Распространение пламени по поверхности жидкости. Давление насыщенного пара, Па Q

• Название: Давление насыщенного пара, Па Q
• Дата: 07.12.2021
• Размер: 65.52 Kb.
• Имя файла: Распространение пламени по поверхности жидкости.docx
• Тип: Документы; #294990

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):



где Р_{п п} — давление насыщенного пара, Па; Q_llcn — 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, т.е. НКПВ < С_п < 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 вспышки» 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, так и при нижнем температурном пределе воспламенения над поверхностью жидкости образуется нижний концентрационный предел воспламенения, однако в последнем случае НКПВ создается насыщенными нарами. Поэтому температура вспышки всегда несколько выше, чем НТПВ. Хотя при температуре вспышки наблюдается кратковременное воспламенение паров, не способное перейти в устойчивое горение жидкости, тем не менее, при определенных условиях вспышка может стать причиной возникновения пожара.

Температура вспышки принята за основу классификации жидкостей на легковоспламеняющиеся (ЛВЖ) и горючие жидкости (ГЖ). К ЛВЖ относятся жидкости, имеющие температуру вспышки в закрытом сосуде 61°С и ниже, к горючим — с температурой вспышки более 61°С.

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.

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



При расчете температуры вспышки в замкнутом сосуде рекомендуется принимать В = 28, в открытом сосуде В = 45; для расчета температуры воспламенения принимают В = 53.

Температурные пределы воспламенения могут быть рассчитаны:

— по известным значениям температуры кипения



где Г_н(в), Т_кш— 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 ф„ _п — концентрация насыщенных паров, %; Р_нп — давление насыщенных паров, Па; Р₀ — внешнее (атмосферное) давление, Па.

Из формулы (2.41) следует



Опеределив по значению нижнего (верхнего) предела воспламенения давление насыщенного пара, находим температуру, при которой это давление достигается. Она 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 в месте 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 теплоизлучение от пламени. Пламя, обладая высокой температурой (более 1()()()°С), способно, как известно, излучать тепловую энергию. Согласно закону Стефана — Больцмана интенсивность лучистого теплового потока, отдаваемого нагретым телом, определяется соотношением



где ц_л — интенсивность лучистого теплового потока, кВт/м²; е₀ — степень черноты тела (пламени) (е₀ = 0,75-Н,0); ст = = 5,7 • 10 ¹¹ кДж/(м²-с-К⁴) — постоянная Стефана — Больцмана; Т_Г — температура тела (пламени), К; Т₀ — температура среды, К.

Тепло, излучаясь во все 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 HKBJ1, произойдет ее зажигание от пламени. Затем уже этот участок поверхности 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, т.е. 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 температуре жидкости, близкой к температуре вспышки, скорость распространения пламени по поверхности жидкости будет равна скорости его распространения по смеси паров в воздухе на НКПВ, т.е. 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 но смеси с концентрацией, близкой к стехиометрической. Следовательно, с увеличением начальной температуры жидкости выше Г_стх 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 но зеркалу жидкости от ее начальной температуры:

1 — горение жидкости в закрытой емкости; 2 — горение жидкости в открытой емкости 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 Г_стх 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, так и при тушении пожаров, когда, например, может возникнуть опасность подсоса воздуха в закрытую емкость — ее разгерметизация.

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.

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.н.) 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.

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 h_up 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 А_мр, при которой происходит затухание горения, очень большая. Так, для резервуара с диаметром 5 м она составляет 11 м, а с диметром 11м — около 35 м.



Рис. 2.8. Схема отрыва зоны пламени от поверхности жидкости при понижении ее уровня в резервуаре