Spaľovanie zmesi plynov v uzavretých rúrach vytvára ozvenu, ktorá vedie k úplnému preskupeniu čela plameňa. Detaily tohto javu boli prvýkrát reprodukované v numerických simuláciách.

Plameň v interakcii so silnou zvukovou vlnou môže vytvárať zaujímavé priestorové štruktúry (pozri napríklad pôsobivé video s „vizualizáciou ohňa“ zvukových vĺn). V tomto prípade zvuková vlna nemusí byť vonkajšia: intenzívne spaľovanie plynnej zmesi paliva a okysličovadla v uzavretom objeme, napríklad v potrubí, vytvára ozvenu, ktorá môže skresliť čelo plameňa a zmeniť režim reakcie spaľovania. .

Skreslenie tvaru plameňa pri spaľovaní v potrubiach je známe už viac ako sto rokov, ale až pri klasických experimentoch Jeffreyho Sirbyho (G. Searby) v roku 1992 bola vykonaná systematická štúdia tohto procesu. Najmä Sirby pozoroval turbulenciu plameňa pod pôsobením vlastnej ozveny. Tento jav sám osebe nevyzerá prekvapivo, no teoretický popis tohto procesu ešte nebol navrhnutý. Otázky, ktoré bolo potrebné zodpovedať, boli „Ako presne dochádza k prechodu do turbulencie?“, „Aký druh oscilácií plameňa sa rozvinie ako prvý?“ Toto všetko zase spútalo ruky výskumníkov, ktorí hľadali praktické aplikácie tohto efektu v technológii (všeobecne povedané, turbulencia plameňa má veľký význam pre raketový priemysel).

Nedávny článok rusko-švédskeho výskumného tímu A. Petchenko et al., Physical Review Letters, 97, 164501 (19. október 2006) urobil prvý krok k vytvoreniu takejto teórie. Autori tejto práce vykonali podrobnú numerickú simuláciu procesu spaľovania zmesi plynov v dlhom a veľmi úzkom potrubí, uzavretom na jednom konci (zmes bola zapálená z otvoreného konca a plameň sa šíril hlboko do potrubia ). Pre jednoduchosť výpočtov bol riešený skôr dvojrozmerný ako trojrozmerný problém, zmes plynov bola považovaná za ideálny plyn a proces spaľovania bol modelovaný hypotetickou jednostupňovou a ireverzibilnou chemickou reakciou s daným uvoľňovaním a aktiváciou tepla. energie. Ale všetky plyny a termodynamika - kompresia a expanzia, toky plynov, prenos tepla, štruktúra čela plameňa - boli zohľadnené v plnej miere.

Výsledky simulácie jednoznačne preukázali, že pri priblížení sa k uzavretému koncu sa čelo plameňa začalo „chvieť“. Toto chvenie vyvolalo zvukovú ozvenu rovnakej frekvencie, ktorá plameň ešte viac „rozvibrovala“. V bezprostrednej blízkosti konca trubice oscilácie plameňa zosilneli tak, že čelo plameňa sa doslova poskladalo do harmoniky. Počas každej periódy týchto oscilácií sa čelo plameňa prudko destabilizovalo a uvoľnilo úzky a veľmi dlhý prúd studeného plynu do oblasti obsadenej horúcimi produktmi spaľovania. Prúd potom rýchlo vyhorel, čelo plameňa sa zmenilo na víchricu a potom sa opäť vyrovnalo. Rýchlosť prúdov generovaných týmito osciláciami je desaťkrát prekročila „normálnu“ rýchlosť šírenia plameňa v otvorenom priestore.

Silné kmity a nimi generované víry sú zvyčajne prvým stupňom prechodu do turbulencie. Autori článku sa však s oznámením objavu mechanizmu turbulencie plameňa neponáhľajú. Faktom je, že výpočtový výkon, ktorý je dnes k dispozícii, umožňuje takéto detailné modelovanie realizovať len v extrémne úzkych potrubiach, či skôr dokonca v kapilárach. Ako sa tento proces zmení v širokých potrubiach, pre ktoré boli získané experimentálne údaje a v ktorých je vplyv stien na prietoky oveľa slabší, je potrebné preskúmať. Je tiež zaujímavé skontrolovať, či deformácie plameňa nájdené v simulácii sú tým istým „plameňom tulipánu“, ktorý bol pozorovaný dlhú dobu, ale stále zostáva nevysvetlený (pozri C. Clanet a G. Searby. O „plamene tulipánu“ Fenomén (PDF, 1,3 Mb) // Spaľovanie a plameň, 1996. V. 105. S. 225-238).

Požiadavky na spaľovacie komory a ich charakteristiky

Spaľovacie komory plynových turbín pracujú v širokom rozsahu zaťažení. Musia mať malé rozmery, hmotnosť, byť efektívne pri spaľovaní rôznych druhov paliva. Okrem toho musia CS zabezpečiť prijateľnú úroveň škodlivých emisií z produktov spaľovania (oxidy dusíka, oxidy síry). Na CS boli kladené špeciálne požiadavky z hľadiska prevádzkovej spoľahlivosti, keďže sú v náročných teplotných podmienkach.

Okrem toho musia mať spaľovacie komory:

· vysoký koeficient úplnosti spaľovania;

malé tlakové straty;

malé rozmery, t.j. vysoký tepelný stres;

dané teplotné pole;

rýchly a spoľahlivý štart;

Dostatočne veľký zdroj;

Dostatočne jednoduchá inštalácia a preventívna údržba.

Účinnosť spaľovania (alebo účinnosť spaľovacej komory) je definovaná ako:

kde Q1 je množstvo tepla skutočne uvoľneného v pracovnom objeme komory; Q2 je celkové množstvo tepla, ktoré by sa teoreticky mohlo uvoľniť počas úplného spaľovania paliva.

Plameň v spaľovacej komore, ktorý vzniká v podmienkach núteného pohybu s centrálnym prívodom paliva, pozostáva z troch hlavných zón: vnútornej zóny I, zóny tvorby zmesi a spaľovania II a zóny III – zóny vonkajšieho vzduchu (obr. . 4.2.

V zóne II je 0 ≤ α ≥ ∞. Vo vnútornej zóne α = 0 nie je vzduch.

V zóne 2 prebieha tvorba zmesi a spaľovanie. Podmienečne sa delí na dve: vnútorné - a a vonkajšie - b.

Vnútorná zóna je naplnená zmesou horľavého plynu a produktov spaľovania a vonkajšia zóna je naplnená zmesou produktov spaľovania a vzduchu. Hranica medzi zónami je čelo spaľovacieho plameňa. Tento interval obsahuje všetky oblasti od α = 0 do α = ∞. V hrúbke čela spaľovania α= 1; palivo, pohybujúce sa od koreňa k chvostovej zóne, sa riedi produktmi spaľovania a vzduch je nasýtený produktmi spaľovania. To vedie k tomu, že v spaľovacej zóne klesá výhrevnosť paliva, t.j. množstvo tepla klesá

Ryža. 4.2. Predná časť plameňa.

na jednotku plochy čela spaľovania sa zhoršujú podmienky horenia až do možného zhasnutia plameňa a odstránenia časti nespáleného paliva. Treba mať na pamäti, že tento proces je charakteristický pre neobmedzený priestor. V skutočných spaľovacích zariadeniach je povaha spaľovania, vzhľadom na to, že prietok je obmedzený, do značnej miery určená aerodynamickými vlastnosťami spaľovacej komory. Okrem toho sa v spaľovacej zóne udržiava vysoká teplota, čo vedie k spaľovaniu zmesi pri veľmi vysokých rýchlostiach, v tomto prípade je rýchlosť spaľovania určená predovšetkým rýchlosťou tvorby zmesi, pretože rýchlosť chemických reakcií bude mnohonásobne väčšia ako rýchlosť tvorby zmesi. Tento proces sa nazýva difúzne spaľovanie. Ľahko sa ovláda zmenou podmienok miešania, ktoré sa zase dajú zmeniť konštrukčnými opatreniami - použitím lopatkových prstencových mriežok ako turbulátorov atď.

Jednou z hlavných charakteristík spaľovacej komory je hodnota tepelného namáhania, čo je pomer množstva tepla uvoľneného v spaľovacej komore k jej objemu pri spaľovacom tlaku.

J/m 2 MPa (4,10)

kde R KS je tlak pracovnej tekutiny v spaľovacej komore, MPa; V- objem spaľovacej komory, m3.

Na základe hodnoty mernej hustoty tepla sa určí objem spaľovacej komory.

Na vytvorenie stabilného spaľovania v celom rozsahu prevádzkových režimov je dôležité zorganizovať spaľovací proces, ktorý je charakterizovaný povrchom čela spaľovacieho plameňa a je určený z rovnice:

kde U T - turbulentná rýchlosť šírenia plameňa, zvyčajne sa udáva v rozsahu (40 ÷ 60 m/s); F f -čelo plameňa spaľovania; – spaľovacie teplo zmesi; ρ cm - hustota zmesi.

Výhrevnosť zmesi sa určí z rovnice:

Hustota zmesi sa určí z Mendelejevovej-Claiperonovej rovnice:

kde T CC je teplota zmesi v spaľovacej komore.

Predný plameň podľa rovnice:

Trvalo udržateľné spaľovanie je možné s F tf≥ F f.

Téma 4. TYPY SPAĽOVANIA.

Podľa rôznych znakov a vlastností možno procesy spaľovania rozdeliť do nasledujúcich typov:

Podľa stavu agregácie horľavej látky:

Horiace plyny;

Spaľovanie kvapalín a topiacich sa pevných látok;

Spaľovanie nekonzumovateľných pevných prachovitých a kompaktných látok.

Podľa fázového zloženia komponentov:

homogénne spaľovanie;

heterogénne spaľovanie;

Horiace výbušniny.

Podľa pripravenosti horľavej zmesi:

Difúzne spaľovanie (oheň);

Kinetické horenie (výbuch).

Podľa dynamiky čela plameňa:

Stacionárne;

Nestacionárne.

Podľa povahy pohybu plynov:

laminárne;

Búrlivý.

Podľa stupňa horenia horľavej látky:

Neúplné.

Podľa rýchlosti šírenia plameňa:

Normálne;

deflagrácia;

Detonácia.

Poďme sa na tieto typy pozrieť bližšie.

4.1. Spaľovanie plynných, kvapalných a pevných látok.

V závislosti od stavu agregácie horľavej látky sa rozlišuje spaľovanie plynov, kvapalín, prašných a kompaktných pevných látok.

Podľa GOST 12.1.044-89:

1. Plyny sú látky, ktorých kritická teplota je nižšia ako 50 °C. T cr je minimálna teplota ohrevu 1 mólu látky v uzavretej nádobe, pri ktorej sa úplne zmení na paru (pozri § 2.3).

2. Kvapaliny sú látky s bodom topenia (bodom kvapnutia) nižším ako 50 °C (pozri § 2.5).

3. Pevné látky sú látky s teplotou topenia (pokles) vyššou ako 50 0 С.

4. Prachy sú časticové pevné látky s veľkosťou častíc menšou ako 0,85 mm.

Zóna, v ktorej prebieha chemická reakcia v horľavej zmesi, t.j. spaľovanie sa nazýva čelo plameňa.

Zvážte spaľovacie procesy vo vzduchu na príkladoch.

Spaľovanie plynov v plynovom horáku. Existujú 3 zóny plameňa (obr. 12):

Ryža. 12. Schéma spaľovania plynu: 1 - priehľadný kužeľ - ide o počiatočný plyn zahriaty (na teplotu samovznietenia); 2 – svetelná zóna čela plameňa; 3 - produkty spaľovania (pri úplnom spaľovaní plynov a najmä pri spaľovaní vodíka, keď sa netvoria sadze, sú takmer neviditeľné).

Šírka čela plameňa v zmesiach plynov je desiatky zlomkov milimetra.

Spaľovanie kvapalín v otvorenej nádobe. Pri spaľovaní v otvorenej nádobe existujú 4 zóny (obr. 13):

Ryža. 13. Kvapalné horenie: 1 - kvapalina; 2 - kvapalná para (tmavé oblasti); 3 - čelo plameňa; 4 - produkty spaľovania (dym).

Šírka čela plameňa je v tomto prípade väčšia; reakcia prebieha pomalšie.

Spaľovanie topiacich sa pevných látok. Zvážte zapálenie sviečky. V tomto prípade sa pozoruje 6 zón (obr. 14):

Ryža. 14. Pálenie sviečky: 1 - tvrdý vosk; 2 - roztavený (tekutý) vosk; 3 – tmavá transparentná parná vrstva; 4 - čelo plameňa; 5 - produkty spaľovania (dym); 6 - knôt.

Horiaci knôt slúži na stabilizáciu horenia. Kvapalina sa do nej absorbuje, stúpa pozdĺž nej, vyparuje sa a horí. Šírka čela plameňa sa zväčšuje, čím sa zväčšuje plocha svietivosti, pretože sa používajú zložitejšie uhľovodíky, ktoré sa odparujú, rozkladajú a následne reagujú.

Spaľovanie nekonzumovateľných pevných látok. Tento typ spaľovania budeme uvažovať na príklade horenia zápalky a cigarety (obr. 15 a 16).

Je tu aj 5 pozemkov:

Ryža. 15. Pálenie zápalky: 1 - čerstvé drevo; 2 - zuhoľnatené drevo; 3 - plyny (splynené alebo odparené prchavé látky) - je to tmavá priehľadná zóna; 4 - čelo plameňa; 5 - produkty spaľovania (dym).

Je vidieť, že spálená oblasť zápalky je oveľa tenšia a má čiernu farbu. To znamená, že časť zápasu bola spálená, t.j. neprchavá časť zostala a prchavá časť sa odparila a zhorela. Rýchlosť horenia uhlia je oveľa pomalšia ako u plynov, takže nemá čas úplne vyhorieť.

Obr.16. Spaľovanie cigariet: 1 - počiatočná tabaková zmes; 2 - tlejúca oblasť bez čela plameňa; 3 - dym, t.j. produkt spálených častíc; 4 - dym vtiahnutý do pľúc, čo sú hlavne splynované produkty; 5 - živica kondenzovaná na filtri.

Bezplameňový tepelno-oxidačný rozklad látky sa nazýva tlenie. Vzniká pri nedostatočnej difúzii kyslíka do spaľovacej zóny a môže nastať už pri jeho veľmi malom množstve (1-2%). Dym je modrý, nie čierny. To znamená, že obsahuje viac splyňovaných, než spálených látok.

Povrch popola je takmer biely. To znamená, že pri dostatočnom prísune kyslíka dochádza k úplnému spáleniu. Ale vo vnútri a na hranici horiacej vrstvy s čerstvými je čierna látka. To naznačuje nedokonalé spaľovanie zuhoľnatených častíc. Mimochodom, na filtri kondenzujú výpary prchavých živicových látok.

Podobný typ horenia sa pozoruje pri spaľovaní koksu, t.j. uhlie, z ktorého boli odstránené prchavé látky (plyny, živice), alebo grafit.

Proces spaľovania plynov, kvapalín a väčšiny pevných látok teda prebieha v plynnej forme a je sprevádzaný plameňom. Niektoré tuhé látky, vrátane tých so sklonom k ​​samovznieteniu, horia vo forme tlenia na povrchu a vo vnútri materiálu.

Spaľovanie prašných látok. K horeniu prachovej vrstvy dochádza rovnakým spôsobom ako v kompaktnom stave, len sa zvyšuje rýchlosť horenia v dôsledku zväčšovania kontaktnej plochy so vzduchom.

Spaľovanie prachových látok vo forme aerosuspenzie (prachového oblaku) môže prebiehať vo forme iskier, t.j. spaľovanie jednotlivých častíc, v prípade nízkeho obsahu prchavých látok, ktoré nie sú schopné vytvárať dostatočné množstvo plynov pri odparovaní na jedno čelo plameňa.

Ak sa vytvorí dostatočné množstvo splynených prchavých látok, dochádza k horeniu plameňom.

Horiace výbušniny. Tento typ zahŕňa spaľovanie výbušnín a pušného prachu, takzvaných kondenzovaných látok, v ktorých je palivo a okysličovadlo už chemicky alebo mechanicky viazané. Napríklad: v trinitrotoluéne (TNT) C 7 H 5 O 6 N 3 × C 7 H 5 × 3NO 2, O 2 a NO 2 slúžia ako oxidačné činidlá; v zložení strelného prachu - síra, ledok, uhlie; ako súčasť podomácky vyrobených trhavín, hliníkový prášok a dusičnan amónny, spojivo - solárny olej.

4.2. Homogénne a heterogénne spaľovanie.

Na základe uvažovaných príkladov v závislosti od stavu agregácie zmesi paliva a okysličovadla, t.j. podľa počtu fáz v zmesi rozlišujú:

1. Homogénne spaľovanie plyny a pary horľavých látok v prostredí plynného okysličovadla. Reakcia horenia teda prebieha v systéme pozostávajúcom z jednej fázy (agregátový stav).

2. Heterogénne spaľovanie tuhé horľavé látky v prostredí plynného okysličovadla. V tomto prípade reakcia prebieha na rozhraní, zatiaľ čo homogénna reakcia prebieha v celom objeme.

Ide o spaľovanie kovov, grafitu, t.j. prakticky neprchavé materiály. Mnohé reakcie plynov sú homogénno-heterogénneho charakteru, keď možnosť vzniku homogénnej reakcie je spôsobená vznikom súčasne heterogénnej reakcie.

Spaľovanie všetkých kvapalných a mnohých pevných látok, z ktorých sa uvoľňujú pary alebo plyny (prchavé látky), prebieha v plynnej fáze. Tuhá a kvapalná fáza zohrávajú úlohu zásobníkov pre reagujúce produkty.

Napríklad heterogénna reakcia samovznietenia uhlia prechádza do homogénnej fázy horenia prchavých látok. Zvyšky koksu horia heterogénne.

4.3. Difúzne a kinetické spaľovanie.

Podľa stupňa prípravy horľavej zmesi sa rozlišuje difúzne a kinetické horenie.

Uvažované typy spaľovania (okrem výbušnín) sú difúzne spaľovanie. Plameň, t.j. spaľovacia zóna zmesi paliva so vzduchom, aby sa zabezpečila stabilita, musí byť neustále zásobovaná palivom a kyslíkom vo vzduchu. Prúd horľavého plynu závisí len od rýchlosti jeho prívodu do spaľovacej zóny. Rýchlosť vstupu horľavej kvapaliny závisí od intenzity jej vyparovania, t.j. na tlaku pár nad povrchom kvapaliny a následne na teplote kvapaliny. Teplota vznietenia nazývaná najnižšia teplota kvapaliny, pri ktorej plameň nad jej povrchom nezhasne.

Spaľovanie pevných látok sa líši od spaľovania plynov prítomnosťou štádia rozkladu a splyňovania, po ktorom nasleduje zapálenie prchavých produktov pyrolýzy.

Pyrolýza- ide o ohrev organických látok na vysoké teploty bez prístupu vzduchu. V tomto prípade dochádza k rozkladu, alebo štiepeniu komplexných zlúčenín na jednoduchšie (koksovanie uhlia, krakovanie ropy, suchá destilácia dreva). Preto spaľovanie tuhej horľavej látky do produktu horenia nie je sústredené len v zóne plameňa, ale má viacstupňový charakter.

Zahrievanie tuhej fázy spôsobuje rozklad a vývoj plynov, ktoré sa vznietia a horia. Teplo z horáka ohrieva pevnú fázu, čo spôsobuje jej splyňovanie a proces sa opakuje, čím sa podporuje horenie.

Model tuhého spaľovania predpokladá prítomnosť nasledujúcich fáz (obr. 17):

Ryža. 17. Model spaľovania

pevný.

Zahrievanie tuhej fázy. Pri topiacich sa látkach dochádza k topeniu v tejto zóne. Hrúbka zóny závisí od teploty vodivosti látky;

Pyrolýza alebo reakčná zóna v tuhej fáze, v ktorej vznikajú plynné horľavé látky;

Predpálenie v plynnej fáze, v ktorej sa vytvorí zmes s oxidačným činidlom;

Plameň alebo reakčná zóna v plynnej fáze, v ktorej dochádza k premene produktov pyrolýzy na plynné produkty horenia;

produkty spaľovania.

Rýchlosť prívodu kyslíka do spaľovacej zóny závisí od jeho difúzie cez produkt horenia.

Vo všeobecnosti, keďže rýchlosť chemickej reakcie v spaľovacej zóne pri uvažovaných typoch spaľovania závisí od rýchlosti príchodu reagujúcich zložiek a povrchu plameňa molekulárnou alebo kinetickou difúziou, nazývame tento typ spaľovania tzv. difúzia.

Štruktúra plameňa difúzneho spaľovania pozostáva z troch zón (obr. 18):

Zóna 1 obsahuje plyny alebo výpary. V tejto zóne nedochádza k horeniu. Teplota nepresahuje 500 0 C. Dochádza k rozkladu, pyrolýze prchavých látok a zahrievaniu na teplotu samovznietenia.

Ryža. 18. Štruktúra plameňa.

V zóne 2 sa tvorí zmes pár (plynov) so vzdušným kyslíkom a dochádza k nedokonalému spaľovaniu na CO s čiastočnou redukciou na uhlík (málo kyslíka):

CnHm + 02 -> CO + C02 + H20;

V 3. vonkajšej zóne sú produkty druhej zóny úplne spálené a je pozorovaná maximálna teplota plameňa:

2CO+02 \u003d 2CO2;

Výška plameňa je úmerná koeficientu difúzie a prietoku plynov a je nepriamo úmerná hustote plynu.

Všetky typy difúzneho spaľovania sú vlastné požiarom.

Kinetický spaľovanie je spaľovanie vopred zmiešaného horľavého plynu, pár alebo prachu s oxidačným činidlom. Rýchlosť horenia v tomto prípade závisí len od fyzikálno-chemických vlastností horľavej zmesi (tepelná vodivosť, tepelná kapacita, turbulencia, koncentrácia látok, tlak a pod.). Preto sa rýchlosť horenia prudko zvyšuje. Tento typ spaľovania je vlastný výbuchom.

V tomto prípade, keď sa horľavá zmes v určitom bode zapáli, čelo plameňa sa presunie zo spaľovacích produktov do čerstvej zmesi. Plameň pri kinetickom spaľovaní je teda najčastejšie nestabilný (obr. 19).

Ryža. 19. Schéma šírenia plameňa v horľavej zmesi: - zdroj vznietenia; - smer pohybu čela plameňa.

Hoci, ak sa horľavý plyn zmieša so vzduchom a privedie sa do horáka, potom sa počas zapaľovania vytvorí stacionárny plameň za predpokladu, že rýchlosť prívodu zmesi sa rovná rýchlosti šírenia plameňa.

Ak sa zvýši rýchlosť prívodu plynu, plameň sa odtrhne od horáka a môže zhasnúť. A ak sa rýchlosť zníži, plameň sa vtiahne do vnútra horáka s možným výbuchom.

Podľa stupňa spaľovania, t.j. úplnosť reakcie spaľovania na konečné produkty, dochádza k spaľovaniu úplné a neúplné.

Takže v zóne 2 (obr. 18) je spaľovanie neúplné, pretože nedostáva sa dostatok kyslíka, ktorý sa čiastočne spotrebúva v zóne 3 a vznikajú medziprodukty. Ten vyhorí v zóne 3, kde je viac kyslíka, až do úplného spálenia. Prítomnosť sadzí v dyme naznačuje neúplné spaľovanie.

Ďalší príklad: pri nedostatku kyslíka sa uhlík spáli na oxid uhoľnatý:

Ak pridáte O, reakcia skončí:

2CO + O2 \u003d 2CO2.

Rýchlosť horenia závisí od charakteru pohybu plynov. Preto sa rozlišuje laminárne a turbulentné spaľovanie.

Príkladom laminárneho spaľovania je teda plameň sviečky v nehybnom vzduchu. o laminárne spaľovanie vrstvy plynov prúdia paralelne, ale bez vírenia.

Turbulentné spaľovanie- vírivý pohyb plynov, pri ktorom sa horiace plyny intenzívne miešajú a čelo plameňa sa vymýva. Hranicou medzi týmito typmi je Reynoldsovo kritérium, ktoré charakterizuje vzťah medzi silami zotrvačnosti a silami trenia v prúdení:

kde: u- prietok plynu;

n- kinetická viskozita;

l- charakteristická lineárna veľkosť.

Reynoldsovo číslo, pri ktorom dochádza k prechodu laminárnej hraničnej vrstvy na turbulentnú, sa nazýva kritické Re cr, Re cr ~ 2320.

Turbulencia zvyšuje rýchlosť horenia v dôsledku intenzívnejšieho prenosu tepla zo splodín horenia do čerstvej zmesi.

4.4. Normálne spaľovanie.

V závislosti od rýchlosti šírenia plameňa pri kinetickom spaľovaní je možné realizovať buď normálne horenie (v priebehu niekoľkých m/s), alebo explozívne vzplanutie (desiatky m/s), alebo detonáciu (tisíce m/s). Tieto typy spaľovania môžu prechádzať jeden do druhého.

Normálne spaľovanie- ide o spaľovanie, pri ktorom k šíreniu plameňa dochádza bez vonkajších porúch (turbulencie alebo zmeny tlaku plynu). Záleží len na charaktere horľavej látky, t.j. tepelný efekt, koeficienty tepelnej vodivosti a difúzie. Ide teda o fyzikálnu konštantu zmesi určitého zloženia. V tomto prípade je rýchlosť horenia zvyčajne 0,3-3,0 m/s. Normálne spaľovanie je pomenované, pretože vektor rýchlosti jeho šírenia je kolmý na čelo plameňa.

4.5. Deflačné (výbušné) spaľovanie.

Normálne spaľovanie je nestabilné a má tendenciu samovoľne sa zrýchľovať v uzavretom priestore. Dôvodom je zakrivenie čela plameňa v dôsledku trenia plynu o steny nádoby a zmien tlaku v zmesi.

Uvažujme o procese šírenia plameňa v potrubí (obr. 20).

Ryža. 20. Schéma výskytu výbušného horenia.

Po prvé, na otvorenom konci potrubia sa plameň šíri normálnou rýchlosťou, pretože produkty spaľovania voľne expandujú a vystupujú. Tlak zmesi sa nemení. Trvanie rovnomerného šírenia plameňa závisí od priemeru potrubia, druhu paliva a jeho koncentrácie.

Keď sa čelo plameňa pohybuje vo vnútri potrubia, reakčné produkty, ktoré majú väčší objem v porovnaní s počiatočnou zmesou, nemajú čas ísť von a ich tlak sa zvyšuje. Tento tlak začne tlačiť do všetkých smerov, a preto sa pred čelom plameňa začne počiatočná zmes pohybovať v smere šírenia plameňa. Vrstvy susediace so stenami sú spomalené. Plameň má najvyššiu rýchlosť v strede potrubia a najnižšiu rýchlosť má pri stenách (kvôli odvodu tepla v nich). Čelo plameňa sa preto rozširuje v smere šírenia plameňa a jeho povrch sa zväčšuje. V pomere k tomu sa množstvo horľavej zmesi zvyšuje za jednotku času, čo má za následok zvýšenie tlaku a potom naopak zvyšuje rýchlosť pohybu plynu atď. Dochádza teda k lavínovému zvýšeniu rýchlosti šírenia plameňa až na stovky metrov za sekundu.

Proces šírenia plameňa horľavou zmesou plynov, pri ktorom sa v dôsledku zahrievania vedením tepla z priľahlej vrstvy produktov reakcie šíri samourýchľujúca sa spaľovacia reakcia, sa nazýva tzv. deflagrácia. Zvyčajne sú rýchlosti deflačného spaľovania podzvukové, t.j. menej ako 333 m/s.

4.6. detonačné spaľovanie.

Ak uvažujeme spaľovanie horľavej zmesi vo vrstvách, potom v dôsledku tepelnej expanzie objemu produktov spaľovania vždy pred čelom plameňa nastane kompresná vlna. Každá nasledujúca vlna, ktorá sa pohybuje hustejším médiom, dobieha predchádzajúcu a je na ňu superponovaná. Postupne sa tieto vlny spájajú do jednej rázovej vlny (obr. 21).

Ryža. 21. Schéma vzniku detonačnej vlny: 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.

Pri rázovej vlne sa v dôsledku adiabatickej kompresie hustota plynov okamžite zvýši a teplota stúpne na T 0 samovznietenia. V dôsledku toho sa horľavá zmes zapáli rázovou vlnou a detonácia- šírenie horenia vznietením rázovou vlnou. Detonačná vlna nezhasne, pretože poháňané rázovými vlnami z plameňa pohybujúceho sa za ním.

Charakteristickým znakom detonácie je, že k nej dochádza pri nadzvukovej rýchlosti 1000-9000 m/s, stanovenej pre každé zloženie zmesi, preto ide o fyzikálnu konštantu zmesi. Závisí len od výhrevnosti horľavej zmesi a tepelnej kapacity splodín horenia.

Stretnutie rázovej vlny s prekážkou vedie k vzniku odrazenej rázovej vlny a ešte väčšiemu tlaku.

Detonácia je najnebezpečnejšia forma šírenia plameňa, pretože. má maximálnu silu výbuchu (N=A/t) a obrovskú rýchlosť. V praxi sa detonácia dá „neutralizovať“ len v preddetonačnej časti, t.j. vo vzdialenosti od bodu vznietenia po bod detonačného horenia. Pre plyny je dĺžka tohto úseku od 1 do 10 m.

Zmena tvaru plameňa výrazne ovplyvňuje charakter spaľovania, pretože je spojená so zmenou povrchu čela. Veľkosť povrchu plameňa je hlavným faktorom určujúcim rýchlosť horenia systému daného zloženia. Vyplýva to zo skutočnosti, že všetky úseky plameňa, bez ohľadu na ich tvar, sú rovnocenné za predpokladu, že polomer zakrivenia plameňa je oveľa väčší ako šírka jeho čela, t.j. vo všetkých prakticky dôležitých prípadoch. S nárastom povrchu plameňa sa proces spaľovania zintenzívňuje, zvyšuje sa celkové množstvo horiacej látky za jednotku času. Zmena tvaru plameňa je zvyčajne spojená s pohybom plynu v blízkosti spaľovacej zóny, jeho turbulenciou; v tomto prípade je čelo plameňa rozdelené na množstvo malých stredov a jeho celková plocha sa zväčšuje. Táto vlastnosť sa využíva napríklad na zintenzívnenie spaľovacieho procesu umelou turbulenciou spaľovaného plynu.

Uvažujme, akú formu získa plameň samovoľne, keď sa šíri pevným horľavým médiom za neprítomnosti vonkajších síl, ktoré naň pôsobia - poruchy. Keďže médium je homogénne, všetky smery sú ekvivalentné a rýchlosť plameňa pozdĺž nich je rovnaká. V tomto prípade bude mať čelo plameňa šíriace sa z bodového zdroja tvar guľovej plochy s neustále sa zväčšujúcim polomerom. Pri šírení guľového plameňa dochádza pri expanzii plynu k tomu, že pôvodné nespálené médium bude vytlačené na perifériu. Plyn však v tomto prípade neturbulizuje, rýchlosti pohybu plynu aj plameňa sú vo všetkých smeroch rovnaké, tvar plameňa a pri konštantnom tlaku – a jeho rýchlosť zostáva nezmenená.

Ďalší charakteristický spôsob šírenia nerušeného plameňa vzniká, keď sa horľavé médium zapáli podobným bodovým impulzom na otvorenom konci dlhej rúry. Výsledný plameň bude spočiatku guľovitý, kým sa nedotkne stien potrubia (obr. 1.1).

Pretože sa šírenie plameňa zastaví v blízkosti stien, plameň má tvar vonkajšieho povrchu guľového segmentu, ktorý je obmedzený prierezom potrubia. Keď sa plameň vzďaľuje od bodu vznietenia a zväčšuje sa polomer jeho zakrivenia, stáva sa stále viac plochým, čo sa zhoduje s hranicou s prierezom potrubia.

Ryža. 1.1.

Vyššie uvedené úvahy umožnili stanoviť, že počas šírenia plameňa v neprítomnosti vonkajších porúch sú dve formy plameňa stabilné: sférický pre neobmedzený priestor (trojrozmerný problém) a plochý pre nekonečnú rúrku (jednorozmerný problém). K týmto dvom typom sa tvarom akéhokoľvek plameňa, nech už bude na začiatku akýkoľvek, priblíži až na hranicu.

Normálne spaľovanie

Pri absencii porúch v procese spaľovania je možné určiť tvar, ktorý čelo plameňa získa v procese jeho šírenia, na základe nasledujúcich úvah. Každý bod povrchu plameňa možno považovať za samostatný zapaľovací impulz, okolo ktorého sa vytvorí nové elementárne čelo plameňa. Po určitom krátkom časovom intervale sa v dôsledku superpozície takýchto elementárnych čel vytvára nové totálne čelo plameňa, ktoré sa zhoduje s obalom všetkých elementárnych guľových čel generovaných pozdĺž počiatočného čela.

Uvažovanú oblasť plameňa budeme považovať za plochú AB(obr. 1.2); pre ľubovoľný tvar plameňa môže byť akákoľvek jeho dostatočne malá časť tiež považovaná za plochú. Aplikácia opísaného princípu konštrukcie vedie k záveru, že nová poloha plameňa A"B" bude paralelný s originálom. Rozšírením rovnakého princípu na pohyb čela plameňa ľubovoľného tvaru dospejeme k záveru, že pohyb nerušeného plameňa nastáva v každom bode čela pozdĺž kolmice k jeho povrchu. Preto sa takéto spaľovanie nazýva normálne (alebo deflagrácia). Rýchlosť pohybu plameňa pozdĺž stacionárneho horľavého média pozdĺž normály k jeho povrchu sa nazýva normálna rýchlosť plameňa U n.

Ryža. 1.2.

Hodnota U n je hlavnou charakteristikou horľavého média. Toto je minimálna rýchlosť, ktorou sa plameň môže šíriť daným médiom; zodpovedá plochému tvaru plameňa. Hodnota U n, charakterizuje nielen lineárnu, ale aj objemovú rýchlosť horenia, určujúcu objem horľavého média, ktoré sa premení na reakčné produkty za jednotku času na jednotku povrchu plameňa. Podľa toho aj rozmer U n môže byť vyjadrené ako cm/s alebo ako cm3/(cm2-s).

Hodnota U n, silne závisí od zloženia horľavého média. Okrem chemických špecifík reagujúcich zložiek je rýchlosť plameňa výrazne ovplyvnená pomerom obsahu paliva a okysličovadla a koncentráciou inertných zložiek. Slabší vplyv má zmena počiatočnej teploty horľavého média a celkového tlaku. Nižšie sú uvedené maximálne hodnoty U n niektorých horľavých zmesí za normálnych podmienok (v m/s):

• С2Н2 + O2 - 15,4;
• H2 + O2; - trinásť;
• H2 + C12 - 2,2;
• CO + 02 + 3,3 % H20 - 1,1;
• H2 + vzduch - 2,7;
• CO + vzduch + 2,5 % H20 - 0,45;
• nasýtené uhľovodíky + vzduch - 0,32–0,40.

Expanzia plynu počas zahrievania počas spaľovacieho procesu vedie k tomu, že v blízkosti čela plameňa vždy dochádza k pohybu plynu, aj keď bol pôvodne nehybný. Nasledujúce úvahy vysvetľujú, ako teplo ovplyvňuje

expanzia plynu a jeho turbulencia vonkajšími poruchami na priebehu adiabatického spaľovania. Keď sa plyn spaľuje vo vnútri dlhého otvoreného potrubia, plochý plameň zhodujúci sa s prierezom potrubia bude nehybný, ak sa horľavé médium vháňa do potrubia konštantnou rýchlosťou po priereze, ktorá sa rovná U n. Produkty spaľovania prúdia z druhého konca potrubia.

Hustotu plynu označujeme p, index 0 sú hodnoty charakterizujúce počiatočné horľavé médium a index b- produkty spaľovania. Pretože sa plyn počas spaľovania rozširuje, rýchlosť reakčných produktov opúšťajúcich plameň U b , > U n. Na každý 1 cm2 povrchu plameňa prúdenie prináša každú sekundu U n cm3 horľavého média, ktorého hmotnosť je U n r o. Objem reakčných produktov, ktoré sa vzďaľujú od rovnakej oblasti plameňa, je Ub a hmotnosť je Ubrb. Hmotnosti počiatočného plynu a reakčných produktov sú rovnaké, z čoho vyplýva, že

Unro=Ubrb. (1*1)

Rovnica (1.1) vyjadruje zákon zachovania hmoty pre proces horenia.

Zistili sme, že aj pri plochom čele môže mať plameň rôzne rýchlosti: Un alebo U b v závislosti od toho, ktoré médium je stacionárne. Pomer rýchlostí horiaceho plynu je znázornený na diagrame na obr. 1.3.

Ryža. trinásť.

U n je normálna rýchlosť plameňa; U b je rýchlosť reakčných produktov opúšťajúcich plameň; T 0 je počiatočná teplota počiatočného média; T b je teplota reakčných produktov; r0, rb sú hustoty počiatočného plynu a reakčných produktov

Keď situácia 1 plameň je nehybný; horľavé médium prúdiace do potrubia sa pohybuje rýchlosťou doprava U n ; rovnakým smerom, ale rýchlosťou U b pohybujúce sa produkty spaľovania. Ak je horľavé médium stacionárne (situácia 2), ku ktorému dochádza pri spaľovaní v potrubí uzavretom na jednom konci, plameň sa ním pohybuje rýchlosťou U n a reakčné produkty prúdia v opačnom smere rýchlosťou U b- U n. V situácii 3 pri zapálení na uzavretom konci potrubia sú produkty spaľovania nehybné. Plameň sa pohybuje rýchlosťou U b vzhľadom na steny potrubia (a spálený plyn); v rovnakom smere pri rýchlosti U b – U n sa horiaci plyn pohybuje, vytláčaný z potrubia expandovaním produktov reakcie. Rýchlosť plameňa je však vzhľadom na produkty spaľovania oveľa väčšia ako vzhľadom na zdrojový plyn - o faktor r0/rb.

Hodnota G=U r, nazývaná rýchlosť horenia hmoty, určuje hmotnosť látky, ktorá zhorí za jednotku času na jednotku povrchu plameňa. Prirodzene je to rovnaké pre počiatočné aj konečné médium, ako aj vo všetkých medzizónach.

Uvažujme o podmienkach horenia v čele plameňa ľubovoľného tvaru, nehybne umiestnenom v prúde horiaceho plynu (v potrubí).

Plameň je stacionárny v prípade, že množstvo horiaceho plynu je presne kompenzované množstvom prichádzajúceho plynu. Ak je povrch plameňa F, potom sa celkový objem plynu spáleného za jednotku času rovná U t F. Rovnakú objemovú rýchlosť možno definovať iným spôsobom: ako súčin WS, kde W- priemerná (cez prietokový prierez) lineárna rýchlosť plynu; S je prierez toku. Z rovnosti oboch veľkostí vyplýva:

Tento výsledok je platný aj pre stacionárne horľavé médium w- rýchlosť pohybu zakriveného plameňa pozdĺž neho. Táto rýchlosť je toľkokrát väčšia ako normálna rýchlosť plameňa, koľkokrát je povrch plameňa väčší ako prierez prúdu. Keď sa plochý plameň ohne a jeho povrch sa zväčší, rýchlosť plameňa sa zodpovedajúcim spôsobom zvýši. Rovnica (1.2), zvyčajne tzv právo oblasti, vyjadruje základnú vlastnosť spaľovacieho procesu: so zväčšovaním povrchu plameňa sa horenie zintenzívňuje, pričom hranicu takéhoto zintenzívnenia spôsobujú len nižšie opísané plynodynamické vlastnosti.

Zakrivenie povrchu plameňa je dôsledkom turbulencie horiaceho plynu, spontánneho alebo núteného.

Ak je horiaci plyn vysoko turbulentný a malé elementárne oblasti studeného horľavého média sú z veľkej časti zmiešané s horúcimi produktmi horenia, potom plameň už nemožno považovať za povrch oddeľujúci dve médiá. Objavuje sa difúzna turbulentná zóna, v ktorej je vysoká aj celková rýchlosť chemickej premeny, čo je spôsobené extrémne vyvinutým povrchom plameňa.

Spôsoby flagrantného horenia pre médium daného zloženia sa líšia iba rýchlosťou šírenia plameňa pri rôznych stupňoch rozvinutia jeho povrchu. Táto okolnosť je nevyhnutná na objasnenie konvenčnosti často používanej terminológie. Pojem „výbuch“ vo vzťahu k šíreniu plameňa nemožno charakterizovať inak, než ako pomerne rýchle horenie vo vysoko turbulentnom prostredí s rýchlosťou plameňa rádovo desať až sto metrov za sekundu. "Pomalé" spaľovanie sa líši od "výbuchu" iba v stupni rozvinutia povrchu plameňa. Iné typy šírenia plameňa sú v podstate nerozoznateľné od tých opísaných, napríklad charakterizované pojmami "blesk" a "pop". Až keď sa rýchlosť plameňa priblíži rýchlosti zvuku v horľavom médiu, proces spaľovania nadobúda nový, kvalitatívne zvláštny charakter.

Poruchy, ktoré deformujú plochý alebo sférický plameň, vznikajú vždy, dokonca aj pri absencii núteného pohybu plynu; sú spôsobené gravitáciou a trením. Prvý vedie k vzniku konvekčných tokov v dôsledku rozdielu v hustotách horľavého média a produktov spaľovania, druhý sa prejavuje, keď sa plyn horiaci v potrubí pohybuje a je spomaľovaný stenami. Je vhodné sledovať vplyv porúch na zákonitosti spaľovania v dlhej trubici umiestnenej vertikálne a otvorenej na jednom konci. Ak zapálite horľavé médium na spodnom, otvorenom konci potrubia (obr. 1.4, a), potom sa vytvoria podmienky priaznivé pre rozvoj konvekčného prúdenia, pretože nespálený zdrojový plyn, ktorý má vysokú hustotu, sa nachádza nad ľahkými splodinami horenia. Plameň má tendenciu naťahovať sa pozdĺž osi potrubia. Pri zapálení na hornom, uzavretom konci potrubia (obr. 1.4, b) nedochádza ku konvekčným tokom, avšak spaľovacia zóna je intenzívne turbulizovaná trecími silami. Horiaci a expandujúci plyn vyteká z potrubia. Prietok horľavého média pod vplyvom viskozity sa mení pozdĺž prierezu potrubia, je maximálny pozdĺž osi a rovná sa nule pri stenách (obr. 1.5).

Ryža. 1.4.

V súlade s tým je čelo plameňa ohnuté. Po zapálení na hornom otvorenom konci, hrubý (obr. 1.4, v) možnosť turbulencie spaľovacej zóny je minimálna: produkty spaľovania sú nad horiacim plynom a studený plyn je nehybný. Keď sa však plameň vzďaľuje od okraja potrubia, trecia sila sa zvyšuje a turbulencia sa šíri do horiaceho plynu.

Ak spaľovanie nie je sprevádzané tepelnými stratami, t.j. prebieha adiabaticky, potom sa chemická energia horľavého systému úplne premení na tepelnú energiu produktov reakcie. Pretože teplota plameňa je vysoká, rýchlosť reakcií, ktoré v ňom prebiehajú, je vysoká a stav termodynamickej rovnováhy sa dá rýchlo dosiahnuť. Teplota produktov adiabatického spaľovania nezávisí od reakčných rýchlostí v plameni, ale závisí len od celkového tepelného účinku a tepelných kapacít finálnych produktov. Táto teplota sa nazýva termodynamická teplota spaľovania. T b. Hodnota T b je najdôležitejšou charakteristikou horľavého média; pre bežné horľavé médiá má hodnoty 1500–3000 K. Ďalej podrobne zvážime, do akej miery uvedené predpoklady zodpovedajú skutočnosti a aký význam má tepelný režim spaľovania pre problémy s bezpečnosťou výbuchu. S adiabatickým procesom a rovnovážnym stavom produktov spaľovania T b – maximálna dosiahnutá teplota v plameni. Pri tepelných stratách horiaceho plynu je skutočná teplota produktov rovnovážnej reakcie nižšia. Otázka tepelných strát, ako bude zrejmé z nasledujúceho, má rozhodujúci význam pre riešenie problémov zaistenia bezpečnosti výbuchu. Pri stacionárnom šírení plameňa dochádza k intenzívnemu prenosu tepla vedením do studeného počiatočného horľavého média. Tento proces však nie je spojený s tepelnými stratami zo spaľovacej zóny. Odvod tepla z každej horiacej vrstvy plynu do susednej, ktorá ešte nezreagovala, je presne kompenzovaný ekvivalentným tepelným príkonom tej istej vrstvy v predchádzajúcej fáze, keď bola sama studená. Nestacionárne, nekompenzované zahrievanie nastáva v počiatočnom momente, keď je horľavé médium zapálené počiatočným impulzom. Keď sa však plameň vzďaľuje od bodu vznietenia, toto dodatočné množstvo tepla sa rozdeľuje medzi stále väčšie množstvo produktov spaľovania a jeho úloha v prídavnom ohreve sa neustále znižuje.

Ryža. 1.5.

Z uvedeného vyplýva, že pri spaľovaní sú možné tepelné straty v dôsledku sálania ohriateho plynu a jeho kontaktu s pevným povrchom. Úlohu odvodu tepla sálaním budeme uvažovať ďalej, ale zatiaľ budeme predpokladať, že takéto straty sú zanedbateľne malé pre zónu, ktorej tepelný režim určuje rýchlosť plameňa. Ochladzovanie vedením splodín horenia pri ich kontakte so stenami nádob a zariadení prebieha veľmi intenzívne, čo je spôsobené veľkým rozdielom teplôt medzi stenami a plynom. Preto po ukončení spaľovania v nádobách bežných veľkostí je výrazné ochladzovanie splodín horenia v nich ukončené za menej ako 1 s.

Pre naše problémy je nevyhnutné aj ochladzovanie horiaceho plynu stenami. Pretože odvod tepla na steny začína až po ich dotyku s plameňom, takéto straty sú veľmi závislé od tvaru a veľkosti nádoby, v ktorej prebieha reakcia, a od polohy bodu vznietenia. Pri spaľovaní v guľovej nádobe a centrálnom zapaľovaní dochádza k tepelným stratám vedením až po ukončení spaľovania.

Teplota horenia je určená zákonom zachovania energie pri adiabatickom prechode chemickej energie horľavého média na tepelnú energiu splodín horenia. Je zrejmé, že zložky horľavej zmesi nie sú ekvivalentné. Zásoba chemickej energie je určená obsahom zložky chýbajúcej v stechiometrických pomeroch, ktorá sa úplne spotrebuje pri reakcii. Časť druhej zložky, prebytok, zostáva počas interakcie nezreagovaná. Rovná sa rozdielu medzi počiatočným obsahom nadbytočnej zložky a množstvom potrebným na úplné naviazanie chýbajúcej zložky. Ak sa obsah chýbajúcej zložky zvýši v dôsledku obsahu inertnej zložky, ktorá sa nezúčastňuje reakcie, zvýši sa molárna rezerva chemickej energie horľavej zmesi. Takáto náhrada nadbytočnej zložky ponecháva chemickú energiu nezmenenú.

Vysvetlime si, ako sa približne realizuje zákon zachovania energie pri spaľovaní. Chemická energetická rezerva horľavého systému sa bude považovať za rovnajúcu sa π1Q), kde π1 je koncentrácia chýbajúcej zložky; Q je tepelný účinok jeho spaľovania. Reakčné teplo sa vynakladá na zahrievanie všetkých zložiek zmesi: výsledné reakčné produkty, nadbytočné a inertné zložky. Ak S je priemerná tepelná kapacita množstva splodín horenia, ktoré vzniklo z 1 mólu východiskovej zmesi, potom sa prírastok zásoby fyzikálneho tepla rovná S(T b- T 0), kde T 0 je počiatočná teplota horľavého média. Podľa adiabatického stavu

Presný výpočet stavu splodín adiabatického horenia je oveľa komplikovanejší.

Pri adiabatickom spaľovaní určuje hodnota teploty spaľovania hustotu konečných produktov, a teda aj vzťah medzi rýchlosťami plameňa. U n a U b. V tomto prípade je potrebné vziať do úvahy, že v dôsledku reakcie sa počet molekúl na jednotku hmotnosti zmenil v P raz. Podľa zákonov ideálnych plynov

Význam P v spaľovacích procesoch sa väčšinou blíži k jednote. Takže pri premene stechiometrickej zmesi 2CO + O2 (spaľovanie na 2CO2) P= 2/3, pre podobnú zmes CH4 + 2O2 (spaľovanie na CO2 + 2H2O) n = 1 atď. Pri spaľovaní zmesí nestechiometrického zloženia a zmesí obsahujúcich inertné zložky sa celkový počet molekúl (s prihliadnutím na obsah zložiek nezúčastňujúcich sa reakcie) mení ešte menej.

Počas adiabatického spaľovania sa teplota plynu zvyšuje 5- až 10-krát. Ak tlak počas spaľovania zostáva konštantný a plyn voľne expanduje, a n= 1, potom sa jeho hustota zmení o rovnakú hodnotu a rovnaký pomer U b na normálnu rýchlosť plameňa. Ak dôjde k adiabatickému spaľovaniu bez expanzie plynu, v uzavretej nádobe, potom sa tlak zvýši približne v rovnakom rozsahu. Práve to určuje deštruktívny účinok rýchleho horenia v uzavretej nádobe.

Pojem „pálenie“ nemožno formulovať jednoznačne. Spaľovanie budeme nazývať samourýchľujúca sa rýchla chemická premena sprevádzaná intenzívnym uvoľňovaním tepla a emisiou svetla. V súlade s tým je plameň (horúci) plynné médium, v ktorom intenzívna chemická reakcia vedie k luminiscencii, uvoľňovaniu tepla a výraznému samozahrievaniu.

Takéto definície sú pohodlné, ale nie celkom jasné a univerzálne. Je ťažké presne špecifikovať, ktorá reakcia je dostatočne rýchla na to, aby sa dala považovať za spaľovanie. Ešte menej jasný je pojem výbuch. V budúcnosti sa zoznámime s existenciou studených plameňov, pri ktorých je chemická reakcia sprevádzaná žiarom, prebieha však miernou rýchlosťou a bez citeľného zahrievania.

Podľa D. L. Franka-Kamenetského je „spaľovanie tok chemickej reakcie za podmienok progresívneho samovoľného zrýchlenia spojeného s akumuláciou tepla alebo katalyzujúcich produktov reakcie v systéme“. Tu je zrejmá túžba pokryť javy tepelného aj autokatalytického vývoja reakcie. Takéto zovšeobecnenie však vedie k tomu, že pod túto definíciu spadajú javy, ktoré nemožno pripísať spaľovacím procesom. Patria sem bezplameňové reakcie v plynnej a kvapalnej fáze sprevádzané obmedzeným vlastným zrýchlením, ktoré však neprechádzajú do tepelnej alebo hodnotnej explózie, keď rýchlosť reakcie dosiahne mierne maximum alebo dôjde k rozstreku zložiek nehomogénneho horľavého média.

Bolo by neprijateľné obmedzovať spaľovacie procesy podmienkou úplnosti reakcie, pretože v mnohých bezpodmienečne výbušných procesoch zostáva reakcia neúplná.

Ťažkosti pri definovaní spaľovania uznávajú B. Lewis a G. Elbe: „Pojmy horenia, plameňa a výbuchu, celkom flexibilné, sa stále používajú trochu svojvoľne“ .

Komplikácie pri určovaní spaľovania odrážajú absenciu ostrých hraníc v komplexe fyzikálno-chemických javov špecifických pre spaľovanie. Samozrýchlenie reakcie, samozahrievanie, akumulácia aktívnych produktov, žiarenie rôznych intenzít a vlnových dĺžok existujú v procesoch súvisiacich aj nesúvisiacich s kategóriou spaľovania; rozdiel je len kvantitatívny. Z tohto dôvodu bude akákoľvek definícia spaľovania nepresná alebo neúplná.

Rozvinuté myšlienky nám umožňujú predpokladať, že na to, aby proces prebiehal podľa typu spaľovania, sú potrebné len dve podmienky: táto reakcia musí byť exotermická a musí sa zrýchľovať so zvyšujúcou sa teplotou. Ten je charakteristický pre väčšinu chemických procesov, a preto by sa mohlo zdať, že v režime spaľovania môže dôjsť k akejkoľvek exotermickej reakcii. Z uvedeného vyplýva, že existencia stabilného horenia si vyžaduje splnenie ďalšej dôležitej doplnkovej podmienky súvisiacej so šírením čela plameňa v horizontálnej rúre.

Niektoré vlastnosti toku exotermickej reakcie sa líšia, keď prúdi v potrubí. Pri zapálení horľavého média zo strany otvoreného konca nadobudne plameň špecifický tvar, pretiahnutý so sklonom dopredu (obr. 1.6).

Ryža. 1.6.

1 – hranica kontaktu plameňa; 2 – predná hranica obrazu plameňa (priesečník prednej strany a roviny symetrie); M– bod maximálnej rýchlosti plynu

Na určitej časti dráhy po iniciácii prebieha spaľovanie stacionárne, konštantnou rýchlosťou. Ako sa pomer zvyšuje h/d, kde h- výška stĺpca produktov spaľovania, v limite - dĺžka potrubia; d– priemer potrubia, sily trenia plynu o steny sa zväčšia natoľko, že spôsobujú progresívne turbulencie plynu v spaľovacej zóne a nestále zrýchľovanie plameňa v súlade s plošným zákonom.

Sklonený tvar plameňa v horizontálnej trubici je spôsobený veľkým rozdielom v hustotách počiatočného média a produktov spaľovania. Čelo plameňa je rozhraním medzi týmito dvoma médiami. Na vysvetlenie dôsledkov rozdielu v ich hustotách použijeme nasledujúcu analógiu. Vo vodorovnom potrubí (obr. 1.7, a) sú dve nemiešateľné kvapaliny rôznych hustôt, ako je ortuť (vpravo) a voda (vľavo), oddelené vertikálnou prepážkou. Ak sa prepážka odstráni, potom rozdiel v hustote spôsobí pohyb kvapalín: ťažká ortuť bude prúdiť doľava a dole, voda sa bude nachádzať nad ortuťou a bude sa pohybovať doprava a nahor. Rozhranie bude naklonené dopredu, jeho plocha sa neustále zväčšuje (obr. 1.7, b). Podobné prúdy vznikajú pri spaľovaní plynu, avšak premena ťažkého horľavého média na ľahké reakčné produkty bráni neobmedzenému zväčšovaniu povrchu plameňa, ktorého veľkosť a tvar sa ustáli. Odchýlka hornej časti čela plameňa smerom k produktom spaľovania je spôsobená spomalením plynu v blízkosti steny pod vplyvom trenia.

Ryža. 1.7.

a- pred odstránením septa; b- po odstránení septa

Tvar stacionárneho plameňa (v oblasti rovnomerného šírenia) je určený pomermi medzi normálnou rýchlosťou plameňa a rýchlosťou plynu v zodpovedajúcich častiach prednej časti. Uvažujme tieto vzťahy za najpokročilejší bod frontu M(pozri obr. 1.6), kde plameň je kolmý na os potrubia, a teda na smer pohybu celého čela. Celková rýchlosť plameňa pozdĺž osi potrubia U f v bode M je tiež súčet rýchlosti plameňa vzhľadom na plyn U n a zložka rýchlosti samotného plynu v rovnakom smere W M :

Pre akúkoľvek malú šikmú časť plameňa AB(obr. 1.8), zvierajúci uhol s osou potrubia, pohyb plameňa cez plyn pozdĺž normály až AB s rýchlosťou U n (až do polohy A"B") je zjavne spojená s pohybom prvku plameňa pozdĺž osi potrubia s rýchlosťou U n / sinβ. Celková rýchlosť pohybu prvku plameňa pozdĺž osi potrubia je rovnaká ako pre bod M, je súčet samotnej rýchlosti horenia v tomto smere a zložky rýchlosti prúdenia plynu W. Pretože tvar plameňa je stacionárny, znamená to, že rýchlosti všetkých jeho prvkov sú rovnaké:

(1.6)

V každom bode plameňa je jeho sklon určený lokálnou hodnotou zložky rýchlosti prúdenia plynu pozdĺž osi. Ako U n/sinβ > U n , W M >W, rýchlosť plynu je v bode maximálna M. Hodnota W klesá v blízkosti stien a dokonca sa stáva negatívnym (kde horľavé médium "uniká" pod vrstvou produktov spaľovania). Oblasť plameňa AB, pohybujúce sa na spodok potrubia sa nahradí novým vytvoreným v bode vznietenia M.

Ryža. 1.8.

S zväčšovaním priemeru potrubia sa zvyšuje konvekcia horiaceho plynu, pričom celková rýchlosť plameňa sa zvyšuje približne úmerne druhej odmocnine d. So zvyšujúcou sa normálnou rýchlosťou plameňa sa zvyšuje U f (kedy d= const), ale pomalšie ako U n. Pri určitej hodnote U n sa pozoruje ostrý prechod tvaru plameňa zo šikmého na pologuľovitý.

Pri použití Bunsenovho horáka sa často stretávame so stacionárnym režimom spaľovania v prúde. Toto zdanlivo jednoduché zariadenie je trubica, cez ktorú je nepretržite dodávané horľavé médium. Pri jeho zapálení sa na výstupe z horáka vytvorí stacionárny plameň - Bunsenov plameň, ktorého tvar je blízky kužeľovému. Zákonitosti charakterizujúce Bunsenov plameň boli stanovené prácami jedného zo zakladateľov teórie horenia V. A. Michelsona.

Stacionárne spaľovanie v Bunsenovom plameni je možné pri rôznych prietokoch. Pri zmene tejto rýchlosti sa zodpovedajúcim spôsobom mení aj tvar Bunsenovho kužeľa a s ním aj jeho povrch podľa plošného zákona. V tomto prípade základňa kužeľa zostáva nezmenená, približne sa zhoduje s výstupnou časťou horáka a výška sa zvyšuje pri rýchlom prúdení a znižuje sa pri pomalom. Stabilné spaľovanie, pri ktorom dochádza k samoregulácii tvaru plameňa, je možné v širokom rozsahu prietokov plynu. Len pri veľmi vysokej rýchlosti plynu sa plameň odlomí, jeho útlm. Ak sa rýchlosť plynu stane dostatočne malou, v priemere blízkou U n, plameň sa šíri smerom k prúdu, vstupuje do vnútra horáka - dochádza k "prierazu" plameňa.

Ryža. 1.9.

Spaľovanie v Bunsenovom plameni je komplikované sekundárnou interakciou produktov nedokonalého spaľovania s atmosférickým vzduchom, ak horľavá zmes obsahuje nadbytok paliva. V tomto prípade sa okrem hlavného, ​​vnútorného, ​​vytvorí aj sekundárny, takzvaný vonkajší Bunsenov kužeľ plameňa. Aby sa zabránilo vytvoreniu vonkajšieho kužeľa, plameň horáka je niekedy obklopený prostredím inertného plynu.

Vzory, ktoré určujú tvar Bunsenovho plameňa, sa dajú určiť zvážením správania plochej (malej) časti stacionárneho plameňa. L V v prúde spáleného plynu (obr. 1.9).

Ak by bol plyn nehybný, potom by sa plameň pohyboval pozdĺž normálu až AB s rýchlosťou U n, a pozdĺž toku - s rýchlosťou U n/sin β, kde β je uhol medzi AB a os potrubia. Táto zložka rýchlosti horenia sa rovná miestnemu prietoku W, pretože plameň je stále:

Rovnica (1.7), ktorú získal V. A. Mikhelson, je špeciálnym prípadom rovnice (1.6) - pre stacionárny plameň ( U f = 0); záporná rýchlosť plynu znamená, že smery rýchlosti plynu a plameňa sú opačné. Rovnica (1.7) určuje pre každý bod povrchu plameňa hodnotu uhla β, a tým aj stacionárny tvar celého plameňa ako celku. Ak sa v ktoromkoľvek bode Bunsenovho kužeľa ukáže, že zložka rýchlosti prúdenia plynu normálna k plameňu je väčšia ako normálna rýchlosť plameňa, potom prúd plynu odnesie tento prvok plameňa preč z ústia horáka. V tomto prípade sa sklon prvku plameňa k osi prúdenia zväčší (keďže základňa kužeľa je pevná) a uhol β sa bude zmenšovať, kým sa zložka rýchlosti prúdenia nebude rovnať U n. Opačné zmeny nastanú, keď Wsin β< U n.

Ak by bola rýchlosť plynu konštantná po celom priereze prúdu, potom by plameň nemal zakrivenie a Bunsenov kužeľ by bol rovný. Pri laminárnom prúdení plynu v potrubí je rozloženie rýchlostí v priereze parabolické, je určené Poiseuillovým zákonom

(1.8)

kde W(r) je rýchlosť prúdenia na diaľku r od osi potrubia; R 0 – polomer potrubia; W 0 = W(r= 0) je maximálna rýchlosť prúdenia.

Priemerný prietok W, rovný prietoku plynu na jednotku úseku potrubia vypočítame spriemerovaním:

(1.9)

tie. W o polovicu menej W 0. V tomto prípade treba mať na pamäti, že po výstupe plynu z horáka sa rozloženie rýchlostí v prúdení trochu zmení. V prípade rozdelenia rýchlostí plynu podľa Poiseuilleho zákona za rovné W kužele plameňa pre všetky horáky sú geometricky podobné.

Už sme videli, že existencia Bunsenovho plameňa v širokom rozsahu prietokov spaľovaného plynu je spôsobená stabilitou základne kužeľa, fixáciou plameňa na uzatváracom prstenci horáka. Takáto stabilizácia je spôsobená zvláštnosťami spaľovania v tejto zóne. Skúsenosti ukazujú, že medzi základňou plameňa a rezom horáka je malá medzera, spaľovanie začína v určitej vzdialenosti od okraja potrubia. Je to spôsobené tým, že spaľovanie nie je možné v blízkosti povrchu, pretože stacionárna teplota plynu v tejto zóne je príliš nízka. Z rovnakého dôvodu nie je možné, aby plameň vzbĺkol do potrubia pozdĺž stien, kde je rýchlosť prúdenia plynu menšia U n.

V zóne stabilizačného krúžku v určitej vzdialenosti od okraja horáka je možné spaľovanie, avšak rýchlosť plameňa v tejto zóne je nižšia U n v dôsledku tepelných strát. Keď sa vzdialime od okraja horáka a zastavíme spomaľovanie toku stenou, rýchlosť plynu pozdĺž prstenca sa tiež zvyšuje. r = R 0. V určitej výške sa porovnáva s rýchlosťou plameňa.

V týchto bodoch je plameň stabilne fixovaný: bližšie k okraju horáka je spaľovanie nemožné, vo väčšej vzdialenosti je rýchlosť plameňa väčšia ako rýchlosť plynu a plameň sa bude približovať k horáku, kým sa obe rýchlosti nezrovnajú. Rovnakým mechanizmom môže byť plameň stabilizovaný v prúdení horľavého média v blízkosti rôznych pevných prekážok, napríklad v blízkosti drôteného prstenca umiestneného nad horákom alebo na konci tyče umiestnenej vo vnútri horáka. V druhom prípade sa vytvorí takzvaný obrátený Bunsenov kužeľ, obrátený hore nohami a stabilizovaný v jednom pevnom bode - na jeho vrchole.

Ako ukazuje analýza tepelného režimu spaľovania, keď je vo vnútri potrubia stacionárny plameň, teplo sa odoberá z plynu do steny a plameň smeruje konvexnosťou k nespálenému plynu, t.j. má tvar menisku. Pri vysokej intenzite odvodu tepla, t.j. v blízkosti samotnej steny nemôže vôbec existovať a odlomí sa v určitej vzdialenosti od nej, rovnako ako keď je mimo potrubia, nad ústím horáka. Vidíme, že spaľovanie v Bunsenovom plameni je napriek jednoduchosti tohto zariadenia veľmi zložitý proces, ktorý sa vyznačuje mnohými špecifickými vlastnosťami.