Sagorijevanje plinske mješavine u zatvorenim cijevima stvara eho, što dovodi do potpunog preuređivanja fronta plamena. Detalji ovog fenomena prvi put su reprodukovani u numeričkim simulacijama.

Plamen u interakciji sa snažnim zvučnim talasom može generisati zanimljive prostorne strukture (pogledajte, na primjer, impresivan video s "vizualizacijom vatre" zvučnih valova). U ovom slučaju, zvučni val ne mora biti vanjski: intenzivno sagorijevanje plinske mješavine goriva i oksidatora u zatvorenom volumenu, na primjer, u cijevima, stvara eho koji može izobličiti front plamena i promijeniti način reakcije sagorijevanja .

Izobličenje oblika plamena tokom sagorevanja u cevima poznato je više od stotinu godina, ali je tek u klasičnim eksperimentima Džefrija Sirbija (G. Searby) 1992. godine sprovedeno sistematsko proučavanje ovog procesa. Sirby je posebno posmatrao turbulenciju plamena pod dejstvom sopstvenog eha. Sam po sebi, ovaj fenomen ne izgleda iznenađujuće, ali teorijski opis ovog procesa još nije predložen. Pitanja na koja je trebalo odgovoriti bila su: „Kako tačno dolazi do prijelaza u turbulenciju?“, „Koje vrste oscilacija plamena prvo zaljuljaju?“ itd. Sve je to, pak, sputavalo ruke istraživačima koji su tražili praktičnu primjenu ovog efekta u tehnologiji (uopšteno govoreći, turbulencija plamena je od velikog značaja za raketnu industriju).

Nedavni članak rusko-švedskog istraživačkog tima A. Petchenko et al., Physical Review Letters, 97, 164501 (19. oktobar 2006.) napravio je prvi korak ka izgradnji takve teorije. Autori ovog rada izvršili su detaljnu numeričku simulaciju procesa sagorevanja gasne mešavine u dugoj i veoma uskoj cevi, zatvorenoj na jednom kraju (smeša se palila sa otvorenog kraja, a plamen se širio duboko u cev ). Radi jednostavnosti proračuna, riješen je dvodimenzionalni, a ne trodimenzionalni problem, mješavina plina je smatrana idealnim plinom, a proces sagorijevanja je modeliran hipotetičkom jednostepenom i nepovratnom kemijskom reakcijom sa datim oslobađanjem topline i aktivacijom. energije. Ali sav plin i termodinamika - kompresija i ekspanzija, tokovi plina, prijenos topline, struktura fronta plamena - uzeti su u potpunosti u obzir.

Rezultati simulacije nedvosmisleno su dokazali da je, kako se približio zatvoreni kraj, front plamena počeo da „treperi“. Ovo drhtanje izazvalo je zvučni eho iste frekvencije, koji je još više „zaljuljao“ plamen. U neposrednoj blizini kraja cijevi oscilacije plamena postale su toliko jake da se prednji dio plamena doslovno sklopio u harmoniku. Tokom svakog perioda ovih oscilacija, front plamena se naglo destabilizovao, oslobađajući uzak i veoma dug mlaz hladnog gasa u područje koje zauzimaju vrući produkti sagorevanja. Mlaz je zatim brzo pregorio, front plamena se pretvorio u vihor i zatim se ponovo izravnao. Brzina struja koje stvaraju ove oscilacije je deset puta premašio "normalnu" brzinu širenja plamena na otvorenom prostoru.

Snažne oscilacije i vrtlozi koji se njima stvaraju obično su prva faza prijelaza u turbulenciju. Autori članka, međutim, ne žure s najavom otkrića mehanizma turbulencije plamena. Činjenica je da računarska snaga koja je danas dostupna omogućava da se ovako detaljno modeliranje izvede samo u ekstremno uskim cijevima, odnosno čak u kapilarama. Ostaje da se prouči kako će se ovaj proces promijeniti u širokim cijevima, za koje su dobiveni eksperimentalni podaci i u kojima je utjecaj zidova na tokove znatno slabiji. Također je interesantno provjeriti da li su izobličenja plamena pronađena u simulaciji isti "plamen tulipana" koji je dugo promatran, ali je još uvijek nerazjašnjen (vidi C. Clanet i G. Searby. O "plamenu tulipana" Fenomen (PDF, 1 ,3 Mb) // Sagorevanje i plamen, 1996. V. 105. P. 225-238).

Zahtjevi za komore za sagorijevanje i njihove karakteristike

Komore za sagorijevanje plinskih turbina rade u širokom rasponu opterećenja. Moraju imati male dimenzije, težinu, biti efikasni pri sagorijevanju različitih vrsta goriva. Osim toga, CS moraju osigurati prihvatljiv nivo štetnih emisija iz produkata sagorijevanja (oksidi dušika, oksidi sumpora). Pred CS su postavljeni posebni zahtjevi sa stanovišta operativne pouzdanosti, budući da se nalaze u teškim temperaturnim uslovima.

Pored toga, komore za sagorevanje moraju imati:

· visok koeficijent potpunog sagorevanja;

mali gubici pritiska;

male dimenzije, tj. visok toplotni stres;

dato temperaturno polje;

brz i pouzdan start;

Dovoljno veliki resurs;

Dovoljna jednostavnost ugradnje i preventivnog održavanja.

Efikasnost sagorevanja (ili efikasnost komore za sagorevanje) se definiše kao:

gdje Q1 je količina toplote koja se stvarno oslobađa u radnom volumenu komore; Q2 je ukupna količina toplote koja bi se teoretski mogla osloboditi tokom potpunog sagorevanja goriva.

Plamen u komori za sagorevanje, koji se razvija u uslovima prinudnog kretanja sa centralnim dovodom goriva, sastoji se od tri glavne zone: unutrašnje zone I, formiranja smeše i zone sagorevanja II, i zone III - zone spoljašnjeg vazduha (sl. . 4.2.

U zoni II, 0 ≤ α ≥ ∞. U unutrašnjoj zoni α = 0 nema vazduha.

U zoni 2 dolazi do stvaranja smjese i sagorijevanja. Uslovno se dijeli na dva: unutrašnja - a i eksterna - b.

Unutrašnja zona je ispunjena mješavinom zapaljivih plinova i produkata izgaranja, a vanjska zona je ispunjena mješavinom proizvoda izgaranja i zraka. Granica između zona je front plamena sagorevanja. Ovaj interval sadrži sve regije od α = 0 do α = ∞. U debljini fronta sagorevanja α= 1; gorivo, krećući se od korijena do repne zone, razrjeđuje se produktima izgaranja, a zrak je zasićen proizvodima izgaranja. To dovodi do činjenice da se u zoni sagorijevanja smanjuje kalorijska vrijednost goriva, tj. količina toplote se smanjuje

Rice. 4.2. Flame front.

po jedinici površine fronta sagorevanja pogoršavaju se uslovi sagorevanja do mogućeg gašenja plamena i uklanjanja dela neizgorelog goriva. Treba imati na umu da je ovaj proces karakterističan za neograničen prostor. U stvarnim ložištima, priroda sagorijevanja, zbog činjenice da je protok ograničen, u velikoj mjeri je određena aerodinamičkim svojstvima ložišta. Štaviše, u zoni sagorevanja se održava visoka temperatura, što dovodi do sagorevanja smeše veoma visokim brzinama, u ovom slučaju brzina sagorevanja je određena prvenstveno brzinom formiranja smeše, jer brzina hemijskih reakcija bit će mnogo puta veća od brzine stvaranja smjese. Ovaj proces se zove difuziono sagorevanje. Lako se kontroliše promjenom uvjeta miješanja, koji se zauzvrat mogu promijeniti strukturalnim mjerama - upotrebom lopatičnih prstenastih rešetki kao turbulatora, itd.

Jedna od glavnih karakteristika komore za sagorevanje je vrednost toplotnog naprezanja, koja predstavlja odnos količine toplote koja se oslobađa u komori za sagorevanje i njenog volumena pri pritisku sagorevanja.

J/m 2 MPa (4,10)

gdje R KS je pritisak radnog fluida u komori za sagorevanje, MPa; V- zapremina komore za sagorevanje, m 3.

Na osnovu vrednosti specifične gustine toplote određuje se zapremina komore za sagorevanje.

Da bi se stvorilo stabilno sagorevanje u čitavom opsegu režima rada, važno je organizovati proces sagorevanja, koji se karakteriše površinom fronta plamena sagorevanja i određuje se iz jednačine:

gdje U T - turbulentna brzina širenja plamena, obično se uzima u opsegu (40 ÷ 60 m/s); F f - prednji dio plamena sagorijevanja; – toplota sagorevanja smeše; ρ cm - gustina smjese.

Neto kalorijska vrijednost smjese se određuje iz jednačine:

Gustoća smjese se određuje iz Mendelejev-Claiperonove jednadžbe:

gdje T CC je temperatura smjese u komori za sagorijevanje.

Front plamena prema jednačini:

Održivo sagorevanje je moguće sa F tf≥ F f.

Tema 4. VRSTE GORENJA.

Prema različitim znakovima i karakteristikama, procesi sagorijevanja mogu se podijeliti na sljedeće vrste:

Prema agregacijskom stanju zapaljive tvari:

Gorući plinovi;

Sagorijevanje tekućina i topljenih čvrstih tvari;

Sagorevanje čvrstih i kompaktnih supstanci koje se ne mogu trošiti.

Prema faznom sastavu komponenti:

homogeno sagorevanje;

heterogeno sagorevanje;

Gorući eksploziv.

Prema pripremljenosti zapaljive smjese:

Difuzijsko sagorijevanje (vatra);

Kinetičko sagorevanje (eksplozija).

Prema dinamici fronta plamena:

Stacionarno;

Nestacionarni.

Prema prirodi kretanja gasova:

laminarni;

Turbulentno.

Prema stepenu sagorevanja zapaljive materije:

Nepotpuno.

Prema brzini širenja plamena:

Normal;

deflagracija;

Detonacija.

Pogledajmo bliže ove vrste.

4.1. Sagorevanje gasovitih, tečnih i čvrstih materija.

U zavisnosti od agregatnog stanja zapaljive materije, razlikuje se sagorevanje gasova, tečnosti, prašnjavih i kompaktnih čvrstih materija.

Prema GOST 12.1.044-89:

1. Gasovi su supstance čija je kritična temperatura manja od 50 °C. T cr je minimalna temperatura zagrevanja 1 mola supstance u zatvorenoj posudi, pri kojoj se ona potpuno pretvara u paru (videti § 2.3).

2. Tečnosti su supstance sa tačkom topljenja (tačkom kapanja) manjom od 50°C (videti § 2.5).

3. Čvrste materije su supstance sa tačkom topljenja (pad-pad) većom od 50 0 S.

4. Prašine su čvrste čestice čija je veličina čestica manja od 0,85 mm.

Zona u kojoj se odvija hemijska reakcija u zapaljivoj smeši, tj. sagorevanje se naziva front plamena.

Razmotrite procese sagorevanja u vazduhu na primerima.

Sagorijevanje plinova u plinskom gorioniku. Postoje 3 zone plamena (Sl. 12.):

Rice. 12. Šema sagorevanja gasa: 1 - prozirni konus - ovo je početni gas zagrejan (do temperature samozapaljenja); 2 – svjetlosna zona fronta plamena; 3 - proizvodi sagorevanja (gotovo su nevidljivi tokom potpunog sagorevanja gasova i, posebno tokom sagorevanja vodonika, kada se ne stvara čađ).

Širina fronta plamena u plinskim mješavinama je desetine frakcija milimetra.

Sagorevanje tečnosti u otvorenom sudu. Prilikom gorenja u otvorenoj posudi postoje 4 zone (slika 13):

Rice. 13. Sagorevanje tečnosti: 1 - tečnost; 2 - tečna para (tamna područja); 3 - prednji dio plamena; 4 - proizvodi sagorevanja (dim).

Širina fronta plamena u ovom slučaju je veća; reakcija teče sporije.

Sagorevanje topljenih čvrstih materija. Razmislite o paljenju svijeće. U ovom slučaju se posmatra 6 zona (slika 14):

Rice. 14. Paljenje svijeća: 1 - tvrdi vosak; 2 - rastopljeni (tečni) vosak; 3 – tamni providni parni sloj; 4 - prednji dio plamena; 5 - proizvodi sagorevanja (dim); 6 - fitilj.

Zapaljeni fitilj služi za stabilizaciju sagorijevanja. Tečnost se upija u njega, uzdiže se duž njega, isparava i gori. Povećava se širina fronta plamena, što povećava površinu sjaja, jer se koriste složeniji ugljovodonici koji se, isparavajući, razlažu, a zatim reagiraju.

Sagorevanje nepotrošnih čvrstih materija. Ovu vrstu sagorijevanja ćemo razmotriti na primjeru paljenja šibice i cigarete (sl. 15 i 16).

Ovdje se nalazi i 5 parcela:

Rice. 15. Paljenje šibice: 1 - svježa drva; 2 - ugljenisano drvo; 3 - plinovi (gasificirane ili isparene isparljive tvari) - ovo je tamno prozirna zona; 4 - prednji dio plamena; 5 - proizvodi sagorevanja (dim).

Vidi se da je izgorjelo područje šibice mnogo tanje i ima crnu boju. To znači da je dio šibice ugljenisan, tj. neisparljivi dio je ostao, a hlapljivi dio je ispario i izgorio. Brzina sagorevanja uglja je mnogo sporija od gasa, tako da nema vremena da potpuno izgori.

Fig.16. Paljenje cigareta: 1 - početna mješavina duhana; 2 - područje tinjanja bez fronta plamena; 3 - dim, tj. proizvod izgorjelih čestica; 4 - dim uvučen u pluća, koji su uglavnom gasifikovani proizvodi; 5 - smola kondenzovana na filteru.

Toplo-oksidativna razgradnja tvari bez plamena naziva se tinjanjem. Javlja se kada nema dovoljne difuzije kiseonika u zonu sagorevanja i može se javiti čak i sa vrlo malom količinom (1-2%). Dim je plav, ne crn. To znači da sadrži više gasificiranih, a ne spaljenih tvari.

Površina pepela je skoro bijela. To znači da uz dovoljnu opskrbu kisikom dolazi do potpunog sagorijevanja. Ali unutar i na granici gorućeg sloja sa svježim nalazi se crna tvar. Ovo ukazuje na nepotpuno sagorevanje ugljenisanih čestica. Usput, pare isparljivih smolastih tvari kondenziraju se na filteru.

Sličan tip sagorevanja primećuje se i prilikom sagorevanja koksa, tj. ugalj, iz kojeg su uklonjene isparljive tvari (gasovi, smole) ili grafit.

Dakle, proces sagorevanja gasova, tečnosti i većine čvrstih materija odvija se u gasovitom obliku i praćen je plamenom. Neke čvrste materije, uključujući i one sa tendencijom spontanog sagorevanja, sagorevaju u obliku tinjanja na površini i unutar materijala.

Sagorevanje prašnjavih materija. Izgaranje sloja prašine odvija se na isti način kao i u kompaktnom stanju, samo što se brzina izgaranja povećava zbog povećanja površine kontakta sa zrakom.

Sagorijevanje tvari sličnih prašini u obliku aero suspenzije (oblaka prašine) može se odvijati u obliku iskri, tj. sagorevanje pojedinačnih čestica, u slučaju niskog sadržaja isparljivih materija koje nisu sposobne da formiraju dovoljnu količinu gasova tokom isparavanja za jedan front plamena.

Ako se formira dovoljna količina gasificiranih isparljivih tvari, tada dolazi do izgaranja plamena.

Gorući eksploziv. Ova vrsta uključuje sagorijevanje eksploziva i baruta, takozvanih kondenziranih tvari, u kojima su gorivo i oksidant već kemijski ili mehanički vezani. Na primjer: u trinitrotoluenu (TNT) C 7 H 5 O 6 N 3 × C 7 H 5 × 3NO 2, O 2 i NO 2 služe kao oksidanti; u sastavu baruta - sumpor, salitra, ugalj; u sastavu domaćeg eksploziva, aluminijum praha i amonijum nitrata, vezivo - solarno ulje.

4.2. Homogeno i heterogeno sagorevanje.

Na osnovu razmatranih primjera, u zavisnosti od agregatnog stanja mješavine goriva i oksidatora, tj. od broja faza u smjesi razlikuju:

1. Homogeno sagorevanje gasovi i pare zapaljivih materija u okruženju gasovitog oksidatora. Dakle, reakcija sagorevanja se odvija u sistemu koji se sastoji od jedne faze (agregatno stanje).

2. Heterogeno sagorevanječvrste zapaljive supstance u gasovitom oksidacionom okruženju. U ovom slučaju, reakcija se odvija na granici, dok se homogena reakcija odvija u cijelom volumenu.

To je sagorijevanje metala, grafita, tj. praktično neisparljivi materijali. Mnoge gasne reakcije su homogeno-heterogene prirode, kada je mogućnost nastanka homogene reakcije posledica nastanka simultano heterogene reakcije.

Sagorijevanje svih tekućih i mnogih čvrstih tvari, iz kojih se oslobađaju pare ili plinovi (isparljive tvari), odvija se u plinovitoj fazi. Čvrsta i tečna faza igraju ulogu rezervoara za produkte reakcije.

Na primjer, heterogena reakcija spontanog sagorijevanja uglja prelazi u homogenu fazu sagorijevanja isparljivih tvari. Ostatak koksa gori heterogeno.

4.3. Difuzija i kinetičko sagorijevanje.

Prema stepenu pripreme zapaljive smjese razlikuju se difuzijsko i kinetičko sagorijevanje.

Vrste sagorevanja koje se razmatraju (osim za eksplozive) su difuzno sagorevanje. Plamen, tj. zona sagorijevanja mješavine goriva i zraka, kako bi se osigurala stabilnost, mora se stalno napajati gorivom i kisikom u zraku. Protok zapaljivog gasa zavisi samo od brzine njegovog dovoda u zonu sagorevanja. Brzina ulaska zapaljive tečnosti zavisi od intenziteta njenog isparavanja, tj. na pritisak pare iznad površine tečnosti, a samim tim i na temperaturu tečnosti. Temperatura paljenja naziva se najniža temperatura tečnosti pri kojoj se plamen iznad njene površine ne gasi.

Sagorevanje čvrstih materija se razlikuje od sagorevanja gasova po prisustvu faze razgradnje i gasifikacije, nakon čega sledi paljenje isparljivih proizvoda pirolize.

Piroliza- ovo je zagrijavanje organskih tvari na visoke temperature bez pristupa zraka. U tom slučaju dolazi do razlaganja, odnosno cijepanja složenih spojeva na jednostavnija (koksiranje uglja, krekiranje nafte, suha destilacija drveta). Dakle, sagorijevanje čvrste zapaljive tvari u produkt sagorijevanja nije koncentrirano samo u zoni plamena, već ima višestepeni karakter.

Zagrijavanje čvrste faze uzrokuje razgradnju i evoluciju plinova koji se pale i sagorevaju. Toplota iz baklje zagreva čvrstu fazu, izazivajući njenu gasifikaciju i proces se ponavlja, čime se podržava sagorevanje.

Model čvrstog sagorevanja pretpostavlja prisustvo sledećih faza (slika 17):

Rice. 17. Model sagorijevanja

solidan.

Zagrevanje čvrste faze. Za topljive supstance, topljenje se dešava u ovoj zoni. Debljina zone zavisi od temperature provodljivosti supstance;

Piroliza, ili reakciona zona u čvrstoj fazi, u kojoj nastaju gasovite zapaljive supstance;

Predplamen u gasnoj fazi, u kojoj se formira mešavina sa oksidacionim agensom;

Plamen ili reakciona zona u gasnoj fazi, u kojoj se pretvaraju proizvodi pirolize u gasovite produkte sagorevanja;

produkti sagorevanja.

Brzina dovoda kiseonika u zonu sagorevanja zavisi od njegove difuzije kroz produkt sagorevanja.

Općenito, budući da brzina kemijske reakcije u zoni sagorijevanja u razmatranim vrstama izgaranja ovisi o brzini dolaska reagujućih komponenti i površine plamena molekularnom ili kinetičkom difuzijom, ova vrsta izgaranja se naziva difuziju.

Struktura plamena difuznog sagorevanja sastoji se od tri zone (slika 18):

Zona 1 sadrži gasove ili pare. U ovoj zoni nema sagorevanja. Temperatura ne prelazi 500 0 C. Dolazi do raspadanja, pirolize isparljivih tvari i zagrijavanja do temperature samozapaljenja.

Rice. 18. Struktura plamena.

U zoni 2 nastaje mješavina para (gasova) sa atmosferskim kisikom i dolazi do nepotpunog sagorijevanja do CO uz djelomičnu redukciju u ugljik (malo kisika):

C n H m + O 2 → CO + CO 2 + H 2 O;

U 3. vanjskoj zoni proizvodi druge zone su potpuno izgorjeli i uočava se maksimalna temperatura plamena:

2CO+O 2 = 2CO 2;

Visina plamena je proporcionalna koeficijentu difuzije i brzini protoka gasova i obrnuto je proporcionalna gustini gasa.

Sve vrste difuznog sagorevanja svojstvene su požarima.

Kinetic sagorijevanje je sagorijevanje prethodno pomiješanog zapaljivog plina, pare ili prašine sa oksidirajućim sredstvom. U ovom slučaju, brzina gorenja ovisi samo o fizičko-kemijskim svojstvima zapaljive smjese (toplotna provodljivost, toplinski kapacitet, turbulencija, koncentracija tvari, tlak, itd.). Stoga se brzina gorenja naglo povećava. Ova vrsta sagorijevanja svojstvena je eksplozijama.

U ovom slučaju, kada se zapaljiva smjesa u nekom trenutku zapali, front plamena se pomiče iz produkata izgaranja u svježu smjesu. Tako je plamen pri kinetičkom sagorevanju najčešće nestalan (Sl. 19).

Rice. 19. Šema širenja plamena u zapaljivoj smeši: - izvor paljenja; - smjer kretanja fronta plamena.

Iako, ako se zapaljivi plin pomiješa sa zrakom i ubaci u gorionik, tada se za vrijeme paljenja formira stacionarni plamen, pod uvjetom da je brzina dovoda smjese jednaka brzini širenja plamena.

Ako se poveća dovod plina, plamen se odvaja od gorionika i može se ugasiti. A ako se brzina smanji, tada će se plamen uvući u unutrašnjost plamenika uz moguću eksploziju.

Prema stepenu sagorevanja, tj. potpunost reakcije sagorevanja do krajnjih proizvoda, sagorevanje se dešava kompletan i nepotpun.

Dakle, u zoni 2 (slika 18) sagorevanje je nepotpuno, jer nedovoljno kiseonika, koji se delimično troši u zoni 3, i formiraju se međuproizvodi. Potonji izgaraju u zoni 3, gdje ima više kisika, do potpunog izgaranja. Prisustvo čađi u dimu ukazuje na nepotpuno sagorijevanje.

Drugi primjer: kada postoji nedostatak kisika, ugljik sagorijeva u ugljični monoksid:

Ako dodate O, reakcija ide do kraja:

2CO + O 2 \u003d 2CO 2.

Brzina gorenja ovisi o prirodi kretanja plinova. Stoga se razlikuju laminarno i turbulentno sagorijevanje.

Dakle, primjer laminarnog sagorijevanja je plamen svijeće u mirnom zraku. At laminarno sagorevanje slojevi gasova teku paralelno, ali bez kovitlanja.

Turbulentno sagorevanje- vrtložno kretanje gasova, pri čemu se gasovi koji gore intenzivno mešaju, a front plamena se ispira. Granica između ovih tipova je Reynoldsov kriterij, koji karakterizira odnos između sila inercije i sila trenja u strujanju:

gdje: u- protok gasa;

n- kinetička viskoznost;

l- karakteristična linearna veličina.

Reynoldsov broj pri kojem dolazi do prijelaza laminarnog graničnog sloja u turbulentni naziva se kritični Re cr, Re cr ~ 2320.

Turbulencija povećava brzinu sagorijevanja zbog intenzivnijeg prijenosa topline sa produkata izgaranja na svježu smjesu.

4.4. Normalno sagorevanje.

U zavisnosti od brzine širenja plamena tokom kinetičkog sagorevanja, može se ostvariti ili normalno sagorevanje (unutar nekoliko m/s), ili eksplozivna deflagracija (desetine m/s), ili detonacija (hiljade m/s). Ove vrste sagorevanja mogu preći jedna u drugu.

Normalno gorenje- to je sagorijevanje, pri kojem se širenje plamena događa u odsustvu vanjskih smetnji (turbulencije ili promjene tlaka plina). To zavisi samo od prirode zapaljive materije, tj. toplotni efekat, koeficijenti toplotne provodljivosti i difuzije. Dakle, to je fizička konstanta mješavine određenog sastava. U ovom slučaju, brzina gorenja je obično 0,3-3,0 m/s. Normalno sagorevanje je nazvano jer je vektor brzine njegovog širenja okomit na front plamena.

4.5. Deflagracijsko (eksplozivno) sagorijevanje.

Normalno sagorevanje je nestabilno i ima tendenciju samoubrzavanja u zatvorenom prostoru. Razlog tome je zakrivljenost fronta plamena zbog trenja plina o stijenke posude i promjene tlaka u smjesi.

Razmotrimo proces širenja plamena u cijevi (slika 20).

Rice. 20. Šema nastanka eksplozivnog sagorevanja.

Prvo, na otvorenom kraju cijevi, plamen se širi normalnom brzinom, jer proizvodi sagorevanja se slobodno šire i izlaze. Pritisak smeše se ne menja. Trajanje ravnomjernog širenja plamena ovisi o promjeru cijevi, vrsti goriva i njegovoj koncentraciji.

Kako se front plamena kreće unutar cijevi, produkti reakcije, koji imaju veći volumen u odnosu na početnu smjesu, nemaju vremena da izađu van i njihov pritisak raste. Ovaj pritisak počinje da se gura u svim pravcima, i stoga, ispred fronta plamena, početna smeša počinje da se kreće u pravcu širenja plamena. Slojevi uz zidove su usporeni. Najveću brzinu plamen ima u centru cijevi, a najmanju u blizini zidova (zbog odvođenja topline u njima). Stoga se front plamena produžava u smjeru širenja plamena, a njegova površina se povećava. Srazmjerno tome, količina zapaljive smjese se povećava u jedinici vremena, što podrazumijeva povećanje tlaka, a zatim, zauzvrat, povećava brzinu kretanja plina itd. Dakle, dolazi do lavinskog povećanja brzine širenja plamena do stotina metara u sekundi.

Proces širenja plamena kroz zapaljivu mješavinu plinova, u kojem se samoubrzavajuća reakcija izgaranja širi uslijed zagrijavanja provođenjem topline iz susjednog sloja produkta reakcije, naziva se deflagracija. Obično su brzine deflagracionog sagorevanja podzvučne, tj. manje od 333 m/s.

4.6. detonaciono sagorevanje.

Ako uzmemo u obzir izgaranje zapaljive mješavine u slojevima, onda kao rezultat toplinskog širenja volumena produkata izgaranja, svaki put kada se val kompresije javlja ispred fronta plamena. Svaki naredni val, krećući se kroz gušći medij, sustiže prethodni i nalaže se na njega. Postepeno se ovi talasi spajaju u jedan udarni talas (slika 21).

Rice. 21. Šema formiranja detonacionog talasa: 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.

U udarnom valu, kao rezultat adijabatske kompresije, gustoća plinova trenutno raste i temperatura raste do T 0 samozapaljenja. Kao rezultat toga, zapaljiva smjesa se zapali udarnim valom i detonacija- širenje sagorevanja paljenjem udarnim talasom. Talas detonacije se ne gasi, jer pokretan udarnim talasima iz plamena koji se kreće iza njega.

Karakteristika detonacije je da se dešava pri nadzvučnoj brzini od 1000-9000 m/s, koja je određena za svaki sastav mješavine, pa je stoga fizička konstanta smjese. Zavisi samo od ogrjevne vrijednosti zapaljive smjese i toplinskog kapaciteta produkata izgaranja.

Susret udarnog vala s preprekom dovodi do stvaranja reflektiranog udarnog vala i još većeg pritiska.

Detonacija je najopasniji oblik širenja plamena, jer. ima maksimalnu snagu eksplozije (N=A/t) i veliku brzinu. U praksi se detonacija može "neutralisati" samo u preddetonacionom delu, tj. na udaljenosti od tačke paljenja do tačke detonacionog sagorevanja. Za gasove, dužina ovog dela je od 1 do 10 m.

Promjena oblika plamena značajno utječe na prirodu izgaranja, jer je povezana s promjenom površine prednje strane. Veličina površine plamena je glavni faktor koji određuje brzinu sagorevanja sistema datog sastava. To proizilazi iz činjenice da su svi dijelovi plamena, bez obzira na njihov oblik, ekvivalentni, pod uslovom da je polumjer zakrivljenosti plamena mnogo veći od širine njegove prednje strane, tj. u svim praktično važnim slučajevima. S povećanjem površine plamena, proces izgaranja se intenzivira, povećava se ukupna količina tvari koja gori u jedinici vremena. Promjena oblika plamena obično je povezana s kretanjem plina u blizini zone sagorijevanja, njegovom turbulencijom; u ovom slučaju, front plamena se dijeli na više malih centara i njegova ukupna površina se povećava. Ova karakteristika se koristi, na primjer, za intenziviranje procesa izgaranja umjetnom turbulencijom izgorjelog plina.

Razmotrimo kakav oblik plamen dobija spontano kada se širi kroz fiksni zapaljivi medij u odsustvu vanjskih sila koje djeluju na njega - smetnji. Pošto je medij homogen, svi pravci su ekvivalentni i brzina plamena duž njih je ista. U ovom slučaju, front plamena koji se širi od tačkastog izvora imat će oblik sferne površine neprekidno rastućeg radijusa. Tokom širenja sfernog plamena, ekspanzija plina dovodi do činjenice da će originalni neizgorjeli medij biti potisnut na periferiju. Međutim, plin se u ovom slučaju ne turbulizira, brzine kretanja i plina i plamena su iste u svim smjerovima, oblik plamena i pri konstantnom pritisku - a njegova brzina ostaje nepromijenjena.

Drugi karakterističan način širenja neometanog plamena nastaje kada se zapaljivi medij zapali sličnim tačkastim impulsom na otvorenom kraju dugačke cijevi. Nastali plamen će u početku biti sferičan sve dok ne dodirne zidove cijevi (slika 1.1).

Budući da se širenje plamena zaustavlja u blizini zidova, plamen poprima oblik vanjske površine sfernog segmenta, ograničenog poprečnim presjekom cijevi. Kako se plamen udaljava od točke paljenja i radijus njegove zakrivljenosti se povećava, postaje sve ravniji, podudarajući se do granice s poprečnim presjekom cijevi.

Rice. 1.1.

Navedena razmatranja omogućila su da se utvrdi da su tokom širenja plamena u odsustvu vanjskih perturbacija dva oblika plamena stabilna: sferni za neograničen prostor (trodimenzionalni problem) i ravan za beskonačnu cijev (jednodimenzionalni problem). Ova dva tipa će se približiti krajnjim granicama oblikom bilo kojeg plamena, kakav god on bio na početku.

Normalno gorenje

U odsustvu poremećaja u procesu sagorevanja, oblik koji front plamena dobija u procesu svog širenja može se odrediti na osnovu sledećih razmatranja. Svaka tačka površine plamena može se smatrati nezavisnim zapaljivim impulsom, oko kojeg se stvara nova elementarna fronta plamena. Nakon određenog kratkog vremenskog intervala, kao rezultat superpozicije takvih elementarnih frontova, formira se novi totalni front plamena, koji se poklapa sa omotačem svih elementarnih sfernih frontova nastalih duž početnog fronta.

Područje plamena koji se razmatra smatrat ćemo ravnim AB(Sl. 1.2); za proizvoljan oblik plamena, svaki njegov dovoljno mali dio se također može smatrati ravnim. Primjena opisanog principa konstrukcije dovodi do zaključka da je novi položaj plamena A"B"će biti paralelno sa originalom. Proširujući isti princip na kretanje fronta plamena proizvoljnog oblika, dolazimo do zaključka da se kretanje neporemećenog plamena dešava u svakoj tački fronta duž normale na njegovu površinu. Stoga se takvo sagorijevanje naziva normalno (ili deflagracija). Brzina kretanja plamena duž stacionarnog zapaljivog medija duž normale na njegovu površinu naziva se normalnom brzinom plamena U n.

Rice. 1.2.

Vrijednost U n je glavna karakteristika zapaljivog medija. Ovo je minimalna brzina kojom se plamen može širiti kroz datu sredinu; odgovara ravnom obliku plamena. Vrijednost U n, karakterizira ne samo linearnu, već i volumetrijsku brzinu gorenja, određujući volumen zapaljivog medija koji se pretvara u produkte reakcije u jedinici vremena po jedinici površine plamena. Shodno tome, dimenzija U n se može izraziti kao cm/s ili kao cm3/(cm2-s).

Vrijednost U n, jako zavisi od sastava zapaljivog medija. Pored hemijskih specifičnosti reagujućih komponenti, na brzinu plamena značajno utiče i odnos sadržaja goriva i oksidatora i koncentracija inertnih komponenti. Promena početne temperature zapaljivog medija i ukupnog pritiska imaju slabiji efekat. Ispod su maksimalne vrijednosti U n nekih zapaljivih smjesa u normalnim uvjetima (u m/s):

• S2N2 + O2 - 15,4;
• H2 + O2; - trinaest;
• H2 + C12 - 2,2;
• CO + O2 + 3,3% H2O- 1,1;
• H2 + vazduh - 2,7;
• CO + vazduh + 2,5% H2O - 0,45;
• zasićeni ugljovodonici + vazduh - 0,32–0,40.

Ekspanzija gasa tokom zagrevanja tokom procesa sagorevanja dovodi do toga da u blizini fronta plamena uvek dolazi do kretanja gasa, čak i ako je u početku bio nepokretan. Sljedeća razmatranja objašnjavaju kako toplina utječe

ekspanzija plina i njegova turbulencija vanjskim smetnjama u toku adijabatskog sagorijevanja. Kada se gas sagori unutar dugačke otvorene cijevi, ravan plamen koji se podudara s poprečnim presjekom cijevi će biti nepomičan ako se zapaljivi medij uduva u cijev konstantnom brzinom preko poprečnog presjeka, jednakom U n. Produkti izgaranja teku s drugog kraja cijevi.

Sa p označavamo gustinu gasa, indeks 0 su vrednosti koje karakterišu početni zapaljivi medij, a indeks b- proizvodi sagorevanja. Budući da se plin širi tokom sagorijevanja, brzina produkta reakcije napušta plamen U b , > U n. Za svaki 1 cm2 površine plamena, protok donosi svake sekunde U n cm3 zapaljivog medija čija je masa U n r o. Volumen produkta reakcije koji se udaljavaju od istog područja plamena je Ub, a masa Ubrb. Mase početnog gasa i produkta reakcije su jednake, iz čega sledi

Unro=Ubrb. (1*1)

Jednačina (1.1) izražava zakon održanja materije za proces sagorevanja.

Ustanovili smo da čak i sa ravnim frontom plamen može imati različite brzine: Un ili U b u zavisnosti od toga koji medij miruje. Odnos brzina u gasu koji gori je ilustrovan dijagramom prikazanim na sl. 1.3.

Rice. trinaest.

U n je normalna brzina plamena; U b je brzina produkta reakcije koji napuštaju plamen; T 0 je početna temperatura početnog medija; T b je temperatura produkta reakcije; r0, rb su gustine početnog gasa i produkta reakcije

Kada situacija 1 plamen je miran; zapaljivi medij koji teče u cijev pomiče se brzinom udesno U n ; u istom pravcu ali brzinom U b pokretni produkti sagorevanja. Ako je zapaljivi medij nepomičan (situacija 2), što se događa tokom sagorijevanja u cijevi zatvorenoj na jednom kraju, tada se plamen kreće kroz njega brzinom U n, a produkti reakcije teku u suprotnom smjeru brzinom U b- U n. U situaciji 3 kada se zapale na zatvorenom kraju cijevi, proizvodi izgaranja su nepokretni. Plamen se kreće velikom brzinom U b u odnosu na zidove cevi (i sagoreli gas); u istom pravcu brzinom U b – U n gorući plin se kreće, istisnut iz cijevi ekspandirajućim produktima reakcije. Brzina plamena ali u odnosu na produkte sagorevanja je mnogo veća nego u odnosu na izvorni gas - za faktor r0/rb.

Vrijednost G=U r, nazvana masena brzina gorenja, određuje masu tvari koja gori u jedinici vremena po jedinici površine plamena. Naravno, isti je i za početni i za krajnji medij, kao i za sve međuzone.

Razmotrimo uslove sagorevanja u frontu plamena proizvoljnog oblika, koji se nalazi nepomično u struji zapaljenog gasa (u cevi).

Plamen je nepokretan u slučaju kada je količina zapaljenog plina tačno kompenzirana količinom dolaznog. Ako je površina plamena F, tada je ukupna zapremina sagorelog gasa u jedinici vremena jednaka U t F. Ista volumetrijska brzina može se definirati na drugi način: kao proizvod WS, gdje W- srednja (preko poprečnog preseka strujanja) linearna brzina gasa; S je poprečni presjek toka. Iz jednakosti obje veličine slijedi:

Tada ovaj rezultat vrijedi i za stacionarni zapaljivi medij w- brzina kretanja zakrivljenog plamena duž njega. Ova brzina je onoliko puta veća od normalne brzine plamena, koliko puta je površina plamena veća od poprečnog presjeka strujanja. Kada se ravan plamen savije i njegova površina poveća, brzina plamena se odgovarajuće povećava. Jednačina (1.2), koja se obično naziva pravo oblasti, izražava temeljnu osobinu procesa sagorevanja: sa povećanjem površine plamena, sagorevanje se intenzivira, a granicu takvog intenziviranja izazivaju samo gasnodinamičke karakteristike opisane u nastavku.

Zakrivljenost površine plamena je posljedica turbulencije zapaljenog plina, spontanog ili prisilnog.

Ako je gorući plin vrlo turbulentan i male elementarne regije hladnog zapaljivog medija su u velikoj mjeri pomiješane s vrućim produktima sagorijevanja, tada se plamen više ne može smatrati površinom koja razdvaja dva medija. Pojavljuje se difuzna turbulentna zona u kojoj je i ukupna brzina hemijske transformacije visoka, što je posledica izrazito razvijene površine plamena.

Načini sagorevanja plamena za medij datog sastava razlikuju se samo po brzini širenja plamena na različitim stupnjevima razvoja njegove površine. Ova okolnost je bitna za pojašnjenje konvencionalnosti često korištene terminologije. Koncept "eksplozije" u odnosu na širenje plamena ne može se okarakterizirati drugačije nego kao prilično brzo sagorijevanje u visoko turbulentnom mediju sa brzinom plamena od deset do sto metara u sekundi. "Sporo" sagorevanje se razlikuje od "eksplozije" samo po stepenu razvoja površine plamena. U osnovi se ne razlikuju od opisanih drugih vrsta širenja plamena, na primjer, okarakterizirane terminima "bljesak" i "pop". Tek kada se brzina plamena približi brzini zvuka u zapaljivom mediju, proces sagorevanja dobija novi, kvalitativno poseban karakter.

Poremećaji koji iskrivljuju ravan ili sferni plamen uvijek nastaju, čak i u odsustvu prisilnog kretanja plina; uzrokovane su gravitacijom i trenjem. Prvi dovodi do pojave konvektivnih strujanja zbog razlike u gustoćima zapaljivog medija i produkata izgaranja, drugi se manifestira kada se plin koji gori u cijevi pomiče i usporava ga zidovi. Pogodno je pratiti uticaj perturbacija na pravilnosti sagorevanja u dugačkoj cevi postavljenoj okomito i otvorenoj na jednom kraju. Ako zapalite zapaljivi medij na donjem, otvorenom kraju cijevi (slika 1.4, a), tada se stvaraju uslovi povoljni za razvoj konvektivnih strujanja, budući da se neizgoreli izvorni gas, koji ima veliku gustinu, nalazi iznad lakih produkata sagorevanja. Plamen teži da se proteže duž ose cijevi. Kada se zapali na gornjem, zatvorenom kraju cijevi (slika 1.4, b), ne dolazi do konvektivnih strujanja, međutim, zona izgaranja je intenzivno turbulizirana silama trenja. Zapaljeni i ekspandirajući plin teče iz cijevi. Brzina protoka zapaljivog medija pod utjecajem viskoznosti mijenja se duž poprečnog presjeka cijevi, maksimalna je duž ose i jednaka nuli u blizini zidova (slika 1.5).

Rice. 1.4.

U skladu s tim, prednji dio plamena je savijen. Kada se zapali na gornjem otvorenom kraju, grubo (sl. 1.4, in) mogućnost turbulencije zone sagorevanja je minimalna: produkti sagorevanja su iznad zapaljenog gasa, a hladni gas je nepomičan. Međutim, kako se plamen udaljava od ruba cijevi, sila trenja se povećava, a turbulencija se širi na plin koji gori.

Ako sagorevanje nije praćeno gubicima toplote, tj. teče adijabatski, tada se hemijska energija zapaljivog sistema u potpunosti pretvara u toplotnu energiju produkta reakcije. Budući da je temperatura plamena visoka, brzine reakcija koje se u njemu odvijaju su visoke i stanje termodinamičke ravnoteže može se brzo uspostaviti. Temperatura produkata adijabatskog sagorevanja ne zavisi od brzine reakcije u plamenu, već zavisi samo od ukupnog toplotnog efekta i toplotnih kapaciteta finalnih proizvoda. Ova temperatura se naziva termodinamička temperatura sagorevanja. T b. Vrijednost T b je najvažnija karakteristika zapaljivog medija; za uobičajene zapaljive medije ima vrijednosti od 1500–3000 K. U nastavku ćemo detaljno razmotriti u kojoj mjeri iznesene pretpostavke odgovaraju stvarnosti i kakav značaj ima termički režim sagorijevanja za probleme sigurnosti eksplozije. Sa adijabatskim procesom i ravnotežnim stanjem produkata sagorevanja T b – maksimalna temperatura postignuta u plamenu. Stvarna temperatura ravnotežnih produkta reakcije je niža kada dođe do gubitaka topline iz gorućeg plina. Pitanje toplotnih gubitaka, kao što će se vidjeti iz daljeg, od presudne je važnosti za rješavanje problema osiguranja protueksplozijske sigurnosti. Tokom stacionarnog širenja plamena dolazi do intenzivnog prenosa toplote provođenjem u hladni početni zapaljivi medij. Međutim, ovaj proces nije povezan sa gubicima toplote iz zone sagorevanja. Odvođenje toplote iz svakog gorućeg sloja gasa u susedni, koji još nije reagovao, tačno je nadoknađen ekvivalentnim unosom toplote u isti sloj u prethodnoj fazi, kada je i sam bio hladan. Nestacionarno, nekompenzirano zagrijavanje nastaje u početnom trenutku kada se zapaljivi medij zapali početnim impulsom. Međutim, kako se plamen udaljava od tačke paljenja, ova dodatna količina toplote se distribuira među sve većom količinom produkata sagorevanja, a njena uloga u dodatnom zagrevanju se kontinuirano smanjuje.

Rice. 1.5.

Iz navedenog proizilazi da su tokom sagorijevanja mogući gubici topline kao rezultat zračenja zagrijanog plina i njegovog kontakta s čvrstom površinom. U nastavku ćemo razmatrati ulogu odvođenja topline zračenjem, ali za sada ćemo pretpostaviti da su ti gubici zanemarljivo mali za zonu čiji termički režim određuje brzinu plamena. Hlađenje kondukcijom produkata sagorevanja kada dođu u dodir sa zidovima posuda i aparata odvija se veoma intenzivno, što je posledica velike temperaturne razlike između zidova i gasa. Dakle, nakon završetka sagorevanja u posudama uobičajenih veličina, značajno hlađenje produkata sagorevanja u njima se završava za manje od 1 s.

Hlađenje zapaljenog plina uz zidove je također bitno za naše probleme. Budući da odvođenje topline na zidove počinje tek nakon što ih dotakne plamen, takvi gubici u velikoj mjeri ovise o obliku i veličini posude u kojoj se reakcija odvija, te o položaju točke paljenja. Prilikom sagorevanja u sfernoj posudi i centralnog paljenja, gubici toplote vođenjem nastaju tek nakon što je sagorevanje završeno.

Temperatura sagorevanja određena je zakonom održanja energije tokom adijabatskog prelaza hemijske energije zapaljivog medija u toplotnu energiju produkata sagorevanja. Očigledno, komponente zapaljive mješavine nisu ekvivalentne. Zaliha hemijske energije određena je sadržajem komponente koja nedostaje u stehiometrijskim omjerima, a koja se u potpunosti troši u reakciji. Deo druge komponente, višak, ostaje nereagovan tokom interakcije. Ona je jednaka razlici između početnog sadržaja viška komponente i količine potrebne za potpuno vezanje komponente koja nedostaje. Ako se sadržaj komponente koja nedostaje poveća zbog sadržaja inertne komponente koja ne učestvuje u reakciji, tada će se povećati molarna rezerva hemijske energije zapaljive smjese. Takva zamjena za višak komponente ostavlja hemijsku energiju nepromijenjenom.

Objasnimo otprilike kako se ostvaruje zakon održanja energije pri sagorevanju. Rezerva hemijske energije zapaljivog sistema će se smatrati jednakom π1Q), gde je π1 koncentracija komponente koja nedostaje; Q je toplotni efekat njegovog sagorevanja. Toplina reakcije troši se na zagrijavanje svih komponenti smjese: rezultirajućih produkta reakcije, viška i inertnih komponenti. Ako a With je prosječni toplinski kapacitet količine produkata sagorijevanja koja je nastala iz 1 mola početne smjese, tada je prirast zaliha fizičke topline jednak With(T b- T 0), gdje T 0 je početna temperatura zapaljivog medija. Prema adijabatskom stanju

Tačan proračun stanja adijabatskih produkata izgaranja mnogo je složeniji.

Kod adijabatskog sagorevanja, vrednost temperature sagorevanja određuje gustinu finalnih proizvoda, a samim tim i odnos između brzina plamena U n i U b. U ovom slučaju treba uzeti u obzir da se kao rezultat reakcije promijenio broj molekula po jedinici mase u P jednom. Prema zakonima idealnih gasova

Značenje P u procesima sagorevanja uglavnom je blizu jedinice. Dakle, pri pretvaranju stehiometrijske smjese 2CO + O2 (sagorijevanje u 2CO2) P= 2/3, za sličnu mješavinu CH4 + 2O2 (sagorijevanje do CO2 + 2H2O) n = 1 itd. Tokom sagorevanja smeša nestehiometrijskog sastava i smeša koje sadrže inertne komponente, ukupan broj molekula (uzimajući u obzir sadržaj komponenti koje ne učestvuju u reakciji) se još manje menja.

Tokom adijabatskog sagorevanja, temperatura gasa se povećava za faktor 5-10. Ako pritisak ostane konstantan tokom sagorevanja i gas se slobodno širi, i n= 1, tada se njegova gustina mijenja za isti iznos i isti omjer U b na normalnu brzinu plamena. Ako se adijabatsko sagorijevanje odvija bez širenja plina, u zatvorenoj posudi, tada se pritisak povećava za otprilike istu mjeru. To je ono što određuje destruktivni efekat brzog sagorevanja u zatvorenoj posudi.

Koncept "sagorevanja" ne može se formulisati jednoznačno. Sagorijevanjem ćemo nazvati samoubrzavajuću brzu kemijsku transformaciju praćenu intenzivnim oslobađanjem topline i svjetlosnom emisijom. Prema tome, plamen (vrući) je plinoviti medij u kojem intenzivna kemijska reakcija dovodi do luminescencije, oslobađanja topline i značajnog samozagrijavanja.

Takve definicije su zgodne, ali nisu sasvim jasne i univerzalne. Teško je tačno odrediti koja je reakcija dovoljno brza da se smatra sagorevanjem. Još manje jasan je koncept eksplozije. U budućnosti ćemo se upoznati sa postojanjem hladnog plamena, u kojem je hemijska reakcija praćena sjajem, ali se odvija umjerenom brzinom i bez primjetnog zagrijavanja.

Prema D. L. Frank-Kamenetskyju, "sagorijevanje je tok kemijske reakcije u uvjetima progresivnog samoubrzanja povezanog s akumulacijom topline ili katalizatorskim produktima reakcije u sistemu." Ovdje je očigledna želja da se pokriju fenomeni termičkog i autokatalitičkog razvoja reakcije. Međutim, takva generalizacija dovodi do činjenice da fenomeni koji se ne mogu pripisati procesima sagorijevanja potpadaju pod ovu definiciju. To uključuje reakcije bez plamena u plinovitoj i tečnoj fazi, praćene ograničenim samoubrzavanjem, ali ne pretvarajući se u toplinsku ili vrijednu eksploziju, kada brzina reakcije dosegne umjereni maksimum ili dolazi do prskanja komponenti nehomogenog zapaljivog medija.

Bilo bi neprihvatljivo ograničavati procese sagorevanja uslovom potpunosti reakcije, jer u mnogim bezuslovno eksplozivnim procesima reakcija ostaje nepotpuna.

Poteškoće u definisanju sagorevanja prepoznaju B. Lewis i G. Elbe: "Koncepti sagorevanja, plamena i eksplozije, prilično fleksibilni, još uvek se koriste donekle proizvoljno" .

Komplikacije u određivanju sagorevanja odražavaju odsustvo oštrih granica u kompleksu fizičko-hemijskih pojava specifičnih za sagorevanje. Samoubrzavanje reakcije, samozagrijavanje, nakupljanje aktivnih produkata, zračenje različitih intenziteta i talasnih dužina postoje u procesima koji su povezani i nevezani za kategoriju sagorevanja; razlika je samo kvantitativna. Iz tog razloga, svaka definicija sagorijevanja će biti netačna ili nepotpuna.

Razvijene ideje nam omogućavaju da pretpostavimo da su za odvijanje procesa prema vrsti sagorijevanja potrebna samo dva uvjeta: ova reakcija mora biti egzotermna i mora se ubrzavati s povećanjem temperature. Ovo posljednje je karakteristično za većinu kemijskih procesa, pa se čini da se u načinu sagorijevanja može razviti bilo koja egzotermna reakcija. Iz ovoga proizilazi da postojanje stabilnog sagorevanja zahteva ispunjenje još jednog važnog dodatnog uslova koji se odnosi na širenje fronta plamena u horizontalnoj cevi.

Neke karakteristike toka egzotermne reakcije razlikuju se kada teče u cijevi. Kada se zapaljivi medij zapali sa strane otvorenog kraja, plamen dobija specifičan oblik, izdužen sa nagibom prema naprijed (slika 1.6).

Rice. 1.6.

1 – granica kontakta plamena; 2 – prednja granica slike plamena (presek fronta i ravni simetrije); M– tačka maksimalne brzine gasa

Na određenom dijelu puta nakon pokretanja, sagorijevanje se odvija stacionarno, konstantnom brzinom. Kako se omjer povećava h/d, gdje h- visina stuba produkata sagorevanja, u granici - dužina cevi; d– prečnika cevi, sile trenja gasa o zidove toliko se povećavaju da izazivaju progresivnu turbulenciju gasa u zoni sagorevanja i nestacionarno ubrzanje plamena u skladu sa zakonom o površini.

Nagnuti oblik plamena u horizontalnoj cijevi nastaje zbog velike razlike u gustoći početnog medija i produkata izgaranja. Prednja strana plamena je interfejs između ova dva medija. Da bismo objasnili posljedice razlike u njihovim gustoćama, koristimo sljedeću analogiju. U horizontalnoj cijevi (slika 1.7, a) su dvije tekućine koje se ne miješaju različite gustine, kao što su živa (desno) i voda (lijevo), odvojene vertikalnom pregradom. Ako se pregrada ukloni, tada razlika u gustoći uzrokuje kretanje tekućina: teška živa će teći lijevo i dolje, voda će se nalaziti iznad žive, krećući se udesno i gore. Interfejs će biti nagnut naprijed, njegova površina se kontinuirano povećava (slika 1.7, b). Slični tokovi nastaju prilikom sagorijevanja plina, međutim, transformacija teškog zapaljivog medija u proizvode lake reakcije sprječava neograničeno povećanje površine plamena čija veličina i oblik postaju stacionarni. Odstupanje gornjeg dijela fronta plamena prema produktima sagorijevanja nastaje zbog usporavanja plina u blizini zida pod utjecajem trenja.

Rice. 1.7.

a- prije uklanjanja septuma; b- nakon uklanjanja septuma

Oblik stacionarnog plamena (u području ravnomjernog širenja) određen je odnosom između normalne brzine plamena i brzine plina u odgovarajućim dijelovima fronta. Razmotrimo ove odnose za najnapredniju tačku fronta M(vidi sliku 1.6), gdje je plamen normalan na osu cijevi, a samim tim i na smjer kretanja cijele fronte. Ukupna brzina plamena duž ose cijevi U f u tački M je takođe zbir brzine plamena u odnosu na gas U n i komponenta brzine samog gasa u istom pravcu W M :

Za bilo koji mali nagnuti dio plamena AB(Sl. 1.8), formirajući ugao sa osom cevi, kretanje plamena kroz gas duž normale na AB brzinom U n (do pozicije A"B") očito je povezan s kretanjem elementa plamena duž ose cijevi brzinom U n / sinβ. Ukupna brzina kretanja plamenog elementa duž ose cijevi je ista kao i za tačku M, je zbir same brzine sagorevanja u ovom pravcu i komponente brzine strujanja gasa W. Budući da je oblik plamena stacionaran, to znači da su brzine svih njegovih elemenata jednake:

(1.6)

U svakoj tački plamena, njegov nagib je određen lokalnom vrijednošću komponente brzine strujanja plina duž ose. As U n/sinβ > U n , W M >W, brzina gasa je maksimalna u tački M. Vrijednost W smanjuje se u blizini zidova i čak postaje negativan (gdje zapaljivi medij "cure" ispod sloja produkata izgaranja). Područje plamena AB, prelazak na dno cijevi zamjenjuje se novom koja se stvara na mjestu paljenja M.

Rice. 1.8.

With povećanjem promjera cijevi povećava se konvekcija gorućeg plina, dok se ukupna brzina plamena povećava otprilike proporcionalno kvadratnom korijenu od d. Kako se normalna brzina plamena povećava, tako se povećava U f (kada d= const), ali sporije od U n. Na određenoj vrijednosti U n, uočava se oštar prijelaz oblika plamena iz kosog u hemisferni.

Stacionarni režim sagorevanja u struji često se susreće kada se koristi Bunsenov plamenik. Ovaj naizgled jednostavan uređaj je cijev kroz koju se neprekidno dovodi zapaljivi medij. Kada se zapali, na izlazu iz plamenika formira se stacionarni plamen - Bunsenov plamen, čiji je oblik blizak konusnom. Pravilnosti koje karakterišu Bunsenov plamen utvrđene su radovima jednog od osnivača teorije sagorevanja, V. A. Michelsona.

Stacionarno sagorevanje u Bunsenovom plamenu je moguće pri različitim brzinama protoka. Kada se ova brzina promijeni, oblik Bunsenovog stošca se mijenja u skladu s tim, a sa njim i njegova površina, prema zakonu o površini. U ovom slučaju, osnova konusa ostaje nepromijenjena, približno se poklapa s izlaznim dijelom plamenika, a visina se povećava u brzom toku i smanjuje u sporom. Stabilno sagorijevanje, u kojem dolazi do takve samoregulacije oblika plamena, moguće je u širokom rasponu protoka plina. Samo pri veoma velikoj brzini gasa dolazi do prekida plamena, njegovog slabljenja. Ako brzina gasa postane dovoljno mala, u prosjeku blizu U n, plamen se širi prema struji, ulazeći u unutrašnjost gorionika - dolazi do "probijanja" plamena.

Rice. 1.9.

Sagorevanje u Bunsenovom plamenu je komplikovano sekundarnom interakcijom produkata nepotpunog sagorevanja sa atmosferskim vazduhom ako zapaljiva smeša sadrži višak goriva. U ovom slučaju nastaje sekundarni, takozvani vanjski Bunsenov konus plamena, osim glavnog, unutrašnjeg. Kako bi se spriječilo stvaranje vanjskog konusa, plamen gorionika je ponekad okružen inertnim plinom.

Obrasci koji određuju oblik Bunsenovog plamena mogu se ustanoviti razmatranjem ponašanja ravnog (malog) dijela stacionarnog plamena. L V u protoku spaljenog gasa (slika 1.9).

Ako je plin nepomičan, tada bi se plamen kretao duž normale na AB brzinom U n, a duž toka - brzinom U n/sin β, gdje je β ugao između AB i osovina cijevi. Ova komponenta brzine sagorijevanja jednaka je lokalnom protoku W, jer je plamen i dalje:

Jednačina (1.7), koju je dobio V. A. Mikhelson, je poseban slučaj jednačine (1.6) - za stacionarni plamen ( U f = 0); negativna brzina gasa ukazuje da su smjerovi brzine plina i plamena suprotni. Jednačina (1.7) određuje za svaku tačku površine plamena vrijednost ugla β, a time i stacionarni oblik cijelog plamena u cjelini. Ako se u bilo kojoj tački Bunsenovog konusa pokaže da je komponenta brzine strujanja plina koja je normalna na plamen veća od normalne brzine plamena, tada će protok plina odnijeti ovaj element plamena dalje od otvora plamenika. U ovom slučaju, nagib elementa plamena prema osi strujanja se povećava (pošto je osnova stošca fiksirana), a ugao β će se smanjivati ​​sve dok komponenta brzine strujanja ne bude jednaka U n. Obrnute promjene će se dogoditi kada Wsin β< U n.

Kada bi brzina gasa bila konstantna na cijelom poprečnom presjeku toka, tada plamen ne bi imao zakrivljenost i Bunsenov konus bi bio ravan. Kod laminarnog strujanja plina u cijevi, raspodjela brzina po poprečnom presjeku je parabolična, određena je Poiseuilleovim zakonom

(1.8)

gdje W(r) je brzina protoka na udaljenosti r od ose cijevi; R 0 – radijus cijevi; W 0 = W(r= 0) je maksimalna brzina protoka.

Prosječna brzina protoka W, jednak protoku gasa po jedinici preseka cevi, izračunavamo usrednjavanjem:

(1.9)

one. W upola manje W 0. U ovom slučaju treba imati na umu da će se po izlasku plina iz gorionika raspodjela brzina u struji donekle promijeniti. U slučaju raspodjele brzina gasa prema Poiseuilleovom zakonu za jednake W konusi plamena za sve plamenike su geometrijski slični.

Već smo vidjeli da je postojanje Bunsenovog plamena u širokom rasponu protoka sagorijenog plina posljedica stabilnosti baze konusa, fiksacije plamena na graničnom prstenu plamenika. Takva stabilizacija je posljedica posebnosti sagorijevanja u ovoj zoni. Iskustvo pokazuje da postoji mali razmak između baze plamena i reza plamenika, sagorijevanje počinje na određenoj udaljenosti od ruba cijevi. To je zbog činjenice da je sagorijevanje nemoguće u blizini površine, jer je stacionarna temperatura plina u ovoj zoni preniska. Iz istog razloga, nemoguće je da plamen bljesne u cijev duž zidova, gdje je brzina strujanja plina manja U n.

U zoni stabilizacionog prstena na određenoj udaljenosti od ivice gorionika izgaranje postaje moguće, međutim, brzina plamena u ovoj zoni je manja U n zbog gubitka topline. Kako se udaljavamo od ruba gorionika i zaustavljamo usporavanje strujanja uz zid, tako se povećava i brzina plina duž prstena. r = R 0. Na određenoj visini se upoređuje sa brzinom plamena.

U ovim tačkama plamen je postojano fiksiran: bliže rubu gorionika sagorijevanje je nemoguće, na većoj udaljenosti brzina plamena je veća od brzine plina, a plamen će se približavati gorioniku sve dok obje brzine nisu jednake. Prema istom mehanizmu, plamen se može stabilizirati u strujanju zapaljivog medija u blizini različitih fiksnih prepreka, na primjer, u blizini žičanog prstena postavljenog iznad gorionika, ili na kraju šipke koja se nalazi unutar gorionika. U potonjem slučaju formira se takozvani obrnuti Bunsenov konus, okrenut naopako i stabiliziran u jednoj fiksnoj tački - na svom vrhu.

Kako pokazuje analiza toplotnog režima sagorevanja, kada je stacionarni plamen unutar cevi, toplota se odvodi sa gasa na zid, a plamen se konveksom usmerava prema neizgorenom gasu, tj. ima oblik meniskusa. Pri velikom intenzitetu odvođenja toplote, tj. u blizini samog zida, ne može uopšte postojati i odvaja se na nekoj udaljenosti od njega, kao i kada je izvan cijevi, iznad otvora gorionika. Vidimo da je sagorijevanje u Bunsenovom plamenu, uprkos jednostavnosti ovog uređaja, vrlo složen proces, koji se odlikuje mnogim specifičnostima.