Теория горения газовых смесей

Переход дефлаграционного горения в детонацию в газовоздушных смесях возможен в следующих случаях:

• 
  при обогащении горючей смеси кислородом;
  
• 
  при очень больших размерах газовых облаков;
  
• 
  при наличии турбулизаторов горения.
  

Рис. 3.3. Схема распространения пламени по трубе Коварда-Джонса: слева наблюдается затухание пламени, а слева направо увеличивается площадь пламени, следовательно растет интенсивность горения

Согласно теории гидродинамической неустойчивости и автотурбулизации фронта нормального горения в горючих облаках достаточно больших размеров неизбежен переход от дефлаграционного горения к детонации. Экстраполяционные оценки приводят к следующим критическим размерам облаков, при которых вероятность возникновения детонации высока: для водородовоздушных смесей – 70 м, для пропановоздушных – 3500 м, для метановоздушных – 5 тыс. м.
Турбулизация процесса горения газовых смесей с помощью различных препятствий по пути распространяющегося пламени приводит к существенному сокращению критических размеров газовых облаков, и возникающая в этом случае детонационная волна становится источником возбуждения детонации в неограниченном пространстве.
Детонация. Детонацией называется процесс превращения горючей смеси или взрывчатого вещества (ВВ), сопровождающийся выделением теплоты и распространяющийся с постоянной скоростью, превышающей скорость распространения звука в данной смеси или веществе. Детонация ВВ будет рассмотрена далее.
В отличие от дефлаграционного горения, где распространение пламени обусловлено относительно медленными процессами диффузии и теплопроводности, детонация представляет собой комплекс мощной ударной волны и следующей за ее фронтом зоны химического превращения. Благодаря резкому повышению температуры и давления за фронтом ударной волны химическое превращение исходных веществ в продукты горения протекает чрезвычайно быстро в очень тонком слое, непосредственно прилегающем к фронту ударной волны.
Ударная волна сжимает и нагревает горючую смесь, вызывая химическую реакцию, продукты которой сильно расширяются – происходит взрыв. Энергия, выделяющаяся в результате химического превращения, поддерживает существование ударной волны, не давая ей затухать. Скорость перемещения детонационной волны постоянна для каждой горючей смеси и достигает 1000-3000 м/с в газовых смесях. Например, скорость детонации водородо-кислородной смеси составляет 2820 м/с, метано-кислородной – 2320 м/с. Давление во фронте ударной волны при детонации газовых смесей достигает 1-5 МПа (10-50 атм).
Таким образом, высокая скорость кинетического горения образует избыточное давление Р и ударную волну, т. е. часто протекает в виде взрыва. Взрыву предшествует ряд физико-химических процессов: окисление, самовоспламенение, затем только горение паров, которое сопровождается избыточным давлением и ударной волной.
Распространение пламени при кинетическом горении осуществляется следующими механизмами:

• 
  диффузионным, при котором перемещение фронта пламени происходит за счет диффузии активных центров – радикалов, атомов водорода Н из зоны химических реакций в свежую смесь;
  

• 
  тепловым, который возможен за счет потока тепла, способного нагревать смесь до температуры самовоспламенения. Тепло передается преимущественно излучением, и незначительно – конвекцией и теплопроводностью газовых и паровоздушных смесей.
  

На практике действует диффузионно-тепловой механизм.
При распространении горения по углеводородам активные центры (R, атомы Н) из зоны пламени диффундируют в предпламенную зону, где горючее окисляется до СО и Н₂О с небольшими добавками СО₂ и Н₂. Когда температура фронта пламени (границы предпламенной и пламенной зоны) достигает значения температуры самовоспламенения, скорость тепловыделения резко превышает скорость теплопотерь и происходит «цепочно-тепловой взрыв», дающий поток активных центров в свежую смесь.
Различают несколько видов пламени:

1. 
   Стационарное, или неподвижное (рис. 3.4):
   

• 
  ламинарное диффузионное горение  это спокойное горение, когда отчетливо видно очертание слоев пламени.
  

_н
_смк

_в

в оздух

газ
Рис. 3.4. Структура стационарного диффузионного пламени (высота пламени зависит от скорости подачи газа)

• 
  турбулентное диффузионное пламя возникает при: увеличении скорости подачи газа, наличии помех (см. рис. 3.5).
  

приподнятое пламя

h_пл

Скорость подачи газа м³/с

Рис. 3.5. Структура турбулентного диффузионного пламени

2. 
   нестационарное или подвижное – фронт пламени перемещается относительно поверхности или стенок. Подобный вид пламени может быть только турбулентным: диффузионным или кинетическим.