Изгарянето на газова смес в затворени тръби генерира ехо, което води до пълно пренареждане на фронта на пламъка. Подробностите за това явление бяха възпроизведени за първи път в числени симулации.

Пламък, взаимодействащ с мощна звукова вълна, може да генерира интересни пространствени структури (вижте, например, впечатляващо видео с "визуализация на огъня" на звуковите вълни). В този случай звуковата вълна не трябва да е външна: интензивното изгаряне на газова смес от гориво и окислител в затворен обем, например в тръби, генерира ехо, което може да изкриви предната част на пламъка и да промени режима на реакция на горене .

Изкривяването на формата на пламъка при горене в тръбите е известно от повече от сто години, но само в класическите експерименти на Джефри Сърби (G. Searby) през 1992 г. е извършено системно изследване на този процес. По-специално Сърби наблюдава турбулентността на пламъка под действието на собственото си ехо. Само по себе си това явление не изглежда изненадващо, но все още не е предложено теоретично описание на този процес. Въпросите, на които трябваше да се отговори, бяха: „Как точно става преходът към турбуленция?“, „Какъв вид трептения на пламъка се люлеят първи?“ и т.н. Всичко това от своя страна сковава ръцете на изследователи, търсещи практически приложения на този ефект в технологиите (най-общо казано, турбулентността на пламъка е от голямо значение за ракетната индустрия).

Неотдавнашна статия на руско-шведския изследователски екип A. Petchenko et al., Physical Review Letters, 97, 164501 (19 октомври 2006 г.) направи първата стъпка към изграждането на подобна теория. Авторите на тази работа извършиха подробна числена симулация на процеса на изгаряне на газова смес в дълга и много тясна тръба, затворена в единия край (сместа се запалва от отворения край, а пламъкът се разпространява дълбоко в тръбата ). За опростяване на изчисленията беше решен двуизмерен, а не триизмерен проблем, газовата смес се счита за идеален газ, а процесът на горене се моделира чрез хипотетична едноетапна и необратима химическа реакция с дадено отделяне на топлина и активиране енергия. Но всички газови и термодинамики - компресия и разширение, газови потоци, пренос на топлина, структурата на фронта на пламъка - бяха взети под внимание изцяло.

Резултатите от симулацията недвусмислено доказаха, че с наближаването на затворения край фронтът на пламъка започва да „трепери“. Това треперене генерира звуково ехо със същата честота, което още повече „залюля“ пламъка. В непосредствена близост до края на тръбата трептенията на пламъка станаха толкова силни, че предната част на пламъка буквално се сгъна в акордеон. По време на всеки период на тези трептения фронтът на пламъка рязко се дестабилизира, отделяйки тясна и много дълга струя студен газ в областта, заета от горещи продукти на горенето. След това струята бързо изгоря, предната част на пламъка се превърна във вихър и след това отново се изравни. Скоростта на токовете, генерирани от тези трептения е десет пътинадвишава "нормалната" скорост на разпространение на пламъка в открито пространство.

Силните трептения и генерираните от тях вихри обикновено са първият етап от прехода към турбулентност. Авторите на статията обаче не бързат да обявят откриването на механизма на пламъчната турбулентност. Факт е, че наличната днес изчислителна мощност позволява такова подробно моделиране да се извършва само в изключително тесни тръби или по-скоро дори в капиляри. Как ще се промени този процес в широки тръби, за които са получени експериментални данни и при които ефектът на стените върху потоците е много по-слаб, остава да се проучи. Интересно е също така да се провери дали изкривяванията на пламъка, открити в симулацията, са същият „пламък на лале“, който е наблюдаван от дълго време, но все още остава необясним (виж C. Clanet и G. Searby. За „пламъка на лале“ Феномен (PDF, 1 ,3 Mb) // Горене и пламък, 1996. Т. 105. С. 225-238).

Изисквания към горивните камери и техните характеристики

Горивните камери на газови турбини работят в широк диапазон от натоварвания. Те трябва да имат малки размери, тегло, да са ефективни при изгаряне на различни видове гориво. В допълнение, CS трябва да гарантират приемливо ниво на вредни емисии от продукти на горенето (азотни оксиди, серни оксиди). Към CS бяха наложени специални изисквания от гледна точка на експлоатационната надеждност, тъй като те са в тежки температурни условия.

Освен това горивните камери трябва да имат:

· висок коефициент на пълнота на изгаряне;

малки загуби на налягане;

малки размери, т.е. висок топлинен стрес;

дадено температурно поле;

бърз и надежден старт;

Достатъчно голям ресурс;

Достатъчно лесна инсталация и превантивна поддръжка.

Ефективността на горенето (или ефективността на горивната камера) се определя като:

където Q1е количеството топлина, действително отделена в работния обем на камерата; Q2е общото количество топлина, което теоретично може да се освободи при пълно изгаряне на горивото.

Пламъкът в горивната камера, който се развива при условия на принудително движение с централно подаване на гориво, се състои от три основни зони: вътрешна зона I, зона на образуване на смес и горивна зона II и зона III - зона на външния въздух (фиг. . 4.2.

В зона II, 0 ≤ α ≥ ∞. Във вътрешната зона α = 0 няма въздух.

В зона 2 се извършва смесообразуване и горене. Условно се разделя на две: вътрешна - а и външна - б.

Вътрешната зона е изпълнена със смес от горим газ и продукти на горенето, а външната зона е изпълнена със смес от продукти на горенето и въздух. Границата между зоните е фронтът на горивния пламък. Този интервал съдържа всички области от α = 0 до α = ∞. В дебелината на горивния фронт α= 1; горивото, движейки се от корена към опашната зона, се разрежда с продукти на горенето, а въздухът се насища с продукти на горенето. Това води до факта, че в зоната на горене калоричността на горивото намалява, т.е. количеството топлина намалява

Ориз. 4.2. Предна част на пламъка.

на единица площ от фронта на горене, условията на горене се влошават до възможно угасване на пламъка и отстраняване на част от неизгорялото гориво. Трябва да се има предвид, че този процес е характерен за неограничено пространство. В реалните горивни камери естеството на горене, поради факта, че потокът е ограничен, до голяма степен се определя от аеродинамичните свойства на горивната камера. Освен това в зоната на горене се поддържа висока температура, което води до горене на сместа с много високи скорости, в този случай скоростта на горене се определя преди всичко от скоростта на образуване на сместа, т.к. скоростта на химичните реакции ще бъде многократно по-голяма от скоростта на образуване на смес. Този процес се нарича дифузионно горене. Лесно се контролира чрез промяна на условията на смесване, които от своя страна могат да бъдат променени чрез структурни мерки - използване на лопаткови пръстеновидни решетки като турбулатори и др.

Една от основните характеристики на горивната камера е стойността на топлинното напрежение, което е съотношението на количеството топлина, отделена в горивната камера, към нейния обем при налягане на горене.

J/m 2 MPa (4,10)

където R KSе налягането на работния флуид в горивната камера, МРа; V- обемът на горивната камера, m 3.

Въз основа на стойността на специфичната топлинна плътност се определя обемът на горивната камера.

За да се създаде стабилно горене в целия диапазон от режими на работа, е важно да се организира процесът на горене, който се характеризира с повърхността на фронта на горивния пламък и се определя от уравнението:

където U T -турбулентна скорост на разпространение на пламъка, обикновено се приема в диапазона (40 ÷ 60 m/s); F f -преден пламък на горене; – топлина на изгаряне на сместа; ρ cm -плътност на сместа.

Нетната калоричност на сместа се определя от уравнението:

Плътността на сместа се определя от уравнението на Менделеев-Клейперон:

където т CC е температурата на сместа в горивната камера.

Фронт на пламъка според уравнението:

Устойчивото горене е възможно с F tf≥ F е.

Тема 4. ВИДОВЕ ГОРИНЕ.

Според различни признаци и характеристики горивните процеси могат да бъдат разделени на следните видове:

Според агрегатното състояние на горимото вещество:

Горещи газове;

Изгаряне на течности и топящи се твърди вещества;

Изгаряне на неконсумативни твърди прахообразни и компактни вещества.

Според фазовия състав на компонентите:

хомогенно горене;

хетерогенно горене;

Горящи експлозиви.

Според готовността на горимата смес:

Дифузионно горене (пожар);

Кинетично горене (експлозия).

Според динамиката на фронта на пламъка:

Стационарен;

Нестационарни.

Според естеството на движението на газовете:

ламинарна;

Бурен.

Според степента на изгаряне на горимо вещество:

Непълна.

Според скоростта на разпространение на пламъка:

Нормално;

дефлаграция;

Детонация.

Нека разгледаме по-отблизо тези видове.

4.1. Изгаряне на газообразни, течни и твърди вещества.

В зависимост от агрегатното състояние на горимо вещество се разграничават горенето на газове, течности, прашни и компактни твърди вещества.

Съгласно GOST 12.1.044-89:

1. Газовете са вещества, чиято критична температура е по-малка от 50 ° C. T cr е минималната температура на нагряване на 1 мол вещество в затворен съд, при която то напълно се превръща в пара (виж § 2.3).

2. Течностите са вещества с точка на топене (точка на капене) под 50 °C (виж § 2.5).

3. Твърдите вещества са вещества с точка на топене (падане) над 50 0 С.

4. Праховете са твърди частици с размер по-малък от 0,85 mm.

Зоната, в която протича химическа реакция в горима смес, т.е. горенето се нарича фронт на пламъка.

Разгледайте горивните процеси във въздуха на примери.

Изгаряне на газове в газова горелка.Има 3 зони на пламък (фиг. 12.):

Ориз. 12. Схема на горене на газ: 1 - прозрачен конус - това е първоначалният газ, който се нагрява (до температурата на самозапалване); 2 – светеща зона на фронта на пламъка; 3 - продукти на горенето (те са почти невидими по време на пълното изгаряне на газове и, особено по време на горенето на водород, когато не се образуват сажди).

Ширината на фронта на пламъка в газовите смеси е десетки доли от милиметъра.

Изгаряне на течности в открит съд.При горене в открит съд има 4 зони (фиг. 13):

Ориз. 13. Горене на течности: 1 - течност; 2 - течни пари (тъмни зони); 3 - предна част на пламъка; 4 - продукти на горенето (дим).

Ширината на фронта на пламъка в този случай е по-голяма; реакцията протича по-бавно.

Изгаряне на топящи се твърди вещества.Помислете за изгаряне на свещ. В този случай се наблюдават 6 зони (фиг. 14):

Ориз. 14. Горене на свещи: 1 - твърд восък; 2 - разтопен (течен) восък; 3 – тъмен прозрачен парен слой; 4 - предна част на пламъка; 5 - продукти на горенето (дим); 6 - фитил.

Горящият фитил служи за стабилизиране на горенето. Течността се абсорбира в него, издига се по него, изпарява се и изгаря. Ширината на фронта на пламъка се увеличава, което увеличава площта на осветеност, тъй като се използват по-сложни въглеводороди, които, изпарявайки се, се разлагат и след това реагират.

Изгаряне на неконсумативни твърди вещества.Ще разгледаме този вид горене, като използваме примера за изгаряне на кибрит и цигара (фиг. 15 и 16).

Тук има и 5 парцела:

Ориз. 15. Запалване на кибрит: 1 - свежи дърва; 2 - овъглена дървесина; 3 - газове (газифицирани или изпарени летливи вещества) - това е тъмна прозрачна зона; 4 - предна част на пламъка; 5 - продукти на горене (дим).

Вижда се, че изгорената област на мача е много по-тънка и има черен цвят. Това означава, че част от мача е била овъглена, т.е. нелетливата част остава, а летливата част се изпарява и изгаря. Скоростта на изгаряне на въглищата е много по-бавна от тази на газовете, така че няма време да изгори напълно.

Фиг.16. Изгаряне на цигари: 1 - първоначална тютюнева смес; 2 - тлееща зона без фронт на пламъка; 3 - дим, т.е. продукт от изгорени частици; 4 - дим, изтеглен в белите дробове, който е главно газифицирани продукти; 5 - смола, кондензирана върху филтъра.

Безпламъчното термично-окислително разлагане на веществото се нарича тлеене. Появява се при недостатъчна дифузия на кислород в зоната на горене и може да се появи дори при много малко количество (1-2%). Димът е син, а не черен. Това означава, че съдържа повече газифицирани, а не изгорени вещества.

Повърхността на пепелта е почти бяла. Това означава, че при достатъчно количество кислород се получава пълно изгаряне. Но вътре и на границата на горящия слой с пресните има черно вещество. Това показва непълно изгаряне на овъглени частици. Между другото, парите на летливи смолисти вещества кондензират върху филтъра.

Подобен тип горене се наблюдава при горенето на кокс, т.е. въглища, от които са отстранени летливи вещества (газове, смоли) или графит.

По този начин процесът на горене на газове, течности и повечето твърди вещества протича в газообразна форма и е придружен от пламък. Някои твърди вещества, включително тези със склонност към спонтанно запалване, изгарят под формата на тлеене на повърхността и вътре в материала.

Изгаряне на прашни вещества.Изгарянето на праховия слой става по същия начин, както в компактното състояние, само скоростта на горене се увеличава поради увеличаването на контактната повърхност с въздуха.

Изгарянето на прахоподобни вещества под формата на аеро суспензия (прахов облак) може да протече под формата на искри, т.е. изгаряне на отделни частици, в случай на ниско съдържание на летливи вещества, които не са в състояние да образуват достатъчно количество газове по време на изпарение за единичен фронт на пламъка.

Ако се образува достатъчно количество газифицирани летливи вещества, тогава настъпва горене на пламък.

Горящи експлозиви.Този тип включва изгарянето на експлозиви и барут, така наречените кондензирани вещества, в които горивото и окислителят вече са химически или механично свързани. Например: в тринитротолуен (TNT) C 7 H 5 O 6 N 3 × C 7 H 5 × 3NO 2, O 2 и NO 2 служат като окислители; в състава на барут - сяра, селитра, въглища; като част от домашно приготвени експлозиви, алуминиев прах и амониев нитрат, свързващо вещество - соларно масло.

4.2. Хомогенно и хетерогенно горене.

Въз основа на разгледаните примери, в зависимост от агрегатното състояние на сместа от гориво и окислител, т.е. от броя на фазите в сместа те разграничават:

1. Хомогенно горенегазове и пари на горими вещества в околната среда на газообразен окислител. Така реакцията на горене протича в система, състояща се от една фаза (агрегатно състояние).

2. Хетерогенно горенетвърди горими вещества в среда с газообразен окислител. В този случай реакцията протича на границата, докато хомогенната реакция протича в целия обем.

Това е изгарянето на метали, графит, т.е. практически нелетливи материали. Много газови реакции са от хомогенно-хетерогенен характер, когато възможността за протичане на хомогенна реакция се дължи на произхода на едновременно хетерогенна реакция.

В газовата фаза протича изгарянето на всички течни и много твърди вещества, от които се отделят пари или газове (летливи вещества). Твърдата и течната фаза играят ролята на резервоари за реагиращите продукти.

Например, хетерогенна реакция на спонтанно изгаряне на въглища преминава в хомогенна фаза на изгаряне на летливи вещества. Остатъкът от кокс гори хетерогенно.

4.3. Дифузия и кинетично горене.

Според степента на приготвяне на горимата смес се разграничават дифузионно и кинетично горене.

Разглежданите видове горене (с изключение на експлозивите) са дифузно горене. Пламък, т.е. зоната на горене на смес от гориво с въздух, за да се осигури стабилност, трябва постоянно да се захранва с гориво и кислород във въздуха. Потокът на горим газ зависи само от скоростта на подаването му в зоната на горене. Скоростта на навлизане на горима течност зависи от интензивността на нейното изпарение, т.е. върху налягането на парите над повърхността на течността и, следователно, върху температурата на течността. Температура на запалваненарича се най-ниската температура на течността, при която пламъкът над нейната повърхност не угасва.

Изгарянето на твърди вещества се различава от горенето на газове по наличието на етап на разлагане и газификация, последвано от запалване на летливи продукти на пиролиза.

Пиролиза- това е нагряването на органични вещества до високи температури без достъп на въздух. В този случай се получава разлагане или разделяне на сложни съединения на по-прости (коксуване на въглища, крекинг на нефт, суха дестилация на дървесина). Следователно, изгарянето на твърдо горимо вещество в горивния продукт не се концентрира само в зоната на пламъка, а има многоетапен характер.

Нагряването на твърдата фаза причинява разлагане и отделяне на газове, които се запалват и изгарят. Топлината от горелката загрява твърдата фаза, причинявайки нейното газифициране и процесът се повтаря, като по този начин се поддържа горенето.

Моделът на твърдо горене предполага наличието на следните фази (фиг. 17):

Ориз. 17. Модел на горене

твърдо.

Нагряване на твърдата фаза. За топящите се вещества топенето се случва в тази зона. Дебелината на зоната зависи от температурата на проводимост на веществото;

Пиролиза или реакционната зона в твърдата фаза, в която се образуват газообразни горими вещества;

Предварително пламък в газовата фаза, при който се образува смес с окислител;

Пламък или реакционна зона в газовата фаза, в която се превръщат продуктите на пиролизата в газообразни продукти на горене;

продукти на горенето.

Скоростта на подаване на кислород в зоната на горене зависи от неговата дифузия през продукта от горенето.

Като цяло, тъй като скоростта на химическа реакция в зоната на горене при разглежданите видове горене зависи от скоростта на пристигане на реагиращите компоненти и повърхността на пламъка чрез молекулярна или кинетична дифузия, този тип горене се нарича дифузия.

Структурата на пламъка на дифузионно горене се състои от три зони (фиг. 18):

Зона 1 съдържа газове или пари. В тази зона няма изгаряне. Температурата не надвишава 500 0 С. Настъпва разлагане, пиролиза на летливите вещества и нагряване до температурата на самозапалване.

Ориз. 18. Структурата на пламъка.

В зона 2 се образува смес от пари (газове) с атмосферен кислород и настъпва непълно изгаряне до CO с частично редукция до въглерод (малко кислород):

C n H m + O 2 → CO + CO 2 + H 2 O;

В 3-та външна зона продуктите от втората зона са напълно изгорени и се наблюдава максимална температура на пламъка:

2CO+O 2 = 2CO 2;

Височината на пламъка е пропорционална на коефициента на дифузия и скоростта на потока на газовете и е обратно пропорционална на плътността на газа.

Всички видове дифузионно горене са присъщи на пожарите.

Кинетиченгоренето е изгарянето на предварително смесен горим газ, пара или прах с окислител. В този случай скоростта на горене зависи само от физикохимичните свойства на горимата смес (топлопроводимост, топлинен капацитет, турбуленция, концентрация на вещества, налягане и др.). Следователно скоростта на изгаряне се увеличава рязко. Този вид изгаряне е присъщо на експлозиите.

В този случай, когато горимата смес се запали в даден момент, фронтът на пламъка се премества от продуктите на горенето в прясната смес. Така пламъкът при кинетично горене най-често е нестабилен (фиг. 19).

Ориз. 19. Схема на разпространение на пламъка в горима смес: - източник на запалване; - посока на движение на фронта на пламъка.

Въпреки че, ако горимият газ се смеси с въздух и се подава в горелката, тогава по време на запалването се образува неподвижен пламък, при условие че скоростта на подаване на сместа е равна на скоростта на разпространение на пламъка.

Ако скоростта на подаване на газ се увеличи, пламъкът се отделя от горелката и може да изгасне. И ако скоростта се намали, тогава пламъкът ще бъде изтеглен във вътрешността на горелката с възможна експлозия.

Според степента на горене, т.е. пълнотата на реакцията на горене към крайните продукти, изгарянето се случва пълни и непълни.

Така че в зона 2 (фиг. 18) изгарянето е непълно, т.к подава се недостатъчно кислород, който се изразходва частично в зона 3 и се образуват междинни продукти. Последните изгарят в зона 3, където има повече кислород, до пълно изгаряне. Наличието на сажди в дима показва непълно изгаряне.

Друг пример: когато има липса на кислород, въглеродът изгаря до въглероден окис:

Ако добавите O, тогава реакцията отива до края:

2CO + O 2 \u003d 2CO 2.

Скоростта на горене зависи от естеството на движението на газовете. Следователно се разграничават ламинарно и турбулентно горене.

И така, пример за ламинарно горене е пламъкът на свещ в неподвижен въздух. В ламинарно горенеслоевете газове текат паралелно, но без да се завихрят.

Турбулентно горене- вихрово движение на газове, при което горящите газове се смесват интензивно, а фронтът на пламъка се измива. Границата между тези типове е критерият на Рейнолдс, който характеризира връзката между силите на инерцията и силите на триене в потока:

където: u- дебит на газа;

н- кинетичен вискозитет;

л- характерен линеен размер.

Числото на Рейнолдс, при което настъпва преходът на ламинарен граничен слой към турбулентен, се нарича критичен Re cr, Re cr ~ 2320.

Турбулентността увеличава скоростта на горене поради по-интензивния пренос на топлина от продуктите на горенето към прясната смес.

4.4. Нормално горене.

В зависимост от скоростта на разпространение на пламъка по време на кинетично горене може да се осъществи или нормално горене (в рамките на няколко m/s), или експлозивна дефлаграция (десетки m/s), или детонация (хиляди m/s). Тези видове горене могат да преминат един в друг.

Нормално изгаряне- това е горене, при което разпространението на пламъка става при липса на външни смущения (турбуленция или промени в налягането на газа). Зависи само от естеството на горимото вещество, т.е. топлинен ефект, коефициенти на топлопроводимост и дифузия. Следователно, това е физическа константа на смес от определен състав. В този случай скоростта на горене обикновено е 0,3-3,0 m/s. Нормалното горене е наречено, защото векторът на скоростта на неговото разпространение е перпендикулярен на фронта на пламъка.

4.5. Дефлаграционно (експлозивно) изгаряне.

Нормалното горене е нестабилно и има тенденция да се самоускорява в затворено пространство. Причината за това е изкривяването на фронта на пламъка поради триенето на газа в стените на съда и промените в налягането в сместа.

Помислете за процеса на разпространение на пламъка в тръба (фиг. 20).

Ориз. 20. Схема на възникване на експлозивно горене.

Първо, в отворения край на тръбата пламъкът се разпространява с нормална скорост, т.к продуктите от горенето свободно се разширяват и излизат. Налягането на сместа не се променя. Продължителността на равномерното разпространение на пламъка зависи от диаметъра на тръбата, вида на горивото и неговата концентрация.

Тъй като фронтът на пламъка се движи вътре в тръбата, реакционните продукти, имащи по-голям обем в сравнение с първоначалната смес, нямат време да излязат навън и тяхното налягане се увеличава. Това налягане започва да се натиска във всички посоки и следователно, пред фронта на пламъка, първоначалната смес започва да се движи в посоката на разпространение на пламъка. Слоевете, съседни на стените, се забавят. Пламъкът има най-висока скорост в центъра на тръбата, а най-ниската скорост е близо до стените (поради отвеждане на топлината в тях). Следователно фронтът на пламъка се разширява в посока на разпространение на пламъка и повърхността му се увеличава. Пропорционално на това количеството на горимата смес се увеличава за единица време, което води до повишаване на налягането, а след това, от своя страна, увеличава скоростта на движение на газа и т.н. Така се наблюдава лавинообразно увеличаване на скоростта на разпространение на пламъка до стотици метри в секунда.

Процесът на разпространение на пламъка през горима газова смес, при който се разпространява самоускоряваща се реакция на горене поради нагряване чрез топлопроводимост от съседен слой от реакционни продукти, се нарича дефлаграция. Обикновено скоростите на дефлаграционно горене са дозвукови, т.е. по-малко от 333 m/s.

4.6. детонационно горене.

Ако разгледаме изгарянето на горима смес на слоеве, тогава в резултат на термичното разширение на обема на продуктите от горенето всеки път, когато се появява вълна на компресия пред фронта на пламъка. Всяка следваща вълна, движеща се през по-плътна среда, настига предишната и се наслагва върху нея. Постепенно тези вълни се сливат в една ударна вълна (фиг. 21).

Ориз. 21. Схема на образуване на детонационна вълна: R o< Р 1 < Р 2 < Р 3 < Р 4 < Р 5 < Р 6 < Р 7 ; 1-7 – нарастание давления в слоях с 1-го по 7-ой.

При ударна вълна, в резултат на адиабатно компресиране, плътността на газовете моментално се увеличава и температурата се повишава до T 0 на самозапалване. В резултат на това горимата смес се запалва от ударна вълна и детонация- разпространение на горенето чрез запалване от ударна вълна. Детонационната вълна не угасва, т.к задвижван от ударни вълни от пламъка, движещ се зад него.

Характерна особеност на детонацията е, че се случва при свръхзвукова скорост 1000-9000 m/s, определена за всеки състав на сместа, следователно тя е физическа константа на сместа. Зависи само от калоричността на горимата смес и топлинния капацитет на продуктите от горенето.

Срещата на ударна вълна с препятствие води до образуване на отразена ударна вълна и още по-голямо налягане.

Детонацията е най-опасната форма на разпространение на пламъка, т.к. има максимална експлозивна мощност (N=A/t) и огромна скорост. На практика детонацията може да бъде "неутрализирана" само в преддетонационния участък, т.е. на разстояние от точката на запалване до точката на детонационно горене. За газовете дължината на този участък е от 1 до 10 m.

Промяната във формата на пламъка значително влияе върху естеството на горенето, тъй като е свързана с промяна в повърхността на предната част. Размерът на повърхността на пламъка е основният фактор, определящ скоростта на изгаряне на система от даден състав. Това следва от факта, че всички секции на пламъка, независимо от тяхната форма, са еквивалентни, при условие че радиусът на кривината на пламъка е много по-голям от ширината на предната му част, т.е. във всички практически важни случаи. С увеличаване на повърхността на пламъка процесът на горене се засилва, общото количество на веществото, което изгаря за единица време, се увеличава. Промяната във формата на пламъка обикновено се свързва с движението на газ близо до зоната на горене, неговата турбулентност; в този случай фронтът на пламъка се разделя на множество малки центрове и общата му повърхност се увеличава. Тази функция се използва например за засилване на горивния процес чрез изкуствена турбулентност на изгорелия газ.

Нека разгледаме каква форма придобива пламъкът спонтанно, когато се разпространява през фиксирана горима среда при липса на действащи върху него външни сили - смущения. Тъй като средата е хомогенна, всички посоки са еквивалентни и скоростта на пламъка по тях е еднаква. В този случай фронтът на пламъка, разпространяващ се от точков източник, ще има формата на сферична повърхност с непрекъснато нарастващ радиус. По време на разпространението на сферичен пламък разширяването на газа води до факта, че оригиналната неизгоряла среда ще бъде изтласкана към периферията. Въпреки това, газът не се турбулизира в този случай, скоростите на движение както на газа, така и на пламъка са еднакви във всички посоки, формата на пламъка и при постоянно налягане - и скоростта му остава непроменена.

Друг характерен начин на разпространение на ненарушен пламък възниква, когато горима среда се запали от подобен точков импулс в отворения край на дълга тръба. Полученият пламък първоначално ще бъде сферичен, докато докосне стените на тръбата (фиг. 1.1).

Тъй като разпространението на пламъка спира близо до стените, пламъкът приема формата на външната повърхност на сферичния сегмент, ограничен от напречното сечение на тръбата. Тъй като пламъкът се отдалечава от точката на запалване и радиусът на неговата кривина се увеличава, той става все по-плосък, съвпадайки до границата с напречното сечение на тръбата.

Ориз. 1.1.

Горните съображения позволиха да се установи, че по време на разпространението на пламъка при липса на външни смущения, две форми на пламък са стабилни: сферична за неограничено пространство (триизмерен проблем) и плоска за безкрайна тръба (едномерна задача). Тези два вида ще бъдат доближени до предела от формата на всеки пламък, какъвто и да е той в началото.

Нормално изгаряне

При липса на смущения в процеса на горене, формата, която фронтът на пламъка придобива в процеса на разпространението си, може да се определи въз основа на следните съображения. Всяка точка от повърхността на пламъка може да се разглежда като независим запалителен импулс, около който се създава нов елементарен фронт на пламъка. След определен кратък интервал от време, в резултат на наслагването на такива елементарни фронтове, се образува нов общ пламъчен фронт, който съвпада с обвивката на всички елементарни сферични фронтове, генерирани по протежение на първоначалния фронт.

Ще считаме площта на разглеждания пламък за плоска АБ(фиг. 1.2); за произволна форма на пламъка, всяка достатъчно малка част от него също може да се счита за плоска. Прилагането на описания принцип на конструкция води до извода, че новото положение на пламъка A"B"ще бъде успореден на оригинала. Разширявайки същия принцип до движението на фронта на пламъка с произволна форма, стигаме до извода, че движението на ненарушения пламък се случва във всяка точка на фронта по нормалата към неговата повърхност. Следователно, такова изгаряне се нарича нормално (или дефлаграция). Скоростта на движение на пламъка по неподвижна горима среда по нормалата към нейната повърхност се нарича нормална скорост на пламъка Ун.

Ориз. 1.2.

Стойност У n е основната характеристика на горима среда. Това е минималната скорост, с която пламъкът може да се разпространява през дадена среда; отговаря на плоската форма на пламъка. Стойност У n, характеризира не само линейната, но и обемната скорост на горене, определяща обема на горимата среда, която се превръща в реакционни продукти за единица време на единица повърхност на пламъка. Съответно, измерението У n може да се изрази като cm/s или като cm3/(cm2-s).

Стойност У n, силно зависи от състава на горимата среда. В допълнение към химичните особености на реагиращите компоненти, скоростта на пламъка се влияе значително от съотношението на съдържанието на горивото и окислителя и концентрацията на инертните компоненти. Промяната в началната температура на горимата среда и общото налягане имат по-слаб ефект. По-долу са максималните стойности У n на някои горими смеси при нормални условия (в m/s):

• С2Н2 + О2 - 15,4;
• H2 + O2; - тринадесет;
• Н2 + С12 - 2,2;
• CO + O2 + 3,3% H2O- 1,1;
• Н2 + въздух - 2,7;
• CO + въздух + 2,5% H2O - 0,45;
• наситени въглеводороди + въздух - 0,32–0,40.

Разширяването на газа по време на нагряване по време на процеса на горене води до факта, че в близост до фронта на пламъка винаги има движение на газа, дори ако първоначално е бил неподвижен. Следните съображения обясняват как топлината влияе

разширяване на газа и неговата турбулентност от външни смущения в хода на адиабатното горене. Когато газът се изгаря вътре в дълга отворена тръба, плосък пламък, съвпадащ с напречното сечение на тръбата, ще бъде неподвижен, ако горимата среда се вдухва в тръбата с постоянна скорост над напречното сечение, равна на Ун. Продуктите от горенето изтичат от другия край на тръбата.

Означаваме с p плътността на газа, индексът 0 е стойностите, характеризиращи първоначалната горима среда, а индексът б- продукти на горенето. Тъй като газът се разширява по време на горенето, скоростта на реакционните продукти, напускащи пламъка Уб , > Uн. За всеки 1 cm2 от повърхността на пламъка потокът носи всяка секунда У n cm3 от горима среда, чиято маса е Ун rо. Обемът на реакционните продукти, отдалечаващи се от същата област на пламъка, е Ub, а масата е Ubrb. Масите на изходния газ и реакционните продукти са равни, откъдето следва

Unro=Ubrb. (1*1)

Уравнение (1.1) изразява закона за запазване на материята за процеса на горене.

Установихме, че дори при плосък фронт пламъкът може да има различни скорости: Un или У b в зависимост от това коя среда е неподвижна. Съотношението на скоростите в горящия газ е илюстрирано от диаграмата, показана на фиг. 1.3.

Ориз. тринадесет.

У n е нормалната скорост на пламъка; У b е скоростта на реакционните продукти, напускащи пламъка; т 0 е началната температура на изходната среда; т b е температурата на реакционните продукти; r0, rb са плътностите на изходния газ и реакционните продукти

Когато ситуацията 1 пламъкът е неподвижен; горимата среда, вливаща се в тръбата, се движи вдясно със скорост Ун ; в същата посока, но със скорост У b движещи се продукти на горенето. Ако горимата среда е неподвижна (ситуация 2), което възниква по време на горене в тръба, затворена от единия край, тогава пламъкът се движи през нея със скорост У n и продуктите на реакцията текат в обратна посока със скорост Уб- Ун. В ситуация 3 при запалване в затворения край на тръбата продуктите от горенето са неподвижни. Пламъкът се движи със скорост У b по отношение на стените на тръбата (и изгорял газ); в същата посока със скорост Уб – У n горящият газ се движи, изместен от тръбата чрез разширяващи се реакционни продукти. Скоростта на пламъка, но по отношение на продуктите на горенето е много по-голяма, отколкото по отношение на изходния газ - с коефициент r0/rb.

Стойност G=U r, наречена масова скорост на изгаряне, определя масата на веществото, което гори за единица време на единица повърхност на пламъка. Естествено, тя е еднаква както за началната, така и за крайната среда, както и във всички междинни зони.

Нека разгледаме условията на горене в предната част на пламъка с произволна форма, разположена неподвижно в потока на горящ газ (в тръба).

Пламъкът е неподвижен в случай, че количеството горящ газ е точно компенсирано от количеството входящия газ. Ако повърхността на пламъка е F,тогава общият обем изгорен газ за единица време е равен на Ут Ф.Същата обемна скорост може да бъде дефинирана по друг начин: като продукт WS,където W-средна (по напречното сечение на потока) линейна скорост на газа; Се напречното сечение на потока. От равенството на двете величия следва:

Тогава този резултат е валиден и за неподвижна горима среда w- скоростта на движение на извития пламък по него. Тази скорост е толкова пъти по-голяма от нормалната скорост на пламъка, колкото пъти повърхността на пламъка е по-голяма от напречното сечение на потока. Когато плосък пламък се огъне и повърхността му се увеличи, скоростта на пламъка съответно се увеличава. Уравнение (1.2), обикновено наричано областно право, изразява основната характеристика на горивния процес: с увеличаване на повърхността на пламъка горенето се засилва, а границата на такова усилване се причинява само от газодинамичните характеристики, описани по-долу.

Кривината на повърхността на пламъка е следствие от турбулентността на горящия газ, спонтанна или принудителна.

Ако горящият газ е силно турбулентен и малки елементарни области на студената горима среда са до голяма степен смесени с горещи продукти на горене, тогава пламъкът вече не може да се разглежда като повърхност, разделяща две среди. Появява се дифузна турбулентна зона, в която общата скорост на химическа трансформация също е висока, което се дължи на изключително развитата повърхност на пламъка.

Режимите на пламъчно горене за среда от даден състав се различават само по скоростта на разпространение на пламъка при различни степени на развитие на нейната повърхност. Това обстоятелство е от съществено значение за изясняване на условността на често използваната терминология. Концепцията за "експлозия" във връзка с разпространението на пламъка не може да се характеризира по друг начин освен като доста бързо изгаряне в силно турбулентна среда със скорост на пламъка от порядъка на десет до сто метра в секунда. "Бавното" горене се различава от "експлозията" само по степента на развитие на повърхността на пламъка. Принципно неразличими от описаните са други видове разпространение на пламък, например, характеризиращи се с термините "светкавица" и "пъпкане". Едва когато скоростта на пламъка стане близка до скоростта на звука в горима среда, процесът на горене придобива нов, качествено специален характер.

Винаги възникват смущения, които изкривяват плосък или сферичен пламък, дори при липса на принудително движение на газа; те са причинени от гравитацията и триенето. Първият води до появата на конвективни потоци поради разликата в плътностите на горимата среда и продуктите на горенето, вторият се проявява при движението на горящия газ в тръбата и забавянето му от стените. Удобно е да се проследи ефектът от смущенията върху закономерностите на горене в дълга тръба, поставена вертикално и отворена в единия край. Ако запалите горима среда в долния, отворен край на тръбата (фиг. 1.4, а), тогава се създават условия, благоприятни за развитието на конвективни потоци, тъй като неизгорелият изходен газ, който има висока плътност, се намира над леките продукти на горене. Пламъкът има тенденция да се разтяга по оста на тръбата. При запалване в горния затворен край на тръбата (фиг. 1.4, б), конвективни потоци не се появяват, но зоната на горене се турбулизира интензивно от силите на триене. Горещият и разширяващ се газ изтича от тръбата. Дебитът на горима среда под въздействието на вискозитета се променя по напречното сечение на тръбата, той е максимален по оста и равен на нула в близост до стените (фиг. 1.5).

Ориз. 1.4.

Съответно предната част на пламъка е огъната. При запалване в горния отворен край, груб (фиг. 1.4, в) възможността за турбуленция на зоната на горене е минимална: продуктите на горенето са над горящия газ, а студеният газ е неподвижен. Въпреки това, когато пламъкът се отдалечава от ръба на тръбата, силата на триене се увеличава и турбуленцията се разпространява към горящия газ.

Ако горенето не е придружено от топлинни загуби, т.е. протича адиабатично, тогава химическата енергия на горимата система се превръща напълно в топлинна енергия на продуктите на реакцията. Тъй като температурата на пламъка е висока, скоростта на реакциите, протичащи в него, е висока и може бързо да се установи състояние на термодинамично равновесие. Температурата на продуктите на адиабатното горене не зависи от скоростите на реакцията в пламъка, а зависи само от общия топлинен ефект и топлинния капацитет на крайните продукти. Тази температура се нарича термодинамична температура на горене. тб. Стойност т b е най-важната характеристика на горима среда; за обикновени горими среди, той има стойности от 1500–3000 K. По-долу разглеждаме подробно доколко направените предположения отговарят на реалността и какво значение има топлинният режим на горене за проблемите на взривната безопасност. С адиабатен процес и равновесно състояние на продуктите на горене тб – максималната температура, достигната в пламъка. Действителната температура на продуктите на равновесната реакция е по-ниска, когато се появят топлинни загуби от горящия газ. Въпросът за топлинните загуби, както ще се види от следващото, е от решаващо значение за решаването на проблемите за осигуряване на взривна безопасност. При стационарно разпространение на пламъка се осъществява интензивен топлопренос чрез проводимост в студената първоначална горима среда. Този процес обаче не е свързан с топлинни загуби от зоната на горене. Отвеждането на топлина от всеки горящ слой газ към съседния, който все още не е реагирал, се компенсира точно от еквивалентния топлинен поток към същия слой на предишния етап, когато самият той е бил студен. Нестационарно, некомпенсирано нагряване възниква в началния момент, когато горимата среда се запали от първоначалния импулс. Въпреки това, когато пламъкът се отдалечава от точката на запалване, това допълнително количество топлина се разпределя между непрекъснато нарастващо количество продукти на горенето и ролята му в допълнителното нагряване непрекъснато намалява.

Ориз. 1.5.

От гореизложеното следва, че по време на горенето са възможни топлинни загуби в резултат на излъчването на нагрят газ и контакта му с твърда повърхност. Ролята на отвеждането на топлината чрез излъчване ще бъде разгледана по-нататък, но засега ще приемем, че тези загуби са пренебрежимо малки за зоната, чийто топлинен режим определя скоростта на пламъка. Охлаждането чрез проводимост на продуктите от горенето при контакт със стените на съдовете и апаратите става много интензивно, което се дължи на голямата температурна разлика между стените и газа. Следователно, след завършване на горенето в съдове с общи размери, значителното охлаждане на продуктите от горенето в тях завършва за по-малко от 1 s.

Охлаждането на горящия газ от стените също е от съществено значение за нашите проблеми. Тъй като отвеждането на топлината към стените започва едва след докосването им от пламък, тези загуби са силно зависими от формата и размера на съда, в който протича реакцията, и позицията на точката на запалване. По време на горене в сферичен съд и централно запалване, топлинните загуби от проводимост настъпват само след завършване на горенето.

Температурата на горене се определя от закона за запазване на енергията по време на адиабатния преход на химическата енергия на горима среда в топлинната енергия на продуктите от горенето. Очевидно компонентите на горимата смес не са еквивалентни. Запасът от химическа енергия се определя от съдържанието на липсващия в стехиометрични съотношения компонент, който се изразходва напълно в реакцията. Част от другия компонент, излишъкът, остава нереагирал по време на взаимодействието. То е равно на разликата между първоначалното съдържание на излишния компонент и количеството, необходимо за пълно свързване на липсващия компонент. Ако съдържанието на липсващия компонент се увеличи поради съдържанието на инертния компонент, който не участва в реакцията, тогава моларният резерв от химическа енергия на горимата смес ще се увеличи. Такава замяна на излишния компонент оставя химическата енергия непроменена.

Нека обясним приблизително как се реализира законът за запазване на енергията при горене. Химическият енергиен резерв на горимата система ще се счита за равен на π1Q), където π1 е концентрацията на липсващия компонент; Ве топлинният ефект от неговото изгаряне. Топлината на реакцията се изразходва за нагряване на всички компоненти на сместа: получените реакционни продукти, излишък и инертни компоненти. Ако Се средният топлинен капацитет на количеството продукти на горенето, образувано от 1 мол от първоначалната смес, тогава приращението на запаса от физическа топлина е равно на С(тб- т 0), където т 0 е началната температура на горимата среда. Според адиабатното условие

Точното изчисляване на състоянието на адиабатните продукти на горене е много по-сложно.

При адиабатното горене стойността на температурата на горене определя плътността на крайните продукти, а оттам и връзката между скоростите на пламъка У n и Уб. В този случай трябва да се има предвид, че в резултат на реакцията броят на молекулите на единица маса се е променил в Пведнъж. Според законите на идеалните газове

смисъл Пв горивните процеси е предимно близка до единица. И така, при преобразуване на стехиометрична смес 2CO + O2 (изгаряне в 2CO2) П= 2/3, за подобна смес от CH4 + 2O2 (изгаряне до CO2 + 2H2O) n = 1 и т.н. При изгаряне на смеси с нестехиометричен състав и смеси, съдържащи инертни компоненти, общият брой на молекулите (като се вземат предвид съдържанието на компоненти, които не участват в реакцията) се променя още по-малко.

При адиабатно горене температурата на газа се повишава с коефициент 5-10. Ако налягането остане постоянно по време на горене и газът се разширява свободно, и n= 1, то плътността му се променя със същото количество и същото съотношение У b до нормална скорост на пламъка. Ако адиабатното горене се случи без разширяване на газа, в затворен съд, тогава налягането се увеличава приблизително в същата степен. Това е, което определя разрушителния ефект от бързото горене в затворен съд.

Понятието "изгаряне" не може да бъде формулирано еднозначно. Ние ще наречем горенето самоускоряваща се бърза химическа трансформация, придружена от интензивно отделяне на топлина и излъчване на светлина. Съответно пламъкът (горещ) е газообразна среда, в която интензивна химическа реакция води до луминесценция, отделяне на топлина и значително самонагряване.

Такива определения са удобни, но не съвсем ясни и универсални. Трудно е да се определи точно коя реакция е достатъчно бърза, за да се счита за изгаряне. Още по-малко ясна е концепцията за експлозия. В бъдеще ще се запознаем със съществуването на студени пламъци, при които химическата реакция е придружена от сияние, но протича с умерена скорост и без забележимо нагряване.

Според Д. Л. Франк-Каменецки „изгарянето е протичането на химическа реакция при условия на прогресивно самоускоряване, свързано с натрупване на топлина или катализиращи реакционни продукти в системата“. Тук е очевидно желанието да се обхванат явленията както на термичното, така и на автокаталитичното развитие на реакцията. Подобно обобщение обаче води до факта, че явленията, които не могат да бъдат приписани на процесите на горене, попадат в това определение. Те включват безпламъчни реакции в газовата и течната фази, придружени от ограничено самоускоряване, но непревръщащи се в термична или ценна експлозия, когато скоростта на реакцията достигне умерен максимум или се получава разпръскване на компонентите на нехомогенна горима среда.

Би било неприемливо да се ограничават горивните процеси с условието за пълнота на реакцията, тъй като при много безусловно експлозивни процеси реакцията остава незавършена.

Трудностите при дефинирането на горенето са признати от Б. Луис и Г. Елбе: „Понятията за горене, пламък и експлозия, доста гъвкави, все още се използват донякъде произволно“ .

Усложненията при определяне на горенето отразяват липсата на остри граници в комплекса от физикохимични явления, специфични за горенето. Самоускоряване на реакцията, самозагряване, натрупване на активни продукти, излъчване с различни интензитети и дължини на вълната съществуват в процеси както свързани, така и несвързани с категорията на горене; разликата е само количествена. Поради тази причина всяка дефиниция на горенето ще бъде неточна или непълна.

Разработените идеи ни позволяват да приемем, че за да протича процесът според вида на горенето, са необходими само две условия: тази реакция трябва да е екзотермична и да се ускорява с повишаване на температурата. Последното е характерно за повечето химични процеси, поради което изглежда, че всяка екзотермична реакция може да се развие в режим на горене. От това следва, че наличието на стабилно горене изисква изпълнението на друго важно допълнително условие, свързано с разпространението на фронта на пламъка в хоризонтална тръба.

Някои характеристики на потока на екзотермичната реакция са различни, когато тече в тръбата. При запалване на горима среда от страната на отворения край пламъкът придобива специфична форма, удължена с наклон напред (фиг. 1.6).

Ориз. 1.6.

1 – граница на контакт с пламъка; 2 – предната граница на изображението на пламъка (пресечната точка на фронта и равнината на симетрия); М– точка на максимална скорост на газа

На определена част от пътя след инициирането, горенето протича неподвижно, с постоянна скорост. С увеличаване на съотношението ч/д,където з- височина на колоната на продуктите от горенето, в границата - дължината на тръбата; д– диаметърът на тръбата, силите на триене на газа в стените се увеличават толкова много, че предизвикват прогресивна газова турбуленция в зоната на горене и нестабилно ускоряване на пламъка в съответствие със закона на площите.

Наклонената форма на пламъка в хоризонтална тръба се дължи на голямата разлика в плътността на изходната среда и продуктите на горенето. Предната част на пламъка е интерфейсът между тези две медии. За да обясним последствията от разликата в техните плътности, използваме следната аналогия. В хоризонтална тръба (фиг. 1.7, а) са две несмесващи се течности с различна плътност, като живак (вдясно) и вода (вляво), разделени от вертикална преграда. Ако преградата бъде премахната, тогава разликата в плътността причинява движението на течности: тежкият живак ще тече наляво и надолу, водата ще се намира над живака, движейки се надясно и нагоре. Интерфейсът ще бъде наклонен напред, повърхността му непрекъснато се увеличава (фиг. 1.7, б). Подобни потоци възникват по време на изгаряне на газ, но превръщането на тежка горима среда в леки реакционни продукти предотвратява неограниченото увеличаване на повърхността на пламъка, чийто размер и форма стават неподвижни. Отклонението на горната част на фронта на пламъка към продуктите на горенето се дължи на забавянето на газа близо до стената под въздействието на триене.

Ориз. 1.7.

а- преди отстраняване на преградата; б- след отстраняване на преграда

Формата на неподвижния пламък (в зоната на равномерно разпространение) се определя от съотношенията между нормалната скорост на пламъка и скоростта на газа в съответните участъци на фронта. Нека разгледаме тези отношения за най-напредналата точка на фронта М(виж фиг. 1.6), където пламъкът е нормален към оста на тръбата, а оттам и към посоката на движение на цялата предна част. Обща скорост на пламъка по оста на тръбата У f в точката Ме също сумата от скоростта на пламъка спрямо газа У n и компонента на скоростта на самия газ в същата посока УМ :

За всяка малка наклонена част от пламъка АБ(фиг. 1.8), образувайки ъгъл в с оста на тръбата, движението на пламъка през газа по нормата към АБсъс скорост У n (до позиция A"B") очевидно се свързва с движението на елемента на пламъка по оста на тръбата със скорост Ун / sinβ. Общата скорост на движение на елемента на пламъка по оста на тръбата е същата като за точката М, е сумата от самата скорост на горене в тази посока и компонента на скоростта на газовия поток У.Тъй като формата на пламъка е неподвижна, това означава, че скоростите на всички негови елементи са равни:

(1.6)

Във всяка точка на пламъка неговият наклон се определя от местната стойност на компонента на скоростта на газовия поток по оста. Като У n/sinβ > Ун , УМ > W,скоростта на газа е максимална в точката М.Стойност Унамалява близо до стените и дори става отрицателен (където горимата среда "изтича" под слоя от продукти на горенето). Зона на пламъка AB,придвижването до дъното на тръбата се заменя с нова, генерирана в точката на запалване М.

Ориз. 1.8.

Сувеличаването на диаметъра на тръбата увеличава конвекцията на горящия газ, докато общата скорост на пламъка се увеличава приблизително пропорционално на квадратния корен от д.С увеличаването на нормалната скорост на пламъка се увеличава Уе (когато д= const), но по-бавно от Ун. На определена стойност У n се наблюдава рязък преход на формата на пламъка от наклонена към полусферична.

При използване на горелка на Bunsen често се среща стационарен режим на горене в поток. Това на пръв поглед просто устройство е тръба, през която непрекъснато се подава горима среда. При запалването му на изхода на горелката се образува неподвижен пламък - пламък на Бунзен, чиято форма е близка до конична. Закономерностите, характеризиращи пламъка на Бунзен, са установени от трудовете на един от основателите на теорията на горенето, V. A. Michelson.

Стационарното горене в пламък на Бунзен е възможно при различни скорости на потока. Когато тази скорост се промени, формата на конуса на Бунзен се променя съответно, а с него и неговата повърхност, съгласно закона за площта. В този случай основата на конуса остава непроменена, приблизително съвпадаща с изходната част на горелката, а височината се увеличава при бърз поток и намалява при бавен. Стабилното горене, при което се осъществява такова саморегулиране на формата на пламъка, е възможно в широк диапазон от скорости на газовия поток. Само при много висока скорост на газа пламъкът се прекъсва, неговото затихване. Ако скоростта на газа стане достатъчно малка, средно близо до У n, пламъкът се разпространява към потока, навлизайки във вътрешността на горелката - възниква "пробив" на пламъка.

Ориз. 1.9.

Горенето в пламък на Бунзен се усложнява от вторичното взаимодействие на продуктите на непълното горене с атмосферния въздух, ако горимата смес съдържа излишък от гориво. В този случай се образува вторичен, т. нар. външен бунзенов конус на пламъка в допълнение към основния, вътрешен. За да се предотврати образуването на външен конус, пламъкът на горелката понякога е заобиколен от среда с инертен газ.

Моделите, които определят формата на пламъка на Бунзен, могат да бъдат установени, като се вземе предвид поведението на плоска (малка) секция от неподвижен пламък L Vв потока на факелен газ (фиг. 1.9).

Ако газът беше неподвижен, тогава пламъкът щеше да се движи по нормата към АБсъс скорост У n, а по течението - със скорост У n/sin β, където β е ъгълът между АБи ос на тръбата. Този компонент на скоростта на горене е равен на местния дебит W,защото пламъкът е все още:

Уравнение (1.7), получено от V. A. Mikhelson, е специален случай на уравнение (1.6) - за неподвижен пламък ( Уе = 0); отрицателна скорост на газа показва, че посоките на скоростта на газа и пламъка са противоположни. Уравнение (1.7) определя за всяка точка от повърхността на пламъка стойността на ъгъла β, а оттам и неподвижната форма на целия пламък като цяло. Ако в която и да е точка на конуса на Бунзен частта от скоростта на газовия поток, нормална на пламъка, се окаже по-голяма от нормалната скорост на пламъка, тогава газовият поток ще отнесе този елемент от пламъка далеч от отвора на горелката. В този случай наклонът на пламъчния елемент към оста на потока се увеличава (тъй като основата на конуса е фиксирана) и ъгълът β ще намалява, докато компонентът на скоростта на потока е равен на Ун. Обратните промени ще настъпят, когато Wsin β< Ун.

Ако скоростта на газа е постоянна по цялото напречно сечение на потока, тогава пламъкът няма да има кривина и конусът на Бунзен ще бъде прав. При ламинарен газов поток в тръба, разпределението на скоростите върху напречното сечение е параболично, то се определя от закона на Поазой

(1.8)

където У(r) е скоростта на потока на разстояние rот оста на тръбата; Р 0 – радиус на тръбата; У 0 = У(r= 0) е максималната скорост на потока.

Среден дебит W,равен на дебита на газ за единица секция от тръбата, изчисляваме чрез усредняване:

(1.9)

тези. Унаполовина по-малко У 0. В този случай трябва да се има предвид, че след като газът излезе от горелката, разпределението на скоростите в потока ще се промени донякъде. В случай на разпределение на скоростите на газа според закона на Поазой за равни Уконусите на пламъка за всички горелки са геометрично сходни.

Вече видяхме, че съществуването на пламък на Бунзен в широк диапазон от скорости на потока на изгорения газ се дължи на стабилността на основата на конуса, фиксирането на пламъка в пръстена за прекъсване на горелката. Такава стабилизация се дължи на особеностите на горенето в тази зона. Опитът показва, че има малка междина между основата на пламъка и разреза на горелката, горенето започва на определено разстояние от ръба на тръбата. Това се дължи на факта, че горенето е невъзможно близо до повърхността, тъй като стационарната температура на газа в тази зона е твърде ниска. По същата причина е невъзможно пламъкът да мине в тръбата по стените, където скоростта на газовия поток е по-малка Ун.

В зоната на стабилизиращия пръстен на определено разстояние от ръба на горелката става възможно горенето, но скоростта на пламъка в тази зона е по-малка У n поради загуба на топлина. Тъй като се отдалечаваме от ръба на горелката и спираме забавянето на потока от стената, скоростта на газа по протежение на пръстена също се увеличава. r = Р 0. На определена височина се сравнява със скоростта на пламъка.

В тези точки пламъкът е стабилно фиксиран: по-близо до ръба на горелката, горенето е невъзможно, на по-голямо разстояние скоростта на пламъка е по-голяма от скоростта на газа и пламъкът ще се приближи до горелката, докато двете скорости не са равни. Съгласно същия механизъм пламъкът може да се стабилизира в потока на горима среда в близост до различни фиксирани препятствия, например близо до телен пръстен, поставен над горелката, или в края на прът, разположен вътре в горелката. В последния случай се образува т. нар. обърнат конус на Бунзен, обърнат с главата надолу и се стабилизира в една неподвижна точка - в горната си част.

Както показва анализът на топлинния режим на горене, когато вътре в тръбата е неподвижен пламък, топлината се отвежда от газа към стената, а пламъкът се насочва чрез изпъкналост към неизгорелия газ, т.е. има формата на менискус. При висока интензивност на топлоотвеждане, т.е. близо до самата стена, тя изобщо не може да съществува и се откъсва на известно разстояние от нея, точно както когато е извън тръбата, над отвора на горелката. Виждаме, че горенето в пламък на Бунзен, въпреки простотата на това устройство, е много сложен процес, отличаващ се с много специфични характеристики.