Диффузионное и кинетическое горение кратко

Обновлено: 04.07.2024

Факельный вид горения. Диффузионный, кинетический режимы горения.Кинетическое ламинарное пламя. Форма пламени. Уравнение поверхности пламени. Устойчивость пламени. Проскок и отрыв пламени. Критерий устойчивости. Диффузионное ламинарное пламя. Форма пламени. Решение Бурке-Шумана. Смешанное диффузионно-кинетическое пламя.

1.Факельный вид горения.

Этот вид горения осуществляется с помощью горелок. Он имеет широкое распространение ( хотя есть другие разнообразные способы организации горения : кипящий слой , пористая среда , каналы и.т.д.; кроме того, для твердых ракетных топлив и порохов существуют свои специальные способы организации горения ).

Это наиболее старый способ сжигания топлива.

Используется в котельных установках, технологических печах и аппаратах, в быту, а также в ПВРД.

Таким образом, факел представляет собой стационарное пламя правильной формы, возникающее в струе горючей смеси (механизм образования не имеет значения)

типа (формы и устройства) горелки;
степени смешения горючего и окислителя;
характера потока горючей смеси;

Фронт воспламенения - это граница между ядром и зоной воспламенения. Ядро - это область в которой сохраняются основные параметры воспламенения. Форма и размер определяются интенсивностью смешения горючего с окислителем.

Рис.1. Простейшая схема факела.

Внешне воспринимается как совокупность темного конуса и светящейся эллипсоидальной области.

L_В - зона воспламенения (до фронта воспламенения), ядро факела , форма ее конус;

d - фронт воспламенения, его толщина много меньше L_В и L_Ф (в случае турбулентного горения толщина ее значительна)

L_Д - зона догорания, имеет эллипсоидальную форму,

L_Ф – длина факела в целом , имеет эллипсоидальную форму.

Эффективность горения определяет L_Ф

2. Диффузионный и кинетический режимы горения.

Факел, который образуется при истечении топлива в среду окислителя (или окислителя в среду топлива, горючего). Его называют - диффузионным факелом - (диффузионное горение, диффузионное пламя).

Факел, который образуется при истечение заранее подготовленной смеси топлива и окислителя в окружающую среду (она может быть тоже окислительной). Такой тип называют - кинетическим факелом - (кинетическое горение, кинетическое пламя).

Для первого типа главную роль играет явление диффузии, смешения (молекулярной, турбулентной).

Для второго типа главную роль играет кинетика химических реакций (тепловой и цепной механизмы распространения пламени).

Горение – это процесс преобразования смеси одних химических соединений в смесь других химических соединений (продуктов горения), текущий в режиме самоорганизации и сопровождающийся (обычно) выделением тепла и света.

t_преобр = t_смеш + t_{нагрева} + t _хим.р. , где
t_смеш – время, необходимое для подвода окислителя к топливу (время смешения); t_{нагрева} – время нагрева компонентов горения до температуры воспламенения; t _хим.р. – время протекания химической реакции горения.;

При кинетическом режиме горения интенсивность горения ( t_преобр ) определяется концентрацией горючего (составом смеси), родом горючего и окислителя, температурой и давлением смеси, т.е. зависит от того же, чем определяется скорость химических реакций, – зависит только от кинетики самих химических реакций. Поэтому такой вид горения и называется - кинетическим .

При диффузионном режиме горения t_преобр определяется гидродинамикой геометрической области преобразования, т.е. определяется интенсивностью процесса смешения, а также родом горючего и окислителя.

3.“Кинетическое” ламинарное пламя.

Кинетическое пламя – это горение однородной газовой смеси, которое происходит благодаря распространению пламени в горючей смеси, непрерывно поступающей в топочную камеру.

Ламинарное “кинетическое” пламя – имеет место при ламинарном движении горючей смеси.

Пусть в горелку, расположенную вертикально, во избежании искривления факела подаётся однородная смесь. При ламинарном движении смеси скорость её движения распределяется в горелке по параболе. Аналогичное распределение скорости сохраняется и на выходе из горелки: у стенок горелки скорость очень мала, далее она возрастает, достигая максимального значения на оси горелки.

При зажигании в устье горелки вблизи её среза в точках, где скорость потока равна скорости нормального распространения пламени U_н , пламя держится устойчиво, образуя зажигающее кольцо, обеспечивающее непрерывное зажигание поступающей смеси по периферии струи. У стенок горелки, где скорость смеси менее, чем U_н , пламя не может проникнуть в горелку, так как вследствие теплоотдачи через стенки скорость распространения пламени уменьшается и становится меньше скорости струи в этом месте.

Рис.2. Распределение по скоростям в пламени горелки

Кольцевая зона зажигания образуется естественно в результате замедленного движения на периферии горелки и диффузии горючего газа из потока наружу.

Пламя в процессе распространения от периферии к центру одновременно относится потоком, и в результате этого достигает оси струи на некотором расстоянии от устья горелки, образуя конусообразный факел. Тонкая зона горения, образующая фронт пламени, обычно имеет ярко-голубой цвет, благодаря чему в пространстве факел чётко выделяется.

Время, необходимое для распространения пламени от периметра горелки до центра струи
,где R – радиус горелки.

За это время центральные струи, двигаясь со скоростью W , проходят расстояние

которое соответствует длине факела. Получаем, что длина ламинарного факела равняется

При данном диаметре горелки форма факела и его размеры зависят от скорости распространения пламени и скорости потока в отдельных точках струи. Чем больше скорость распространения пламени и меньше скорость потока, тем короче факел, и, наоборот, чем меньше U_n и больше W , тем длиннее факел. При данной скорости выхода смеси из горелки длина факела зависит от скорости распространения пламени, т.е. от природы сжигаемого газа, его концентрации в смеси и температуры газо-воздушной смеси. С увеличением диаметра горелки длина факела увеличивается.

Таким образом, горение протекает по поверхности конусообразного факела, причём глубина зоны горения составляет десятые доли миллиметра, основной же объём факела остаётся инертным.

4.Уравнение поверхности. Устойчивость пламени.

Фронт пламени однородной смеси принимает устойчивое положение по конусообразной поверхности, в каждой точке которой нормальная к ней составляющая W_n скорости движения газа равняется нормальной скорости распространения пламени, т.е.

- уравнение фронта пламени

,где W – местная скорость потока.

Кроме области вблизи горелки или кромки стабилизатора W намного больше нормальной скорости распространения пламени.

В открытом факеле при ламинарном горении однородной смеси с зажиганием по периферии устья круглой горелки фронт пламени принимает устойчивое положение по конусообразной поверхности.

Метод сжигания однородной газо-воздушной смеси в ламинарном потоке не имеет промышленного распространения и применяется лишь в небольших нагревательных приборах.

5.Проскок и отрыв пламени.

Риc.3 Распределения скорости пламени и потока (по абсол.величине, без учета направления) в случае отрыва (а) и проскока (б).

КРИТЕРИЙ УСТОЙЧИВОСТИ - условие касание кривых W и U вблизи от R стабилизатора (стенок горелки)

6. Диффузионное ламинарное пламя.

Пламя, которое образуется при истечении топлива в среду окислителя, называется диффузионным.

Рис.4 Форма диффузионного пламени а) при избытке окислителя, б) при избытке горючего.

Ламинарное диффузионное пламя наблюдается при ламинарном истечении горючего и окислителя.

7. Решение Бурке-Шумана.

Ученые предложили следующую модель пламени рассматривали пламя как процесс изотермического смешения в однородном газе. Предположение Бурке и Шумана сводятся к следующему:

скорость химической реакции бесконечно велика, зона горения представляет собой плоскость.

число молей постоянно.

диффузия происходит только перпендикулярно к массовому потоку.

скорости газа и воздуха в зоне пламени постоянны и равны скоростям в набегающих потоках.

коэффициенты диффузии всех компонентов постоянны и равны друг другу.

Пункты 4 и 5 означают, что горение протекает при = const

Используя уравнение диффузии Эйнштейна у 2 =2Dt ,где

y – среднее расстояние диффузии.
D – коэффициент диффузии.
t - время, получаются следующие выражения

Исходя из рассмотренных примеров, в зависимости от агрегатного со-стояния смеси горючего и окислителя, т.е. от количества фаз в смеси, разли-чают:

1. Гомогенное горение газов и паров горючих веществ в среде газооб-разного окислителя. Таким образом, реакция горения протекает в системе, состоящей из одной фазы (агрегатного состояния).

2. Гетерогенное горение твердых горючих веществ в среде газообраз-ного окислителя. В этом случае реакция протекает на поверхности раздела фаз, в то время как гомогенная реакция идет во всем объеме.

Это горение металлов, графита, т.е. практически нелетучих материалов. Многие газовые реакции имеют гомогенно-гетерогенную природу, когда возможность протекания гомогенной реакции обусловлена происхождением одновременно гетерогенной реакции.

Горение всех жидких и многих твердых веществ, из которых выделяя-ются пары или газы (летучие вещества) протекает в газовой фазе. Твердая и жидкая фазы играют роль резервуаров реагирующих продуктов.

Например, гетерогенная реакция самовозгорания угля переходит в го-могенную фазу горения летучих веществ. Коксовый остаток горит гетероген-но.

По степени подготовки горючей смеси различают диффузионное и ки-нетическое горение.

Рассмотренные виды горения (кроме взрывчатки) относятся к диффу-зионному горению. Пламя, т.е. зона горения смеси горючего с воздухом, для обеспечения устойчивости должна постоянно подпитываться горючим и ки-слородом воздуха. Поступление горючего газа зависит только от скорости его подачи в зону горения. Скорость поступления горючей жидкости зависит от интенсивности ее испарения, т.е. от давления паров над поверхностью жидкости, а, следовательно, от температуры жидкости. Температурой вос-пламенения называется наименьшая температура жидкости, при которой пламя над ее поверхностью не погаснет.

Горение твердых веществ отличается от горения газов наличием стадии разложения и газификации с последующим воспламенением летучих продук-тов пиролиза.

Пиролиз– это нагрев органических веществ до высоких температур без доступа воздуха. При этом происходит разложение, или расщепление, сложных соединений на более простые (коксование угля, крекинг нефти, су-хая перегонка дерева). Поэтому сгорание твердого горючего вещества в про-дукт горения не сосредоточено только в зоне пламени, а имеет многостадий-ный характер.

Нагрев твердой фазы вызывает разложение и выделение газов, которые воспламеняются и сгорают. Тепло от факела нагревает твердую фазу, вызы-вая ее газификацию и процесс повторяется, таким образом поддерживая го-рение.

Модель горения твердого вещества предполагает наличие следующих фаз (рис. 17):

Рис. 17. Модель горения

- прогрева твердой фазы. У плавящихся веществ в этой зоне происхо-дит плавление. Толщина зоны зависит от температуры проводности вещест-ва;

- пиролиза, или реакционной зоны в твердой фазе, в которой образу-ются газообразные горючие вещества;

- предпламенной в газовой фазе, в которой образуется смесь с окисли-телем;

- пламени, или реакционной зоны в газовой фазе, в которой превраще-ние продуктов пиролиза в газообразные продукты горения;

Скорость подачи кислорода в зону горения зависит от его диффузии через продукт горения.

В общем, поскольку скорость химической реакции в зоне горения в рассматриваемых видах горения зависти от скорости поступления реаги-рующих компонентов и поверхности пламени путем молекулярной или кине-тической диффузии, этот вид горения и называют диффузионным.

Структура пламени диффузионного горения состоит из трех зон (рис.18):

В 1 зоне находятся газы или пары. Горение в этой зоне не происходит. Температура не превышает 500 0 С. Происходит разложение, пиролиз летучих и нагрев до температуры самовоспламенения.

Рис. 18. Структура пламени.

Во 2 зоне образуется смесь паров (газов) с кислородом воздуха и про-исходит неполное сгорание до СО с частичным восстановлением до углерода (мало кислорода):

В 3 внешней зоне происходит полное сгорание продуктов второй зоны и наблюдается максимальная температура пламени:

Высота пламени пропорциональна коэффициенту диффузии и скорости потока газов и обратно пропорциональна плотности газа.

Все виды диффузионного горения присущи пожарам.

Кинетическимгорением называется горение заранее перемешанных горючего газа, пара или пыли с окислителем. В этом случае скорость горения зависит только от физико-химических свойств горючей смеси (теплопровод-ности, теплоемкости, турбулентности, концентрации веществ, давления и т.п.). Поэтому скорость горения резко возрастает. Такой вид горения присущ взрывам.

В данном случае при поджигании горючей смеси в какой-либо точке фронт пламени движется от продуктов сгорания в свежую смесь. Таким об-разом, пламя при кинетическом горении чаще всего нестационарно (рис. 19).

Рис. 19. Схема распространения пламени в горючей смеси: - источник зажигания; - направления движе-ния фронта пламени.

Хотя, если предварительно перемешать горючий газ с воздухом и подать в горелку, то при поджигании образуется стационарное пламя, при условии, что скорость подачи смеси будет равна скорости распространения пламени.

Если скорость подачи газов увеличить, то пламя отрывается от горелки и может погаснуть. А если скорость уменьшить, то пламя втянется во внутрь горелки с возможным взрывом.

По степени сгорания, т.е. полноты протекания реакции горения до ко-нечных продуктов, горение бывает полным и неполным.

Так в зоне 2 (рис.18) горение неполное, т.к. недостаточно поступает ки-слород, который частично расходуется в 3 зоне, и образуются промежуточ-ные продукты. Последние догорают в 3 зоне, где кислорода больше, до пол-ного сгорания. Наличие сажи в дыму говорит о неполном горении.

Другой пример: при недостатке кислорода углерод сгорает до угарного газа:

Если добавить O, то реакция идет до конца:

Скорость горения зависит от характера движения газов. Поэтому раз-личают ламинарное и турбулентное горение.

Так, примером ламинарного горения может служить пламя свечи в не-подвижном воздухе. При ламинарном горении слои газов текут параллель-но, не завихряясь.

Турбулентное горение – вихревое движение газов, при котором интен-сивно перемешиваются сгорающие газы, и фронт пламени размывается. Гра-ницей между этими видами служит критерий Рейнольдса, который характе-ризует соотношение между силами инерции и силами трения в потоке:

где: u - скорость газового потока;

n - кинетическая вязкость;

l – характерный линейный размер.

Число Рейнольдса, при котором происходит переход ламинарного по-граничного слоя в турбулентный называется критическим Re_кр, Re_кр ~ 2320.

Турбулентность увеличивает скорость горения из-за более интенсивной передачи тепла от продуктов горения в свежую смесь.

Гомогенное и гетерогенное горение.

По степени подготовки горючей смеси различают диффузионное и ки-нетическое горение.

Модель горения твердого вещества предполагает наличие следующих фаз (рис. 17):

Рис. 17. Модель горения

- пиролиза, или реакционной зоны в твердой фазе, в которой образу-ются газообразные горючие вещества;

- предпламенной в газовой фазе, в которой образуется смесь с окисли-телем;

Скорость подачи кислорода в зону горения зависит от его диффузии через продукт горения.

Структура пламени диффузионного горения состоит из трех зон (рис.18):

Рис. 18. Структура пламени.

Все виды диффузионного горения присущи пожарам.

Другой пример: при недостатке кислорода углерод сгорает до угарного газа:

Если добавить O, то реакция идет до конца:

Скорость горения зависит от характера движения газов. Поэтому раз-личают ламинарное и турбулентное горение.

где: u - скорость газового потока;

n - кинетическая вязкость;

l – характерный линейный размер.

Кинетическое горение – это горение заранее перемешанных топлива (горючего газа, пара или пыли) и окислителя.

При кинетическом горении горючее вещество и кислород поступают в зону горения предварительно смешанными. В этом случае определяющим фактором является скорость химической реакции между кислородом (окислителем) и горючим. В качестве примера кинетического горения можно привести горение горючей смеси газов или паров с воздухом, образовавшейся до начала процесса горения, что наблюдается, например, в закрытых аппаратах. Чем выше скорость горения вещества, тем более серьезные последствия вызывает горение.

Скорость горения готовой смеси практически зависит только от скорости химической реакции между горючим веществом и кислородом воздуха (теплопроводности, теплоемкости, турбулентности, концентрации веществ, давления и т.п.). Поэтому скорость горения резко возрастает и носит взрывной характер. Если при кинетическом горении скорость перемещения фронта пламени равна или меньше скорости звука (340 м/с), то горение (взрыв) называют дефлаграционным. Если же скорость перемещения фронта пламени будет выше звуковой, то горение (взрыв) называют детонационным. При детонационном взрыве скорость перемещения пламени составляет для:

водорода – 1770 м/с;
метана – 1750 м/с;
пропана – 1850 м/с;
ацетилена – 1990 м/с;
метанола – 1800 м/с.

При детонационном и дефлаграционном взрыве создается воздушная ударная волна, способная производить разрушения окружающих строений, подвижного состава, наносить травмы человеку, иногда несовместимые с жизнью.

Скорость выгорания смеси, а следовательно и величина давления при взрыве, зависят от ее состава. Максимальная скорость выгорания наблюдается у стехиометрических смесей. Стехиометрической смесью называется смесь, в которой соотношение между горючим веществом (твердым, жидким или газообразным) и окислителем соответствует уравнению реакции горения.

Принцип сжигания газов

Кинетический принцип сжигания применяется, когда газ необходимо сжигать с высокой интенсивностью в пространстве малого объема с минимальным химическим недожогом и когда технологический процесс не требует длинного светящегося факела. Кинетический принцип сжигания можно осуществить как в ламинарном, так и в турбулентном потоках.

в ламинарном потоке

При горении заранее подготовленной смеси с недостатком воздуха в ламинарном потоке, факел имеет четко выраженные голубой конус и слабо светящийся внешний ореол. Поверхность голубого конуса представляет собой первичный фронт пламени, в котором полностью расходуется кислород газовоздушной смеси. Избыток горючего проходит через первичный фронт пламени и догорает позади его вследствие диффузионного смешения с окружающим воздухом, образуя зону вторичного диффузионного горения. Ярким примером такого горения является горение в горелках кухонной газовой плиты. Горелки устроены так, что в них при прохождении газа подсасывается воздух и в зону горения попадает уже газовоздушная смесь.

На газовой горелке фронт пламени кажется неподвижным, так как его положение не меняется во времени относительно самой горелки. Однако на самом деле он движется по горючей газовой смеси со скоростью, равной скорости движения этой смеси относительно горелки. В этом можно легко убедиться, если уменьшить или прекратить подачу горючей газовой смеси, пламя в этом случае уйдет в горелку до места смешения горючего и окислителя.

Если увеличивать избыток воздуха в горючей смеси, то по мере приближения к стехиометрической количество газа, сгорающего в зоне первичного горения, будет увеличиваться, а в зоне вторичного горения уменьшаться. При стехиометрической смеси зоны первичного и вторичного горения сливаются, образуя одну поверхность горения, отделяющую холодную горючую смесь от продуктов сгорания.

Длина кинетического ламинарного факела с достаточной степенью точности может быть определена по формуле, применявшейся для определения нормальной скорости распространения пламени по методу горелки.

Следует отметить, что процесс кинетического горения газа происходит при температурах, близких к теоретической. Зона горения очень тонка и измеряется десятыми долями миллиметра.

Кинетическое горение в ламинарном потоке не имеет широкого распространения и применяется лишь в небольших нагревательных приборах. В крупных горелочных устройствах эта разновидность сжигания практически неосуществима, так как при малых скоростях ламинарного потока газовоздушной смеси возникают так называемые обратные удары – проскоки пламени внутрь горелок.

в турбулентном потоке

Кинетическое сжигание газа в турбулентном потоке в отличие от сжигания в ламинарном потоке имеет довольно широкое распространение в технике.

При турбулизации потока в связи с возникновением пульсаций скорости структура фронта пламени значительно отличается от ламинарного фронта пламени.

Различают мелкомасштабную и крупномасштабную турбулентность. При мелкомасштабной турбулентности путь смешения I (масштаб турбулентности) не превышает толщины ламинарного фронта пламени. Фронт пламени при такой турбулентности принимает извилистую форму, что приводит к заметному увеличению суммарной поверхности и к сжиганию большего количества газа на единицу поперечного сечения потока (см. рисунок).

а – ламинарное движение; б – мелкомасштабная турбулентность; в – крупномасштабная турбулентность.

При крупномасштабной турбулентности, когда путь смешения больше толщины ламинарного фронта пламени, частицы горящего газа и продуктов горения из фронта пламени попадают в свежую смесь, где создают новые очаги горения и, наоборот, частицы свежей смеси попадают во фронт пламени и образуют в нем горящие элементарные объемы. Таким образом, фронт пламени дробится па отдельно горящие частицы, окруженные продуктами сгорания; при этом толщина фронта пламени резко возрастает и измеряется сантиметрами.

Механизм горения отдельных элементарных объемов еще недостаточно ясен. Существует теория фронтового турбулентного горения, согласно которой на поверхности элементарных объемов горючей смеси возникает тонкий фронт пламени, распространяющийся вглубь с нормальной скоростью распространения. В противовес указанной существует теория объемного турбулентного горения, согласно которой этот процесс должен протекать не на поверхности, а во всем объеме элементарных частиц горючей смеси. Эта теория основывается на том, что в условиях интенсивной турбулентной диффузии в элементарных объемах горючей смеси устанавливаются постоянная температура и концентрация, поэтому ламинарный фронт пламени на поверхности не успевает образоваться и процесс реагирования протекает во всем объеме. Существует также мнение, что одновременно сочетается фронтовое и объемное горение.

На рисунке ниже представлена схема кинетического факела при турбулентном движении потока.

Структура турбулентного кинетического факела:

L_в– длина холодного ядра пламени (зона воспламенения), δ_т – толщина турбулентного фронта пламени в направлении оси струи, L_д – толщина зоны догорания в направлении оси струи, L_ф – полная длина факела

В факеле можно различить следующие зоны:

холодное ядро – конус 1, где движется еще не воспламенившаяся горючая смесь;
зона воспламенения или видимый фронт турбулентного пламени – зона 2, где происходит воспламенение и горение частиц газа; в этой зоне выгорает значительное количество горючего (до 90%);
невидимая зона догорания – зона 3, где происходит полное завершение горения или достигается равновесие между газообразными продуктами сгорания (при наличии диссоциации).

Воспламенение струи происходит в ее наружных слоях вследствие интенсивного нагрева свежей горючей смеси при ее смешении с горячими продуктами сгорания.

Отличительной особенностью турбулентного пламени является наличие размытого утолщенного фронта пламени, тогда как в ламинарном пламени он имеет гладкую поверхность на очень малую толщину.

Переход от кинетического горения к диффузионному

Рис. 1. Переход из кинетического горения газа в диффузионное

Кинетическое горение может быть постепенно переведено в диффузионное, для чего достаточно начать уменьшение первичного избытка воздуха в горючей смеси. При недостатке воздуха фронт кинетического горения (I) (рис. 1) будет сжигать лишь ту часть топлива в горючей смеси, которая соответствует стехиометрическому соотношению, т.е. пока не израсходуется наличный кислород. Оставшиеся несгоревшими горючие газы смешаются с продуктами полного сгорания, представляя собой газообразное топливо, соответственно забалластированное инертными газами, т.е. топливо с пониженной теплоплотностью X, но способное гореть при смешении его с добавочным воздухом. Если кинетическое горение ведется в воздушной атмосфере, необходимый воздух будет диффундировать во втекающую струю из окружающей ее среды и возникнет подожженный с корня новый фронт горения по образующейся стехиометрической поверхности II в зоне смесеобразования I-III. При ламинарном движении потока образующиеся на этом вторичном фронте новые инертные продукты сгорания будут с помощью молекулярной диффузии диффундировать в обе стороны: в межфронтальную зону I-II, т.е. зону смесеобразования вторичного газообразного топлива с продуктами сгорания фронта II и в зону, образуемую границами фронта II и втекающего в атмосферу потока III, представляющую собой зону взаимной диффузии продуктов полного сгорания фронта II и воздуха. Это иллюстрируется схемами 3, 4, 5, 6 на рис. 1. Дальнейшее уменьшение первичного избытка воздуха в горючей смеси равносильно забалластированию последней избыточным топливом, что согласно предыдущему приводит к уменьшению u_норм и к удлинению кинетического конуса горения. Получающееся вторичное топливо с уменьшением первичного избытка (α₁ > α₂ > α₃ = 0) постепенно обогащается и требует для полного сгорания все больше и больше кислорода, диффундирующего из окружающей среды, вследствие чего диффузионный фронт II также растягивается. Постепенно оба фронта, кинетический (I) и диффузионный (II) сближаются и при α₃ = 0 горение становится чисто диффузионным. На рис. 1 схемы 1 и 2 соответствуют чисто кинетическому горению, причем в схеме 1 смесь забалластирована избыточным воздухом и кинетический конус несколько вытянут. Наименьшее развитие он получает при α_т>1, соответствующем u_норм макс , но при этом уже возникает внешний, диффузионный факел. Схемы 3, 4, 5 являются переходными, а схема 6 соответствует чисто диффузионному горению α₃ = 0.

На рис. 2 показана фотография перераспределения кинетического и диффузионного фронтов по мере уменьшения первичного избытка воздуха на бунзеновском пламени.

Рис. 2. Изменение фронтов горения (внутреннего и внешнего) по мере убывания первичного избытка воздуха

Следует обратить внимание на соотношения в развитии кинетического и диффузионного фронтов горения. На представленной масштабной схеме (рис. 3) видно, что кинетическое горение протекает значительно быстрее (∼2 калибра) диффузионного (∼4 калибра). Во втором случае скорость горения определяется скоростью диффузионного процесса смесеобразования, сводящегося к медленному процессу взаимной молекулярной диффузии газов из трех концентрационных источников: свежего вторичного горючего газа, продуктов сгорания фронта II и воздуха из окружающей среды. Строго диффузионное горение, в котором смесеобразование будет возникать только за счет молекулярной диффузии, может быть получено лишь при условии ламинарного движения горючего газа и воздуха.

Рис. 3. Расчлененное пламя

I – кинетический факел; II – диффузионный факел (масштаб соотношения длин факелов по опытам Габера и Рихарда)

Источники: Пожарная безопасность. Энциклопедия. –М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2007; Теория горения и взрыва. Часть 1: Конспект лекций. Щеглов П.П. –М.: МИИТ, 2008; Теория горения и взрыва: Учебное пособие. Андросов А.С., Бегишев И.Р., Салеев Е.П. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2007; Введение в теорию горения и газификации топлива. Лавров Н.В., Шурыгин А.П. Академия наук СССР. –М.: 1962.

Все горючие (сгораемые) вещества содержат углерод и водород, — основные компоненты газовоздушной смеси, участвующие в реакции горения. Температура воспламенения горючих веществ и материалов различна и не превышает для большинства 300оС.

Физико-химические основы горения заключаются в термическом разложении вещества или материала до углеводородных паров и газов, которые под воздействием высоких температур вступают в химическое воздействие с окислителем (кислородом воздуха), превращаясь в процессе сгорания в углекислый газ (двуокись углерода), угарный газ (окись углерода), сажу (углерод) и воду, и при этом выделяется тепло и световое излучение.

Воспламенение представляет собой процесс распространение пламени по газопаровоздушной смеси. При скорости истечения горючих паров и газов с поверхности вещества равной скорости распространения пламени по ним наблюдается устойчивое пламенное горение. Если же скорость пламени больше скорости истечения паров и газов, то происходит выгорание газопаровоздушной смеси и самозатухание пламени, т.е. вспышка.

В зависимости от скорости истечения газов и скорости распространения пламени по ним можно наблюдать:

горение на поверхности материала, когда скорость выделения горючей смеси с поверхности материала равна скорости распространения огня по ней;

горение с отрывом от поверхности материала, когда скорость выделения горючей смеси больше скорости распространения пламени по ней.

Горение газопаровоздушной смеси подразделяется на диффузионное или кинетическое. Основным отличием является содержание или отсутствие окислителя (кислорода воздуха) непосредственно в горючей газопаровоздушной смеси.

Кинетическое горение представляет собой горение предварительно перемешанных горючих газов и окислителя (кислорода воздуха). На пожарах этот вид горения встречается крайне редко. Однако он часто встречается в технологических процессах: в газовой сварке, резке и т.п.

При диффузионном горении окислитель поступает в зону горения извне.

Поступает он, как правило, снизу пламени вследствие разрежения, которое создается у его основания. В верхней части пламени, выделяющееся в процессе горения тепло, создает давление. Основная реакция горения (окисления) происходит на границе пламени, поскольку истекающие с поверхности вещества газовые смеси препятствуют проникновению окислителя вглубь пламени (вытесняют воздух). Большая часть горючей смеси в центре пламени, не вступившая в реакцию окисления с кислородом, представляет собой продукты неполного горения (СО, СН4, углерод и пр.).

Диффузионное горение, в свою очередь, бывает ламинарным (спокойным) и турбулентным (неравномерным во времени и пространстве). Ламинарное горение характерно при равенстве скоростей истечения горючей смеси с поверхности материала и скорости распространения пламени по ней. Турбулентное горение наступает, когда скорость выхода горючей смеси значительно превышает скорость распространения пламени. В этом случае граница пламени становится неустойчивой вследствие большой диффузии воздуха в зону горения. Неустойчивость вначале возникает у вершины пламени, а затем перемещается к основанию. Такое горение встречается на пожарах при объемном его развитии (см. ниже).

Горение веществ и материалов возможно только при определенном количестве кислорода в воздухе. Содержание кислорода, при котором исключается возможность горения различных веществ и материалов, устанавливается опытным путем. Так, для картона и хлопка самозатухание наступает при 14% (об.) кислорода, а полиэфирной ваты — при 16% (об.) [103].

Исключение окислителя (кислорода воздуха) является одной из мер пожарной профилактики. Поэтому хранение легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, карбида кальция, щелочных металлов, фосфора должно осуществляться в плотно закрытой таре.

Читайте также: