теория горения-1. Удк 614 б бк я тзз рецензенты
 Скачать 2.36 Mb.
|
|
2.4. Распространение пламени по поверхности жидкости... 97 Образование гомотермического слоя возможно также ив результате фракционной перегонки приповерхностных слоев смеси жидкостей, имеющих различную температуру кипения. По мере выгорания таких жидкостей приповерхностный слой обогащается более плотными высококипя- щими фракциями, которые опускаются вниз, способствуя тем самым конвективному прогреву жидкости. Установлено, что чем ниже температура кипения жидкости (дизельное топливо, трансформаторное масло, тем труднее образуется гомотермический слой. При их горении температура стенок резервуара редко превышает температуру кипения. Однако при горении влажных высококипя- щих нефтепродуктов вероятность образования гомотер мического слоя достаточна высокая. При прогреве стенок резервуара до Си выше образуются пузырьки водяного пара, которые, устремляясь вверх, вызывают интенсивное перемещение всей жидкости й быстрый прогрев в глубине. Зависимость толщины гомотермического слоя от времени горения описывается соотношением х = хпр(1 -е т ), где х — толщина гомотермического слоя на некоторый момент времени горения, м х пр — предельная толщина гомо термического слоям т — время, отсчитываемое от момента начала формирования слоя, с ц — коэффициент, с Возможность образования достаточно толстого гомотер мического слоя при горении влажных нефтепродуктов чревата возникновением вскипания и выброса жидкости. Скорость выгорания существенно зависит от вида жидкости, начальной температуры, влажности и концентрации кислорода в атмосфере. Из уравнения (2.45) с учетом выражения (2.44) можно определить массовую скорость выгорания гм. с (Ткип _ о ) + С исп Из формулы (2.50) очевидно, что на скорость выгорания оказывают влияние интенсивность теплового потока, поступающего от пламени к зеркалу жидкости, и теплофизические параметры горючего температура кипения, теплоемкость и теплота испарения. И з табл. 2.5 очевидно, что существует определенное соответствие между скоростью выгорания и затратами Теория горения и взрыва Глава 2. Распространение горения газов, жидкостей и твердых тел тепла на прогрев и испарения жидкости. Так, в ряду бен- золксилолглицеринов с увеличением затрат тепла на прогрев и испарение скорость выгорания снижается. Однако при переходе от бензола к диэтиловому эфиру затраты тепла уменьшаются. Это кажущееся несоответствие обусловлено различием в интенсивности тепловых потоков, поступающих от факела к поверхности жидкости. Лучистый поток достаточно велик для коптящего пламени бензола и мал для относительно прозрачного пламени диэтилового эфира. Как правило, соотношение скоростей выгорания наиболее быстрогорящих жидкостей и наиболее медленно горящих достаточно невелико и составляет Таблица Зависимость скорости выгорания от затрат тепла на прогрев и испарение Горючая жидкость Л инейная скорость выгорания, мм /с Сумма энергии кипения и испарения, кДж -м ■ Бензол Диэтиловый эфир Ксилол Глицерин Из выражения (2.50) следует, что с увеличением Т скорость выгорания возрастает, поскольку снижаются затраты тепла на прогрев жидкости до температуры кипения. Содержание влаги в смеси понижает скорость выгорания жидкости, во-первых, вследствие дополнительных затрат тепла на ее испарение, а во-вторых, в результате флегматизирующего влияния паров воды в газовой зоне. Последнее приводит к снижению температуры пламени, а следовательно, согласно формуле (2.43), уменьшается и его излучающая способность. Строго говоря, скорость выгорания влажной жидкости (жидкости, содержащей воду) непостоянна, она увеличивается или уменьшается в процессе горения в зависимости от температуры кипения жидкости. Влажное горючее может быть представлено как смесь двух жидкостей горючее + вода, в процессе горения которых происходит их фракционная разгонка Если температура кипения горючей жидкости меньше температуры кипения воды (Сто происходит преимущественное 2.4. Распространение пламени по поверхности жидкости... 99 выгорание горючего, смесь обогащается водой, скорость выгорания снижается и, наконец, горение прекращается. Если температура кипения жидкости больше Сто, наоборот, сначала преимущественно испаряется влага икон центрация ее снижается. В результате скорость выгорания жидкости возрастает, вплоть до скорости горения чистого продукта. Как правило, с повышением скорости ветра скорость выгорания жидкости увеличивается. Ветер интенсифицирует процесс смешивания горючего с окислителем, тем самым повышая температуру пламени (табл. 2.6) и приближая пламя к поверхности горения. Таблица Влияние скорости ветра на температуру пламени Скорость ветрам /с Температура пламени, К 1393 1,0 1453 2Д 1463 Все это повышает интенсивность теплового потока, поступающего на нагрев и испарение жидкости, следовательно, приводит к увеличению скорости выгорания. При большей скорости ветра пламя может сорваться, что приведет к прекращению горения. Так, например, при горении тракторного керосина в резервуаре диаметром 3 м наступал срыв пламени при скорости ветра 22 м/с. Большинство жидкостей не могут гореть в атмосфере с содержанием кислорода менее 15%. С увеличением концентрации кислорода выше этого предела скорость выгорания растет. В атмосфере, значительно обогащенной кислородом, горение жидкости протекает с выделением большого количества сажи в пламени и наблюдается интенсивное кипение жидкой фазы. Для многокомпонентных жидкостей (бензин, керосин и т.п.) температура поверхности с увеличением содержания кислорода в окружающей среде растет. Повышение скорости выгорания и температуры поверхности жидкости с ростом концентрации кислорода в атмосфере обусловлено увеличением излучающей способности пламени в результате роста температуры горения и высокого содержания сажи в нем 100 Глава 2. Распространение горения газов, жидкостей и твердых тел Скорость выгорания также значительно меняется с понижением уровня горючей жидкости в резервуаре происходит снижение скорости выгорания, вплоть до прекращения горения. Поскольку подвод кислорода воздуха из окружающей среды внутрь резервуара затруднен, то при понижении уровня жидкости увеличивается расстояние hnp между зоной пламени и поверхностью горения (рис. 2.8). Лучистый поток к зеркалу жидкости уменьшается, а следовательно, уменьшается и скорость выгорания, вплоть до затухания. При горении жидкостей в резервуарах большого диаметра предельная глубина /гпр, при которой происходит затухание горения, очень большая. Так, для резервуара с диаметром м она составляет 11 м, ас диметром м — около 35 м. Рис. 2.8. Схема отрыва зоны пламени от поверхности жидкости при понижении ее уровняв резервуаре. Горение и выгорание твердых веществ Твердые вещества и материалы являются наиболее распространенными на практике ив быту. В настоящее время, наряду с натуральными материалами, весьма широкое применение находят синтетические твердые вещества. Мировое производство полимеров удваивается каждые пять лет. При этом в строительстве используется 20—25% производимого количества полимерных материалов. Несмотря на большую работу по огнезащите натуральных и особенно искусственных материалов, основная их масса относится к группе горючих. Это обстоятельство является одной 2.5. Горение и выгорание твердых веществ 101 из причин неуклонного увеличения количества пожаров от возгорания твердых материалов. При контакте твердых горючих веществ с нагретым до высокой температуры источником зажигания возникает теплообмен. В реальных условиях наблюдаются все три вида теплообмена конвекция, излучение, кондукция. При этом, как правило, один из них является доминирующим. При воспламенении, например, от открытого пламени (горящая спичка, газовая горелка и т.п.) превалирует теплообмен конвекцией. Нагретая спираль, не имеющая непосредственного контакта с горючим материалом, воспламеняет последний за счет лучистого тепла. Воспламенение от тлеющих частиц (искр) протекает главным образом за счет теплообмена через теплопроводность. Механизм воспламенения твердых материалов во многом сходен с механизмом воспламенения жидкости, однако имеются и существенные отличительные особенности. При воздействии теплового потока от высокотемпературного источника зажигания твердых горючих материалов в некотором интервале температур (для веществ растительного происхождения — 50— Сиз него испаряется влага. После испарения влаги материал вновь нагревается как инертное тело) до температуры начала разложения для растительных материалов — С. Процесс разложения сопровождается выделением в окружающую атмосферу летучих продуктов. Параллельно с этим происходят смешение летучих продуктов с окислителем и образование паро газовоздушной смеси. Если мощность источника зажигания достаточна, то при достижении горючими продуктами разложения концентрации, равной нижнему концентрационному пределу воспламенения, происходит зажигание парогазовой смеси и появляется пламенное горение. Если же по каким-либо причинам парогазовая смесь не воспламенится, твердое тело будет продолжать нагреваться и выделять продукты пиролиза. Если горючее вещество в процессе пиролиза образует углистый остаток вещества растительного происхождения, то скорость термического распада по мере выхода летучих продуктов будет снижаться. При определенных условиях может возникнуть гетерогенное горение (тление) углистого слоя из-за его взаимодействия с кислородом окружающей среды и продуктами разложения твердой фазы. В случае, когда концентрация парогазовой смеси будет находиться в области 102 Глава. Распространение горения газов, жидкостей и твердых тел воспламенения, может произойти ее зажигание от раскаленного углистого слоя. Таким образом, общая продолжительность процесса воспламенения складывается из нескольких стадий нагрева влажного материала, сушки, нагрева сухого материала, газификации и стадии нагрева углеродистого остатка при появлении гетерогенного воспламенения. Практика показывает, что для материалов растительного происхождения наиболее продолжительными являются стадии сушки влажного и нагрева сухого материала, которые составляют соответственно 55 и 25% от общей продолжительности воспламенения. Время воспламенения зависит от интенсивности излучения, вида твердого тела, температуры поверхности = A / q n, с, где q — интенсивность теплового потока, кВт мА п — эмпирические константы (табл. Таблица Значение параметров Аи п Порода древесины П лот ность, к гм Значения параметров Температура поверхности в момент воспламенения, С, при q, кВт м 2 А п 20 24 Бук 2,4-105 2,63 350 330 Береза Ель 8,1-105 3,1 360 345 Сосна 340 Из табл. 2.7 следует, что температура на поверхности древесины в момент воспламенения почти не зависит от ее породы и несколько снижается с увеличением интенсивности теплового потока. В отсутствие зажигающего пламени наступает гетерогенное воспламенение ( тление) образующегося при пиролизе углистого слоя. Зависимость времени гетерогенного воспламенения сосны от интенсивности теплового потока может быть представлена в виде тг.в = 1,2-106/ ? 2'8, с. После воспламенения твердого материала в то место, где был источник зажигания, перемещается фронт пламени 2.5. Горение и выгорание твердых веществ 103 Количественной характеристикой процесса распространения пламени по поверхности твердых веществ, как ив случае горения жидкостей, является линейная скорость распространения пламени, равная расстоянию, преодоленному фронтом пламени в единицу времени. Распространение пламени по поверхности твердых веществ происходит за счет передачи части тепла, выделяющегося в зоне пламени, к поверхности горящего материала. Передача тепла от факела пламени осуществляется за счет лучеиспускания, конвекции и теплопроводности (кондукции). В зависимости от условий горения соотношение количества тепла, поступающего за счет этих видов теплопередачи, может быть различным. Это обстоятельство и является одной из главных причин зависимости скорости распространения пламени по поверхности твердых горючих материалов от условий горения. Прогрев участков поверхности, расположенных перед фронтом пламени, за счет излучения, конвекции икон дукции приводит к разложению слоев твердого вещества с образованием летучих продуктов (рис. 2.9). Выделяющи- Рис. 2.9. Схема распространения пламени по поверхности твердого материала — исходный материал 2 — зона диффузионного горения 3 — зона кинетического пламени (носик 4 — зона газификации твердого материала 5 — зона газообразных продуктов разложения 6 — зона разложения твердого материала перед фронтом пламени 7 — продукты горения qK — интенсивность конвективного потока дл — интенсивность лучистого потока Глава 2. Распространение горения газов, жидкостей и твердых тел еся продукты пиролиза смешиваются с воздухом, образуя гомогенную кинетическую систему. При превышении концентрации горючих компонентов нижнего предела их воспламенения смесь воспламеняется от пламени и сгорает в кинетическом режиме. Таким образом, процесс распространения пламени по твердым материалам (как и по жидкостям) характеризуется двумя существенными признаками скорость перемещения пламени равна скорости образования горючей смеси над поверхностью материала горение на передней кромке пламени (носике) всегда протекает в кинетическом режиме, те. горит предварительно возникшая смесь горючего и окислителя. Скорость распространения пламени по поверхности твердого тела зависит от влажности вещества, ориентации его в пространстве, геометрии горящего материала, скорости и направления ветра, вида твердого тела. Установлено, что с увеличением влажности горючего материала скорость распространения пламени по нему снижается и при достижении W=\ A% горение прекращается. Снижение скорости распространения пламени с увеличением влажности связано главным образом с затратами тепла на ее испарение с поверхностных слоев материала, вследствие чего скорость разложения вещества замедляется. Кроме того, пары воды, являющиеся флегматизаторами, поступая в газовую зону, снижают температуру пламени и тем самым уменьшают его излучательную способность. Прямые измерения интенсивности лучистого потока, поступающего к поверхности горизонтального слоя сосновой хвои разной влажности, подтверждают это явление (табл. Таблица Влияние влажности на скорость распространения пламени и интенсивность лучистого потока Влажность, Скорость распространения пламени, мм /с Интенсивность лучистого потока, кВт м 2 0 3,3 - 1,6 2,66 29,4 7,6 1,53 27,2 13,0 0,91 21,0 2.5. Горение и выгорание твердых веществ 105 В отличие от жидкостей поверхность твердых материалов, может быть по-разному ориентирована в пространстве, те. может находиться под разным углом к горизонту что влияет на скорость распространения пламени. Как следует из рис. 2.10, при отрицательных углах наклона, когда пламя направлено сверху вниз, скорость распространения пламени или не изменяется, или же слабо уменьшается. Напротив, при увеличении положительного угла наклона более 10—15°, когда пламя направлено снизу вверх, скорость распространения пламени резко растет. При этом наблюдается эффект дополнительного наклона факела пламени к поверхности горючего материала, что объясняется поджатием пламени к горящей поверхности конвективными потоками окружающего воздуха. При больших углах наклона отдельные вихри пламени, касаясь поверхности горючего материала, вызывают его воспламенение еще до подхода носика пламени. Таким образом, при увеличении угла наклона образца распространение пламени снизу вверх) резко возрастает n, мм/с наклона, град Рис. 2.10. Зависимость скорости распространения пламени по сосновой хвое от угла ее наклона — при влажности образца допри влажности образца 12% 106 Глава 2. Распространение горения газов, жидкостей и твердых тел теплоперенос от зоны пламени к поверхности твердого материала за счет конвекции. При малых углах наклона основной теплообмен поверхности материала осуществляется с зоной носика пламени (см. рис. 2.9), при больших углах — со всей фронтальной поверхностью диффузионного пламени в этом случае доля излучения растет. В табл. 2.9 приведены экспериментальные данные, показывающие изменение интенсивности излучения у носика пламени при распространении пламени по слою сосновой хвои (W = 1,5%) в зависимости от угла наклона. Таблица Влияние угла наклона к горизонту на параметры процесса горения Угол наклона к горизонту, град Скорость распространения пламени, мм /с Интенсивность лучистого потока, кВт м 2 0 2,7 29,4 ' 7,7 2,9 33,5 21,5 8,5 37,7 26,5 13,2 Из табл. 2.9 очевидно, что при изменении угла наклона от 0 до 26,5° скорость распространения пламени увеличивается враз, а интенсивность лучистого потока — только в 1,4 раза. Скорость распространения пламени зависит от направления и скорости ветра воздушного потока При увеличении скорости ветра в направлении распространения пламени скорость сначала растет линейно, а затем подчиняется степенной или даже экспоненциальной зависимости. Очевидно, что механизм влияния ветра аналогичен механизму влияния угла наклона материала. Рассмотрим, как меняется скорость распространения пламени в зависимости от скорости"*воздушных потоков, направленных против движения пламени (противоток. При охлаждении нагретых участков поверхности перед фронтом пламени скорость распространения пламени будет снижаться. В тоже время поток воздуха интенсифицирует смешение продуктов пиролиза с окислителем, образование гомогенной горючей смеси происходит быстрее, носик пламени приближается к поверхности твердого материала 2.5. Горение и выгорание твердых веществ 107 что, в свою очередь, приводит к дальнейшему увеличению интенсивности и ускоряет распространение пламени. Кроме того, перед фронтом пламени наблюдается образование ламинарных вихрей, которые способствуют появлению конвективного прогрева поверхности перед фронтом пламени. При малых скоростях движения воздуха определяющее влияние оказывают интенсификация смешения продуктов и появление ламинарных вихрей, в результате скорость распространения пламени растет. При увеличении скорости ветра усиливается эффект аэродинамического торможения и охлаждения поверхности материала, в результате скорость распространения пламени уменьшается, вплоть до его срыва. Основное влияние на скорость распространения пламени оказывает геометрия толщина) образца материала Различают термически тонкие и термически толстые образцы. Такое деление основано на сравнении геометрической или физической толщины с термической, под которой понимают толщину слоя твердого материала, прогретого перед фронтом пламени выше начальной температуры к моменту поступления пламени на данный участок поверхности. Если физическая толщина превышает термическую, образец называют термически толстым, если наоборот, — термически тонким. Температура образца со стороны, противоположной той, по которой распространяется пламя, перед фронтом пламени для термически толстого равна начальной температуре, а для термически тонкого — выше. При увеличении толщины термически тонких образцов материала снижение скорости распространения пламени происходит главным образом вследствие увеличения теплопотерь от поверхности горения, связанных с прогревом материала в глубине. Для термически толстых образцов материала скорость распространения пламени не зависит от их толщины если физическая толщина превышает термическую, то дальнейшее увеличение толщины не приводит к изменению характера распределения температуры в глубине материала перед фронтом пламени и скорость горения остается неизменной. Большинство материалов растительного происхождения в виде термически толстых образцов в горизонтальном или вертикальном (сверху вниз) положении на воздухе при нормальной температуре неспособны к самостоятельному распространению пламени. Так, даже по вертикальному образцу потребитель Глава 2 . |