A gázelegy zárt csövekben történő égése visszhangot kelt, ami a lángfront teljes átrendeződéséhez vezet. Ennek a jelenségnek a részleteit először numerikus szimulációkban reprodukálták.

Egy erős hanghullámmal kölcsönhatásba lépő láng érdekes térszerkezeteket hozhat létre (lásd például egy lenyűgöző videót a hanghullámok „tűzvizualizációjával”). Ebben az esetben a hanghullámnak nem kell külsőnek lennie: az üzemanyag és oxidálószer gázkeverékének intenzív égése zárt térfogatban, például csövekben, visszhangot kelt, amely torzíthatja a lángfrontot és megváltoztathatja az égési reakciómódot. .

A láng alakjának torzulása a csövekben történő égés során több mint száz éve ismert, de csak Jeffrey Sirby (G. Searby) 1992-es klasszikus kísérletei során végezték el ennek a folyamatnak a szisztematikus vizsgálatát. Különösen Sirby figyelte meg a láng turbulenciáját saját visszhangja hatására. Önmagában ez a jelenség nem tűnik meglepőnek, de ennek a folyamatnak az elméleti leírását még nem javasolták. A megválaszolásra váró kérdések a következők voltak: „Hogyan megy végbe pontosan a turbulenciába való átmenet?”, „Milyen lánglengés lendül először?” stb. Mindez viszont megbilincselte azoknak a kutatóknak a kezét, akik ennek a hatásnak a technológiai gyakorlati alkalmazását keresték (általában a lángturbulencia nagy jelentőséggel bír a rakétaiparban).

Az orosz-svéd kutatócsoport, A. Petchenko et al., Physical Review Letters, 97, 164501 (2006. október 19.) nemrég megjelent cikke megtette az első lépést egy ilyen elmélet felépítése felé. A munka szerzői részletes numerikus szimulációt végeztek egy gázelegy égési folyamatáról egy hosszú és nagyon keskeny, egyik végén zárt csőben (a keveréket a nyitott végről meggyújtották, és a láng mélyen a csőbe terjedt). ). A számítások egyszerűsége érdekében nem háromdimenziós, hanem kétdimenziós problémát oldottak meg, a gázelegyet ideális gáznak tekintették, az égési folyamatot pedig egy hipotetikus egylépcsős és irreverzibilis kémiai reakcióval modellezték adott hőleadás és aktiválás mellett. energia. De az összes gázt és termodinamikát - kompressziót és tágulást, gázáramlást, hőátadást, a lángfront szerkezetét - teljes mértékben figyelembe vették.

A szimulációs eredmények egyértelműen bebizonyították, hogy a zárt véghez közeledve a lángfront elkezdett „remegni”. Ez a remegés azonos frekvenciájú hangvisszhangot keltett, ami még jobban „lengette” a lángot. A csővég közvetlen közelében a láng rezgései olyan erőssé váltak, hogy a lángfront szó szerint harmonikává gyűrődött. Ezen rezgések minden egyes periódusában a lángfront élesen destabilizált, keskeny és nagyon hosszú hideg gázsugarat engedve a forró égéstermékek által elfoglalt tartományba. A sugár ezután gyorsan kiégett, a lángfront forgószélbe fordult, majd ismét kiegyenlített. Az ezen rezgések által keltett áramok sebessége a tízszer meghaladta a "normál" lángterjedési sebességet nyílt térben.

Az erős rezgések és az általuk keltett örvények általában a turbulenciába való átmenet első szakaszát jelentik. A cikk szerzői azonban nem sietnek bejelenteni a lángturbulencia mechanizmusának felfedezését. Az tény, hogy a ma rendelkezésre álló számítási teljesítmény ilyen részletes modellezést csak rendkívül keskeny csövekben, vagy inkább kapillárisokban tesz lehetővé. Hogy ez a folyamat hogyan fog változni széles csövekben, amelyekre vonatkozóan kísérleti adatokat szereztek, és amelyekben a falak hatása az áramlásokra sokkal gyengébb, még tanulmányozásra vár. Azt is érdekes ellenőrizni, hogy a szimulációban talált lángtorzulások ugyanazok a "tulipánlángok"-e, amelyeket már régóta megfigyeltek, de még mindig megmagyarázhatatlanok (lásd C. Clanet és G. Searby. A "Tulip Flame"-ról) Jelenség (PDF, 1,3 Mb) // Égés és láng, 1996. V. 105. P. 225-238).

Az égésterekre és jellemzőikre vonatkozó követelmények

A gázturbina égésterei széles terhelési tartományban működnek. Kis méretűnek, súlyúnak kell lenniük, hatékonynak kell lenniük különféle tüzelőanyagok elégetésekor. Ezenkívül a CS-knek biztosítaniuk kell az égéstermékekből (nitrogén-oxidok, kén-oxidok) származó káros kibocsátások elfogadható szintjét. A CS-vel szemben különleges követelményeket támasztottak az üzembiztonság szempontjából, mivel súlyos hőmérsékleti viszonyok között vannak.

Ezenkívül az égéstereknek rendelkezniük kell:

· magas égési teljességi együttható;

kis nyomásveszteségek;

kis méretek, i.е. magas hőstressz;

adott hőmérsékleti mező;

gyors és megbízható indítás;

Megfelelően nagy erőforrás;

Kellően egyszerű telepítés és megelőző karbantartás.

Az égés hatásfoka (vagy az égéstér hatékonysága) a következőképpen definiálható:

ahol Q1 a kamra munkatérfogatában ténylegesen felszabaduló hőmennyiség; Q2 az a teljes hőmennyiség, amely elméletileg felszabadulhat a tüzelőanyag teljes elégetésekor.

Az égéstérben lévő láng, amely központi tüzelőanyag-ellátással kényszermozgás mellett fejlődik ki, három fő zónából áll: az I. belső zónából, a II. keverékképző és égési zónából, valamint a III. zónából - a kültéri levegő zónából. . 4.2.

A II. zónában 0 ≤ α ≥ ∞. Az α = 0 belső zónában nincs levegő.

A 2. zónában keverékképződés és égés megy végbe. Feltételesen két részre oszlik: belső - a és külső - b.

A belső zóna éghető gáz és égéstermék keverékével, a külső zóna pedig égéstermékek és levegő keverékével van kitöltve. A zónák közötti határ az égési lángfront. Ez az intervallum tartalmazza az összes tartományt α = 0 és α = ∞ között. Az égésfront vastagságában α= 1; a gyökérből a farokzónába mozgó tüzelőanyagot égéstermékekkel hígítják, és a levegőt égéstermékekkel telítik. Ez oda vezet, hogy az égési zónában a tüzelőanyag fűtőértéke csökken, pl. csökken a hőmennyiség

Rizs. 4.2. Láng front.

Az égési front egységnyi területére az égési feltételek romlanak egészen a láng esetleges kioltásáig és az el nem égett tüzelőanyag egy részének eltávolításáig. Nem szabad megfeledkezni arról, hogy ez a folyamat korlátlan térre jellemző. A valós égetőkamrákban az égés természetét, az áramlás korlátozottsága miatt, nagymértékben meghatározzák az égőtér aerodinamikai tulajdonságai. Ráadásul az égési zónában magas hőmérsékletet tartanak fenn, ami a keverék nagyon nagy sebességű égéséhez vezet, ebben az esetben az égési sebességet elsősorban a keverékképződés sebessége határozza meg, mert a kémiai reakciók sebessége sokszorosa lesz a keverékképződés sebességének. Ezt a folyamatot diffúziós égésnek nevezik. Könnyen szabályozható a keverési feltételek megváltoztatásával, ami viszont szerkezeti intézkedésekkel - pengegyűrűs rácsok turbulátorként való használata stb.

Az égéstér egyik fő jellemzője a hőfeszültség értéke, amely az égéstérben felszabaduló hőmennyiség és az égési nyomáson lévő térfogat aránya.

J/m 2 MPa (4,10)

ahol R KS a munkaközeg nyomása az égéstérben, MPa; V- az égéstér térfogata, m 3.

A fajlagos hősűrűség értéke alapján kerül meghatározásra az égéstér térfogata.

A stabil égés megteremtéséhez az üzemmódok teljes tartományában fontos az égési folyamat megszervezése, amelyet az égési lángfront felülete jellemez, és az egyenletből határozható meg:

ahol U T - turbulens lángterjedési sebesség, általában a (40 ÷ 60 m/s) tartományba esik; F f -égési láng front; – a keverék égési hője; ρ cm - keverék sűrűsége.

A keverék nettó fűtőértékét a következő egyenlet határozza meg:

A keverék sűrűségét a Mengyelejev-Claiperon egyenlet alapján határozzuk meg:

ahol T CC a keverék hőmérséklete az égéstérben.

Lángfront az egyenlet szerint:

A fenntartható égés lehetséges F tf≥ F f.

4. témakör. ÉGÉS TÍPUSAI.

Különféle jelek és jellemzők szerint az égési folyamatok a következő típusokra oszthatók:

Az éghető anyag aggregációs állapota szerint:

Égő gázok;

Folyadékok és szilárd anyagok olvasztása;

Nem fogyóképes szilárd porszerű és tömör anyagok elégetése.

A komponensek fázisösszetétele szerint:

homogén égés;

heterogén égés;

Égő robbanóanyagok.

Az éghető keverék felkészültsége szerint:

Diffúziós égés (tűz);

Kinetikus égés (robbanás).

A lángfront dinamikája szerint:

Helyhez kötött;

Nem helyhez kötött.

A gázok mozgásának természetétől függően:

lemezes;

Turbulens.

Az éghető anyag égési foka szerint:

Befejezetlen.

A láng terjedési sebességétől függően:

Normál;

deflagráció;

Robbanás.

Nézzük meg közelebbről ezeket a típusokat.

4.1. Gáznemű, folyékony és szilárd anyagok égetése.

Az éghető anyag aggregációs állapotától függően gázok, folyadékok, poros és tömör szilárd anyagok égését különböztetjük meg.

A GOST 12.1.044-89 szerint:

1. A gázok olyan anyagok, amelyek kritikus hőmérséklete kisebb, mint 50 °C. T cr 1 mól anyag minimális hevítési hőmérséklete zárt edényben, amelynél az teljesen gőzzé alakul (lásd a 2.3. pontot).

2. A folyadékok olyan anyagok, amelyek olvadáspontja (csepppontja) kisebb, mint 50 °C (lásd a 2.5. pontot).

3. A szilárd anyagok 50 0 C-nál nagyobb olvadáspontú (csepp-esési) anyagok.

4. A porok 0,85 mm-nél kisebb részecskeméretű szilárd részecskék.

Az a zóna, amelyben éghető keverékben kémiai reakció megy végbe, pl. az égést lángfrontnak nevezzük.

Tekintsük példákon a levegőben zajló égési folyamatokat.

Gázok égetése gázégőben. 3 lángzóna van (12. ábra):

Rizs. 12. A gázégetés sémája: 1 - átlátszó kúp - ez a kezdeti gáz, amelyet felmelegítenek (az öngyulladási hőmérsékletre); 2 – a lángfront világító zónája; 3 - égéstermékek (szinte láthatatlanok a gázok teljes égése során, és különösen a hidrogén égésekor, amikor nem képződik korom).

A lángfront szélessége gázelegyekben a milliméter több tíz töredéke.

Folyadékok elégetése nyitott edényben. Nyitott edényben történő égetésnél 4 zóna van (13. ábra):

Rizs. 13. Folyékony égés: 1 - folyékony; 2 - folyékony gőz (sötét területek); 3 - lángfront; 4 - égéstermékek (füst).

A lángfront szélessége ebben az esetben nagyobb; a reakció lassabban megy végbe.

Olvadó szilárd anyagok elégetése. Fontolja meg a gyertya elégetését. Ebben az esetben 6 zóna figyelhető meg (14. ábra):

Rizs. 14. Gyertyaégetés: 1 - kemény viasz; 2 - olvasztott (folyékony) viasz; 3 – sötét átlátszó gőzréteg; 4 - lángfront; 5 - égéstermékek (füst); 6 - kanóc.

Az égő kanóc az égés stabilizálására szolgál. A folyadék felszívódik benne, felemelkedik rajta, elpárolog és megég. A lángfront szélessége megnő, ami növeli a fényerősségi területet, mivel bonyolultabb szénhidrogéneket használnak, amelyek elpárologva lebomlanak, majd reagálnak.

Nem fogyó szilárd anyagok elégetése. Ezt a fajta égést egy gyufa és egy cigaretta elégetésének példáján fogjuk megvizsgálni (15. és 16. ábra).

Itt is van 5 telek:

Rizs. 15. Gyufa égetése: 1 - friss fa; 2 - elszenesedett fa; 3 - gázok (elgázosított vagy elpárolgott illékony anyagok) - ez egy sötét, átlátszó zóna; 4 - lángfront; 5 - égéstermékek (füst).

Látható, hogy a gyufa égett területe sokkal vékonyabb és fekete színű. Ez azt jelenti, hogy a meccs egy része elszenesedett, pl. a nem illékony rész megmaradt, az illékony rész pedig elpárolgott és elégett. A szén égési sebessége sokkal lassabb, mint a gázoké, így nincs ideje teljesen kiégni.

16. ábra. Cigarettaégetés: 1 - kezdeti dohánykeverék; 2 - parázsló terület lángfront nélkül; 3 - füst, azaz égett részecskék terméke; 4 - a tüdőbe szívott füst, amely főleg elgázosított termékek; 5 - gyanta lecsapódott a szűrőn.

Egy anyag lángmentes termikus-oxidatív bomlását parázslásnak nevezzük. Akkor fordul elő, ha az oxigén nem diffúziója elégséges az égési zónába, és már nagyon kis mennyiségben (1-2%) is előfordulhat. A füst kék, nem fekete. Ez azt jelenti, hogy több elgázosított, nem égett anyagot tartalmaz.

A hamu felülete csaknem fehér. Ez azt jelenti, hogy elegendő oxigénellátással teljes égés megy végbe. De a frissekkel égő réteg belsejében és határán fekete anyag található. Ez az elszenesedett részecskék nem teljes égését jelzi. A szűrőn egyébként az illékony gyantaszerű anyagok gőzei lecsapódnak.

Hasonló típusú égés figyelhető meg a koksz égetésekor, azaz. szén, amelyből az illékony anyagokat (gázok, gyanták) eltávolították, vagy grafit.

Így a gázok, folyadékok és a legtöbb szilárd anyag égési folyamata gáznemű formában megy végbe, és láng kíséri. Egyes szilárd anyagok, beleértve az öngyulladásra hajlamosakat is, parázslás formájában égnek el az anyag felületén és belsejében.

Poros anyagok elégetése. A porréteg égése ugyanúgy megy végbe, mint tömör állapotban, csak az égési sebesség nő a levegővel való érintkezési felület növekedése miatt.

A porszerű anyagok aeroszuszpenzió (porfelhő) formájában történő égése szikrák formájában, pl. az egyes részecskék elégetése, alacsony illékonyanyag-tartalom esetén, amelyek nem képesek egyetlen lángfronthoz elegendő mennyiségű gázt képezni a párolgás során.

Ha elegendő mennyiségű elgázosított illékony anyag képződik, akkor láng ég.

Égő robbanóanyagok. Ebbe a típusba tartozik a robbanóanyag és a lőpor, az úgynevezett kondenzált anyagok elégetése, amelyben az üzemanyag és az oxidálószer már kémiailag vagy mechanikailag meg van kötve. Például: trinitrotoluolban (TNT) C 7 H 5 O 6 N 3 × C 7 H 5 × 3NO 2, O 2 és NO 2 oxidálószerként szolgálnak; puskapor összetételében - kén, salétrom, szén; házi készítésű robbanóanyagok részeként, alumíniumpor és ammónium-nitrát, kötőanyag - napolaj.

4.2. Homogén és heterogén égés.

A figyelembe vett példák alapján az üzemanyag és az oxidálószer keverékének aggregációs állapotától függően, pl. a keverék fázisainak számától megkülönböztetik:

1. Homogén égéséghető anyagok gázai és gőzei egy gáznemű oxidálószer környezetében. Így az égési reakció egy fázisból álló rendszerben megy végbe (aggregált állapot).

2. Heterogén égés szilárd éghető anyagok gáz halmazállapotú oxidáló környezetben. Ebben az esetben a reakció a határfelületen megy végbe, míg a homogén reakció a teljes térfogatban megy végbe.

Ez a fémek, a grafit égése, i.e. gyakorlatilag nem illékony anyagok. Sok gázreakció homogén-heterogén jellegű, amikor a homogén reakció bekövetkezésének lehetősége egy egyidejűleg heterogén reakció eredetéből adódik.

Minden folyékony és sok szilárd anyag égése, amelyekből gőzök vagy gázok (illékony anyagok) szabadulnak fel, gázfázisban megy végbe. A szilárd és a folyékony fázis a reagáló termékek tárolójaként szolgál.

Például a szén spontán égésének heterogén reakciója az illékony anyagok homogén égési fázisába megy át. A kokszmaradék heterogénen ég.

4.3. Diffúzió és kinetikus égés.

Az éghető keverék elkészítési foka szerint diffúziót és kinetikus égést különböztetünk meg.

A figyelembe vett égési módok (a robbanóanyagok kivételével) a diffúz égés. Láng, azaz a tüzelőanyag-levegő keverék égési zónáját a stabilitás biztosítása érdekében folyamatosan táplálni kell a levegőben lévő üzemanyaggal és oxigénnel. Az éghető gáz áramlása csak az égési zónába való betáplálás sebességétől függ. Az éghető folyadék bejutásának sebessége a párolgás intenzitásától függ, pl. a folyadék felszíne feletti gőznyomásra, és ennek következtében a folyadék hőmérsékletére. Gyulladási hőmérséklet A folyadék legalacsonyabb hőmérsékletének nevezzük, amelyen a felülete feletti láng nem alszik ki.

A szilárd anyagok égése abban különbözik a gázok égésétől, hogy egy bomlási és elgázosodási szakasz van jelen, amelyet az illékony pirolízistermékek meggyulladása követ.

Pirolízis- ez a szerves anyagok melegítése magas hőmérsékletre levegő hozzáférés nélkül. Ebben az esetben az összetett vegyületek egyszerűbbekre bomlanak, vagy hasadnak (szén kokszolása, olaj megrepedése, fa száraz desztillációja). Ezért a szilárd éghető anyag égéstermékké történő elégetése nem csak a lángzónában koncentrálódik, hanem többlépcsős jellegű.

A szilárd fázis felmelegítése bomláshoz és gázok fejlődéséhez vezet, amelyek meggyulladnak és égnek. A fáklyából származó hő felmelegíti a szilárd fázist, ami annak elgázosodását idézi elő, és a folyamat megismétlődik, így támogatja az égést.

A szilárd égésmodell a következő fázisok jelenlétét feltételezi (17. ábra):

Rizs. 17. Égési modell

szilárd.

A szilárd fázis melegítése. Az olvadó anyagoknál az olvadás ebben a zónában történik. A zóna vastagsága az anyag vezetőképességi hőmérsékletétől függ;

Pirolízis, vagy szilárd fázisú reakciózóna, amelyben gáz halmazállapotú éghető anyagok képződnek;

Előláng a gázfázisban, amelyben oxidálószerrel keverék képződik;

Láng vagy gázfázisú reakciózóna, amelyben a pirolízistermékek gáznemű égéstermékekké alakulnak;

égéstermékek.

Az égési zóna oxigénellátásának sebessége az égésterméken keresztüli diffúziójától függ.

Általánosságban elmondható, hogy mivel a vizsgált égéstípusoknál az égési zónában egy kémiai reakció sebessége függ a reakcióba lépő komponensek és a lángfelület molekuláris vagy kinetikus diffúzióval történő megérkezésének sebességétől, az ilyen típusú égést ún. diffúzió.

A diffúziós égés lángszerkezete három zónából áll (18. ábra):

Az 1. zóna gázokat vagy gőzöket tartalmaz. Ebben a zónában nincs égés. A hőmérséklet nem haladja meg az 500 0 C-ot. Bomlás, illékony anyagok pirolízise és öngyulladási hőmérsékletre melegedés következik be.

Rizs. 18. A láng szerkezete.

A 2. zónában gőzök (gázok) és légköri oxigén keveréke képződik, és tökéletlen égés megy végbe CO-vá, részleges szénné redukálva (kevés oxigén):

C n H m + O 2 → CO + CO 2 + H 2 O;

A 3. külső zónában a második zóna termékei teljesen elégnek, és megfigyelhető a maximális láng hőmérséklet:

2CO+O 2 \u003d 2CO 2;

A láng magassága arányos a diffúziós együtthatóval és a gázok áramlási sebességével, és fordítottan arányos a gáz sűrűségével.

A diffúziós égés minden típusa a tüzek velejárója.

Kinetikus az égés előre összekevert éghető gáz, gőz vagy por oxidálószerrel való elégetése. Ebben az esetben az égési sebesség csak az éghető keverék fizikai-kémiai tulajdonságaitól (hővezetőképesség, hőkapacitás, turbulencia, anyagkoncentráció, nyomás stb.) függ. Ezért az égési sebesség meredeken növekszik. Ez a fajta égés a robbanások velejárója.

Ebben az esetben, amikor az éghető keveréket valamikor meggyújtják, a lángfront az égéstermékekből a friss keverékbe kerül. Így a láng a kinetikus égés során legtöbbször ingatag (19. ábra).

Rizs. 19. A láng terjedésének sémája éghető keverékben: - gyújtóforrás; - a lángfront mozgásának iránya.

Bár ha az éghető gázt levegővel keverjük és az égőbe tápláljuk, akkor gyújtás közben állóláng keletkezik, feltéve, hogy a keverék betáplálási sebessége megegyezik a láng terjedési sebességével.

Ha a gázellátást növelik, a láng kiszakad az égőből, és kialudhat. És ha a sebesség csökken, akkor a láng az égő belsejébe kerül egy esetleges robbanással.

Az égés mértéke szerint, azaz a végtermékek égési reakciójának teljessége, az égés megtörténik teljes és hiányos.

Tehát a 2. zónában (18. ábra) az égés nem teljes, mert elégtelen oxigénellátás, ami a 3. zónában részben elfogy, és közbenső termékek keletkeznek. Ez utóbbiak a 3. zónában égnek ki, ahol több az oxigén, egészen a teljes égésig. A füstben lévő korom hiányos égést jelez.

Egy másik példa: oxigénhiány esetén a szén szén-monoxiddá ég:

Ha hozzáadunk O-t, akkor a reakció a végére megy:

2CO + O 2 \u003d 2CO 2.

Az égési sebesség a gázok mozgásának természetétől függ. Ezért megkülönböztetünk lamináris és turbulens égést.

Tehát a lamináris égés egyik példája a gyertya lángja csendes levegőben. Nál nél lamináris égés a gázrétegek párhuzamosan, de örvénylés nélkül áramlanak.

Turbulens égés- gázok örvénymozgása, amelyben az égő gázok intenzíven keverednek, és a lángfront kimosódik. E típusok közötti határ a Reynolds-kritérium, amely a tehetetlenségi erők és az áramlási súrlódási erők közötti kapcsolatot jellemzi:

ahol: u- gázáramlási sebesség;

n- kinetikus viszkozitás;

l- jellegzetes lineáris méret.

Azt a Reynolds-számot, amelynél a lamináris határréteg turbulenssé alakul át, kritikus Re cr, Re cr ~ 2320-nak nevezzük.

A turbulencia növeli az égés sebességét az égéstermékekből a friss keverékbe történő intenzívebb hőátadás miatt.

4.4. Normál égés.

A kinetikus égés során a láng terjedési sebességétől függően akár normál égés (néhány m/s-on belül), akár robbanásveszélyes deflagráció (tíz m/s), akár detonáció (több ezer m/s) valósulhat meg. Az ilyen típusú égések átjuthatnak egymásba.

Normál égés- ez az égés, amelyben a láng terjedése külső zavarok (turbulencia vagy gáznyomás-változás) nélkül következik be. Csak az éghető anyag természetétől függ, pl. hőhatás, hővezetési és diffúziós együtthatók. Ezért ez egy bizonyos összetételű keverék fizikai állandója. Ilyenkor az égési sebesség általában 0,3-3,0 m/s. A normál égést azért nevezték el, mert terjedésének sebességvektora merőleges a lángfrontra.

4.5. Deflagrációs (robbanásveszélyes) égés.

A normál égés instabil, és zárt térben hajlamos magától felgyorsulni. Ennek oka a lángfront görbülete a gáznak az edény falához való súrlódása és a keverék nyomásváltozása miatt.

Tekintsük a láng csőben való terjedésének folyamatát (20. ábra).

Rizs. 20. A robbanásveszélyes égés előfordulásának sémája.

Először is, a cső nyitott végén a láng normál sebességgel terjed, mert az égéstermékek szabadon tágulnak és távoznak. A keverék nyomása nem változik. A láng egyenletes terjedésének időtartama a cső átmérőjétől, a tüzelőanyag típusától és koncentrációjától függ.

Ahogy a lángfront mozog a cső belsejében, a kezdeti keverékhez képest nagyobb térfogatú reakciótermékeknek nincs idejük kilépni, és nyomásuk megnő. Ez a nyomás minden irányba nyomulni kezd, és ezért a lángfront előtt a kezdeti keverék a láng terjedésének irányába kezd mozogni. A falakkal szomszédos rétegek lelassulnak. A láng a cső közepén a legnagyobb sebességű, a legkisebb sebesség a falak közelében (a hőelvonás miatt). Ezért a lángfront a lángterjedés irányába megnyúlik, felülete megnő. Ennek arányában időegységenként növekszik az éghető keverék mennyisége, ami nyomásnövekedéssel jár, majd a gázmozgás sebességének növekedésével stb. Így akár több száz méterrel másodpercenként lavinaszerűen megnövekszik a láng terjedési sebessége.

Az éghető gázkeveréken keresztül történő lángterjedés folyamatát, amelyben a reakciótermékek szomszédos rétegéből történő hővezetés révén felmelegedés hatására öngyorsuló égési reakció terjed, ún. deflagráció. Általában a deflagrációs égés sebessége szubszonikus, azaz. kevesebb, mint 333 m/s.

4.6. detonációs égés.

Ha egy éghető keverék rétegekben történő elégetését vesszük figyelembe, akkor az égéstermékek térfogatának hőtágulása következtében minden alkalommal kompressziós hullám lép fel a lángfront előtt. Minden következő hullám, amely sűrűbb közegen halad át, utoléri az előzőt, és rárakódik. Fokozatosan ezek a hullámok egy lökéshullámmá egyesülnek (21. ábra).

Rizs. 21. A detonációs hullám kialakulásának vázlata: 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.

Lökéshullámban az adiabatikus kompresszió következtében a gázok sűrűsége azonnal megnő, és a hőmérséklet az öngyulladás T 0 -ra emelkedik. Ennek eredményeként az éghető keverék lökéshullám hatására meggyullad és robbanás- az égés terjedése lökéshullám általi gyújtással. A detonációs hullám nem alszik ki, mert a mögötte mozgó láng lökéshullámai hajtják.

A detonáció sajátossága, hogy a keverék összetételenként meghatározott 1000-9000 m/s szuperszonikus sebességgel történik, ezért a keverék fizikai állandója. Csak az éghető keverék fűtőértékétől és az égéstermékek hőkapacitásától függ.

A lökéshullám és az akadály találkozása visszavert lökéshullám kialakulásához és még nagyobb nyomáshoz vezet.

A detonáció a lángterjedés legveszélyesebb formája, mert. maximális robbanási ereje (N=A/t) és hatalmas sebessége van. A gyakorlatban a detonációt csak a detonáció előtti szakaszban lehet "semlegesíteni", pl. a gyújtásponttól a detonációs égéspontig terjedő távolságra. Gázoknál ennek a szakasznak a hossza 1-10 m.

A láng alakjának változása jelentősen befolyásolja az égés természetét, mivel az elülső felület megváltozásával jár. Egy adott összetételű rendszer égési sebességét meghatározó fő tényező a lángfelület mérete. Ez abból következik, hogy a láng minden szakasza formájától függetlenül egyenértékű, feltéve, hogy a láng görbületi sugara sokkal nagyobb, mint az előlap szélessége, azaz. minden gyakorlatilag fontos esetben. A láng felületének növekedésével az égési folyamat felerősödik, az egységnyi idő alatt égő anyag teljes mennyisége nő. A láng alakjának megváltozása általában a gáz égési zóna közelében történő mozgásával, turbulenciájával jár; ebben az esetben a lángfront több kis központra oszlik, és összfelülete megnő. Ezt a funkciót például az égési folyamat fokozására használják az elégetett gáz mesterséges turbulenciájával.

Nézzük meg, milyen formát nyer spontán módon a láng, amikor egy rögzített éghető közegen keresztül terjed, külső erők – zavarok – hiányában. Mivel a közeg homogén, minden irány egyenértékű, és a láng sebessége ezek mentén azonos. Ebben az esetben a pontforrásból terjedő lángfront egy folyamatosan növekvő sugarú gömbfelület alakja lesz. A gömbláng terjedése során a gáz tágulása azt eredményezi, hogy az eredeti, el nem égett közeg a perifériára szorul. A gáz azonban ilyenkor nem örvénylik, mind a gáz, mind a láng mozgási sebessége minden irányban azonos, a láng alakja és állandó nyomáson - és sebessége változatlan marad.

A háborítatlan láng másik jellegzetes terjedési módja akkor keletkezik, ha egy éghető közeget hasonló pontszerű impulzussal meggyújtanak egy hosszú cső nyitott végén. A keletkező láng kezdetben gömb alakú lesz, amíg meg nem érinti a cső falát (1.1. ábra).

Mivel a láng terjedése a falak közelében megáll, a láng a gömb alakú szegmens külső felületét veszi fel, amelyet a cső keresztmetszete korlátoz. Ahogy a láng eltávolodik a gyulladási ponttól és görbületi sugara növekszik, úgy válik egyre laposabbá, és egybeesik a cső keresztmetszetével.

Rizs. 1.1.

A fenti megfontolások lehetővé tették annak megállapítását, hogy a láng terjedése során külső zavarok hiányában kétféle láng stabil: gömb alakú korlátlan térben (háromdimenziós feladat) és lapos végtelen cső esetén (egydimenziós probléma). Ezt a két típust minden láng alakja a határig megközelíti, bármilyen legyen is az elején.

Normál égés

Az égési folyamat zavarainak hiányában az alábbi szempontok alapján határozható meg, hogy a lángfront milyen alakot nyer a terjedése során. A lángfelület minden egyes pontja önálló gyújtóimpulzusnak tekinthető, amely körül egy új elemi lángfront jön létre. Bizonyos rövid időintervallum után az ilyen elemi frontok egymásra épülésének eredményeként egy új teljes lángfront jön létre, amely egybeesik a kezdeti front mentén keletkező összes elemi gömbfront burkolójával.

A vizsgált láng területét síknak tekintjük AB(1.2. ábra); a láng tetszőleges formájához annak bármely kellően kis része laposnak is tekinthető. A leírt építési elv alkalmazása arra a következtetésre jut, hogy a láng új helyzete A"B" párhuzamos lesz az eredetivel. Ugyanezt az elvet kiterjesztve a tetszőleges alakú lángfront mozgására is, arra a következtetésre jutunk, hogy a háborítatlan láng mozgása a front minden pontján a felülete normálja mentén történik. Ezért az ilyen égést normálisnak (vagy deflagrációnak) nevezik. A láng mozgási sebességét egy álló éghető közeg mentén a felülete mentén, a láng normálsebességének nevezzük. U n.

Rizs. 1.2.

Érték U n az éghető közeg fő jellemzője. Ez az a minimális sebesség, amellyel a láng egy adott közegben terjedhet; a láng lapos alakjának felel meg. Érték U n, nemcsak a lineáris, hanem a térfogati égési sebességet is jellemzi, meghatározva az egységnyi lángfelületre jutó, egységnyi idő alatt reakciótermékekké alakuló éghető közeg térfogatát. Ennek megfelelően a dimenzió U n kifejezhető cm/s vagy cm3/(cm2-s).

Érték U n, erősen függ az éghető közeg összetételétől. A lángsebességet a reagáló komponensek kémiai sajátosságai mellett jelentősen befolyásolja a tüzelőanyag és az oxidálószer tartalom aránya, valamint az inert komponensek koncentrációja. Gyengébb hatással van az éghető közeg kezdeti hőmérsékletének és a teljes nyomásnak a változása. Az alábbiakban a maximális értékek láthatók U Néhány éghető keverék n értéke normál körülmények között (m/s-ban):

• С2Н2 + O2 - 15,4;
• H2 + O2; - tizenhárom;
• H2 + C12 - 2,2;
• CO + O2 + 3,3% H2O-1,1;
• H2 + levegő - 2,7;
• CO + levegő + 2,5% H2O - 0,45;
• telített szénhidrogének + levegő - 0,32-0,40.

Az égési folyamat során felmelegedés során a gáz tágulása azt a tényt eredményezi, hogy a lángfront közelében a gáz mindig mozgásban van, még akkor is, ha az eredetileg álló helyzetben volt. A következő megfontolások elmagyarázzák, hogyan hat a hő

a gáz expanziója és turbulenciája az adiabatikus égés során fellépő külső zavarok hatására. Ha a gázt egy hosszú nyitott csőben égetik el, a cső keresztmetszetével egybeeső lapos láng mozdulatlan marad, ha az éghető közeget állandó sebességgel fújják be a csőbe a keresztmetszetben, egyenlő U n. Az égéstermékek a cső másik végéből áramlanak.

P-vel jelöljük a gáz sűrűségét, a 0 index a kezdeti éghető közeget jellemző értékeket, az indexet b- égéstermékek. Mivel a gáz égés közben kitágul, a reakciótermékek sebessége távozik a lángból U b , > U n. A lángfelület minden 1 cm2-ére másodpercenként hoz az áramlás U n cm3 éghető közeg, amelynek tömege: U n r o. A láng azonos területétől távolodó reakciótermékek térfogata Ub, tömege pedig Ubrb. A kiindulási gáz és reakciótermékek tömege egyenlő, ebből következik, hogy

Unro=Ubrb. (1*1)

Az (1.1) egyenlet az égési folyamat anyagmegmaradási törvényét fejezi ki.

Megállapítottuk, hogy lapos front esetén is különböző sebességű lehet a láng: Un ill U b attól függően, hogy melyik közeg áll. Az égő gázban a sebességek arányát az ábrán látható diagram szemlélteti. 1.3.

Rizs. tizenhárom.

U n a normál lángsebesség; U b a lángból kilépő reakciótermékek sebessége; T 0 a kiindulási közeg kezdeti hőmérséklete; T b a reakciótermékek hőmérséklete; r0, rb a kiindulási gáz és a reakciótermékek sűrűsége

Amikor a helyzet 1 a láng csendes; a csőbe áramló éghető közeg sebességgel jobbra mozdul el U n ; ugyanabban az irányban, de nagy sebességgel U b mozgó égéstermékek. Ha az éghető közeg álló helyzetben van (2. helyzet), ami az egyik végén zárt csőben történő égés során következik be, akkor a láng sebességgel halad át rajta. U n, és a reakciótermékek ellentétes irányban áramlik olyan sebességgel U b- U n. Egy helyzetben 3 a cső zárt végén meggyújtva az égéstermékek mozdulatlanok. A láng nagy sebességgel mozog U b a csőfalak (és az égett gáz) tekintetében; sebességgel ugyanabba az irányba U b – U n az égő gáz elmozdul, a táguló reakciótermékek kiszorítják a csőből. A láng sebessége, de az égéstermékekhez képest sokkal nagyobb, mint a forrásgázhoz képest - r0/rb tényezővel.

Érték G=U Az r, amelyet tömegégetési sebességnek neveznek, meghatározza az egységnyi idő alatt, egységnyi lángfelületre eső anyag tömegét. Természetesen ugyanaz a kezdeti és a végső közegben, valamint az összes köztes zónában.

Tekintsük az égés körülményeit egy tetszőleges alakú lángfrontban, amely mozdulatlanul helyezkedik el az égő gáz áramlásában (csőben).

A láng abban az esetben áll, ha az égő gáz mennyiségét pontosan kompenzálja a bejövő gáz mennyisége. Ha a lángfelület az F, akkor az egységnyi idő alatt elégetett gáz teljes térfogata egyenlő U t F. Ugyanaz a térfogati sebesség más módon is meghatározható: szorzatként WS, ahol W- a gáz átlagos (az áramlási keresztmetszet feletti) lineáris sebessége; S az áramlás keresztmetszete. A két nagyság egyenlőségéből következik:

Ez az eredmény tehát álló éghető közegre is érvényes w- az ívelt láng mozgásának sebessége rajta. Ez a sebesség annyiszor nagyobb, mint a láng normálsebessége, ahányszor nagyobb a láng felülete, mint az áramlás keresztmetszete. Amikor egy lapos lángot meghajlítanak és a felületét megnövelik, a láng sebessége ennek megfelelően nő. Az (1.2) egyenlet, amelyet általában hívnak területi törvény, az égési folyamat alapvető jellemzőjét fejezi ki: a láng felületének növekedésével az égés felerősödik, és az erősödés határát csak az alábbiakban ismertetett gázdinamikai jellemzők okozzák.

A láng felületének görbülete az égő gáz spontán vagy kényszerített turbulenciájának következménye.

Ha az égő gáz erősen turbulens és a hideg éghető közeg kis elemi részei nagyrészt forró égéstermékekkel keverednek, akkor a láng már nem tekinthető két közeget elválasztó felületnek. Megjelenik egy diffúz turbulens zóna, amelyben a kémiai átalakulás teljes sebessége is magas, ami a rendkívül fejlett lángfelületnek köszönhető.

Egy adott összetételű közeg lobogó égési módjai csak a láng terjedési sebességében térnek el a felületének különböző fejlettségi fokainál. Ez a körülmény elengedhetetlen a gyakran használt terminológia konvencionális jellegének tisztázásához. A "robbanás" fogalma a lángterjedés kapcsán nem jellemezhető másként, mint egy meglehetősen gyors égés egy erősen turbulens közegben, amelynek lángsebessége másodpercenként tíz-száz méter nagyságrendű. A "lassú" égés csak a láng felületének fejlettségi fokában különbözik a "robbanástól". Alapvetően nem különböztethetők meg a leírtaktól a lángterjedés más típusai, amelyeket például a „flash” és „pop” kifejezések jellemeznek. Csak ha éghető közegben a láng sebessége megközelíti a hangsebességet, akkor az égési folyamat új, minőségileg különleges karaktert kap.

A lapos vagy gömb alakú lángot torzító zavarok mindig fellépnek, még erőltetett gázmozgás hiányában is; a gravitáció és a súrlódás okozza őket. Az első konvektív áramlások megjelenéséhez vezet az éghető közeg és az égéstermékek sűrűségének különbsége miatt, a második akkor nyilvánul meg, amikor a csőben égő gáz elmozdul, és a falak lassítják. Egy függőlegesen elhelyezett, egyik végén nyitott hosszú csőben kényelmes nyomon követni a perturbációk hatását az égés szabályosságaira. Ha a cső alsó, nyitott végén éghető közeget gyújt (1.4. ábra, a), akkor a konvektív áramlások kialakulásához kedvező feltételek jönnek létre, hiszen a könnyű égéstermékek felett helyezkedik el a nagy sűrűségű, el nem égett forrásgáz. A láng hajlamos a cső tengelye mentén megnyúlni. A cső felső, zárt végén (1.4. ábra, b) meggyújtva konvektív áramlások nem lépnek fel, azonban az égési zónát a súrlódási erők intenzíven turbulizálják. Az égő és táguló gáz kiáramlik a csőből. Az éghető közeg áramlási sebessége a viszkozitás hatására a cső keresztmetszete mentén változik, a tengely mentén maximális, a falak közelében nullával egyenlő (1.5. ábra).

Rizs. 1.4.

Ennek megfelelően a lángfront meg van hajlítva. A felső nyitott végén meggyújtva durva (1.4. ábra, ban ben) az égési zóna turbulenciájának lehetősége minimális: az égéstermékek az égő gáz felett vannak, a hideg gáz pedig mozdulatlan. Azonban ahogy a láng eltávolodik a cső szélétől, a súrlódási erő megnő, és a turbulencia átterjed az égő gázra.

Ha az égést nem kíséri hőveszteség, pl. adiabatikusan halad, ekkor az éghető rendszer kémiai energiája teljesen átalakul a reakciótermékek hőenergiájává. Mivel a láng hőmérséklete magas, a benne végbemenő reakciók sebessége nagy, és gyorsan kialakul a termodinamikai egyensúlyi állapot. Az adiabatikus égéstermékek hőmérséklete nem függ a láng reakciósebességétől, hanem csak a teljes hőhatástól és a végtermékek hőkapacitásától. Ezt a hőmérsékletet termodinamikai égési hőmérsékletnek nevezzük. T b. Érték T b az éghető közeg legfontosabb jellemzője; közönséges éghető közegeknél 1500-3000 K értékei vannak. Az alábbiakban részletesen megvizsgáljuk, hogy a feltételezések mennyiben felelnek meg a valóságnak, és milyen jelentősége van az égés termikus rezsimjének a robbanásbiztonsági problémák szempontjából. Adiabatikus folyamattal és az égéstermékek egyensúlyi állapotával T b – a lángban elért maximális hőmérséklet. Az egyensúlyi reakciótermékek tényleges hőmérséklete alacsonyabb, ha az égő gáz hővesztesége lép fel. A hőveszteségek kérdése, amint az a következőkből kiderül, döntő jelentőségű a robbanásbiztonság biztosítási problémáinak megoldásában. Az álló lángterjedés során intenzív hőátadás megy végbe a hideg kezdeti éghető közegbe való vezetés révén. Ez a folyamat azonban nem jár hőveszteséggel az égési zónából. Az egyes égő gázrétegekből a szomszédos, még nem reagált hőelvonást pontosan kompenzálja az előző szakaszban ugyanabba a rétegbe bevitt ekvivalens hő, amikor maga is hideg volt. A nem helyhez kötött, nem kompenzált fűtés abban a kezdeti pillanatban következik be, amikor az éghető közeg a kezdeti impulzus hatására meggyullad. A láng távolodásával azonban a gyulladási ponttól ez a többlethő egyre növekvő mennyiségű égéstermék között oszlik el, és a további fűtésben betöltött szerepe folyamatosan csökken.

Rizs. 1.5.

Az előzőekből következik, hogy az égés során a felmelegített gáz kisugárzása és szilárd felülettel való érintkezése következtében hőveszteség léphet fel. A sugárzással történő hőelvonás szerepével a következőkben foglalkozunk, de egyelőre azt feltételezzük, hogy az ilyen veszteségek elhanyagolhatóan kicsik abban a zónában, amelynek hőrendszere meghatározza a lángsebességet. Az edények és berendezések falával érintkező égéstermékek vezetése révén történő lehűtése nagyon intenzíven megy végbe, ami a falak és a gáz közötti nagy hőmérséklet-különbségnek köszönhető. Ezért a szokásos méretű edényekben az égés befejezése után a bennük lévő égéstermékek jelentős lehűlése kevesebb, mint 1 másodperc alatt befejeződik.

Az égő gáz falaknál történő hűtése is elengedhetetlen problémáink miatt. Mivel a falak hőelvezetése csak akkor kezdődik, amikor láng érinti őket, az ilyen veszteségek nagymértékben függenek az edény alakjától és méretétől, amelyben a reakció végbemegy, valamint a gyulladási pont helyzetétől. Gömb alakú edényben történő égés és központi gyújtás során a vezetésből eredő hőveszteség csak az égés befejezése után következik be.

Az égési hőmérsékletet az energiamegmaradás törvénye határozza meg az éghető közeg kémiai energiájának az égéstermékek hőenergiájává történő adiabatikus átalakulása során. Nyilvánvaló, hogy az éghető keverék összetevői nem egyenértékűek. A kémiai energia készletét a sztöchiometrikus arányban hiányzó komponens tartalma határozza meg, amely a reakcióban teljesen elfogy. A másik komponens egy része, a felesleg reagálatlanul marad az interakció során. Ez egyenlő a felesleges komponens kezdeti tartalma és a hiányzó komponens teljes megkötéséhez szükséges mennyiség különbségével. Ha a hiányzó komponens tartalma a reakcióban részt nem vevő inert komponens tartalma miatt megnő, akkor az éghető keverék kémiai energia moláris tartaléka megnő. A felesleges komponens ilyen cseréje a kémiai energiát változatlanul hagyja.

Magyarázzuk meg hozzávetőlegesen, hogyan valósul meg az égés során az energia megmaradásának törvénye. Az éghető rendszer kémiai energiatartalékát egyenlőnek tekintjük π1Q), ahol π1 a hiányzó komponens koncentrációja; K az égésének termikus hatása. A reakcióhőt a keverék összes komponensének melegítésére fordítják: a keletkező reakciótermékeket, a felesleges és inert komponenseket. Ha egy Val vel az 1 mól kiindulási keverékből képződött égéstermékek átlagos hőkapacitása, akkor a fizikai hőkészlet növekedése egyenlő Val vel(T b- T 0), hol T 0 az éghető közeg kezdeti hőmérséklete. Az adiabatikus állapotnak megfelelően

Az adiabatikus égéstermékek állapotának pontos kiszámítása sokkal bonyolultabb.

Az adiabatikus égésnél az égési hőmérséklet értéke határozza meg a végtermékek sűrűségét, így a lángsebességek közötti összefüggést. U n és U b. Ebben az esetben figyelembe kell venni, hogy a reakció eredményeként az egységnyi tömegre jutó molekulák száma a P egyszer. Az ideális gázok törvényei szerint

Jelentése Pégési folyamatokban többnyire közel áll az egységhez. Tehát egy 2CO + O2 sztöchiometrikus keverék átalakításakor (égetés 2CO2-vé) P= 2/3, hasonló CH4 + 2O2 keverékhez (CO2 + 2H2O-ra égés) n = 1 stb. A nem sztöchiometrikus összetételű keverékek és az inert komponenseket tartalmazó keverékek égetésekor az összes molekulaszám (figyelembe véve a reakcióban nem résztvevő komponensek tartalmát) még kevésbé változik.

Az adiabatikus égés során a gáz hőmérséklete 5-10-szeresére nő. Ha a nyomás égés közben állandó marad és a gáz szabadon tágul, ill n= 1, akkor a sűrűsége ugyanannyival és azonos arányban változik U b normál lángsebességre. Ha az adiabatikus égés a gáz tágulása nélkül, zárt edényben megy végbe, akkor a nyomás körülbelül ugyanilyen mértékben növekszik. Ez határozza meg a zárt edényben a gyors égés pusztító hatását.

Az „égetés” fogalma nem fogalmazható meg egyértelműen. Az égést egy öngyorsuló, gyors kémiai átalakulásnak fogjuk nevezni, amely intenzív hő- és fénykibocsátással jár együtt. Ennek megfelelően a láng (forró) olyan gáznemű közeg, amelyben intenzív kémiai reakció lumineszcenciához, hőleadáshoz és jelentős önmelegedéshez vezet.

Az ilyen meghatározások kényelmesek, de nem egészen világosak és univerzálisak. Nehéz pontosan meghatározni, hogy melyik reakció elég gyors ahhoz, hogy égésnek tekintsük. Még kevésbé egyértelmű a robbanás fogalma. A jövőben megismerkedünk a hideg lángok létezésével, amelyekben a kémiai reakció izzással jár, de mérsékelt sebességgel és észrevehető felmelegedés nélkül megy végbe.

D. L. Frank-Kamenetsky szerint "az égés egy kémiai reakció áramlása progresszív öngyorsulás körülményei között, amely a hő felhalmozódásával vagy a reakciótermékek katalizálásával jár együtt." Itt nyilvánvaló az a vágy, hogy lefedjék a reakció termikus és autokatalitikus fejlődésének jelenségeit. Az ilyen általánosítás azonban ahhoz a tényhez vezet, hogy az égési folyamatoknak nem tulajdonítható jelenségek ebbe a definícióba tartoznak. Ide tartoznak a gáz- és folyadékfázisban végbemenő lángmentes reakciók, amelyeket korlátozott öngyorsulás kísér, de nem alakul át termikus vagy értékes robbanás, amikor a reakciósebesség eléri a mérsékelt maximumot, vagy inhomogén éghető közeg komponenseinek fröccsenése következik be.

Elfogadhatatlan lenne az égési folyamatokat a reakció teljességének feltételével korlátozni, mivel sok feltétel nélküli robbanásveszélyes folyamatban a reakció befejezetlen marad.

B. Lewis és G. Elbe felismerte az égés meghatározásának nehézségeit: "Az égés, a láng és a robbanás fogalmát, meglehetősen rugalmasak, még mindig kissé önkényesen használják."

Az égés meghatározásának bonyolultsága azt tükrözi, hogy az égésre jellemző fizikai-kémiai jelenségek komplexumában nincsenek éles határok. A reakció öngyorsulása, az önmelegedés, az aktív termékek felhalmozódása, a különböző intenzitású és hullámhosszú sugárzás az égés kategóriájához kapcsolódó és nem kapcsolódó folyamatokban egyaránt előfordul; a különbség csak mennyiségi. Emiatt az égés bármely meghatározása pontatlan vagy hiányos.

A kidolgozott elképzelések alapján feltételezhetjük, hogy ahhoz, hogy a folyamat az égés típusának megfelelően haladjon, mindössze két feltétel szükséges: ennek a reakciónak exotermnek kell lennie, és a hőmérséklet emelkedésével fel kell gyorsulnia. Ez utóbbi jellemző a legtöbb kémiai folyamatra, ezért úgy tűnik, hogy az égési módban bármilyen exoterm reakció kialakulhat. Az alábbiakból az következik, hogy a stabil égés megléte megköveteli a lángfront vízszintes csőben való terjedésével kapcsolatos további fontos kiegészítő feltétel teljesülését.

Az exoterm reakció áramlásának néhány jellemzője eltér, ha csőben folyik. Ha egy éghető közeget a nyitott vég oldaláról meggyújtanak, a láng sajátos formát kap, megnyúlik és előre dől (1.6. ábra).

Rizs. 1.6.

1 – láng érintkezési határa; 2 – a lángkép elülső határa (a front és a szimmetriasík metszéspontja); M– a gáz maximális sebességének pontja

Az út egy bizonyos részén az indítás után az égés mozdulatlan, állandó sebességgel megy végbe. Ahogy nő az arány h/d, ahol h- az égéstermékek oszlopának magassága, a határban - a cső hossza; d– a cső átmérője, a gáz falakkal szembeni súrlódási erői annyira megnövekednek, hogy a területtörvénynek megfelelően progresszív gázturbulenciát okoznak az égési zónában és a láng ingatag gyorsulását.

A vízszintes csőben a láng ferde alakja a kiindulási közeg és az égéstermékek sűrűsége közötti nagy különbségnek köszönhető. A lángfront a határfelület e két közeg között. A sűrűségkülönbség következményeinek magyarázatára a következő analógiát használjuk. Vízszintes csőben (1.7. ábra, a) két különböző sűrűségű, egymással nem elegyedő folyadék, mint például a higany (jobbra) és a víz (balra), amelyeket függőleges válaszfal választ el egymástól. Ha a válaszfalat eltávolítják, akkor a sűrűségkülönbség a folyadékok mozgását okozza: a nehéz higany balra és lefelé áramlik, a víz a higany felett helyezkedik el, jobbra és felfelé haladva. A felület előre dől, felülete folyamatosan növekszik (1.7. ábra, b). Hasonló áramlások keletkeznek a gázégetés során is, azonban a nehéz éghető közeg könnyű reakciótermékekké alakulása megakadályozza a láng felületének korlátlan növekedését, amelynek mérete és alakja állóvá válik. A lángfront felső részének az égéstermékek felé való eltérése a fal melletti gáz súrlódás hatására lassuló lassulásából adódik.

Rizs. 1.7.

a- a szeptum eltávolítása előtt; b- septum eltávolítása után

Az álló láng alakját (az egyenletes terjedés területén) a normál lángsebesség és a gáz sebessége közötti arányok határozzák meg a front megfelelő szakaszaiban. Tekintsük ezeket az összefüggéseket a front legfejlettebb pontjára M(lásd az 1.6. ábrát), ahol a láng merőleges a cső tengelyére, és így a teljes front mozgási irányára. A láng teljes sebessége a cső tengelye mentén U f pontban M a láng gázhoz viszonyított sebességének összege is U n és magának a gáznak a sebességkomponense ugyanabba az irányba W M :

A láng bármely kis lejtős szakaszához AB(1.8. ábra), a cső tengelyével szöget zárva a láng mozgása a gázon keresztül AB sebességgel U n (pozícióig A"B") nyilvánvalóan a lángelemnek a cső tengelye mentén történő sebességgel történő mozgásához kapcsolódik U n / sinβ. A lángelem teljes mozgási sebessége a cső tengelye mentén megegyezik a pontéval M, magának az égési sebességnek ebben az irányban és a gázáramlási sebesség összetevőjének összege W. Mivel a láng alakja álló, ez azt jelenti, hogy minden elemének sebessége egyenlő:

(1.6)

A láng minden pontján a meredekségét a gázáramlás sebességének tengely menti komponensének helyi értéke határozza meg. Mint U n/sinβ > U n , W M >W, pontban a gázsebesség maximális M.Érték W a falak közelében csökken, sőt negatívvá válik (ahol az éghető közeg "szivárog" az égéstermékek rétege alatt). Láng terület AB, a cső aljára költözést a gyújtásponton keletkező új váltja fel M.

Rizs. 1.8.

Val vel a cső átmérőjének növelése növeli az égő gáz konvekcióját, miközben a láng összsebessége megközelítőleg a négyzetgyökével arányosan nő. d. Ahogy a láng normál sebessége nő, úgy nő U f (mikor d= const), de lassabb, mint U n. Egy bizonyos értéknél U n, a láng alakjának éles átmenete figyelhető meg ferderől félgömb alakúra.

Bunsen-égő használatakor gyakran találkozhatunk álló égési rendszerrel egy patakban. Ez az egyszerűnek tűnő eszköz egy cső, amelyen keresztül folyamatosan éghető közeget táplálnak be. Amikor meggyújtják, az égő kimeneténél álló láng képződik - Bunsen-láng, amelynek alakja közel van a kúposhoz. A Bunsen-lángot jellemző törvényszerűségeket az égéselmélet egyik megalapozójának, V. A. Michelsonnak a munkája állapította meg.

Helyhez kötött égés a Bunsen-lángban különböző áramlási sebességeknél lehetséges. Ha ez a sebesség megváltozik, a területtörvény szerint ennek megfelelően változik a Bunsen-kúp alakja, és ezzel együtt a felülete is. Ebben az esetben a kúp alapja változatlan marad, megközelítőleg egybeesik az égő kimeneti szakaszával, és a magasság gyors áramlásnál nő, lassú áramlásnál csökken. A stabil égés, amelyben a láng alakjának ilyen önszabályozása megtörténik, a gázáramlási sebességek széles tartományában lehetséges. Csak nagyon nagy gázsebességnél szakad ki a láng, csillapodik. Ha a gáz sebessége kellően kicsi lesz, átlagosan közel U n, a láng továbbterjed az áramlás felé, belépve az égő belsejébe - a láng "áttörése" következik be.

Rizs. 1.9.

A Bunsen-lángban való égést bonyolítja a nem teljes égés termékeinek a légköri levegővel való másodlagos kölcsönhatása, ha az éghető keverék feleslegben tartalmaz üzemanyagot. Ebben az esetben a fő, belső lángon kívül egy másodlagos, úgynevezett külső Bunsen lángkúp is keletkezik. A külső kúp kialakulásának megelőzése érdekében az égő lángját néha inert gáz környezet veszi körül.

A Bunsen-láng alakját meghatározó mintázatok egy álló láng lapos (kis) szakaszának viselkedését figyelembe véve megállapíthatók. L V fáklyázott gáz áramlásában (1.9. ábra).

Ha a gáz álló helyzetben lenne, akkor a láng a normál - felé haladna AB sebességgel U n, és az áramlás mentén - sebességgel U n/sin β, ahol β a közötti szög ABés csőtengely. Ez az égési sebesség összetevő megegyezik a helyi áramlási sebességgel W, mert a láng még mindig:

Az (1.7) egyenlet, amelyet V. A. Mikhelson kapott, az (1.6) egyenlet speciális esete - álló lángra ( U f = 0); a negatív gázsebesség azt jelzi, hogy a gáz és a láng sebessége ellentétes. Az (1.7) egyenlet a lángfelület minden pontjára meghatározza a β szög értékét, és ebből következően a láng egészének álló alakját. Ha a Bunsen-kúp bármely pontján a gáz áramlási sebességének a lángra merőleges komponense nagyobb, mint a normál lángsebesség, akkor a gázáram ezt a lángelemet elviszi az égő szájától. Ebben az esetben a lángelem dőlése az áramlási tengelyhez képest nő (mivel a kúp alapja rögzített), és a β szög csökken, amíg az áramlási sebesség összetevője egyenlő lesz U n. A fordított változások akkor következnek be, ha Wsin β< U n.

Ha a gáz sebessége állandó lenne az áramlás teljes keresztmetszetében, akkor a lángnak nem lenne görbülete, és a Bunsen-kúp egyenes lenne. Lamináris gázáramlás esetén a csőben a sebességek keresztmetszeten való eloszlása ​​parabolikus, ezt a Poiseuille-törvény határozza meg.

(1.8)

ahol W(r) az áramlási sebesség egy távolságban r a cső tengelyétől; R 0 – csősugár; W 0 = W(r= 0) a maximális áramlási sebesség.

Átlagos áramlási sebesség W, megegyezik a cső egységnyi szakaszánkénti gázáramlási sebességgel, átlagolással számítjuk ki:

(1.9)

azok. W fele annyi W 0. Ebben az esetben figyelembe kell venni, hogy miután a gáz kilép az égőből, a sebességek eloszlása ​​az áramlásban némileg megváltozik. A gázsebességek Poiseuille-törvény szerinti eloszlása ​​esetén egyenlőre W az összes égő lángkúpjai geometriailag hasonlóak.

Azt már láttuk, hogy a Bunsen-láng létezése az égett gáz áramlási sebességeinek széles tartományában a kúp alapjának stabilitásának, a lángnak az égő zárógyűrűjénél való rögzítésének köszönhető. Az ilyen stabilizáció az égés sajátosságainak köszönhető ebben a zónában. A tapasztalat azt mutatja, hogy a láng alapja és az égő bevágása között egy kis rés van, az égés a cső szélétől bizonyos távolságban kezdődik. Ennek oka az a tény, hogy az égés lehetetlen a felszín közelében, mivel az álló gáz hőmérséklete ebben a zónában túl alacsony. Ugyanezen okból lehetetlen, hogy a láng becsapjon a falak mentén lévő csőbe, ahol a gáz áramlási sebessége kisebb U n.

A stabilizáló gyűrűnek az égő szélétől bizonyos távolságra lévő zónájában az égés lehetséges, azonban a láng sebessége ebben a zónában kisebb U n hőveszteség miatt. Ahogy eltávolodunk az égő szélétől és a fal által lelassítjuk az áramlást, a gáz sebessége a gyűrű mentén is megnő. r = R 0. Egy bizonyos magasságban a láng sebességével hasonlítják össze.

Ezeken a pontokon a láng folyamatosan rögzül: közelebb az égő széléhez az égés nem lehetséges, nagyobb távolságban a láng sebessége nagyobb, mint a gáz sebessége, és a láng közeledik az égőhöz, amíg mindkét sebesség egyenlővé nem válik. Ugyanezen mechanizmus szerint a láng stabilizálható éghető közeg áramlásában különböző rögzített akadályok közelében, például az égő felett elhelyezett huzalgyűrű közelében, vagy az égő belsejében elhelyezett rúd végén. Ez utóbbi esetben az úgynevezett fordított Bunsen-kúpot alakítják ki, fejjel lefelé fordítják és egy rögzített ponton - a tetején - stabilizálják.

Amint az égés termikus rezsimjének elemzése mutatja, amikor a cső belsejében álló láng van, a hő a gázból a fal felé távozik, és a lángot egy konvexitás az el nem égett gáz felé irányítja, pl. meniszkusz alakja van. Nagy intenzitású hőelvonásnál, pl. magának a falnak a közelében egyáltalán nem létezhet, és bizonyos távolságra letörik tőle, akárcsak a csövön kívül, az égő szája felett. Látjuk, hogy a Bunsen-lángban történő égés ennek az eszköznek az egyszerűsége ellenére nagyon összetett folyamat, amelyet számos sajátos tulajdonság különböztet meg.