессов горения сужению области воспламенения, и при достижении определенного давления зажигания вообще не происходит. Значительное влияние на параметры зажигания оказывают негорючие газы (флегматизаторы. При введении их в горючую смесь сужается область зажигания, увеличивается критическая энергия зажигания. Влияние флегматизаторов в значительной степени зависит от их природы теплопроводности, теплоемкости). Прежде всего, введение флегматизаторов в горючую систему приводит к снижению концентрации горючего и окислителя, что соответственно снижает скорость химической реакции и тепловыделения, уменьшает область зажигания. При некоторой концентрации флегматизатора вообще создаются условия, при которых зажигание смеси становится невозможным. Кроме разбавляющего эффекта флегматизатор оказывает влияние и на теплофизические характеристики системы (теплопроводность, теплоемкость, температуру. Флегматизатор с большой теплоемкостью в большей степени снижает скорость химической реакции и тепловыделения, а соответственно, и температуру горения интенсивнее отводит тепло из зоны горения способствует распространению по смеси тепла и увеличивает скорость распространения зоны горения. Эффективность флегматизатора зависит от соотношения Ср/А,. Чем больше это соотношение, тем выше эффективность флегматизатора. Для аргона Ср/Х = 3,2 • 10-2, а для углекислого газа Ср/Х = 6,7 • 10 2. Эксперименты показали, что флегматизирующее действие углекислого газа в 2 раза эффективнее действия аргона. Контрольные вопросы и задания. Опишите механизм процесса горения с позиции молекулярно кинетической теории газов. Охарактеризуйте цепной механизм самовоспламенения. Охарактеризуйте тепловой механизма самовоспламенения. Каково влияние природы углеводородов на температуру их самовоспламенения. В чем заключается сущность механизма самовоспламенения гетерогенных систем ? 6. Укажите принципиальные различиям ех ан и зм овса м о воспламенения и зажигания горючих систем Контрольные вопросы и задания. Каковы существенные особенности влияния некоторых факторов давления, площади нагретой поверхности, природы горючего вещества, скорости потока горючей смеси) на температуру зажигания. Опишите предельные условия зажигания и последующего распространения пламени. Что такое характеристический интервал температур. В чем заключается сущность количественных оценок концентрационных пределов зажигания. Каково влияние ряда факторов мощности источника зажигания, давления, концентрации флегматизатора и его природы , вида горючего вещества навели чину концентрационных пределов зажигания Глава 2 РАСПРОСТРАНЕНИЕ ГОРЕНИЯ ГАЗОВ ЖИДКОСТЕЙ И ТВЕРДЫХ ТЕЛ После изучения этой главы студент должен: знать • виды и режимы распространения пламени; • особенности тепловой и диффузионной теории распространения пламени по газообразным системам; • основные элементы распространения пламени по поверхности жидких и твердых горючих веществ; • особенности выгорания жидких и твердых веществ; уметь • проводить количественные оценки продуктов горения; • на основании теплового баланса проводить расчет температуры горения; владеть • анализом по влиянию ряда факторов (давление, температура, геометрия горючих систем и т.д.) на скорость распространения горения ивы горание жидких и твердых веществ. Виды и режимы распространения горения При возникновении процесса горения источником зажигания новых объемов горючей смеси является сама зона горения, в которой происходит интенсивное выделение тепла. Это тепло и является причиной непрерывного поддержания процесса горения. Схематически процесс горения можно представить в виде цепной реакции, при которой происходят непрерывное воспламенение и сгорание все новых и новых порций горючей смеси. В зависимости от механизма распространения зоны химической реакции горения по горючей смеси различают несколько характерных режимов горения дефла- грационное — сравнительно медленное распространение зоны химической реакции со скоростью движения тепловой волны по смеси 0,5—50 мс детонационное — рас 2.1. Виды и режимы распространения горения 59 пространяющееся со скоростью ударной волны 1—5 км/с; взрывное — имеющее скорость от нескольких сотен метров до 1,5 км/с. Обычно в условиях пожара горение протекает в дефлаграционном режиме. Детонационное горение газопаровоздушных смесей встречается весьма редко. В зависимости от агрегатного состояния компонентов горючей смеси различают два режима горения гомогенное когда оба компонента находятся в одинаковой фазе, и гетерогенное горение, когда агрегатное состояние компонентов горючей системы различное. Поскольку в качестве окислителя в реакции горения на пожаре чаще всего участвует кислород воздуха, те. один из компонентов горючей системы находится всегда в газообразном состоянии, то гомогенным горение в условиях пожара бывает в тех случаях, когда само горючее тоже находится в газообразном состоянии. Горючие жидкости и многие твердые горючие материалы также горят на пожаре преимущественно в режиме гомогенного пламенного горения, так как в зону горения поступают не сами эти жидкости и твердые вещества, а газо- и парообразные продукты их испарения и термического разложения. П рим ером гетерогенного, беспламенного горения в условиях пожара является тление углеродного остатка твердых горючих материалов. Когда все летучие, пиро- лизуемые компоненты уже выгорели из прогретого слоя, наступает режим беспламенного, гетерогенного горения, называемого еще тлением (хотя оно может быть и очень интенсивным, с выделением большого количества тепла, при этом возможен повторный переход в пламенное горение. Тление может возникнуть ив начальной стадии пожара, если мощности источника зажигания не хватило для предварительного прогрева твердых горючих материалов и не образовалась горючая паровоздушная смесь, способная к пламенному (гомогенному) горению. По мере накопления тепла в твердом горючем материале, повышения его температуры и увеличения массы прогретого слоя процессы пиролиза и выделения горючих летучих фракций интенсифицируются. Смешиваясь с кислородом воздуха, они образуют горючую газовоздушную смесь, которая воспламеняется под действием высоких температур зоны тления. В результате начинается интенсивное пламенное горе Глава 2. Распространение горения газов, жидкостей и твердых тел ние, быстро распространяющееся по поверхности твердых горючих материалов. Такой же механизм возникновения имеют многие пожары, связанные с горением твердых горючих материалов начинаются они под воздействием слабых источников зажигания — искр, тлеющих окурков, непотушенных спичек и т.д. Реже такой же механизм возникновения имеют пожары, связанные с самовозгоранием твердых горючих материалов в результате медленно текущей реакции окисления, те. они также могут начаться с тления, переходящего затем в открытое пламенное горение. Характерным для гетерогенного режима горения является наличие раздела фаз твердого горючего и газообразного окислителя При этом химические реакции окисления идут преимущественно на поверхности раздела фаз, однако при большой пористости материала они могут идти ив его толще, и внутри пор, но всегда — на границе раздела твердое тело — газ». Скорость распространения гетерогенных процессов горения (тления, как правило, несколько ниже скорости распространения гомогенного (пламенного) горения. Интенсивность процесса гетерогенного горения зависит от интенсивности поступления горючих компонентов в зону горения (преимущественно кислорода воздуха) и степени развитости поверхности горючего материала, на которой идет химическая реакция окисления. В зависимости от условий смесеобразования горючих компонентов и соотношения скорости химической реакции горения и скорости смесеобразования различают два характерных режима горения кинетический и диффузионный Определяющим в этом случае является вопрос о том, какая из стадий является лимитирующей в суммарной скорости процесса горения скорость смесеобразования или скорость химического превращения компонентов смеси в продукты горения. Горение предварительно равномерно перемешанных газо- или паровоздушных смесей всегда происходит в кинетическом режиме, так как смесь горючего с окислителем существует еще до момента ее воспламенения и суммарная скорость процесса горения лимитируется только скоростью кинетикой) химической реакции окисления и скоростью перемещения зоны реакции горения по горючей смеси. Поэтому такое горение называется кинетическим. Если 2.1. Виды и режимы распространения горения 61 сгорание такой газовоздущной смеси происходит в замкнутом или ограниченном объеме, оно воспринимается как взрыв, так как энергия, выделяющаяся при сгорании смеси, не успевает отводиться за пределы рассматриваемого объема, давление возрастает, что и приводит к разрушению конструкции. Примером спокойного кинетического горения является горение газовоздушной смеси в конфорках кухонной газовой плиты, когда смесь хорошо подготовлена и пламя имеет равномерную сине-голубую окраску без желтых или красноватых оконечностей язычков пламени. Появление желто-оранжевых зон пламени — признак недостатка воздуха, плохого смешения, образования продуктов неполного сгорания, в том числе светящихся желтым светом сажистых частиц. Если компоненты горючей смеси смешиваются непосредственно перед зоной горения или в самой зоне, то наблюдается диффузионный или диффузионно-кинетиче ский режим горения. Он определяется интенсивностью смешения, степенью равномерности и пропорциями смешения горючих компонентов. При пожарена устье газового факела при истечении метана под большим давлением смесеобразование горючего газа с воздухом перед факелом пламени будет столь интенсивными равномерным, что пламя будет почти полностью кинетическим. При наличии в горючем газе конденсата оно будет диффузионно-кинетическим, а при горении фонтанирующей нефти и при пожарах в резервуарах с легковоспламеняющейся (ЛВЖ ), горючей жидкостью (ГЖ ) или штабелей древесины режим горения будет диффузионным. Гетерогенное горение на пожаре также всегда идет в диффузионном режиме. Важной характеристикой процессов горения является также газодинамическое состояние компонентов горючей смеси в зоне реакции. Оно, как правило, характеризуется интенсивностью их поступления в зону горения. Если компоненты горючей смеси поступают в зону горения сравнительно спокойно, по законам молекулярной или слабой (несильно развитой) конвективной диффузии, то процесс горения будет ламинарным (те. относительно спокойным) с постепенным, плавным переходом от зоны смесеобразования к зоне горения и далее — к зоне формирования потока оттекающих продуктов горения. Если потоки газообразного горючего или окислителя, или смеси горючего с окислителем в зону горения посту Глава 2. Распространение горения газов, жидкостей и твердых тел пают достаточно интенсивно, то режим горения будет турбулентным тес интенсивными завихрениями, перемешиванием продуктов горения с непрореагировавшей смесью, отрывами клубящихся зон горения от основного факела пламени. Характерным примером такого горения является пожар на мощном газовом фонтане, на крупном резервуаре, на большом штабеле древесины с большим значением коэффициента поверхности горения Kn=Srop/Sn, (2.1) где гор — площадь поверхности горения П — площадь проекции зоны горения на горизонтальную плоскость. Таким образом, характеризовать процесс горения на пожаре можно по механизму распространения зоны химической реакции (дефлаграционное и детонационное горение, по его кинетическим параметрам (диффузионное или кинетическое горение, по природе химических реакций (в зоне их протекания — гомогенное или гетерогенное горение) и по газодинамическим параметрам режима горения (ламинарное или турбулентное. Материальный и тепловой |