4.1. Распространение пламени по газам

Д

Ефлаграционное горение. Состав горючих смесей может быть раз­личным. В общем случае содержание горючего компонента может колебаться от нуля до ста процентов. Опыт показывает, что не все смеси горючего и окислителя способны распространять пламя. Распространение возможно лишь в определенном интервале концентраций. При зажигании смесей, состав которых выходит за эти пределы, реакция горения, ини­циированная зажигающим импульсом, затухает на небольшом расстоянии от места зажигания.

Для смесей горючего и окислителя, находящихся в газообразном со­стоянии, существуют минимальная и максимальная концентрации горю­чего, которые ограничивают область горючих смесей. Эти концентрации называются соответственно нижним и верхним концентрационными пре­делами распространения пламени. Вне пределов распространение пламе­ни по данной смеси невозможно.

Значения концентрационных пределов распространения пламени наиболее распространенных горючих газов приведены в табл. 5.2.

Рассмотрим причины, обуславливающие наличие предельных усло­вий распространения пламени по газовым смесям.

В начальный момент инициирования горения (искрой, накаленным телом или открытым пламенем) в горючей смеси возникает зона высокой температуры, из которой тепловой поток будет направлен в окружающее пространство. Часть тепла поступает в свежую (еще не сгоревшую) смесь, другая часть — в продукты горения. Если поток тепла в свежую смесь не­достаточен для возбуждения в ней реакции горения, первоначальный очаг пламени затухает.

Для количественной оценки этого явления рассмотрим ситуацию, ко­гда смесь горючего и окислителя движутся навстречу фронту пламени со скоростью, равной скорости распространения пламени. Тогда пламя будет неподвижным, а распределение температуры в зоне горения схематически

83

Корольченко А. Я. Процессы горения и взрыва

Изобразится кривой, показанной На рис 4.1. Обозначим температуру газо­вой смеси вдали от пламени Т0 А температуру продуктов горения — Тпл.

Рис. 4.1. Распределение температуры в зоне горения газовой смеси

Кривую Т (Z) Заменим ломаной, состоящей из прямых Т = Т0 И Т — Тпл И касательной к кривой Т(Z) В точке перегиба.

При возникновении горения к свежей смеси по механизму тепло­проводности от единицы поверхности пламени в единицу времени подво­дится количество тепла Q, Определяемое соотношением:

(4.1)

Где — коэффициент теплопроводности, — толщина фронта пламени.

Подведенное тепло расходуется на нагрев свежей смеси от темпера­туры Т0 До температуры Тпл:

(4.2)

Где И — скорость потока газа, равная скорости распространения пламени, С — удельная теплоемкость, — плотность смеси.

Из соотношений (4.1) и (4.2) может быть найдена величина И:

(4.3.)

84

Глава 4. Развитие горения

Где — среднее значение коэффициента температуропроводности.

Поскольку скорость реакции с ростом температуры увеличивается по экспоненциальному закону, то сгорание основной массы смеси будет происходить в области, температура которой близка к максимальной Тпл. При этом зона реакции Будет несколько меньше

Без существенной погрешности можно принять, что ширина зоны реакции Равна произведению скорости и на время пребывания смеси в зоне горения

(4.4)

А время Т Протекания реакции обратно пропорционально скорости реак-

То есть

(4.5)

Где Е — Энергия активации реакции; R — универсальная газовая постоян­ная.

Учтем, что

(4.6)

Где в — безразмерный множитель, меньше единицы. Численное значение этой величины определяется видом кинетики реакции горения. Из соотношений (4.4), (4.5) и (4.6) получаем

(4.7)

Где В0- Величина, зависящая от свойств смеси.

Отвод тепла от зоны горения понижает температуру пламени. При этом замедляются химические процессы в пламени, и соответственно, скорость его распространения. При достаточной величине теплопотерь возникшее пламя потухает, его распространение по смеси прекращается. Определение предельных условий распространения пламени основано на

85

Корольченко А. Я. Процессы горения и взрыва_________________________

Учете влияния тепловых потерь на температуру пламени и скорость его распространения. На этих положениях основана теория пределов распро­странения пламени, предложенная академиком Я. Б. Зельдовичем.

Согласно этой теории понижение максимальной температуры пла­мени Тпл По отношению к теоретической температуре горения Ттеор Обрат­но пропорционально квадрату скорости распространения пламени:

(4.8)

Где — коэффициент, характеризующий теплоотдачу.

Рис. 4.2. Пояснения к оценке критических условий Распространения пламени

Совместное решение уравнений (4.7) и (4.8) позволяет оценить ско­рость распространения пламени с учетом принятых допущений. Это мож­но сделать графическим способом в прямоугольной системе координат, отложив по оси абсцисс величину Тпл, А по оси ординат — скорость распро­странения пламени. Если далее на основании уравнений (4.7) и (4.8) по­строить соответствующие кривые, то координаты точек пересечения да­дут критические значения И И Тпл.

86

Глава 4. Развитие горения

На рис. 4.2 Кривые 1, 2 и 3 построены в соответствии с уравнением (4.8). При построении величина Ттеор Принималась постоянной, а величи­ны коэффициента теплоотдачи — различными: Прямая 4 ха­рактеризует взаимосвязь между скоростью распространения и температу­рой пламени, которая задана уравнением (4.7). Как следует из графика, кривые 3 и 4 пересекаются в точках А И Б. Координаты этих точек соот­ветствуют значениям И И Тпл, Удовлетворяющим уравнениям (4.7) и (4.8). Точке А Соответствует неустойчивый режим горения, а точке Б — Устойчи­вый, при котором Тпл Близка к Ттеор. При увеличении теплоотвода из зоны реакции, что отражено увеличением коэффициента Точки пересечения кривых будут сближаться, а значения температуры Тпл И скорости распро­странения пламени и, соответствующие устойчивому режиму горения, будут уменьшаться. При величине коэффициента Отвечающем кривой 2, кривые, описывающие уравнения (4.7) и (4.8) будут иметь единствен­ную общую точку Б. При дальнейшем увеличении А Кривые пересекаться не будут. Это соответствует условию прекращения распространения пла­мени по смеси.

Оценим значения Тпл И И Отвечающие этому условию.

В точке Б Производные

(4.7) и (4.8), получаем:

Должны быть равны. Дифференцируя

Приравнивая правые части полученных уравнений, и решая полу­ченное соотношение относительно Тш, Получаем:

(4.9)

Или приближенно

(4.10)

Формула (4.10) свидетельствует о том, что пламя может распространять­ся по газовой смеси, если температура пламени не будет ниже теоретической

87

Корольченко А. Я. Процессы горения и взрыва

(т. е. температуры пламени в отсутствии теплопотерь) на величину, превы-

Шаюшую

. При понижении температуры пламени на величин}’

Е ‘ " ‘ Е

Оно затухает.

Решение уравнения (4.7) позволяет оценить предельную скорость распространения пламени. После преобразований получено:

(4.11)

Где Ипред — предельная скорость распространения пламени, Имакс — Макси­мальная, соответствующая теоретической температуре горения.

Изложенная теория объясняет наличие пределов распространения пламени по газовым смесям теплопотерями из зоны реакции. Выводы теории соответствуют экспериментально наблюдаемым фактам.

Детонация. Детонацией называется процесс превращения горючей смеси или взрывчатого вещества ВВ, сопровождающийся выделением те­плоты и распространяющийся с постоянной скоростью, превышающей скорость распространения звука в данной смеси или веществе.

В отличие от дефлаграционного горения, где распространение пла­мени обусловлено относительно медленными процессами диффузии и те­плопроводности, детонация представляет собой комплекс мощной удар­ной волны и следующей за ее фронтом зоны химического превращения. Благодаря резкому повышению температуры и давления за фронтом ударной волны химическое превращение исходных веществ в продукты горения протекает чрезвычайно быстро в очень тонком слое, непосредст­венно прилегающем к фронту ударной волны (рис. 4.3)

Рис. 4.3. Схема детонационной волны

Глава 4. Развитие горения

Ударная волна сжимает и нагревает горючую смесь (или взрывчатое вещество), вызывая химическую реакцию, продукты которой сильно рас­ширяются — происходит взрыв. Энергия, выделяющаяся в результате хи­мического превращения, поддерживает существование ударной волны, не давая ей затухать. Скорость перемещения детонационной волны постоян­на для каждой горючей смеси и взрывчатого вещества и достигает 1000-3000 м/с в газовых смесях и 8000-9000 м/с — в конденсированных взрыв­чатых веществах (табл. 4.1).

Таблица 4.1 Скорость детонации некоторых горючих Смесей и Взрывчатых веществ

Смесь или вещество	Агрегатное состояние	Плотность, Г/см	Скорость детонации, м/с
2Н2+02	Газ	—	2820
СН4+202	Газ	—	2320
CS2+302	Газ	—	1800
Нитроглицерин С3Н5(ОN02)з	Жидкость	1,60	7750
Тринитротолуол (тротил) C7H5(N02)3 СНз	ТВ. В-ВО	1,62	6950
Пентаэритритетранитрат С5Н8 (ON02)4	ТВ. В-ВО	1,77	8500
Циклотриметилентринитроа-мин (гексоген) СзН60бМ6	ТВ. B-BO	1,80	8850

Давление во фронте ударной волны при детонации газовых смесей дос­тигает 1-5 МПа (10-50 атм), конденсированных веществ — 10 ГПа (103 атм).

Детонация взрывчатых веществ может инициироваться интенсив­ным механическим или тепловым воздействием (удар, искровой разряд, взрыв металлической проволочки под действием электрического тока и т. п.). Сила воздействия, необходимая для возбуждения детонации зави­сит от химической природы взрывчатого вещества или состояния го­рючей газовой смеси. К механическому воздействию чувствительны, так называемые инициирующие взрывчатые вещества (гремучая ртуть, азид свинца и др.), которые обычно входят в состав капсюлей-

89

Корольченко А. Я. Процессы горения и взрыва______________________

Детонаторов, используемых для возбуждения детонации вторичных (менее чувствительных) взрывчатых веществ.

В конденсированном взрывчатом веществе детонация распространяет­ся с постоянной скоростью, которая среди возможных для этого вещества скоростей распространения детонационной волны является минимальной. При этом зона химического превращения перемещается относительно ис­ходного вещества со сверхзвуковой скоростью. Вследствие этого волны раз­режения, возникающие при расширении газообразных продуктов химиче­ской реакции, не могут проникнуть в зону реакции и ослабить распростра­няющуюся впереди ударную волну. Детонация, отвечающая описанным вы­ше условиям, называется процессом Чепмена-Жуге. Соответствующая ей минимальная скорость распространения детонационной волны принимается в качестве характеристики взрывчатого вещества или горючей смеси.

Современная теория детонации позволяет рассчитывать значения ее скорости и распределение давления, плотности и температуры в детонаци­онной волне относительно продуктов реакции и скорости звука в них. Взаи­мосвязь давления и объема в распространяющейся ударной детонационной волне показана на Рис. 4.4, На котором адиабата АВ соответствует ударной волне, распространяющейся в газовой смеси (р — Давление, V — Объем) и не вызывающей химической реакции. СД — Адиабата, построенная в предполо­жении, что химическая реакция завершилась. При детонации вначале проис­ходит ударный переход 1-2 (адабатический про­цесс), затем химическая реакция переводит веще­ство из состояния 2 в со­стояние 3 по прямой, ка­сающейся адиабаты СД. Дальнейшее расширение вещества идет по адиабате СД. Скорость газовой де-Рис. 4.4. Взаимосвязь давления и объема Тонации VДет Рассчитыва­в Ударной волне, распространяющейся в газе Ется по формуле:

(4.12)

90

Глава 4. Развитие горения

Где Q — Тепловой эффект реакции, — показатель диабаты.

При определенных условиях в горючей смеси может быть возбуж­дена детонация, скорость распространения которой превышает мини­мальную скорость детонации. Например, взрыв заряда твердого взрывча­того вещества, помещенного в горючую газовую смесь, вызывает в ней ударную волну, интенсивность которой во много раз превосходит интен­сивность волны, соответствующей режиму с минимальной скоростью. В результате в газовой смеси распространяется детонационная волна с по­вышенной скоростью.

В газообразных горючих смесях распространение детонации воз­можно только при условиях, когда концентрация горючего газа (или па­ров горючей жидкости) находится в определенных пределах, зависящих от химической природы горючей смеси, давления и температуры. Напри­мер, в смеси водорода с кислородом при комнатной температуре и атмо­сферном давлении детонационная волна способна распространяться, если концентрация водорода находится в пределах от 20 до 90% об.