Arderea unui amestec de gaze în tuburi închise generează un ecou, ​​care duce la o rearanjare completă a frontului de flăcări. Detaliile acestui fenomen au fost reproduse pentru prima dată în simulări numerice.

O flacără care interacționează cu o undă sonoră puternică poate genera structuri spațiale interesante (vezi, de exemplu, un videoclip impresionant cu „vizualizarea focului” a undelor sonore). În acest caz, unda sonoră nu trebuie să fie externă: arderea intensă a unui amestec gazos de combustibil și oxidant într-un volum închis, de exemplu, în conducte, generează un ecou care poate distorsiona frontul de flăcări și poate schimba modul de reacție de ardere. .

Distorsiunea formei flăcării în timpul arderii în conducte este cunoscută de mai bine de o sută de ani, dar numai în experimentele clasice ale lui Jeffrey Sirby (G. Searby) în 1992 a fost efectuat un studiu sistematic al acestui proces. În special, Sirby a observat turbulența flăcării sub acțiunea propriului ecou. În sine, acest fenomen nu pare surprinzător, dar încă nu a fost propusă o descriere teoretică a acestui proces. Întrebările la care trebuia să se răspundă au fost „Cum are loc exact tranziția la turbulență?”, „Ce fel de oscilații ale flăcării oscilează mai întâi?” etc. Toate acestea, la rândul lor, au blocat mâinile cercetătorilor care căutau aplicații practice ale acestui efect în tehnologie (în general, turbulența flăcării este de mare importanță pentru industria rachetelor).

Un articol recent al echipei de cercetare ruso-suedeze A. Petchenko et al., Physical Review Letters, 97, 164501 (19 octombrie 2006) a făcut primul pas către construirea unei astfel de teorii. Autorii acestei lucrări au efectuat o simulare numerică detaliată a procesului de ardere a unui amestec de gaze într-o țeavă lungă și foarte îngustă, închisă la un capăt (amestecul a fost aprins de la capătul deschis, iar flacăra s-a propagat adânc în țeavă. ). Pentru simplitatea calculelor, a fost rezolvată o problemă mai degrabă bidimensională decât tridimensională, amestecul de gaze a fost considerat un gaz ideal, iar procesul de ardere a fost modelat printr-o reacție chimică ipotetică într-o singură etapă și ireversibilă cu eliberare și activare de căldură dată. energie. Dar toate gazele și termodinamica - compresia și expansiunea, fluxurile de gaze, transferul de căldură, structura frontului de flăcări - au fost luate în considerare pe deplin.

Rezultatele simulării au dovedit fără ambiguitate că, pe măsură ce capătul închis era apropiat, frontul de flăcări a început să „tremure”. Acest tremur a dat naștere unui ecou sonor de aceeași frecvență, care „a balansat” și mai mult flacăra. În imediata apropiere a capătului tubului, oscilațiile flăcării au devenit atât de puternice încât frontul de flăcări s-a pliat literalmente într-un acordeon. În fiecare perioadă a acestor oscilații, frontul de flăcări s-a destabilizat brusc, eliberând un jet îngust și foarte lung de gaz rece în regiunea ocupată de produsele fierbinți de ardere. Jetul s-a stins rapid, frontul flăcării s-a transformat într-un vârtej și apoi s-a nivelat din nou. Viteza curenților generați de aceste oscilații este de zece ori a depășit viteza „normală” de propagare a flăcării în spațiu deschis.

Oscilațiile puternice și turbulențele generate de acestea sunt de obicei prima etapă în trecerea la turbulențe. Autorii articolului, însă, nu se grăbesc să anunțe descoperirea mecanismului de turbulență a flăcării. Faptul este că puterea de calcul disponibilă astăzi permite ca o astfel de modelare detaliată să fie efectuată numai în conducte extrem de înguste, sau mai degrabă chiar în capilare. Modul în care acest proces se va schimba în conductele largi, pentru care s-au obținut date experimentale și în care efectul pereților asupra debitelor este mult mai slab, rămâne de studiat. Este, de asemenea, interesant de verificat dacă distorsiunile de flacără găsite în simulare sunt aceeași „flacără de lalele” care a fost observată de mult timp, dar încă rămâne neexplicată (vezi C. Clanet și G. Searby. Despre „Tulip Flame” Fenomen (PDF, 1,3 Mb) // Arderea și flacăra, 1996. V. 105. P. 225-238).

Cerințe pentru camerele de ardere și caracteristicile acestora

Camerele de ardere ale turbinelor cu gaz funcționează într-o gamă largă de sarcini. Acestea trebuie să aibă dimensiuni reduse, greutate, să fie eficiente la arderea diferitelor tipuri de combustibil. În plus, CS trebuie să asigure un nivel acceptabil de emisii nocive din produsele de ardere (oxizi de azot, oxizi de sulf). S-au impus cerințe speciale CS din punct de vedere al fiabilității operaționale, deoarece acestea se află în condiții severe de temperatură.

În plus, camerele de ardere trebuie să aibă:

· coeficient ridicat de completitudine a arderii;

pierderi mici de presiune;

dimensiuni mici, i.е. stres termic ridicat;

un câmp de temperatură dat;

pornire rapidă și fiabilă;

Resursă suficient de mare;

Ușurință suficientă de instalare și întreținere preventivă.

Eficiența arderii (sau randamentul camerei de ardere) este definită ca:

Unde Î1 este cantitatea de căldură efectiv eliberată în volumul de lucru al camerei; Q2 este cantitatea totală de căldură care, teoretic, ar putea fi eliberată în timpul arderii complete a combustibilului.

Flacăra din camera de ardere, care se dezvoltă în condiții de mișcare forțată cu o alimentare centrală cu combustibil, constă din trei zone principale: zona interioară I, zona de formare a amestecului și zona de ardere II și zona III - zona de aer exterior (Fig. . 4.2.

În zona II, 0 ≤ α ≥ ∞. Nu există aer în zona interioară α = 0.

În zona 2 are loc formarea amestecului și arderea. Este împărțit condiționat în două: intern - a și extern - b.

Zona interioară este umplută cu un amestec de gaz combustibil și produse de ardere, iar zona exterioară este umplută cu un amestec de produse de ardere și aer. Limita dintre zone este frontul flăcării de ardere. Acest interval conține toate regiunile de la α = 0 la α = ∞. În grosimea frontului de ardere α= 1; combustibilul, care se deplasează de la rădăcină la zona cozii, este diluat cu produse de ardere, iar aerul este saturat cu produse de ardere. Aceasta duce la faptul că în zona de ardere puterea calorică a combustibilului scade, adică. cantitatea de căldură scade

Orez. 4.2. Frontul flăcării.

pe unitatea de suprafață a frontului de ardere, condițiile de ardere se înrăutățesc până la posibila stingere a flăcării și îndepărtarea unei părți din combustibilul nears. Trebuie avut în vedere faptul că acest proces este caracteristic unui spațiu nelimitat. În arzătoarele reale, natura arderii, datorită faptului că debitul este limitat, este în mare măsură determinată de proprietățile aerodinamice ale arzătoarei. Mai mult, în zona de ardere se menține o temperatură ridicată, ceea ce duce la arderea amestecului la viteze foarte mari, în acest caz viteza de ardere este determinată în primul rând de viteza de formare a amestecului, deoarece viteza reacțiilor chimice va fi de multe ori mai mare decât viteza de formare a amestecului. Acest proces se numește ardere prin difuzie. Este ușor de controlat prin modificarea condițiilor de amestecare, care, la rândul lor, pot fi modificate prin măsuri structurale - utilizarea grătarelor inelare cu lame ca turbulatoare etc.

Una dintre principalele caracteristici ale camerei de ardere este valoarea stresului termic, care este raportul dintre cantitatea de căldură degajată în camera de ardere și volumul acesteia la presiunea de ardere.

J/m 2 MPa (4,10)

Unde R KS este presiunea fluidului de lucru în camera de ardere, MPa; V- volumul camerei de ardere, m 3.

Pe baza valorii densității termice specifice se determină volumul camerei de ardere.

Pentru a crea o ardere stabilă în întreaga gamă de moduri de funcționare, este important să se organizeze procesul de ardere, care este caracterizat de suprafața frontului flăcării de ardere și este determinat din ecuația:

Unde U T - viteza turbulentă de propagare a flăcării, este de obicei luată în intervalul (40 ÷ 60 m/s); F f - frontul flăcării de ardere; – căldura de ardere a amestecului; ρ cm - densitatea amestecului.

Puterea calorică netă a amestecului se determină din ecuația:

Densitatea amestecului este determinată din ecuația Mendeleev-Claiperon:

Unde T CC este temperatura amestecului din camera de ardere.

Frontul de flacără conform ecuației:

Arderea durabilă este posibilă cu F tf≥ F f.

Tema 4. TIPURI DE ARDER.

În funcție de diferite semne și caracteristici, procesele de ardere pot fi împărțite în următoarele tipuri:

În funcție de starea de agregare a substanței combustibile:

Arderea gazelor;

Arderea lichidelor și a solidelor în topire;

Arderea substanțelor solide neconsumabile asemănătoare prafului și compacte.

În funcție de compoziția de fază a componentelor:

ardere omogenă;

ardere eterogenă;

Arderea explozivilor.

În funcție de pregătirea amestecului combustibil:

Arderea prin difuzie (foc);

Combustie cinetică (explozie).

În funcție de dinamica frontului de flăcări:

Staționar;

Non-staționare.

După natura mișcării gazelor:

laminar;

Turbulent.

După gradul de ardere al unei substanțe combustibile:

Incomplet.

În funcție de viteza de propagare a flăcării:

Normal;

deflagraţie;

Detonaţie.

Să aruncăm o privire mai atentă la aceste tipuri.

4.1. Arderea substanțelor gazoase, lichide și solide.

In functie de starea de agregare a unei substante combustibile se distinge arderea gazelor, lichidelor, solidelor prafoase si compacte.

Conform GOST 12.1.044-89:

1. Gazele sunt substanțe a căror temperatură critică este mai mică de 50 ° C. T cr este temperatura minimă de încălzire a 1 mol de substanță într-un vas închis, la care se transformă complet în abur (vezi § 2.3).

2. Lichidele sunt substanțe cu un punct de topire (punct de picurare) mai mic de 50 ° C (vezi § 2.5).

3. Solidele sunt substanțe cu un punct de topire (picătură-cădere) mai mare de 50 0 C.

4. Praful sunt particule solide cu o dimensiune mai mică de 0,85 mm.

Zona în care are loc o reacție chimică într-un amestec combustibil, de ex. arderea se numește front de flacără.

Luați în considerare procesele de ardere în aer pe exemple.

Arderea gazelor într-un arzător cu gaz. Există 3 zone de flacără (Fig. 12.):

Orez. 12. Schema arderii gazelor: 1 - con transparent - acesta este gazul inițial care se încălzește (la temperatura de autoaprindere); 2 – zona luminoasa a frontului de flacara; 3 - produse de ardere (sunt aproape invizibili în timpul arderii complete a gazelor și, mai ales în timpul arderii hidrogenului, când nu se formează funingine).

Lățimea frontului de flăcări în amestecurile de gaze este de zeci de fracțiuni de milimetru.

Arderea lichidelor într-un vas deschis. Când ardeți într-un vas deschis, există 4 zone (Fig. 13):

Orez. 13. Arderea lichidelor: 1 - lichid; 2 - vapori lichizi (zone întunecate); 3 - front de flacara; 4 - produse de ardere (fum).

Lățimea frontului de flăcări în acest caz este mai mare; reacția decurge mai lent.

Arderea solidelor topite. Luați în considerare arderea unei lumânări. În acest caz, se observă 6 zone (Fig. 14):

Orez. 14. Arderea lumânării: 1 - ceară tare; 2 - ceară topită (lichidă); 3 – strat de vapori inchis transparent; 4 - front de flacara; 5 - produse de ardere (fum); 6 - fitil.

Fitilul care arde servește la stabilizarea arderii. Lichidul este absorbit în el, se ridică de-a lungul lui, se evaporă și arde. Lățimea frontului de flăcări crește, ceea ce crește zona de luminozitate, deoarece se folosesc hidrocarburi mai complexe, care, evaporându-se, se descompun și apoi reacţionează.

Arderea solidelor neconsumabile. Vom lua în considerare acest tip de ardere folosind exemplul arderii unui chibrit și a unei țigări (Fig. 15 și 16).

Există, de asemenea, 5 parcele aici:

Orez. 15. Arderea unui chibrit: 1 - lemn proaspăt; 2 - lemn carbonizat; 3 - gaze (substanțe volatile gazificate sau evaporate) - aceasta este o zonă transparentă întunecată; 4 - front de flacara; 5 - produse de ardere (fum).

Se poate observa că zona arsă a chibritului este mult mai subțire și are o culoare neagră. Aceasta înseamnă că o parte a meciului a fost carbonizată, de exemplu. partea nevolatilă a rămas, iar partea volatilă s-a evaporat și a ars. Viteza de ardere a cărbunelui este mult mai lent decât cea a gazelor, deci nu are timp să se ardă complet.

Fig.16. Arderea tigarilor: 1 - amestec initial de tutun; 2 - zona mocnit fara front de flacara; 3 - fum, i.e. produs al particulelor arse; 4 - fumul atras în plămâni, care este în principal produse gazificate; 5 - rășină condensată pe filtru.

Descompunerea termică-oxidativă fără flacără a unei substanțe se numește mocnit. Apare atunci când există o difuzie insuficientă a oxigenului în zona de ardere și poate apărea chiar și cu o cantitate foarte mică (1-2%). Fumul este albastru, nu negru. Aceasta înseamnă că conține mai multe substanțe gazeificate, decât arse.

Suprafața cenușii este aproape albă. Aceasta înseamnă că, cu un aport suficient de oxigen, are loc arderea completă. Dar în interiorul și pe marginea stratului de ardere cu cele proaspete există o substanță neagră. Aceasta indică arderea incompletă a particulelor carbonizate. Apropo, vaporii de substanțe rășinoase volatile se condensează pe filtru.

Un tip similar de ardere se observă în timpul arderii cocsului, adică. cărbune, din care s-au îndepărtat substanțele volatile (gaze, rășini) sau grafit.

Astfel, procesul de ardere a gazelor, lichidelor și majorității solidelor se desfășoară sub formă gazoasă și este însoțit de o flacără. Unele solide, inclusiv cele cu tendinta de ardere spontana, ard sub forma de mocnit la suprafata si in interiorul materialului.

Arderea substanțelor praf. Arderea stratului de praf are loc la fel ca în starea compactă, doar viteza de ardere crește datorită creșterii suprafeței de contact cu aerul.

Arderea substanțelor asemănătoare prafului sub formă de suspensie aero (nor de praf) poate avea loc sub formă de scântei, adică. arderea particulelor individuale, în cazul unui conținut scăzut de substanțe volatile care nu sunt capabile să formeze o cantitate suficientă de gaze în timpul evaporării pentru un singur front de flacără.

Dacă se formează o cantitate suficientă de substanțe volatile gazeificate, atunci are loc arderea la flăcări.

Arderea explozivilor. Acest tip include arderea explozivilor și a prafului de pușcă, așa-numitele substanțe condensate, în care combustibilul și oxidantul sunt deja legați chimic sau mecanic. De exemplu: în trinitrotoluen (TNT) C 7 H 5 O 6 N 3 × C 7 H 5 × 3NO 2, O 2 și NO 2 servesc ca agenți de oxidare; în compoziția prafului de pușcă - sulf, salpetru, cărbune; ca parte a explozibililor de casă, pulbere de aluminiu și azotat de amoniu, un liant - ulei solar.

4.2. Combustie omogenă și eterogenă.

Pe baza exemplelor luate în considerare, în funcție de starea de agregare a amestecului de combustibil și oxidant, i.e. din numărul de faze din amestec, se disting:

1. Arderea omogenă gazele și vaporii substanțelor combustibile din mediul unui oxidant gazos. Astfel, reacția de ardere se desfășoară într-un sistem format dintr-o fază (stare agregată).

2. Arderea eterogenă substanțe combustibile solide într-un mediu oxidant gazos. În acest caz, reacția are loc la interfață, în timp ce reacția omogenă se desfășoară pe tot volumul.

Aceasta este arderea metalelor, grafit, adică. materiale practic nevolatile. Multe reacții gazoase sunt de natură omogen-eterogenă, atunci când posibilitatea apariției unei reacții omogene se datorează originii unei reacții simultan eterogene.

Arderea tuturor substanțelor lichide și a multor substanțe solide, din care se eliberează vapori sau gaze (substanțe volatile), are loc în fază gazoasă. Fazele solide și lichide joacă rolul de rezervoare pentru produsele care reacţionează.

De exemplu, o reacție eterogenă de ardere spontană a cărbunelui trece într-o fază omogenă de ardere a substanțelor volatile. Reziduul de cocs arde heterogen.

4.3. Difuzie și ardere cinetică.

După gradul de preparare al amestecului combustibil, se disting difuzia și arderea cinetică.

Tipurile de ardere luate în considerare (cu excepția explozivilor) sunt arderea difuzivă. Flacără, adică zona de ardere a unui amestec de combustibil cu aer, pentru a asigura stabilitatea, trebuie alimentată constant cu combustibil și oxigen în aer. Debitul de gaz combustibil depinde numai de viteza de alimentare a acestuia către zona de ardere. Viteza de intrare a unui lichid combustibil depinde de intensitatea evaporării acestuia, adică. asupra presiunii vaporilor deasupra suprafeței lichidului și, în consecință, asupra temperaturii lichidului. Temperatura de aprindere numită cea mai scăzută temperatură a lichidului la care flacăra de deasupra suprafeței sale nu se stinge.

Arderea solidelor diferă de arderea gazelor prin prezența unei etape de descompunere și gazeificare, urmată de aprinderea produselor volatile de piroliză.

Piroliza- aceasta este încălzirea substanțelor organice la temperaturi ridicate fără acces la aer. În acest caz, are loc descompunerea sau scindarea compușilor complecși în compuși mai simpli (cocsificarea cărbunelui, crăparea uleiului, distilarea uscată a lemnului). Prin urmare, arderea unei substanțe combustibile solide în produsul de ardere nu este concentrată numai în zona de flacără, ci are un caracter în mai multe etape.

Încălzirea fazei solide determină descompunerea și degajarea gazelor care se aprind și ard. Căldura de la torță încălzește faza solidă, determinând gazeificarea acesteia și procesul se repetă, susținând astfel arderea.

Modelul de ardere solidă presupune prezența următoarelor faze (Fig. 17):

Orez. 17. Model de ardere

solid.

Încălzirea fazei solide. Pentru substanțele care se topesc, topirea are loc în această zonă. Grosimea zonei depinde de temperatura de conductivitate a substanței;

Piroliza, sau zona de reacție în fază solidă, în care se formează substanțe combustibile gazoase;

Pre flacără în fază gazoasă, în care se formează un amestec cu un agent oxidant;

O flacără, sau zonă de reacție în faza gazoasă, în care conversia produselor de piroliză în produse de combustie gazoasă;

produse de ardere.

Viteza de alimentare cu oxigen în zona de ardere depinde de difuzia acestuia prin produsul de ardere.

În general, deoarece viteza unei reacții chimice în zona de ardere în tipurile de ardere luate în considerare depinde de viteza de sosire a componentelor care reacţionează și de suprafața flăcării prin difuzie moleculară sau cinetică, acest tip de ardere se numește difuziune.

Structura flăcării a arderii prin difuzie constă din trei zone (Fig. 18):

Zona 1 conține gaze sau vapori. Nu există ardere în această zonă. Temperatura nu depășește 500 0 C. Se produc descompunerea, piroliza volatilelor și încălzirea la temperatura de autoaprindere.

Orez. 18. Structura flăcării.

În zona 2, se formează un amestec de vapori (gaze) cu oxigenul atmosferic și arderea incompletă are loc la CO cu reducere parțială la carbon (puțin oxigen):

CnHm + O2 → CO + CO2 + H2O;

În a treia zonă exterioară, produsele din a doua zonă sunt arse complet și se respectă temperatura maximă a flăcării:

2CO+O 2 \u003d 2CO 2;

Înălțimea flăcării este proporțională cu coeficientul de difuzie și cu debitul gazelor și este invers proporțională cu densitatea gazului.

Toate tipurile de ardere prin difuzie sunt inerente incendiilor.

Cinetică arderea este arderea gazelor, vaporilor sau prafului combustibil preamestecat cu un agent oxidant. În acest caz, viteza de ardere depinde numai de proprietățile fizico-chimice ale amestecului combustibil (conductivitate termică, capacitate termică, turbulență, concentrație de substanțe, presiune etc.). Prin urmare, viteza de ardere crește brusc. Acest tip de ardere este inerent exploziilor.

În acest caz, când amestecul combustibil este aprins la un moment dat, frontul de flacără se deplasează de la produsele de ardere în amestecul proaspăt. Astfel, flacăra în timpul arderii cinetice este cel mai adesea instabilă (Fig. 19).

Orez. 19. Schema de propagare a flăcării într-un amestec combustibil: - sursa de aprindere; - sensul de mișcare al frontului de flăcări.

Deși, dacă gazul combustibil este amestecat cu aer și introdus în arzător, atunci se formează o flacără staționară în timpul aprinderii, cu condiția ca viteza de alimentare a amestecului să fie egală cu viteza de propagare a flăcării.

Dacă debitul de alimentare cu gaz este crescut, flacăra se desprinde de arzător și se poate stinge. Și dacă viteza este redusă, atunci flacăra va fi atrasă în interiorul arzătorului cu o posibilă explozie.

După gradul de ardere, adică completitudinea reacției de ardere la produsele finite are loc arderea completă și incompletă.

Deci în zona 2 (Fig. 18) arderea este incompletă, deoarece este furnizat oxigen insuficient, care este parțial consumat în zona 3 și se formează produse intermediare. Acestea din urmă se ard în zona 3, unde este mai mult oxigen, până la arderea completă. Prezența funinginei în fum indică arderea incompletă.

Un alt exemplu: atunci când există o lipsă de oxigen, carbonul arde în monoxid de carbon:

Dacă adăugați O, atunci reacția se duce la sfârșit:

2CO + O 2 \u003d 2CO 2.

Viteza de ardere depinde de natura mișcării gazelor. Prin urmare, se disting arderea laminară și cea turbulentă.

Deci, un exemplu de ardere laminară este flacăra unei lumânări în aer nemișcat. La ardere laminară straturi de gaze curg în paralel, dar fără a se învârti.

Combustie turbulentă- mișcarea în vortex a gazelor, în care gazele de ardere sunt amestecate intens, iar frontul de flăcări este spălat. Granița dintre aceste tipuri este criteriul Reynolds, care caracterizează relația dintre forțele de inerție și forțele de frecare în flux:

Unde: u- debitul gazului;

n- vâscozitatea cinetică;

l- dimensiune liniară caracteristică.

Numărul Reynolds la care are loc tranziția unui strat limită laminar la unul turbulent se numește Re cr critic, Re cr ~ 2320.

Turbulența crește viteza de ardere datorită transferului de căldură mai intens de la produsele de ardere la amestecul proaspăt.

4.4. Arderea normală.

În funcție de viteza de propagare a flăcării în timpul arderii cinetice, se poate realiza fie ardere normală (în câțiva m/s), fie deflagrație explozivă (zeci de m/s), fie detonare (mii de m/s). Aceste tipuri de ardere pot trece unul în celălalt.

Arderea normală- aceasta este arderea în care propagarea flăcării are loc în absența perturbațiilor externe (turbulențe sau modificări ale presiunii gazului). Depinde doar de natura substanței combustibile, adică. efect termic, coeficienți de conductivitate termică și difuzie. Prin urmare, este o constantă fizică a unui amestec de o anumită compoziție. În acest caz, viteza de ardere este de obicei 0,3-3,0 m/s. Arderea normală este numită deoarece vectorul viteză al propagării sale este perpendicular pe frontul flăcării.

4.5. Combustie prin deflagrație (explozivă).

Arderea normală este instabilă și tinde să se auto-accelereze într-un spațiu închis. Motivul pentru aceasta este curbura frontului de flacără din cauza frecării gazului împotriva pereților vasului și a modificărilor de presiune în amestec.

Luați în considerare procesul de propagare a flăcării într-o țeavă (Fig. 20).

Orez. 20. Schema producerii arderii explozive.

În primul rând, la capătul deschis al țevii, flacăra se propagă la viteză normală, deoarece produsele de ardere se extind și ies liber. Presiunea amestecului nu se modifică. Durata răspândirii uniforme a flăcării depinde de diametrul conductei, de tipul de combustibil și de concentrația acestuia.

Pe măsură ce frontul de flacără se deplasează în interiorul conductei, produșii de reacție, având un volum mai mare față de amestecul inițial, nu au timp să iasă afară și presiunea lor crește. Această presiune începe să împingă în toate direcțiile și, prin urmare, înaintea frontului de flăcări, amestecul inițial începe să se miște în direcția de propagare a flăcării. Straturile adiacente pereților sunt decelerate. Flacăra are cea mai mare viteză în centrul țevii, iar cea mai mică viteză este în apropierea pereților (datorită eliminării căldurii în ei). Prin urmare, frontul de flăcări este extins în direcția de propagare a flăcării, iar suprafața acesteia crește. Proporțional cu aceasta, cantitatea de amestec combustibil crește pe unitatea de timp, ceea ce presupune o creștere a presiunii, iar apoi, la rândul său, crește viteza de mișcare a gazului etc. Astfel, există o creștere asemănătoare unei avalanșe a vitezei de propagare a flăcării până la sute de metri pe secundă.

Procesul de propagare a flăcării printr-un amestec de gaze combustibile, în care o reacție de ardere cu auto-accelerare se propagă datorită încălzirii prin conducerea căldurii dintr-un strat adiacent de produși de reacție, se numește deflagraţie. De obicei, ratele de ardere prin deflagrație sunt subsonice, adică. mai puțin de 333 m/s.

4.6. ardere prin detonare.

Dacă luăm în considerare arderea unui amestec combustibil în straturi, atunci ca rezultat al expansiunii termice a volumului produselor de ardere, de fiecare dată când apare o undă de compresie înaintea frontului de flăcări. Fiecare undă ulterioară, deplasându-se printr-un mediu mai dens, îl ajunge din urmă pe cel precedent și i se suprapune. Treptat, aceste unde se contopesc într-o singură undă de șoc (Fig. 21).

Orez. 21. Schema formării undei de detonare: 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.

Într-o undă de șoc, ca urmare a compresiei adiabatice, densitatea gazelor crește instantaneu și temperatura crește la T 0 de autoaprindere. Ca urmare, amestecul combustibil este aprins de o undă de șoc și detonaţie- propagarea arderii prin aprindere printr-o unda de soc. Valul de detonare nu se stinge, pentru că alimentat de undele de șoc de la flacăra care se mișcă în spatele ei.

O caracteristică a detonației este că are loc la o viteză supersonică de 1000-9000 m/s, determinată pentru fiecare compoziție a amestecului, deci este o constantă fizică a amestecului. Depinde doar de puterea calorică a amestecului combustibil și de capacitatea termică a produselor de ardere.

Întâlnirea unei unde de șoc cu un obstacol duce la formarea unei unde de șoc reflectate și la o presiune și mai mare.

Detonarea este cea mai periculoasă formă de propagare a flăcării, deoarece. are o putere maximă de explozie (N=A/t) și o viteză uriașă. În practică, detonația poate fi „neutralizată” doar în secțiunea de pre-detonare, adică. la o distanţă de la punctul de aprindere până la punctul de ardere de detonare. Pentru gaze, lungimea acestei secțiuni este de la 1 la 10 m.

O modificare a formei flăcării afectează în mod semnificativ natura arderii, deoarece este asociată cu o modificare a suprafeței frontului. Dimensiunea suprafeței flăcării este principalul factor care determină viteza de ardere a unui sistem cu o anumită compoziție. Aceasta rezultă din faptul că toate secțiunile flăcării, indiferent de forma lor, sunt echivalente, cu condiția ca raza de curbură a flăcării să fie mult mai mare decât lățimea frontului acesteia, adică. în toate cazurile practic importante. Odată cu creșterea suprafeței flăcării, procesul de ardere este intensificat, cantitatea totală de substanță care arde pe unitatea de timp crește. O modificare a formei flăcării este de obicei asociată cu deplasarea gazului în apropierea zonei de ardere, turbulența acesteia; în acest caz, frontul de flacără este împărțit într-un număr de centre mici și suprafața sa totală crește. Această caracteristică este utilizată, de exemplu, pentru a intensifica procesul de ardere prin turbulența artificială a gazului ars.

Să luăm în considerare ce formă dobândește flacăra în mod spontan atunci când se propagă printr-un mediu combustibil fix în absența forțelor exterioare care acționează asupra acesteia - perturbări. Deoarece mediul este omogen, toate direcțiile sunt echivalente și viteza flăcării de-a lungul lor este aceeași. În acest caz, frontul de flacără care se propagă dintr-o sursă punctiformă va avea forma unei suprafețe sferice cu rază în continuă creștere. În timpul propagării unei flăcări sferice, expansiunea gazului duce la faptul că mediul inițial nearse va fi împins la periferie. Cu toate acestea, gazul nu se turbulizează în acest caz, vitezele de mișcare atât a gazului, cât și a flăcării sunt aceleași în toate direcțiile, forma flăcării și la presiune constantă - iar viteza acesteia rămâne neschimbată.

Un alt mod caracteristic de propagare a unei flăcări netulburate apare atunci când un mediu combustibil este aprins printr-un impuls similar punctual la capătul deschis al unei conducte lungi. Flacăra rezultată va fi inițial sferică până când atinge pereții țevii (Fig. 1.1).

Deoarece propagarea flăcării se oprește în apropierea pereților, flacăra ia forma suprafeței exterioare a segmentului sferic, limitată de secțiunea transversală a conductei. Pe măsură ce flacăra se îndepărtează de punctul de aprindere și raza curburii sale crește, ea devine din ce în ce mai plată, coincizând până la limita cu secțiunea transversală a țevii.

Orez. 1.1.

Considerațiile de mai sus au făcut posibil să se stabilească că în timpul propagării flăcării în absența perturbațiilor externe, două forme de flacără sunt stabile: sferică pentru un spațiu nelimitat (problema tridimensională) și plană pentru o țeavă infinită (problema unidimensională). Aceste două tipuri vor fi abordate la limită prin forma oricărei flăcări, oricare ar fi ea la început.

Arderea normală

În absența perturbărilor în procesul de ardere, forma pe care o capătă frontul de flăcări în procesul de propagare a acestuia poate fi determinată pe baza următoarelor considerații. Fiecare punct al suprafeței flăcării poate fi considerat ca un impuls independent de aprindere, în jurul căruia se creează un nou front elementar de flacără. După un anumit interval de timp scurt, ca urmare a suprapunerii unor astfel de fronturi elementare, se formează un nou front total de flacără, care coincide cu anvelopa tuturor fronturilor sferice elementare generate de-a lungul frontului inițial.

Vom considera că zona flăcării luată în considerare este plată AB(Fig. 1.2); pentru o formă arbitrară a flăcării, orice porțiune suficient de mică a acesteia poate fi, de asemenea, considerată plată. Aplicarea principiului de construcție descris conduce la concluzia că noua poziție a flăcării A"B" va fi paralel cu originalul. Extinzând același principiu la mișcarea frontului de flăcări de formă arbitrară, ajungem la concluzia că mișcarea flăcării netulburate are loc în fiecare punct al frontului de-a lungul normalului la suprafața sa. Prin urmare, o astfel de ardere se numește normală (sau deflagrație). Viteza de mișcare a flăcării de-a lungul unui mediu combustibil staționar de-a lungul normalului la suprafața sa se numește viteza normală a flăcării. U n.

Orez. 1.2.

Valoare U n este principala caracteristică a unui mediu combustibil. Aceasta este viteza minimă la care o flacără se poate propaga printr-un mediu dat; corespunde formei plate a flăcării. Valoare U n, caracterizează nu numai viteza de ardere liniară, ci și volumetrică, determinând volumul mediului combustibil care se transformă în produse de reacție pe unitatea de timp pe unitatea de suprafață a flăcării. În consecință, dimensiunea U n poate fi exprimat ca cm/s sau ca cm3/(cm2-s).

Valoare U n, depinde puternic de compoziția mediului combustibil. Pe lângă specificul chimic al componentelor de reacție, viteza flăcării este afectată semnificativ de raportul dintre conținutul de combustibil și oxidant și concentrația componentelor inerte. O modificare a temperaturii inițiale a mediului combustibil și a presiunii totale au un efect mai slab. Mai jos sunt valorile maxime U n din unele amestecuri combustibile în condiții normale (în m/s):

• С2Н2 + O2 - 15,4;
• H2 + O2; - treisprezece;
• H2 + C12 - 2,2;
• CO + O2 + 3,3% H2O- 1,1;
• H2 + aer - 2,7;
• CO + aer + 2,5% H2O - 0,45;
• hidrocarburi saturate + aer - 0,32–0,40.

Expansiunea gazului în timpul încălzirii în timpul procesului de ardere duce la faptul că lângă frontul de flăcări există întotdeauna mișcarea gazului, chiar dacă inițial a fost staționar. Următoarele considerații explică modul în care afectează căldura

expansiunea gazelor și turbulența acestuia prin perturbații externe pe parcursul arderii adiabatice. Când un gaz este ars în interiorul unei țevi lungi deschise, o flacără plată care coincide cu secțiunea transversală a țevii va fi staționară dacă agentul combustibil este suflat în țeavă la o viteză în secțiune transversală constantă egală cu U n. Produsele de ardere curg de la celălalt capăt al conductei.

Notăm cu p densitatea gazului, indicele 0 reprezintă valorile care caracterizează mediul combustibil inițial, iar indicele b- Produse de ardere. Deoarece gazul se extinde în timpul arderii, viteza produșilor de reacție care părăsesc flacăra U b , > U n. Pentru fiecare 1 cm2 din suprafața flăcării, fluxul aduce în fiecare secundă U n cm3 dintr-un mediu combustibil, a cărui masă este U n r o. Volumul produselor de reacție care se îndepărtează de aceeași zonă a flăcării este Ub, iar masa este Ubrb. Masele gazului inițial și ale produselor de reacție sunt egale, de unde rezultă că

Unro=Ubrb. (1*1)

Ecuația (1.1) exprimă legea conservării materiei pentru procesul de ardere.

Am stabilit că chiar și cu un front plat, flacăra poate avea viteze diferite: Un sau U b în funcție de ce mediu este staționar. Raportul vitezelor în gazul de ardere este ilustrat de diagrama prezentată în fig. 1.3.

Orez. treisprezece.

U n este viteza normală a flăcării; U b este viteza produșilor de reacție care părăsesc flacăra; T 0 este temperatura inițială a mediului inițial; T b este temperatura produșilor de reacție; r0, rb sunt densitățile gazului inițial și ale produșilor de reacție

Când situația 1 flacăra este liniştită; mediul combustibil care curge în conductă se deplasează spre dreapta cu o viteză U n ; în aceeași direcție dar cu o viteză U b produse în mișcare ale arderii. Dacă mediul combustibil este staționar (situația 2), care are loc în timpul arderii într-o țeavă închisă la un capăt, atunci flacăra se deplasează prin el cu o viteză U n, iar produșii de reacție curg în direcția opusă cu o viteză U b- U n. Într-o situație 3 atunci când sunt aprinse la capătul închis al conductei, produsele de ardere sunt imobili. Flacăra se mișcă cu o viteză U b în ceea ce privește pereții conductei (și gazul ars); în aceeași direcție cu o viteză U b – U n gazul care arde se deplasează, deplasat din conductă prin dilatarea produselor de reacție. Viteza flăcării dar în raport cu produsele de ardere este mult mai mare decât în ​​raport cu gazul sursă - cu un factor de r0/rb.

Valoare G=U r, numită viteza de ardere a masei, determină masa unei substanțe care arde pe unitatea de timp pe unitatea de suprafață a flăcării. Desigur, este același lucru atât pentru mediul inițial, cât și pentru cel final, precum și în toate zonele intermediare.

Să luăm în considerare condițiile de ardere într-un front de flacără de formă arbitrară, situat nemișcat în fluxul de gaz care arde (într-o țeavă).

Flacăra este staționară în cazul în care cantitatea de gaz care arde este exact compensată de cantitatea de intrare. Dacă suprafaţa flăcării este F, atunci volumul total de gaz ars pe unitatea de timp este egal cu U t F. Aceeași viteză volumetrică poate fi definită în alt mod: ca produs WS, Unde W- viteza liniară medie (pe secțiunea transversală a curgerii) a gazului; S este secțiunea transversală a fluxului. Din egalitatea ambelor măreții rezultă:

Acest rezultat este valabil și pentru un mediu combustibil staționar, deci w- viteza de deplasare a flăcării curbe de-a lungul acesteia. Această viteză este de câte ori mai mare decât viteza normală a flăcării, de câte ori suprafața flăcării este mai mare decât secțiunea transversală a fluxului. Când o flacără plată este îndoită și suprafața ei este mărită, viteza flăcării crește în mod corespunzător. Ecuația (1.2), numită de obicei dreptul zonei, exprimă trăsătura fundamentală a procesului de ardere: odată cu creșterea suprafeței flăcării, arderea se intensifică, iar limita unei astfel de intensificări este determinată doar de caracteristicile gazodinamice descrise mai jos.

Curbura suprafeței flăcării este o consecință a turbulenței gazului care arde, spontană sau forțată.

Dacă gazul de ardere este foarte turbulent și regiunile elementare mici ale mediului combustibil rece sunt în mare parte amestecate cu produse fierbinți de ardere, atunci flacăra nu mai poate fi considerată ca o suprafață care separă două medii. Apare o zonă difuză turbulentă, în care rata totală de transformare chimică este și ea mare, ceea ce se datorează suprafeței extrem de dezvoltate a flăcării.

Modurile de ardere cu flagrație pentru un mediu cu o compoziție dată diferă doar prin viteza de propagare a flăcării la diferite grade de dezvoltare a suprafeței sale. Această împrejurare este esențială pentru clarificarea convenționalității terminologiei utilizate frecvent. Conceptul de „explozie” în legătură cu răspândirea flăcării nu poate fi caracterizat altfel decât ca o ardere destul de rapidă într-un mediu foarte turbulent, cu o viteză a flăcării de ordinul a zece până la o sută de metri pe secundă. Arderea „lentă” diferă de „explozie” doar prin gradul de dezvoltare a suprafeței flăcării. În mod fundamental, imposibil de distins de cele descrise sunt alte tipuri de propagare a flăcării, de exemplu, caracterizate prin termenii „flash” și „pop”. Numai când viteza flăcării se apropie de viteza sunetului într-un mediu combustibil, procesul de ardere capătă un caracter nou, calitativ special.

Perturbații care deformează o flacără plată sau sferică apar întotdeauna, chiar și în absența mișcării forțate a gazului; sunt cauzate de gravitație și frecare. Primul duce la apariția fluxurilor convective datorită diferenței de densități ale mediului combustibil și a produselor de ardere, al doilea se manifestă în timpul deplasării gazului care arde în țeavă și al decelerarii acestuia de către pereți. Este convenabil să urmăriți efectul perturbațiilor asupra regularităților arderii într-un tub lung plasat vertical și deschis la un capăt. Dacă dați foc unui mediu combustibil la capătul inferior, deschis al țevii (Fig. 1.4, A), atunci se creează condiții favorabile desfășurării fluxurilor convective, întrucât gazul sursă nearse, care are o densitate mare, se află deasupra produselor de ardere ușoare. Flacăra tinde să se întindă de-a lungul axei țevii. Când este aprinsă la capătul superior, închis al țevii (Fig. 1.4, b), nu au loc fluxuri convective, totuși, zona de ardere este intens turbulizată de forțele de frecare. Gazul care arde și se extinde curge din conductă. Debitul unui mediu combustibil sub influența vâscozității se modifică de-a lungul secțiunii transversale a țevii, este maxim de-a lungul axei și egal cu zero în apropierea pereților (Fig. 1.5).

Orez. 1.4.

În consecință, frontul de flacără este îndoit. Când este aprins la capătul deschis superior, grosier (Fig. 1.4, în) posibilitatea de turbulență a zonei de ardere este minimă: produsele de ardere sunt deasupra gazului care arde, iar gazul rece este nemișcat. Cu toate acestea, pe măsură ce flacăra se îndepărtează de marginea țevii, forța de frecare crește, iar turbulența se răspândește la gazul care arde.

Dacă arderea nu este însoțită de pierderi de căldură, de ex. decurge adiabatic, apoi energia chimică a sistemului combustibil este complet transformată în energia termică a produselor de reacție. Deoarece temperatura flăcării este ridicată, vitezele reacțiilor care apar în ea sunt mari și se poate stabili rapid o stare de echilibru termodinamic. Temperatura produselor de ardere adiabatică nu depinde de vitezele de reacție în flacără, ci depinde doar de efectul termic total și de capacitățile termice ale produselor finite. Această temperatură se numește temperatura de ardere termodinamică. T b. Valoare T b este cea mai importantă caracteristică a unui mediu combustibil; pentru mediile combustibile obișnuite, are valori de 1500–3000 K. Mai jos, luăm în considerare în detaliu măsura în care ipotezele făcute corespund realității și ce semnificație are regimul termic de ardere pentru problemele de siguranță la explozie. Cu un proces adiabatic și o stare de echilibru a produselor de ardere T b – temperatura maximă atinsă în flacără. Temperatura reală a produșilor de reacție de echilibru este mai scăzută atunci când apar pierderi de căldură din gazul de ardere. Problema pierderilor de căldură, după cum se va vedea din cele ce urmează, este de o importanță decisivă pentru rezolvarea problemelor de asigurare a siguranței la explozie. În timpul propagării staționare a flăcării, are loc un transfer intens de căldură prin conducție în mediul combustibil inițial rece. Cu toate acestea, acest proces nu este asociat cu pierderile de căldură din zona de ardere. Îndepărtarea căldurii din fiecare strat de ardere de gaz către cel vecin, care încă nu a reacționat, este compensată exact de aportul echivalent de căldură către același strat în etapa anterioară, când acesta era el însuși rece. Încălzirea nestaționară, necompensată are loc în momentul inițial când mediul combustibil este aprins de impulsul inițial. Cu toate acestea, pe măsură ce flacăra se îndepărtează de punctul de aprindere, această cantitate suplimentară de căldură este distribuită într-o cantitate din ce în ce mai mare de produse de ardere, iar rolul ei în încălzirea suplimentară este redus continuu.

Orez. 1.5.

Din cele de mai sus rezultă că în timpul arderii sunt posibile pierderi de căldură ca urmare a radiației gazului încălzit și a contactului acestuia cu o suprafață solidă. Rolul eliminării căldurii prin radiație va fi luat în considerare în cele ce urmează, dar deocamdată vom presupune că astfel de pierderi sunt neglijabil de mici pentru zona al cărei regim termic determină viteza flăcării. Răcirea prin conducere a produselor de ardere atunci când acestea intră în contact cu pereții vaselor și aparatelor are loc foarte intens, ceea ce se datorează diferenței mari de temperatură dintre pereți și gaz. Prin urmare, după finalizarea arderii în vase de dimensiuni comune, răcirea semnificativă a produselor de ardere din ele este finalizată în mai puțin de 1 s.

Răcirea gazului care arde de către pereți este, de asemenea, esențială pentru problemele noastre. Deoarece îndepărtarea căldurii către pereți începe numai după ce aceștia sunt atinși de o flacără, astfel de pierderi depind în mare măsură de forma și dimensiunea vasului în care are loc reacția și de poziția punctului de aprindere. În timpul arderii într-un vas sferic și aprinderii centrale, pierderile de căldură prin conducție apar numai după ce arderea este finalizată.

Temperatura de ardere este determinată de legea conservării energiei în timpul tranziției adiabatice a energiei chimice a unui mediu combustibil în energia termică a produselor de ardere. Evident, componentele amestecului combustibil nu sunt echivalente. Stocul de energie chimică este determinat de conținutul componentului lipsă în rapoarte stoichiometrice, care este consumat complet în reacție. O parte din cealaltă componentă, excesul, rămâne nereacționat în timpul interacțiunii. Este egal cu diferența dintre conținutul inițial al componentului în exces și cantitatea necesară pentru a lega complet componenta lipsă. Dacă conținutul de componentă lipsă crește din cauza conținutului de componentă inertă care nu participă la reacție, atunci rezerva molară de energie chimică a amestecului combustibil va crește. O astfel de înlocuire a componentei în exces lasă energia chimică neschimbată.

Să explicăm aproximativ cum se realizează legea conservării energiei în timpul arderii. Rezerva de energie chimică a sistemului combustibil va fi considerată egală cu π1Q), unde π1 este concentrația componentului lipsă; Q este efectul termic al arderii sale. Căldura de reacție este cheltuită pentru încălzirea tuturor componentelor amestecului: produșii de reacție rezultați, componentele în exces și inerte. În cazul în care un Cu este capacitatea termică medie a cantității de produse de ardere care s-a format din 1 mol din amestecul inițial, apoi creșterea stocului de căldură fizică este egală cu Cu(T b- T 0), unde T 0 este temperatura inițială a mediului combustibil. După condiţia adiabatică

Calculul exact al stării produselor de ardere adiabatică este mult mai complicat.

În arderea adiabatică, valoarea temperaturii de ardere determină densitatea produselor finite și, prin urmare, relația dintre vitezele flăcării. U n și U b. În acest caz, trebuie luat în considerare faptul că, ca urmare a reacției, numărul de molecule pe unitate de masă s-a modificat în P o singura data. Conform legilor gazelor ideale

Sens Pîn procesele de ardere este în mare parte aproape de unitate. Deci, la transformarea unui amestec stoechiometric 2CO + O2 (combustie în 2CO2) P= 2/3, pentru un amestec similar de CH4 + 2O2 (combustie la CO2 + 2H2O) n = 1 etc. În timpul arderii amestecurilor cu compoziție nestoichiometrică și amestecurilor care conțin componente inerte, numărul total de molecule (ținând cont de conținutul componentelor care nu participă la reacție) se modifică și mai puțin.

În timpul arderii adiabatice, temperatura gazului crește cu un factor de 5-10. Dacă presiunea rămâne constantă în timpul arderii și gazul se extinde liber, și n= 1, atunci densitatea sa se modifică cu aceeași cantitate și același raport U b la viteza normală a flăcării. Dacă arderea adiabatică are loc fără expansiune a gazului, într-un vas închis, atunci presiunea crește cu aproximativ aceeași măsură. Acesta este ceea ce determină efectul distructiv al arderii rapide într-un vas închis.

Conceptul de „ardere” nu poate fi formulat fără ambiguitate. Vom numi arderea o transformare chimică rapidă auto-accelerată, însoțită de eliberare intensă de căldură și emisie de lumină. În consecință, o flacără (fierbintă) este un mediu gazos în care o reacție chimică intensă duce la luminiscență, eliberare de căldură și auto-încălzire semnificativă.

Astfel de definiții sunt convenabile, dar nu chiar clare și universale. Este dificil de precizat exact care reacție este suficient de rapidă pentru a fi considerată ardere. Și mai puțin clar este conceptul de explozie. În viitor, ne vom familiariza cu existența flăcărilor reci, în care reacția chimică este însoțită de o strălucire, dar se desfășoară cu o viteză moderată și fără încălzire vizibilă.

Potrivit lui D. L. Frank-Kamenetsky, „combustia este fluxul unei reacții chimice în condiții de auto-accelerare progresivă asociată cu acumularea de căldură sau catalizare a produselor de reacție în sistem”. Aici este evidentă dorința de a acoperi fenomenele de dezvoltare atât termică, cât și autocatalitică a reacției. Cu toate acestea, o astfel de generalizare duce la faptul că fenomenele care nu pot fi atribuite proceselor de ardere se încadrează în această definiție. Acestea includ reacții fără flacără în fazele gazoase și lichide, însoțite de autoaccelerare limitată, dar care nu se transformă într-o explozie termică sau valoroasă, când viteza de reacție atinge un maxim moderat sau are loc stropirea componentelor unui mediu combustibil neomogen.

Ar fi inacceptabil să se limiteze procesele de ardere prin condiția completității reacției, deoarece în multe procese explozive necondiționat reacția rămâne incompletă.

Dificultățile în definirea arderii sunt recunoscute de B. Lewis și G. Elbe: „Conceptele de ardere, flacără și explozie, destul de flexibile, sunt încă folosite oarecum arbitrar” .

Complicațiile în determinarea arderii reflectă absența granițelor ascuțite în complexul de fenomene fizico-chimice specifice arderii. Autoaccelerarea reacției, autoîncălzirea, acumularea de produși activi, radiațiile de diferite intensități și lungimi de undă există atât în ​​procese legate, cât și fără legătură cu categoria de ardere; diferenta este doar cantitativa. Din acest motiv, orice definiție a arderii va fi inexactă sau incompletă.

Ideile dezvoltate ne permit să presupunem că pentru ca procesul să se desfășoare în funcție de tipul de ardere sunt necesare doar două condiții: această reacție trebuie să fie exotermă și să accelereze odată cu creșterea temperaturii. Acesta din urmă este caracteristic pentru majoritatea proceselor chimice; prin urmare, s-ar părea că orice reacție exotermă se poate dezvolta în modul de ardere. Din ceea ce rezultă că existența unei arderi stabile necesită îndeplinirea unei alte condiții suplimentare importante legate de propagarea frontului de flăcări într-un tub orizontal.

Unele caracteristici ale fluxului unei reacții exoterme diferă atunci când curge într-o țeavă. Când un mediu combustibil este aprins din partea capătului deschis, flacăra capătă o formă specifică, alungită cu o înclinare înainte (Fig. 1.6).

Orez. 1.6.

1 – limita de contact a flăcării; 2 – limita frontală a imaginii flăcării (intersecția frontului și planul de simetrie); M– punctul de viteza maximă a gazului

Pe o anumită porțiune a traseului după inițiere, arderea continuă staționară, cu o viteză constantă. Pe măsură ce raportul crește h/d, Unde h- inaltimea coloanei de produse de ardere, in limita - lungimea conductei; d– diametrul țevii, forțele de frecare a gazului împotriva pereților cresc atât de mult încât provoacă turbulențe progresive ale gazelor în zona de ardere și accelerare instabilă a flăcării conform legii zonei.

Forma înclinată a flăcării într-un tub orizontal se datorează diferenței mari de densități ale mediului inițial și ale produselor de ardere. Frontul de flacără este interfața dintre aceste două medii. Pentru a explica consecințele diferenței în densitățile lor, folosim următoarea analogie. Într-o țeavă orizontală (Fig. 1.7, A) sunt două lichide nemiscibile de densități diferite, precum mercurul (dreapta) și apa (stânga), separate printr-un compartiment vertical. Dacă partiția este îndepărtată, atunci diferența de densitate provoacă mișcarea lichidelor: mercurul greu va curge în stânga și în jos, apa va fi situată deasupra mercurului, deplasându-se spre dreapta și în sus. Interfața va fi înclinată înainte, suprafața sa crește continuu (Fig. 1.7, b). Fluxuri similare apar în timpul arderii gazului, totuși, transformarea unui mediu combustibil greu în produse de reacție ușoare împiedică creșterea nelimitată a suprafeței flăcării, a cărei dimensiune și formă devin staționare. Abaterea secțiunii superioare a frontului de flăcări către produsele de ardere se datorează decelerării gazului din apropierea peretelui sub influența frecării.

Orez. 1.7.

A- înainte de îndepărtarea septului; b- după îndepărtarea septului

Forma unei flăcări staționare (în zona de propagare uniformă) este determinată de raporturile dintre viteza normală a flăcării și viteza gazului în secțiunile corespunzătoare ale frontului. Să luăm în considerare aceste relații pentru punctul cel mai avansat al frontului M(vezi Fig. 1.6), unde flacăra este normală cu axa conductei și, prin urmare, cu direcția de mișcare a întregului front. Viteza totală a flăcării de-a lungul axei conductei U f la punct M este, de asemenea, suma vitezei flăcării în raport cu gazul U n și componenta de viteză a gazului însuși în aceeași direcție W M :

Pentru orice secțiune mică înclinată a flăcării AB(Fig. 1.8), formând un unghi cu axa conductei, mișcarea flăcării prin gaz de-a lungul normalului spre AB cu viteza U n (până la poziția A"B") este în mod evident asociat cu deplasarea elementului de flacără de-a lungul axei conductei cu o viteză U n / sinβ. Viteza totală de mișcare a elementului de flacără de-a lungul axei țevii este aceeași cu cea a punctului M, este suma vitezei de ardere în sine în această direcție și componenta vitezei curgerii gazului W. Deoarece forma flăcării este staționară, înseamnă că vitezele tuturor elementelor sale sunt egale:

(1.6)

În fiecare punct al flăcării, panta acesteia este determinată de valoarea locală a componentei vitezei fluxului de gaz de-a lungul axei. La fel de U n/sinβ > U n , W M >W, viteza gazului este maximă în acest punct M. Valoare W scade în apropierea pereților și chiar devine negativ (unde mediul combustibil „se scurge” sub stratul de produse de ardere). Zona flăcării AB, deplasarea la fundul conductei este înlocuită cu una nouă generată la punctul de aprindere M.

Orez. 1.8.

Cu o creștere a diametrului conductei crește convecția gazului care arde, în timp ce viteza totală a flăcării crește aproximativ proporțional cu rădăcina pătrată a d. Pe măsură ce viteza normală a flăcării crește, la fel crește U f (când d= const), dar mai lent decât U n. La o anumită valoare U n, se observă o tranziție bruscă a formei flăcării de la oblică la semisferică.

Un regim de ardere staționar într-un flux este adesea întâlnit atunci când se utilizează un arzător Bunsen. Acest dispozitiv aparent simplu este un tub prin care este alimentat continuu un mediu combustibil. Când este aprins, la ieșirea arzătorului se formează o flacără staționară - o flacără Bunsen, a cărei formă este aproape conică. Regularitățile care caracterizează flacăra Bunsen au fost stabilite de lucrările unuia dintre fondatorii teoriei arderii, V. A. Michelson.

Arderea staționară într-o flacără Bunsen este posibilă la diferite debite. Când această viteză se modifică, forma conului Bunsen se modifică în mod corespunzător și, odată cu acesta, suprafața acestuia, conform legii zonei. În acest caz, baza conului rămâne neschimbată, coincizând aproximativ cu secțiunea de ieșire a arzătorului, iar înălțimea crește într-un flux rapid și scade într-un lent. Arderea stabilă, în care are loc o astfel de autoreglare a formei flăcării, este posibilă pe o gamă largă de debite de gaz. Numai la o viteză foarte mare a gazului se rupe flacăra, se atenuează. Dacă viteza gazului devine suficient de mică, în medie aproape de U n, flacăra se propagă spre flux, intrând în interiorul arzătorului - are loc o „pătrugere” a flăcării.

Orez. 1.9.

Arderea într-o flacără Bunsen este complicată de interacțiunea secundară a produselor de ardere incompletă cu aerul atmosferic dacă amestecul combustibil conține un exces de combustibil. În acest caz, pe lângă cel principal, intern, se formează un secundar, așa-numitul con de flacără Bunsen extern. Pentru a preveni formarea unui con extern, flacăra arzătorului este uneori înconjurată de un mediu de gaz inert.

Modelele care determină forma unei flăcări Bunsen pot fi stabilite luând în considerare comportamentul unei secțiuni plate (mice) a unei flăcări staționare L Vîn fluxul de gaz ars (fig. 1.9).

Dacă gazul ar fi staționat, atunci flacăra s-ar deplasa pe normal AB cu viteza U n, iar de-a lungul fluxului - cu o viteză U n/sin β, unde β este unghiul dintre ABși axa conductei. Această componentă a vitezei de ardere este egală cu debitul local W, pentru că flacăra este încă:

Ecuația (1.7), obținută de V. A. Mikhelson, este un caz special al ecuației (1.6) - pentru o flacără staționară ( U f = 0); o viteză negativă a gazului indică faptul că direcțiile de viteză ale gazului și ale flăcării sunt opuse. Ecuația (1.7) determină pentru fiecare punct al suprafeței flăcării valoarea unghiului β și, prin urmare, forma staționară a întregii flăcări în ansamblu. Dacă în orice punct al conului Bunsen componenta vitezei de curgere a gazului normală la flăcări se dovedește a fi mai mare decât viteza normală a flăcării, atunci fluxul de gaz va duce acest element al flăcării departe de gura arzătorului. În acest caz, înclinația elementului de flacără față de axa curgerii crește (deoarece baza conului este fixă), iar unghiul β va scădea până când componenta vitezei curgerii este egală cu U n. Schimbările inverse vor avea loc când Wsin β< U n.

Dacă viteza gazului ar fi constantă pe toată secțiunea transversală a fluxului, atunci flacăra nu ar avea curbură și conul Bunsen ar fi drept. Cu un flux laminar de gaz într-o țeavă, distribuția vitezelor pe secțiunea transversală este parabolică, este determinată de legea Poiseuille

(1.8)

Unde W(r) este viteza curgerii la o distanta r din axa conductei; R 0 – raza conductei; W 0 = W(r= 0) este viteza maximă a curgerii.

Debit mediu W, egal cu debitul de gaz pe unitate de secțiune a conductei, calculăm prin medie:

(1.9)

acestea. W jumătate din câte W 0. În acest caz, trebuie avut în vedere că, după ce gazul iese din arzător, distribuția vitezelor în flux se va modifica oarecum. În cazul distribuţiei vitezelor gazelor conform legii Poiseuille pentru egal W conurile de flacără pentru toate arzătoarele sunt similare din punct de vedere geometric.

Am văzut deja că existența unei flăcări Bunsen într-o gamă largă de debite de gaz arse se datorează stabilității bazei conului, fixării flăcării la inelul de întrerupere a arzătorului. O astfel de stabilizare se datorează particularităților arderii în această zonă. Experiența arată că există un mic spațiu între baza flăcării și tăietura arzătorului, arderea începe la o anumită distanță de marginea țevii. Acest lucru se datorează faptului că arderea este imposibilă lângă suprafață, deoarece temperatura staționară a gazului în această zonă este prea scăzută. Din același motiv, este imposibil ca flacăra să fulgeră în conducta de-a lungul pereților, unde viteza de curgere a gazului este mai mică. U n.

În zona inelului de stabilizare la o anumită distanță de marginea arzătorului, arderea devine posibilă, cu toate acestea, viteza flăcării în această zonă este mai mică. U n din cauza pierderilor de căldură. Pe măsură ce ne îndepărtăm de marginea arzătorului și oprim decelerația fluxului de perete, viteza gazului de-a lungul inelului crește și ea. r = R 0. La o anumită înălțime, se compară cu viteza flăcării.

În aceste puncte, flacăra este fixată în mod constant: mai aproape de marginea arzătorului, arderea este imposibilă, la o distanță mai mare, viteza flăcării este mai mare decât viteza gazului, iar flacăra se va apropia de arzător până când ambele viteze sunt egale. Conform aceluiași mecanism, flacăra poate fi stabilizată în curgerea unui mediu combustibil în apropierea diferitelor obstacole fixe, de exemplu, lângă un inel de sârmă plasat deasupra arzătorului, sau la capătul unei tije situate în interiorul arzătorului. În acest din urmă caz, se formează așa-numitul con Bunsen inversat, răsturnat și stabilizat într-un punct fix - în partea de sus.

După cum arată analiza regimului termic de ardere, atunci când o flacără staționară se află în interiorul conductei, căldura este îndepărtată din gaz către perete, iar flacăra este îndreptată printr-o convexitate către gazul nearse, adică. are forma unui menisc. La o intensitate mare de îndepărtare a căldurii, de ex. langa perete in sine, nu poate exista deloc si se rupe la o oarecare distanta de el, la fel ca atunci cand se afla in afara conductei, deasupra gurii arzatorului. Vedem că arderea într-o flacără Bunsen, în ciuda simplității acestui dispozitiv, este un proces foarte complex, care se distinge prin multe caracteristici specifice.