Теория горения газовых смесей

Дефлаграционное горение. Состав ГС может быть раз­личным. В общем случае содержание горючего компонента может изменяться от нуля до ста процентов. Однако опыт показывает, что не все смеси горючего и окислителя способны распространять пламя. Распространение возможно лишь в определенном интервале концентраций. Данное количество является показателем ПВО и называется концентрационным пределом распространения пламени (КПРП). При зажигании смесей, состав которых выходит за эти пределы, реакция горения, ини­циированная зажигающим импульсом, затухает на небольшом расстоянии от места зажигания.
Для смесей горючего и окислителя, находящихся в газообразном состоянии, существуют минимальная и максимальная концентрации горю­чего, которые ограничивают область горючих смесей. Эти концентрации называются соответственно нижним и верхним концентрационным пределом распространения пламени (НКПРП и ВКПРП). Вне пределов распространение пламе­ни по данной смеси невозможно. Различные ГПВС имеют свои концентрационные пределы распространения пламени. Например, для метана СН₄ КПРП возможен между 5-15 %; для водорода Н₂ между 2-84 %. Причины, обусловливающие наличие КПРП более подробно будут рассмотрены далее.
Распространение пламени протекает с определенной скоростью. Различают следующие скорости распространения пламени (U_пл, м/с):

• 
  нормальная («фундаментальная»)  скорость перемещения фронта пламени относительно свежей смеси в направлении, перпендикулярном (по нормали) к поверхности пламени (см. рис. 3.2).
  

, (3.1)
где U_н – нормальная скорость распространения пламени, м/с;
n – расстояние, м, пройденное фронтом пламени по нормали к поверхности фронта за время , с.

Рис. 3.2. Схема распространения пламени по гомогенной горючей смеси.

В случае стационарного пламени, когда его фронт неподвижен

, (3.2)
где V_см – расход свежей смеси, м³/с;
F – поверхность фронта пламени.
Величина нормальной скорости распространения пламени является показателем ПВО для газов:

• 
  видимая (наблюдаемая) – скорость пламени относительно стенок трубы или поверхности (см. рис. 3.2).
  

, (3.3)
где U_В – видимая скорость перемещения пламени, м/с;
ℓ – расстояние, м, пройденное фронтом пламени за время , с.
Если горючую смесь направить навстречу пламени снизу вверх со скоростью _см ≈ U_В, то можно получить неподвижный стационарный фронт пламени, т. е. в этом случае скорость распространения пламени, согласно определению, будет равна скорости истечения свежей смеси:
, (3.4)
где _см – скорость истечения горючей газовой смеси, м/с;
V_см – расход свежей смеси, м³/с;
S – площадь поперечного сечения трубы, м².
Нормальная скорость во столько раз меньше видимой, во сколько поверхность фронта пламени больше площади поперечного сечения трубы. Если угол между векторами видимой и нор­мальной скорости обозначить через  (рис. 3.2), тогда:
U_н = U_Вcos. (3.5)
Соотношение (3.5), предложенное Михельсоном, называется законом косинуса.

• 
  массовая скорость выгорания – количество вещества, сгораемого в единицу времени с единицы поверхности горючей жидкости. Например, для нефти U_М = 0,04 кг/м²с.
  

U_М = U_н ₀, (3.6)
где U_М – массовая скорость, кг/(м²с);
₀ – плотность исходной горючей смеси, кг/м³.
Формула (3.6) устанавливает взаимосвязь массовой и нор­мальной скоростей горения.
Факторы (условия), влияющие на U_пл:

1. 
   природа горючего, теплопроводность и теплоемкость газа. Например, малореакционные метан и бензин имеют скорость распространения пламени до 40 м/с, среднереакционные этан и пропан – до 80 м/с, высокореакционный водород и ацетилен – до 160 м/с;
   
2. 
   состав смеси: при стехиометрической концентрации скорость распространения пламени максимальная, при НКПРП и ВКПРП  минимальная, флегматизаторы и ингибиторы тормозят химическую реакцию и соответственно уменьшают скорость;
   
3. 
   конфигурация пространства: разгон пламени происходит при соотношениях длины трубы к диаметру L/D  1, расширение продуктов горения приводит к движению нагретого газа перед фронтом, генерируется турбулентность, что увеличивает скорость пламени, иногда приводит к детонации. Наличие препятствия сокращает критическую длину: чем больше размеры препятствия, тем легче переход в детонацию. С увеличением диаметра труб скорость распростране­ния пламени растет неравномерно. При увеличении диа­метра труб до 0,1-0,15 м скорость растет довольно бы­стро; при дальнейшем увеличении диаметра труб она продолжает увеличиваться, но в меньшей степени. Уве­личение температуры происходит до тех пор, пока диа­метр не достигнет некоторого предельного диаметра, выше которого увеличение скорости не происходит. При уменьшении диаметра трубы скорость распространения пламени уменьшается, и при некотором малом диаметре пламя в трубе не распространяется. Это явление можно объяснить увеличением тепловых потерь через стенки трубы.
   

Видимая скорость распространения пламени не постоянна, она возрастает и может перейти в детонацию (см. рис. 3.3).