Файл: Розловский А.И. Взрывобезопасность паро-газовых систем в технологических процессах учеб. пособие.pdf

цов, через один из которых вдувается исходный газ, через другой — отводятся продукты реакции. Плоское пламя, совпадающее с поперечным сечением трубы, рас­ полагается внутри трубы неподвижно благодаря тому, что газ вдувается со скоростью, равной скорости пламе­

на Ub. На каждый 1 м2 поверхности фронта поток прино­ сит ежесекундно ип м3 исходной среды, масса которых равна ипро- Соответственно от данного участка фронта пламени отводится в 1 с иь м3 продуктов реакции с мас­ сой ііьрь• По закону сохранения вещества

Величина иь во столько раз превосходит нормальную скорость пламени, во сколько плотность исходной среды больше плотности продуктов сгорания. Увеличение ско­ рости газового потока при сгорании является следст­ вием расширения газа. Величина g = u р называется мас­ совой скоростью горения. Она представляет собой массу вещества, сгорающую на 1 м2 поверхности пламени в 1 с; в любой точке вдоль нормали к фронту она по­ стоянна.

Расширение газа в пламени приводит к тому, что го­ рение всегда сопровождается движением газа. На рис. 2 изображена схема движения газа при адиабатическом сгорании в плоском пламени. Если пламя неподвижно, горючая смесь течет вправо (вдувается в трубу) со ско­ ростью ип, продукты реакции движутся в том же направ­ лении со скоростью иь. При неподвижной исходной среде (например, находящейся в закрытой с левого конца тру­ бе, при поджигании у открытого правого конца) пламя перемещается влево со скоростью. ип, а продукты реак­ ции истекают в противоположном направлении со ско­ ростью иь—ип. При неподвижности продуктов реакции (в случае поджигания у закрытого правого конца тру­ бы) пламя движется влево (в сторону открытого конца), со скоростью иь, расширяющиеся продукты сгорания тол­ кают перед собой исходную среду, движущуюся со ско­ ростью иь—ип по отношению к стенкам трубы.

Значения ип сильно отличаются у различных горючих смесей; от 0,03 м/с до 15 м/с. Помимо химической специ-

.9

фики реагирующих веществ, на величину ип оказывают значительное влияние соотношение содержаний горюче­ го и окислителя и содержание инертных компонентов; меньшую роль играют начальная температура смеси и давление. Ниже приведены максимальные значения ип

Закон площадей. Вернемся к ^рассмотрению стацио­ нарного пламени, имеющего произвольную форму, распо­ ложенного в потоке горючей среды. Обозначим среднюю

10

скорость потока через w (м/с), поверхность пламени— F (м2), поперечное сечение трубы — S. Так как на каж­ дом квадратном метре поверхности пламени ежесекунд­ но сгорает ип ім3 горючей среды*, то во всей трубе в си­ лу эквивалентности всех участков фронта сгорает unF м3 исходного газа. С другой стороны, объем сгоревшего га­ за равен объемной скорости потока wS, т. е.

Таким образом, скорость распространения пламени в трубе (т. е. w, когда сгорающий газ неподвижен) бу­ дет во столько раз больше нормальной, во сколько по­ верхность пламени превосходит поперечное сечение тру­ бы. Скорость распространения пламени (или скорость потока при неподвижном пламени) может изменяться в широком диапазоне при соответствующем изменении формы пламени.

Турбулизация горящего газа, т. е. возникновение не­ упорядоченного движения отдельных его объемов, вы­ зывающая значительное увеличение поверхности пламе­ ни, может приводить к ускорению горения, ограничивае­ мому лишь газодинамическими особенностями горения при переходе к детонационному режиму (см. ниже). При сильно развитой турбулентности фронт пламени может переходить в размытую турбулентную область интенсив­ ной химической реакции.

Возможные режимы горения (недетонационного) от­ личаются только скоростью распространения пламени. Это различие обусловлено неодинаковым развитием по­ верхности фронта пламени. Достаточно быстрое сгора­ ние, при котором скорость пламени равна нескольким сотням м/с, протекающее при заметной турбулизации горения, часто называют взрывом. Следует подчеркнуть условность и субъективность такой классификации: «медленное» горение отличается от «взрыва» только ве­ личиной поверхности пламени, а значит, и его скоро­ стью, граница между обоими режимами устанавливает­ ся произвольно**.

* Величина ип определяет не только линейную скорость переме­ щения плоского пламени, но и объемную скорость сгорания на еди­ ницу поверхности пламени; ее можно выразить не только в м/с, но

ив м3/(м2-с).

**То же относится к терминам «хлопок», «вспышка» и т. п.

11

2.ХАРАКТЕРНЫЕ ТИПЫ ПЛАМЕНИ. ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ГОРЕНИЯ

Возмущение пламени силами трения и тяжести.

Горение даже неподвижной первоначально смеси всегда осложнено внешними возмущающими воздействиями, искажающими форму фронта, важнейшие из них — силы тяжести и трения. Действие силы тяжести может приво-

а 6 В

Рнс. 3. Возмущение пламени силами тяжести и трепня в вертикальной трубе.

дить к образованию конвективных потоков. Так, при под­ жигании у открытого нижнего конца вертикальной трубы (рис. 3, а) тяжелая исходная среда располагается выше легких продуктов горения. Под влиянием конвективных потоков (аналогичных возникающим в атмосфере над нагретыми твердыми телами, но более интенсивных) фронт пламени растягивается и горение ускоряется. Кон­ векция может искажать также и сферическое пламя, при этом тем значительнее, чем меньше скорость горения; влияние конвекции становится существенным при ип— = 0,1—0,2 м/с.

При поджигании у закрытого верхнего конца трубы (рис. 3, б) конвективные потоки не возникают. Однако

12

в этом случае горючая среда движется тіо трубе вслед­ ствие расширения газа при сгорании. Трение движуще­ гося газа о стенки приводит к различию скоростей тече­ ния по сечению трубы, 'возникновению дополнительных движений газа вблизи фронта и его искривлению. При

непосредственно сказывается лишь на движении продук­ тов реакции и возмущения минимальны. В случае уме­ ренных скоростей горения в не очень длинных трубах форма пламени близка к плоской.

При умеренной скорости горения пламя, распростра­ няющееся в горизонтальной трубе со стороны открытого конца, приобретает специфическую наклонную, вытяну­ тую вперед форму. На определенном протяжении пути пламени такое горение остается стационарным. В даль­ нейшем, так же как и при горении в вертикальной трубе, усиливающееся трение о стенки при истечении продук­ тов реакции из трубы приводит в’ движение и сгораю­ щую среду, поверхность пламени прогрессивно увеличи­ вается и горение ускоряется. Описанная форма пламени является следствием воздействия на горение обоих ис­ кажающих факторов — сил тяжести и трения. Форма пламени определяется соотношением между нормальной скоростью пламени и скоростью движения газа вблизи каждого участка фронта.

Бунзеновская горелка. Режим стационарного пламе­ ни обычно устанавливается при сгорании потока одно­ родной среды не внутри трубы, а у ее устья. Пламя, фиксированное на выходном конце трубы, имеет форму, близкую к конической (бунзеновский конус). Если сжи­ гаемая смесь содержит избыток горючего, продукты не­ полного сгорания, смешиваясь с атмосферным воздухом, догорают с внешней стороны основного, внутреннего ко­ нуса пламени, образуя так называемый внешний буизеиовский конус.

Бунзеновское пламя может быть устойчивым при раз­ личных скоростях газового потока в достаточно широ­ ком диапазоне, благодаря соответствующему изменению его поверхности, согласно закону площадей (1.2). Осно­ вание конуса при этом остается неизменным, примерно совпадая с выходным сечением горелки, тогда как конус вытягивается в быстром потоке и уплощается в медлен­

13