|
|
теория горения-1. Удк 614 б бк я тзз рецензенты
Режим
горения
Расход газа, М3/С
Высота пламени гл, м
К л / ^ т
з> С/М2
Ламинарный
4,5 ■
10-6 5,1 • 10^2 1,13 • 104 8,8 ■
10-6 12,7 • 10-2 1,44 • 10<
17,1 • 10-6 23,9 ■ 10-2 1,4 Турбулентный 3,1 12 25,2 Д 27,0 1,5 30 35,0 1,17
2.4. Распространение пламени по поверхности жидкости. 872.4. Распространение пламени по поверхности жидкости Влияние внешних условий на скорость распространения
пламени
Над поверхностью жидкого или твердого вещества при любой температуре существует паровоздушная смесь, давление которой в состоянии равновесия определяется давлением насыщенных паров или их концентрацией. С увеличением температуры давление насыщенных паров возрастет по экспоненциальной зависимости (уравнение Клапейрона — Клаузиса):
_ QliCU
Рп.и=Ро-е к ? , где Рн п — давление насыщенного пара, Па QHCn — теплота испарения, кДж/моль; Т — температура жидкости, К.
Для любой жидкости существует интервал температур, в котором концентрация насыщенных паров над зеркалом поверхность жидкости) будет находится в области воспламенения, те. НКПВ < Сп < ВКПВ Для создания НКПВ паров достаточно нагреть до температуры, равной НТПВ, не всю жидкость, а лишь только ее поверхностный слой.
При наличии источника зажигания такая смесь будет способна к воспламенению. На практике чаще используют понятия температура вспъттттки» и температура воспламенения».
Температура вспышки — минимальная температура жидкости, при которой над ее поверхностью образуется концентрация паров, способная к воспламенению от источника зажигания, однако скорость образования паров недостаточна для поддержания горения.
Таким образом, как при температуре вспышки, таки при нижнем температурном пределе воспламенения над поверхностью жидкости образуется нижний концентрационный предел воспламенения, однако в последнем случае
НКПВ создается насыщенными парами. Поэтому температура вспышки всегда несколько выше, чем НТПВ. Хотя при температуре вспышки наблюдается кратковременное воспламенение паров, неспособное перейти в устойчивое горение жидкости, тем не менее, при определенных условиях вспышка может стать причиной возникновения пожара Глава 2. Распространение горения газов, жидкостей и твердых тел Температура вспышки принята за основу классификации жидкостей на легковоспламеняющиеся (ЛВЖ ) и горючие жидкости (ГЖ). К ЛВЖ относятся жидкости, имеющие температуру вспышки в закрытом сосуде 6 ГС и ниже, к горючим — с температурой вспышки более 6 ГС. Экспериментально температуру вспышки определяют в приборах открытого и закрытого типа. В сосудах закрытого типа значения температуры вспышки всегда ниже, чем в открытом, поскольку в этом случае пары жидкости имеют возможность диффундировать в атмосферу и для создания горючей концентрации над поверхностью требуется более высокая температура. В табл. 2.4 приведена температура вспышки некоторых жидкостей, определенных приборами открытого и закрытого типа. Таблица Температура вспышки разных видов жидкости при разных методах определения
Вид жидкости
Температура вспышки, К, определенная с помощью прибора закрытого типа открытого типа
Н ефть
303 Мазут Масло цилиндровое Температура воспламенения — минимальная температура жидкости, при которой после воспламенения паров от источника зажигания устанавливается стационарное горение.
У легковоспламеняющихся жидкостей температура воспламенения выше, чем температура вспышки, на 1—5°, при этом, чем ниже температура вспышки, тем меньше разность между температурами воспламенения и вспышки.
У горючих жидкостей, имеющих высокую температуру вспышки, разница между этими температурами доходит до 25—35°. Между температурой вспышки в закрытом тигле и нижним температурным пределом воспламенения имеется корреляционная связь, описываемая формулой
Гв с - Г н.п = 0,125Гвс + 2. Это соотношение справедливо при Тж < 433 К 2.4. Распространение пламени по поверхности жидкости. Существенная зависимость температур вспышки и воспламенения от условий эксперимента вызывает определенные трудности при создании расчетного метода оценки их величины. Одним из наиболее распространенных из них является полуэмпирический метод, предложенный
В. И. Блиновым:
где Гвс — температура вспышки (воспламенения, К
Ри п — парциальное давление насыщенного пара жидкости при температуре вспышки (воспламенения, Па D0 — коэффициент диффузии паров жидкости, см количество молекул кислорода, необходимое для полного окисления одной молекулы горючего В — константа метода определения.
При расчете температуры вспышки в замкнутом сосуде рекомендуется принимать В = 28, в открытом сосуде В - 45; для расчета температуры воспламенения принимают В = Температурные пределы воспламенения могут быть рассчитаны по известным значениям температуры кипения где Т фу Тшп — соответственно нижний (верхний) температурный предел воспламенения и температура кипения, С
k, I — параметры, значения которых зависят от вида горючей жидкости по известным значениям концентрационных пределов. Для этого сначала определяется концентрация насыщенных паров над поверхностью жидкости где фнп — концентрация насыщенных паров, %; Рн п — давление насыщенных паров, Па Р — внешнее (атмосферное) давление, Па.
Из формулы (2.41) следует
(2.40)
Фн.п = (рн.п • ЮО)/Р0,
(2.41)
pH.n = (vu.np0) / m .
(2.42)
Опеределив по значению нижнего (верхнего) предела воспламенения давление насыщенного пара, находим температуру, при которой это давление достигается. Она Глава 2. Распространение горения газов, жидкостей и твердых тел и является нижним (верхним) температурным пределом воспламенения. По формуле (2.41) можно решать и обратную задачу рассчитывать концентрационные пределы воспламенения по известным значениям температурных пределов. Свойство пламени к самопроизвольному распространению наблюдается не только при горении смесей горючих газов с окислителем, но и при горении жидкостей и твердых веществ При локальном воздействии тепловым источником, например открытым пламенем, жидкость будет прогреваться, возрастет скорость испарения и при достижении поверхностью жидкости температуры воспламенения вместе воздействия теплового источника произойдет зажигание паровоздушной смеси, установится устойчивое пламя, которое затем с определенной скоростью будет распространяться по поверхности и холодной части жидкости. Что же является движущей силой распространения процесса горения, каков его механизм? Распространение пламени по поверхности жидкости протекает в результате теплопередачи за счет излучения, конвекции и молекулярной теплопроводности от зоны пламени к поверхности зеркала жидкости. По современным представлениям основной движущей силой распространения процесса горения является тепло излучение от пламени. Пламя, обладая высокой температурой (более С, способно, как известно, излучать тепловую энергию. Согласно закону Стефана — Больцмана интенсивность лучистого теплового потока, отдаваемого нагретым телом, определяется соотношением Ял = еОс?(7’г4 - о )> (2ЛЗ)где дД — интенсивность лучистого теплового потока, кВт м 2; е — степень черноты тела (пламени) (е = Н a = = 5,7 КН кДж м 2-с-К4) — постоянная Стефана — Больцмана ТТ — температура тела (пламени, КГ температура среды, К. Тепло, излучаясь вовсе стороны, частично поступает и на еще не загоревшиеся участки поверхности жидкости, прогревая их. При повышении температуры поверхностного слоя над прогретым участком процесс испарения жидкости интенсифицируется и образуется паровоздушная смесь. Как только концентрация паров жидкости превысит НКВП, произойдет ее зажигание от пламени. Затем уже этот участок 2.4. Распространение пламени по поверхности жидкости...91поверхности жидкости начинает интенсивно прогревать соседний участок поверхности жидкости и т.д. Скорость распространения пламени по жидкости зависит от скорости прогрева поверхности жидкости лучистым тепловым потоком от пламени, те. от скорости образования горючей паровоздушной смеси над поверхностью жидкости, которая, в свою очередь, зависит от природы жидкости и начальной температуры. Каждый вид жидкости имееют свою теплоту испарения и температуру вспышки. Чем выше их значения, тем более длительное время необходимо для ее прогрева до образования горючей паровоздушной смеси, тем, следовательно, ниже скорость распространения пламени. С увеличением молекулярной массы вещества в пределах одного гомологического ряда снижается давление паров упругости, возрастают теплота испарения и температура вспышки, соответственно снижается скорость распространения пламени. Увеличение температуры жидкости повышает скорость распространения пламени, так как время, необходимое для прогрева жидкости до температуры вспышки перед зоной горения, уменьшается. При вспышке скорость распространения пламени по зеркалу жидкости будет (по физическому смыслу) равна скорости распространения пламени по паровоздушной смеси состава, близкого к НКПВ, те. 4—5 см/с. При увеличении начальной температуры жидкости выше температуры вспышки скорость распространения пламени будет зависеть (аналогично скорости распространения пламени) от состава горючей смеси. Действительно, при увеличении температуры жидкости выше температуры ее вспышки концентрация паровоздушной смеси над поверхностью зеркала будет расти от НКВП до 100% (температура кипения). Следовательно, вначале при повышении температуры жидкости от температуры вспышки до температуры, при которой над поверхностью образуются насыщенные пары, с концентрацией, равной стехиометрической (точнее, несколько выше, чем стехиометрическая, скорость распространения пламени будет нарастать. В закрытых сосудах по мере дальнейшего повышения температуры жидкости скорость распространения пламени начинает снижаться, вплоть до скорости, соответствующей верхнему температурному пределу воспламенения, при котором распространение пламени по паровоздушной смеси станет уже невоз Глава 2. Распространение горения газов, жидкостей и твердых тел можным из-за недостатка кислорода в паровоздушной смеси над поверхностью жидкости. Над поверхностью же открытого резервуара концентрация паров на разных уровнях будет различной у поверхности она будет максимальной и соответствовать концентрации насыщенного пара приданной температуре, по мере увеличения расстояния от поверхности концентрация постепенно будет снижаться из-за конвективной и молекулярной диффузии. При температуре жидкости, близкой к температуре вспышки, скорость распространения пламени по поверхности жидкости будет равна скорости его распространения по смеси паров в воздухе на НКПВ, те. 3—4 см/с. При этом фронт пламени будет расположен у поверхности жидкости. При дальнейшем увеличении начальной температуры жидкости скорость распространения пламени будет расти аналогично росту нормальной скорости распространения пламени по паровоздушной смеси с увеличением ее концентрации. С максимальной скоростью пламя будет распространяться по смеси с концентрацией, близкой к стехиометрической. Следовательно, с увеличением начальной температуры жидкости выше Гстх скорость распространения пламени будет оставаться постоянной, равной максимальному значению скорости распространения горения по стехиометрической смеси или несколько больше ее (рис. 2.5). Таким образом, Рис. 2.5. Зависимость скорости распространения пламени по зеркалу жидкости от ее начальной температуры — горение жидкости в закрытой емкости 2 — горение жидкости в открытой емкости 2.4. Распространение пламени по поверхности жидкости. при изменении начальной температуры жидкости в открытой емкости в широком диапазоне температур (вплоть до температуры кипения) скорость распространения пламени будет изменяться от нескольких миллиметров до 3—4 м/с.
С максимальной скоростью пламя будет распространяться по смеси с концентрацией, близкой к стехиометрической. С увеличением температуры жидкости выше Тстх увеличится расстояние над жидкостью, на котором сформируется стехиометрическая концентрация, а скорость распространения пламени останется прежней (см. рис. 2.5). Это обстоятельство всегда надо помнить, как при организации профилактической работы, таки при тушении пожаров, когда, например, может возникнуть опасность подсоса воздуха в закрытую емкость — ее разгерметизация.
После возгорания жидкости и распространения пламени по ее поверхности устанавливается диффузионный режим ее выгорания который характеризуется удельной массовой
Wr ми линейной WT л скоростями.
Удельная массовая скорость — масса вещества, выгорающего с единицы площади зеркала жидкости в единицу времени (кг (м 2-с)).
Линейная скорость — расстояние, на которое перемещается уровень зеркала жидкости в единицу времени за счет ее выгорания (м/с).
Массовая и линейная скорости выгорания взаимосвязаны через плотность жидкости р , м = ^ , лр. После воспламенения жидкости температура ее поверхности повышается от температуры воспламенения до кипения, происходит формирование прогретого слоя. В этот период скорость выгорания жидкости постепенно повышается, растет высота факела пламени в зависимости от диаметра резервуара и вида горючей жидкости. После
1—10 мин горения наступает стабилизация процесса скорость выгорания и размеры пламени остаются в дальнейшем неизменными.
Высота и форма пламени при диффузионном горении жидкости и газа подчиняются одними тем же закономерностям, поскольку в обоих случаях процесс горения определяется взаимной диффузией горючего и окислителя. Однако если при диффузионном горении газов скорость струи газа не зависит от процессов, протекающих в пламени, то Глава 2. Распространение горения газов, жидкостей и твердых тел при горении жидкости устанавливается определенная скорость выгорания, которая зависит как от термодинамических параметров жидкости, таки от условий диффузии кислорода воздуха и паров жидкости. Между зоной горения и поверхностью жидкости устанавливается определенный тепло- и массообмен (рис. 2.6). Часть теплового потока, поступающего к поверхности жидкости q0, затрачивается на ее нагрев до температуры кипения q Kllu и испарения жидкости е/исп. Кроме того, тепло дст на нагрев жидкости поступает от факела пламени через стенки резервуара за счет теплопроводности. При достаточно большом его диаметре величиной qCT можно пренебречь, тогда qQ = qKaa + Очевидно, что
9кип — СР^П.с(^КИП ^ о )> У исп где с — теплоемкость жидкости, кДж/(кг-К); р — плотность жидкости, кг м 3; Wn c — скорость роста прогретого слоям с W:, — линейная скорость выгорания, мс QHcn — теплота парообразования, кДж/кг; кип — температура кипения жидкости, К.
П род ук ты
Рис. 2.6. Распределение температуры (поле температур при горении жидкости:
Г0 — начальная температура Гкип — температура кипения;
Гг — температура горения кип, q, — соответственно конвективный и лучистый тепловые потоки q0 — тепловой поток, поступающий на поверхность жидкости
2.4. Распространение пламени по поверхности жидкости...
95
Принимая для простоты WTJI= Wn c, получим
%
Р гл [с(Ткип —
^0
)
+ (исп Из формулы (2.45) следует, что интенсивность теплового потока из зоны пламени обусловливает определенную скорость поставки горючего в эту зону, химическое взаимодействие которого с окислителем, в свою очередь, влияет на величину q0. В этом и состоит взаимосвязь массо- и теплообмена зоны пламени и конденсированной фазы при горении жидкостей и твердых веществ.
Оценку доли тепла от общего тепловыделения при горении жидкости, которая затрачивается на ее подготовку к горению q0, можно провести в следующей последователь
ности.
Скорость тепловыделения с единицы поверхности зеркала жидкости (удельную теплоту пожара дпж) можно определить по формуле где QH — низшая теплота сгорания вещества, кДж/кг; Рп — коэффициент полноты сгорания.
Тогда, учитывая состояние (2.44) и разделив выражение
(2.45) на формулу (2.46), получим
Расчеты показывают, что около 2% от общего тепловыделения при горении жидкости затрачивается на образование и доставку паров жидкости в зону горения. При установлении процесса выгорания температура поверхности жидкости увеличивается до температуры кипения, которая в дальнейшем остается неизменной. Данное утверждение относится к индивидуальной жидкости. Если же рассматривать смеси жидкостей, имеющих разную температуру кипения, то сначала происходит выход легкокипящих фракций, затем — все более высококипящих.
На скорость выгорания значительное влияние оказывает прогрев жидкости по глубине в результате передачи тепла от нагретой лучистым потоком q{) поверхности жидкости в ее глубь. Этот теплоперенос осуществляется за счет теплопроводности и конвенции.
Чиж
б н Ж 'м Р п ’
(2.46)
% _ Qhcti + Скип Tq )
9пж
Q HP n
(2.47)
Глава 2. Распространение горения газов, жидкостей и твердых тел Прогрев жидкости за счет теплопроводности может быть представлен экспоненциальной зависимостью вида - T 0 =( TW - T 0 ) e k x , (2 .4 8 где Тх — температура слоя жидкости на глубине х К Гкип — температура поверхности (температура кипения, К k — коэффициент пропорциональности, м-1. Такой тип температурного поля называется распределением температуры первого рода (рис. Ламинарная конвенция возникает в результате различной температуры жидкости у стенок резервуара ив его центре, а также вследствие фракционной разгонки в верхнем слое при горении смеси. Дополнительная передача тепла от нагретых стенок резервуара к жидкости приводит к прогреву ее слоев у стенок до более высокой температуры, чем в центре. Более нагретая у стенок жидкость (или даже пузырьки пара в случае ее прогрева у стенок выше температуры кипения) поднимается вверх, что способствует интенсивному промеши ванию и быстрому прогреву жидкости на большой глубине. Образуется так называемый гомотермический слой те. слой с практически постоянной температурой, толщина которого увеличивается вовремя горения. Такое температурное поле называют распределением температуры второго рода.Рис. 2.7. Изменение температуры в прогретом слое бензина — распределение температуры первого рода 2 — распределение температуры второго рода
|
|
|
Скачать 2.36 Mb.