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

ном. При достаточно малых скоростях потока пламя рас­ пространяется по трубе навстречу потоку, происходит так называемый «проскок» пламени. При очень быст­ ром течении возможен срыв горения.

Адиабатическое сгорание и температура горения. Поскольку быстрое ускорение реакции при повышении температуры и процесс теплопередачи создают саму воз­ можность распространения пламени, тепловой режим го­ рения определяют все основные закономерности послед­ него.

При адиабатическом, т. е. не сопровождающемся теп­ ловыми потерями сгорании, весь запас химической энер­ гии горючей среды расходуется на нагревание продук­ тов реакции. Температура равновесных продуктов адиа­ батического сгорания не зависит от скоростей протекаю­ щих в пламени реакций, а лишь от их суммарного теп­ лового эффекта и теплоемкостей конечных продуктов. Эта величина называется температурой горения Ть- Она является важной характеристикой горючей среды. У рас­ пространенных горючих смесей величина Ть лежит в пре­ делах 1500—3000 к.

Рассмотрим, насколько близки реальные условия сгорания газа к идеальным адиабатическим. Очевидно, что при установлении равновесия в продуктах сгорания Ть представляет максимальную температуру, которую могут иметь продукты реакции в отсутствие внешнего подогрева. Температура продуктов сгорания может быть меньше Ть, если имеются тепловые потери. Механизм тепловых потерь обусловливает как саму возможность процесса горения, так и характер его последствий — разрушающего действия.

Процесс распространения пламени не связан с теп­ ловыми потерями, хотя и сопровождается интенсивной теплопередачей. Теплоотвод из каждого сгорающего слоя при поджигании соседнего, еще не нагретого, ском­ пенсирован аналогичным количеством тепла, ранее по­ лученным в поджигающем слое при его собственном под­ жигании. Дополнительное тепло поджигающего импуль­ са не искажает стационарного режима горения, так как его роль в тепловом балансе все более уменьшается по мере увеличения количества сгоревшего газа.

Величина Ть определяется условием сохранения энер­ гии. При этом важны стехиометрические соотношения.

14

Химическая энергия горючей смеси определяется содер­ жанием ее недостающего компонента, т. е. компонента, расходующегося при реакции нацело. Часть другого ком­ понента, избыточного, представляющая разность междѵ начальным его содержанием чі количеством, необходи­ мым для полного связывания недостающего компонента, остается при взаимодействии непревращеиной. Тепло реакции расходуется на нагревание всех компонентов смеси: продуктов реакции, избыточного и инертных ком­ понентов.

В ряде процессов горения, прежде всего для смесей углеродсодержащих веществ при большом избытке го­ рючего, температура продуктов адиабатической реакции может быть больше термодинамически, равновесной. Это обусловлено торможением эндотермических реакций в пламени и в связи с этим дополнительным по сравне­ нию с состоянием равновесия тепловыделением. Сверх­ равновесные температуры в пламени возможны также при горении некоторых бедных (по горючему) смесей водорода. При их поджигании образуются небольшие пламенные шарики и зона реакции обогащается недо­ стающим горючим вследствие особенностей его диффу­ зии. Соседние слои исходной смеси обедняются горючим и вовсе не горят.

Если теплоемкость с и число молекул в единице мас­ сы в процессе реакции не изменяется,

исходной смеси. Разбавление смеси инертным компонен­ том, уменьшающее суммарный тепловой эффект (/ZjQ), приводит к понижению температуры горения. Аналогич­ но влияние увеличения содержания избыточного компо­ нента. Во многих случаях этот эффект еще сильнее, обычно в отношении избыточного горючего. Органиче­ ские горючие имеют высокую теплоемкость, а при доста­ точном нагревании в продуктах сгорания подвергаются эндотермнческому разложению.

Реальные расчеты равновесия в продуктах сгорания много сложнее, чем для описанной элементарной схемы. Помимо изменения теплоемкостей, учитывается состоя­ ние равновесия в продуктах сгорания. При высоких тем­

15

пературах происходит частичный распад не только избы­ точного горючего, но и многих более стойких конечных

Тепловые потери от продуктов сгорания возможны в результате излучения и при соприкосновении продук­ тов сгорания с твердой поверхностью по механизмам теп­ лопроводности и конвекции. Вследствие большой разни­ цы температур стенок и продуктов горения теплоотвод в стенки очень велик. При остывании продуктов сгора­ ния в замкнутом объеме они соприкасаются со стенками по всей поверхности сосуда. Охлаждение обычно практи­ чески завершается в течение времени, не превышающего 1 с. При охлаждении продуктов горения взаимное рас­ положение пламени и стенок играет решающую роль. В случае поджигания в центре сферического сосуда пла­ мя не касается стенок до полного сгорания всей смеси, и охлаждение газа возможно только путем излучения. Некоторые сведения о закономерностях излучения газов излагаются в Приложении 1.

За последние годы была установлена возможность достаточно интенсивного излучения* при сгорании неко­ торых горючих систем, однако закономерности этого явления еще не во всем ясны. Поэтому мы будем считать излучение пламени незначительным и принимать, что при отсутствии непосредственного соприкосновения горя­ чего газа с более холодной внешней средой сгорание является адиабатическим. Далее мы рассмотрим, в ка­ ком случае излучение продуктов сгорания имеет наибо­ лее важное для задач техники взрывобезопасности зна­ чение. Оказывается, что тепловые потери излучением необходимо прежде всего учитывать при установлении механизма концентрационных пределов взрываемости, а в ряде случаев — для гетерогенных сажеобразующих систем.

Температура равновесных продуктов реакции при адиабатическом сгорании может быть точно вычислена. Это позволяет определить отношение р0/ръ в выраже-

В результате хемилюминесценции.

ле его пути. Так, при r/R = 1/3 объем продуктов сгорания равен 1/27 объема сосуда. Если бы исходная смесь не сгорала частично в этом объеме, а лишь оттеснялась на периферию, рост давления не превышал бы 4%, истин­ ный рост еще меньше.

В соответствии со спецификой движения газа при

и истечения из камеры. В определенных условиях рост давления может приближаться к давлению для адиаба­ тического процесса в замкнутом сосуде, если только воз­ никновение ударных волн не приведет к еще более зна­ чительному, хотя и кратковременному, его повышению. Возможность роста давления при сгорании в полузамк­ нутых аппаратах опасна и с нею необходимо считаться в задачах техники (взрывобезопасности.

Методы измерения скорости пламени. Один из наи­ более распространенных методов измерения величи­ ны ип заключается в сжигании исследуемого газа в бун-. зеновской горелке и определении величины поверхности

18