Скоростта на разпространение на пламъка по време на горене. Концепцията за горене. Необходими условия за възникване на горене. Пламъкът се разпространява. Нормална скорост на разпространение на пламъка. "скорост на разпространение на пламъка" в книгите

Както може да се види, при изгаряне на въздух газови смеси при атмосферно налягане u max е в диапазона 0,40-0,55 m/s, а - в диапазона 0,3-0,6 kg/(m2-s). Само за някои нискомолекулни ненаситени съединения и водород u max е в границите 0,8-3,0 m/s и достига 1-2 kg/(m2s). Чрез увеличаване И max от изследваните горими вещества в смеси с въздух може да бъде

място в следващия ред: бензин и течни ракетни горива – парафини и ароматни съединения – въглероден оксид – циклохексан и циклопропан – етилен – пропиленов оксид – етиленов оксид – ацетилен – водород.

1) Влажност на материала. 2) Влиянието на ориентацията на пробата в пространството. При отрицателни ъгли на наклон (посока на движение на пламъка отгоре надолу) скоростта разпространение на пламъкаили не се променя, или леко намалява. Когато положителният ъгъл на наклон (посоката на движение на пламъка отдолу нагоре) се увеличи над 10-15 0, скоростта на разпространение на пламъка рязко се увеличава. 3) Влияние на скоростта и посоката на въздушните потоци. С увеличаване на скоростта на опашния вятър обменът на газ се подобрява и ъгълът на наклон на пламъка към пробата намалява. Скоростта на разпространение се увеличава. Въздушният поток, насочен срещу посоката на движение на пламъка, има двоен ефект върху скоростта на разпространение на пламъка. В резултат на аеродинамично спиране и охлаждане на нагрети участъци от повърхността пред фронта на пламъка, скоростта на разпространение на пламъка намалява. От друга страна, въздушният поток засилва смесването на пиролизните продукти с окислителя, образуването на хомогенна горима смес става по-бързо, върха на пламъка се приближава до повърхността на твърдия материал, което от своя страна води до допълнително увеличаване на интензитет и това ускорява разпространението на пламъка. 4) Влиянието на геометричните размери на образеца. Има термично дебели и термично тънки проби. Топлинната дебелина е дебелината на слоя твърд материал, нагрят пред фронта на пламъка над първоначалната температура до момента, в който пламъкът се разпространи до дадена повърхност. 5) Влияние на материала на субстрата. Ако запалим материалвлезе в контакт с материал (субстрат), чиито термофизични свойства се различават от въздуха, това също ще повлияе на скоростта на разпространение на пламъка (залепена хартия, изолация на проводник и др.). Ако l ниско > l високо. мат. , тогава топлината ще бъде интензивно отстранена от пробата и скоростта на разпространение ще бъде по-ниска, отколкото в случай на липса на субстрат. 6) Влияние на съдържанието на кислород в среда. С увеличаването на съдържанието на кислород в околната среда скоростта на разпространение на пламъка се увеличава. 7. Влияние на началната температура на пробата. За дървесината повишаването на началната температура до 230–250 o C (температурен диапазон на пиролиза) води до рязко увеличение на u l. Бърнаут твърди материали Едновременно с разпространението на пламъка върху повърхността на материала започва процесът на изгаряне. Моделите на изгаряне на твърди материали значително зависят от естеството на превръщането на твърдата фаза в газообразни продукти. Ако разлагането на твърдата фаза протича в тесен диапазон повърхностен слойбез образуване на въглероден слой, тогава в този случай горенето протича с постоянна скорост. След запалването на повърхността на твърдата фаза се установява постоянна температура, равна на температурата на кипене или сублимация на веществото. Механизъм на горене твърди вещества, което се случва с образуването на въглероден остатък върху горивната повърхност, е по-сложно. Така горят почти всички вещества от растителен произход, някои пластмаси, съдържащи незапалими или бавно горящи пълнители (талк, сажди и др.). Най-често срещаните запалими вещества от растителен произход от този тип са дървото. В момента на запалване, поради топлинния поток от зоната на пламъка, температурата на повърхностния слой на дървесината бързо се повишава до 450-500 o C. Настъпва интензивно разлагане на веществата с образуването на летливи продукти и въглища, докато температурата на повърхността се повишава до 600 o C. Според дълбочината на изгаряне на дървесината има зони с различни физични и физикохимични характеристики. Условно те могат да бъдат разделени на 4 зони: аз - въглен, състоящ се от 99% въглерод; II - дърво с различна степен на пиролиза; III - непиролизирана, суха дървесина; IV - оригинално дърво. Тъй като летливите продукти се отделят от твърдата фаза по време на изгарянето на дървесината, материалът се овъглява отново във всички по-голяма дълбочина. Увеличаването на дебелината на въглеродния слой води до увеличаване на неговата термично съпротивлениеи следователно намалява скоростта на нагряване и пиролиза на дървесни слоеве, които все още не са се разложили, и скоростта пламтящо горенепостепенно намалява. Пламъчното изгаряне на дървесината спира, когато масовата скорост на летливите емисии намалее до 5 g/(m 2 s). Дебелината на въглищния слой достига 15-20 mm. Прекратяването на пламъчното горене на дървесината отваря достъп на кислород от въздуха до въглища, загряти до температура 650-700 o C. Започва вторият етап от изгарянето на дървесината - хетерогенно окисляване на въглеродния слой главно по реакцията C + O 2 ® CO 2 + 33000 kJ/kg, температурата на въглеродния слой се повишава до 800 o C и процесът хетерогенно изгаряневъглища се интензифицира допълнително. Реалната картина на прехода хомогенно изгарянев хетерогенен е малко по-различен от горния. Основният количествен параметър, характеризиращ процеса на изгаряне на твърди материали, е масовата скорост на изгаряне, която е един от параметрите, определящ динамиката на пожара. Намалената масова скорост на изгаряне е количеството вещество, изгорено за единица време на единица площ от пожара. Изгаряне на метали Според характера на горенето металите се делят на две групи: летливи и нелетливи. Летливите метали имат T pl< 1000 К, Т кип < 1500 К. К ним относятся щелочные металлы (литий, натрий, калий и др.) и щелочноземельные (магний, кальций). Нелетливите метали имат Tm >1000 K, Tbp >2500 K. Механизмът на горене до голяма степен се определя от свойствата на металния оксид. Точката на топене на летливите метали е по-ниска от точката на топене на техните оксиди. Освен това последните са доста порести образувания. Когато IR се изведе на повърхността на метала, той се изпарява и окислява. Когато концентрацията на парите достигне долната граница на запалима концентрация, тя се запалва. Зоната на дифузионно горене се установява на повърхността, голяма част от топлината се предава на метала и той се нагрява до Т точка на кипене. Получените пари, свободно дифундиращи през порестия оксиден филм, навлизат в зоната на горене. Кипенето на метала причинява периодично разрушаване на оксидния филм, което усилва горенето. Продуктите от горенето (метални оксиди) дифундират не само към металната повърхност, насърчавайки образуването на оксидна кора, но и в околното пространство, където кондензират и образуват твърди частици под формата на бял дим. Образуването на бял гъст дим е визуален признак за изгаряне на летливи метали. За нелетливи метали имащи високи температурифазов преход, по време на горенето на повърхността се образува много плътен оксиден филм, който прилепва добре към металната повърхност. В резултат на това скоростта на дифузия на металните пари през филма рязко намалява и големите частици, например алуминий и берилий, не могат да изгорят. По правило пожарите на такива метали възникват, когато са под формата на стружки, прахове и аерозоли. Горят без да отделят гъст дим. Образуването на плътен оксиден филм върху металната повърхност води до експлозия на частицата. Това явление, особено често наблюдавано при движение на частици във високотемпературна окислителна среда, е свързано с натрупването на метални пари под оксидния филм, последвано от внезапното му разкъсване. Това естествено води до рязко усилване на горенето. Изгаряне на прах Прахе дисперсна система, състояща се от газообразна дисперсна среда (въздух и др.) и твърда дисперсна фаза (брашно, захар, дърва, въглища и др.). Фактори, влияещи върху скоростта на разпространение на пламъка през праховъздушни смеси: 1) Концентрация на прах. Както при хомогенното горене смес газ-въздух, максимална скоростразпространението на пламъка възниква за смеси, малко по-високи от стехиометричния състав. За торфения прах е 1,0-1,5 kg/m3. 2) Съдържание на пепел. С увеличаване на съдържанието на пепел концентрацията на запалимия компонент намалява и съответно скоростта на разпространение на пламъка намалява. С намаляването на съдържанието на кислород скоростта на разпространение на пламъка намалява. Класификация на праховете според опасността от пожар и експлозия. Въз основа на опасността от пожар и експлозия праховете се разделят на класове: Клас I - най-експлозивен - j n до 15 g/m 3; Клас II - експлозив - 15 g/m 3< j н < 65 г/м 3 ; Клас III - най-пожароопасен - j n > 65 g/m 3 ; T St до 250 o C; IV клас - пожароопасност - j n > 65 g/m 3 ; T St > 250 o C. ДИНАМИКА НА РАЗВИТИЕТО НА ПОЖАРА Динамиката на пожара се разбира като набор от закони и модели, които описват промените в основните параметри на пожара във времето и пространството. Естеството на пожара може да се съди по комбинацията от голям брой от неговите параметри: площта на пожара, температурата на пожара, скоростта на разпространението му, интензивността на отделянето на топлина, интензивността на газообмена , интензивността на дима и др. Параметрите на пожара са толкова много, че при едни видове пожари някои от тях са първични, а при други вторични. Всичко зависи от това какви цели са поставени за изучаване на определен вид пожар. За да изследваме динамиката на пожара, ние приемаме площта на пожара, температурата на пожара, интензивността на обмена на газ и дима и скоростта на разпространение на огъня като основни параметри, които се променят с течение на времето. Тези параметри на пожара са най-достъпни за измерване, анализ и изчисления. Те служат като изходни данни за определяне на вида необходимо оборудванеи разчет на силите и средствата при гасене на пожари, проектиране автоматични системипожарогасене и др. От момента на възникване на пожара, със свободното му развитие, до пълното му спиране, пожарът в помещението може да се раздели на фази. Пожарни фази I. Фаза на запалване. Пламъкът възниква от включен външен източник на запалване малка площи се разпространява бавно. Около зоната на горене се образува конвективен газов поток, който осигурява необходимия газообмен. Повърхността на горимия материал се затопля, размерът на факела се увеличава, газообменът се увеличава и се увеличава лъчистият топлинен поток, който навлиза в околното пространство и върху повърхността на горимия материал. Продължителността на фазата на запалване варира от 1 до 3 минути. II. Фаза на започване на пожар. Температурата на околната среда в помещението бавно се повишава. Целият предишен процес се повтаря, но с по-голяма интензивност. Продължителността на втория етап е приблизително 5-10 минути. III. Фаза на обемно развитие на пожара- бърз процес на растеж на всички изброени параметри. Стайната температура достига 250 -300°C. Започва „обемната“ фаза на развитие на пожара и фазата на обемно разпространение на пожара. Когато температурата на газа в помещението е 300°C, стъклопакетът се разрушава. Доизгаряне може да възникне и извън помещението (огънят излиза от отворите навън). Интензивността на газообмена се променя рязко: рязко се увеличава, процесът на изтичане на горещи продукти от горенето и приток чист въздухв зоната на горене. IV.Пожарна фаза. По време на тази фаза стайната температура може да се понижи за кратко. Но в съответствие с промяната в условията на газообмен, такива параметри на пожара като пълнотата на изгаряне, скоростта на изгаряне и разпространението на процеса на горене рязко се увеличават. Съответно общото отделяне на топлина при пожар рязко се увеличава. Температурата, която леко намалява в момента на разрушаване на стъклопакета поради нахлуването на студен въздух, рязко се повишава, достигайки 500 - 600 ° C. Процесът на развитие на пожара бързо се засилва. Числената стойност на всички горепосочени параметри на пожара се увеличава. Площта на пожара, средната обемна температура в помещението (800-900 ° C), интензивността на изгаряне на пожара и степента на дим достигат максимум. V. Стационарна фаза на горене. Параметрите на пожара се стабилизират. Това обикновено се случва 20-25 минути след началото на пожара и в зависимост от размера на пожарното натоварване може да продължи 20-30 минути. VI. Фаза на разпад. Интензитетът на горене постепенно намалява, т.к по-голямата част от пожарния товар вече е изгорял. В помещението се е натрупало голямо количество продукти от горенето. Средната обемна концентрация на кислород в помещението намаля до 16-17%, а концентрацията на продуктите от горенето, които предотвратяват интензивното горене, се увеличи до максималната стойност. Интензивността на радиационното пренасяне на топлина към горимия материал намалява поради намаляване на температурата в зоната на горене. Поради увеличението оптична плътностсреда, интензитетът на горене бавно намалява, което води до намаляване на всички други параметри на пожара. Пожарната зона не се свива: тя може да расте или да се стабилизира. VII. Фаза на доизгаряне. Тази крайна фаза на пожара се характеризира с бавно тлеене, след което след известно, понякога доста дълго време, горенето спира. Основни параметри на пожара Нека да разгледаме количествено някои от основните параметри на пожара, които определят динамиката на неговото развитие. Нека определим интензивността на отделянето на топлина при пожар, тъй като това е един от основните параметри на процеса на горене: Q=βQ р n V m ’Sp, (kJ/s) където β и Q р n са константи (коефициент на недогаряне и долна калоричност на пожарния товар); V m ¢ - намалена скорост на изгаряне на масата; S p – пожарна площ; V m ¢ и S p зависят от времето на развитие на пожара, температурата на пожара, скоростта на газообмен и др. Намалената скорост на изгаряне на маса V m ¢ се определя по формулата: v m ¢ = (a×T p +b×I g) v m o ¢ където a, b са емпирични коефициенти; v m o ¢ - намалената масова скорост на изгаряне при пожар при даден вид горим материал; T p - средна температура на пожар; I g - интензивност на обмен на газ. Зависимостта на площта на пожара от основните параметри на неговото развитие има формата: S p = k (v p ∙ τ) n където k и n са коефициенти, зависещи от геометричната форма на зоната на пожара; v р – линейна скорост на разпространение на пожара; τ е времето на свободното му развитие. k = π; n = 2 k = ; n = 2 k = 2a; n=1 k = ; n = 2 k = 2a; n=1 Линейната скорост на разпространение на огъня зависи от вида на горимия товар, средната температура на пожара и интензивността на обмена на газ: v p = (a 1 T p + b 1 I g)v po където a 1 и b 1 са емпирични коефициенти, установяващи зависимостта линейна скоростразпространението на пожара зависи от средната температура и интензивността на газообмена, числената стойност на която се определя експериментално за всеки конкретен вид гориво; v p o - линейна скорост на разпространение на горенето за даден вид гориво. С развитието на пожара температурата на пожара и скоростта на обмен на газ ще се повишат, увеличавайки линейната скорост на разпространение на горенето и намалената масова скорост на изгаряне. Топлинни условия по време на пожар Появата и скоростта на топлинните процеси зависят от интензивността на отделянето на топлина в зоната на горене, т.е. от топлината на огъня. Количествени характеристикипромени в отделянето на топлина при пожар в зависимост от различни условиягоренето се контролира от температурата. Под температурни условияпожарите разбират промяната в температурата с течение на времето. Определянето на температурата на огъня чрез използване на експериментални и изчислителни методи е изключително трудно. За инженерни изчисления при решаване на редица практически задачи температурата на пожара се определя от уравнението на топлинния баланс. Топлинният баланс на пожар се съставя не само за определяне на температурата на пожара, но и за идентифициране на количественото разпределение на топлинната енергия. IN общ случайТоплинният баланс на пожар за даден момент от време може да се представи, както следва: Q p = Q pg +Q k +Q l където Q p е топлината, отделена при пожар, kJ; Q pg - топлина, съдържаща се в продуктите на горенето, kJ; Q к - топлина, пренесена от зоната на горене чрез конвекция към въздуха, измиващ зоната, но не участващ в изгарянето, kJ; Q l – топлина, пренесена от зоната на горене чрез излъчване. За открити огньове е установено, че делът на топлината, пренесена от зоната на горене чрез радиация и конвекция, е 40-50% от Q p, а останалата част от топлината (60-70% от Q p) се използва за нагряване на горенето продукти. Така 60-70% от теоретичната температура на горене на даден горим материал ще даде приблизителна стойност на температурата на пламъка. Температурата на открития огън зависи от калоричностгорими материали, скоростта на тяхното изгаряне и метеорологичните условия. Средна максимална температура открит огънза запалими газове е 1200 - 1350°C, за течности - 1100 - 1300°C и за твърди горими материали от органичен произход - 1100 - 1250°C. При вътрешен пожар температурата се влияе от повече фактори: естеството на горимия материал, големината на пожарното натоварване и неговото местоположение, зоната на горене, размерите на сградата (етажна площ, височина на помещението и др.) и интензивността на обмена на газ (размер и местоположение на отворите). Нека разгледаме по-подробно влиянието на тези фактори. Пожарът може да бъде разделен на три характерни периода въз основа на температурните промени: начален, основен и краен. Начален период- характеризира се с относително ниска средна обемна температура. Основен период- по време на него се изгарят 70-80% от общия товар от горими материали. Краят на този период настъпва при достигане на средната обемна температура най-висока стойностили намалява до не повече от 80% от максималната стойност. Последен период- характеризира се с понижаване на температурата поради изгаряне на пожарния товар. Фигура 9.1. Промяна на температурата на вътрешен пожар във времето: 1 - крива на конкретен пожар; 2 - стандартна крива Тъй като скоростта на нарастване и абсолютната стойност на температурата на пожар във всеки конкретен случай имат свои собствени характерни стойности и характеристики, беше въведена концепцията за стандартна температурна крива (фиг. 21.2), която обобщава най-много характерни особеноститемпературни промени при вътрешни пожари. Стандартната температура се описва с уравнението. Нормалната скорост на разпространение на пламъка е скоростта, с която фронтът на пламъка се движи спрямо неизгорелия газ в посока, перпендикулярна на неговата повърхност. Стойността на нормалната скорост на разпространение на пламъка трябва да се използва при изчисляване на скоростта на нарастване на налягането на експлозията на газови и паровъздушни смеси в затворени, течащи съоръжения и помещения, критичния (пожарогасителен) диаметър при разработването и създаването на пожарогасители, зона с лесно пренастройващи се конструкции, предпазни мембрани и други устройства за понижаване на налягането; при разработване на мерки за осигуряване на безопасност при пожар и експлозия технологични процесив съответствие с изискванията на GOST 12.1.004 и GOST 12.1.010. Същността на метода за определяне на нормалната скорост на разпространение на пламъка е да се подготви горима смес с известен състав вътре в реакционен съд, да се запали сместа в центъра с точков източник, да се регистрират промените в налягането в съда във времето и да се обработи експериментална връзка налягане-време с помощта на математически модел на процеса на изгаряне на газ в затворен съд и процедури за оптимизация. Математическият модел дава възможност да се получи изчислена връзка налягане-време, чиято оптимизация с помощта на подобна експериментална връзка води до промяна в нормалната скорост по време на развитието на експлозия за конкретен тест. Нормалната скорост на горене е скоростта на разпространение на фронта на пламъка спрямо неизгорелите реагенти. Скоростта на горене зависи от редица физични и химични свойства на реагентите, по-специално от топлопроводимостта и скоростта на химичната реакция, и има много специфична стойност за всяко гориво (при постоянни условия на горене). В табл Таблица 1 показва скоростите на горене (и границите на запалване) на някои газови смеси. Концентрациите на горивото в смесите се определят при 25°C и нормално атмосферно налягане. С отбелязани изключения границите на запалимост се получават чрез разпространение на пламък в тръба с диаметър 0,05 m, затворена от двете страни. Коефициентите на излишък на гориво се определят като отношението на обемното съдържание на гориво в истинска смескъм стехиометричната смес (j1) и към сместа при максимална скорост на горене (j2). Таблица 1 Скорости на горене на кондензирани смеси (неорганичен окислител + магнезий) Лист Документ № Подпис Дата Лист TGiV 20.05.01.070000.000 PZ 41,6	1,60	28,8	74,9	2,48	39,4
KNO3	37,6	0,74	12,5	75,5	1,30	20,0
Ca(NO3)2	42,6	0,46		73,1	1,00
Ba(NO3)2	31,8	0,34		62,8	0,74
Sr(NO3)2	36,5	0,32	6,4	65,4	0,72	12,3
Pb(NO3)2	26,8	0,26		60,2	0,70
NaClO4	44,3	0,24		78,0	0,96
KClO4	41,3	0,23	4,2	77,1	0,68	10,9
NH4ClO4	29,2	0,22	3,6	79,3	0,42	6,5

промяна

Лист

Документ №

Подпис

Дата

Лист

TGiV 20.05.01.070000.000 PZ

Влиянието на структурата на молекулата на горивото върху скоростта на горене е проследено за нискомолекулни въглеводороди с права верига. Скоростта на горене нараства с увеличаване на степента на ненаситеност в молекулата: алкани – алкени – алкадиени – алкини. С увеличаване на дължината на веригата този ефект намалява, но въпреки това скоростта на изгаряне на въздушните смеси за n-хексен е приблизително 25% по-висока, отколкото за n-хексан.

Линейната скорост на горене на кислородните смеси е значително по-висока от тази на въздушните смеси (за водород и въглероден оксид - 2-3 пъти, а за метан - повече от порядък). Масовата скорост на изгаряне на изследваните кислородни смеси (с изключение на сместа CO + O2) е в диапазона 3,7-11,6 kg/(m2 s).

В табл Таблица 1 показва (според Н. А. Силин и Д. И. Постовски) скоростите на изгаряне на уплътнени смеси от нитрати и перхлорати с магнезий. За приготвяне на смесите са използвани прахообразни компоненти с размер на частиците нитрати 150-250 микрона, перхлорати 200-250 микрона и магнезий 75-105 микрона. Сместа се напълва в картонени черупки с диаметър 24-46 mm до коефициент на уплътняване 0,86. Пробите бяха изгорени на въздух при нормално налягане и начална температура.

От сравнение на данните в табл. 1 и 1.25 следва, че кондензираните смеси превъзхождат газовите смеси по маса и им отстъпват по линейна скорост на горене. Скоростта на горене на смеси с перхлорати е по-малка от скоростта на горене на смеси с нитрати, а смесите с нитрати на алкални метали горят с по-висока скорост от смесите с нитрати на алкалоземни метали.

Таблица 2

Граници на запалване и скорост на горене на смеси с въздух (I) и кислород (II) при нормално наляганеИ стайна температура

Лист

Документ №

Подпис

Дата

Лист

TGiV 20.05.01.070000.000 PZ

1,06 0,39 0,35-0,52 3,7-5,1 0,38-0,45 4,15 Етан 0,0564 0,50 2,72 1,12 0,46 Пропан 0,0402 0,51 2,83 1,14 0,45 0,57 0,41 Бутан 0,0312 0,54 3,30 1,13 0,44 0,54 n-пентан 0,0255 0,54 3,59 1,15 0,44 n-хексан 0,0216 0,51 4,00 1,17 0,45 n-хептан 0,0187 0,53 4,50 1,22 0,45 Циклопропан 0,0444 0,58* 2,76* 1,13 0,55 Циклохексан 0,0227 0,48 4,01 1,17 0,45 Етилен 0,0652 0,41 <6,1 1,15 0,79 0,88 0,72-0,89 7,61 6,45 Пропилен 0,0444 0,48 2,72 1,14 0,50 Бутен-1 0,0337 0,53 3,53 1,16 0,50 ацетилен 0,0772 0,39* 1,33 1,63 1,86 1,65-1,73 11,6 Бутин-1 0,0366 1,20 0,67 Бензол 0,0271 0,43 3,36 1,08 0,47 0,61 4,6 0,6 4,6 Толуен 0,0277 0,43 3,22 1,05 0,40 Хетралин C10H12 0,0158 1,01 0,38 Етиленов оксид 0,0772 1,25 1,05 1,13 1,12 Пропиленов оксид 0,0497

промяна

Методи за изчисляване на скоростта на изгаряне на течности

промяна

Лист

Документ №

Подпис

Дата

Лист

TGiV 20.05.01.070000.000 PZ

Ако са известни параметрите на състоянието на изследваната течност, включени във формули (14) - (23), тогава, в зависимост от наличните данни, скоростта на изгаряне ( м) във всеки режим на горене може да се изчисли без провеждане на експериментални изследвания, като се използват формулите:

; (16)

Къде М- безразмерна скорост на изгаряне;

; (17)

М Ф- молекулно тегло на течността, kg mol -1;

d- характерен размер на горящото течно огледало, m, определен като корен квадратен от площта на горивната повърхност; ако зоната на горене има формата на кръг, тогава характерният размер е равен на неговия диаметър. При изчисляване на скоростта на турбулентно горене може да се вземе d= 10 m;

T k- точка на кипене на течността, К.

Процедурата за изчисление е следната.

Режимът на горене се определя от стойността на критерия Галилео Ga, изчислено по формулата

Къде ж- ускорение на свободно падане, m s -2.

В зависимост от режима на горене се изчислява безразмерната скорост на изгаряне М. За ламинарен режим на горене:

За преходен режим на горене:

ако , тогава , (20)

ако , тогава , (21)

За режим на турбулентно горене:

; , (22)

M0- молекулна маса на кислорода, kg mol -1;

n 0- стехиометричен коефициент на кислород в реакцията на горене;

n F- стехиометричен коефициент на течността в реакцията на горене.

б- безразмерен параметър, характеризиращ интензивността на масовия пренос, изчислен по формулата

, (23)

Къде Q- по-ниска топлина на изгаряне на течността, kJ kg -1;

промяна

Лист

Документ №

Подпис

Дата

Лист

TGiV 20.05.01.070000.000 PZ

- безразмерна стойност на масата на кислорода, необходима за изгарянето на 1 kg течност;

c- изобарна топлинна мощност на продуктите от горенето (приема се равна на топлинната мощност на въздуха c = 1), kJ kg -1 K -1 ;

T0- температура на околната среда, приета за 293 K;

з- топлина на изпаряване на течността при точка на кипене, kJ kg -1;

c e- среден изобарен топлинен капацитет на течността в диапазона от T0към Т до.

Ако кинематичният вискозитет на парата или молекулното тегло и точката на кипене на изследваната течност са известни, тогава скоростта на турбулентно горене се изчислява, като се използват експериментални данни съгласно формулата

Къде m i- експериментална стойност на скоростта на изгаряне в преходен режим на горене, kg m --2 s -1 ;

d i- диаметър на горелката, в която е получена стойността m i, м. Препоръчително е да използвате горелка с диаметър 30 ​​мм. Ако се наблюдава ламинарно горене в горелка с диаметър 30 ​​mm, трябва да се използва горелка с по-голям диаметър.

3. РАЗПРОСТРАНЕНИЕ НА ПЛАМЪК В ГАЗОВИТЕ СМЕСИ

Скоростта на разпространение на пламъка при горене на твърди, течни и газообразни вещества е от практически интерес по отношение на предотвратяването на пожари и експлозии.

Нека разгледаме скоростта на разпространение на пламъка в смеси от запалими газове и пари с въздух. Познавайки тази скорост, е възможно да се определят безопасни скорости на потока газ-въздух в тръбопровод, шахта, вентилационен блок и други експлозивни системи.

3.1.СКОРОСТ НА РАЗПРОСТРАНЕНИЕ НА ПЛАМЕНА Като пример на фиг. Фигура 3.1 показва диаграма на смукателна вентилация във въглищна мина. От изкопите на мина 1, чрез тръбопровод 2, се отстранява прахова смес от въздух и въглищен прах, а в някои случаи и метан, отделен във въглищните пластове. Ако възникне пожар, фронтът на пламъка 3 ще се разпространи към преспи 1. Ако скоростта на движение на горимата смесw ще бъде по-малка от скоростта на разпространение на фронта на пламъка

И

спрямо стените на тръбата, пламъкът ще се разпространи в шахтата и ще доведе до експлозия. Следователно, за нормална работа на вентилационната система е необходимо да се спазват условията

w > u.

Скоростта на отстраняване на експлозивната смес трябва да бъде по-голяма от скоростта на разпространение на фронта на пламъка.

Това ще предотврати навлизането на пламъци в минните шахти.

ориз. 3.1. Схема на разпространение на пламъка в мината: 1 – вал; 2 – тръбопровод; 3 – фронт на пламъкаТеорията за разпространение на пламъка, разработена в трудовете на Я.Б. Зелдович и Д.А. Франк-Каменецки, се основава на уравненията на топлопроводимостта, дифузията и химичната кинетика. Възпламеняването на горимата смес винаги започва от една точка и се разпространява в целия обем, зает от горимата смес. Нека разгледаме едномерен случай - тръба, пълна с горима смес (фиг. 3.2).

Ако сместа се запали в единия край на тръбата, тогава тесен фронт на пламъка ще се разпространи по дължината на тръбата, отделяйки продуктите от горенето (зад фронта на пламъка) от свежата горима смес. Фронтът на пламъка има формата на шапка или конус, като изпъкналата му част е обърната по посока на движението на пламъка. Фронтът на пламъка е тънък газов слой (10 -4 ÷10 -6) m широк в този слой, който се нарича зона на горене, протичат химически реакции на горене. Температурата на фронта на пламъка, в зависимост от състава на сместа, е

Когато фронтът на пламъка се движи в тръбата, в горимата смес възникват компресионни вълни, които създават вихрови движения. Вихрите на газовете огъват фронта на пламъка, без да променят дебелината му и естеството на протичащите в него процеси. Върху единица повърхност от фронта на пламъка винаги гори едно и също количество вещество за единица време . . Стойността е постоянна за всяка горима смес и се нарича масова скорост на горенеПознаване на предната зона на пламъкаС М, можете да изчислите масата на дадено вещество

, изгорени в целия фронт на горене за единица време: Всеки елемент от фронта на пламъкаdS

винаги се движи спрямо прясната смес в посока на нормалата към фронта на пламъка в дадена точка (фиг. 3.2), а скоростта на това движение:

където е плътността на прясната горима смес. величина се нарича нормална скорост на разпространение на пламъка и има размерността m/s. Тя е постоянна величина на процеса на горене на дадена смес и не зависи от хидродинамичните условия, съпътстващи процеса на горене. Нормалната скорост на разпространение на пламъка винаги е по-малка от наблюдаваната скоростИ

, тоест скоростта на движение на фронта на горене спрямо стените на тръбата:< u .

u n

Ако фронтът на пламъка е плосък и насочен перпендикулярно на оста на тръбата, тогава в този случай наблюдаваната и нормална скорост на разпространение на пламъка ще бъде същата

u n = u .Област на изпъкнал пламък отпредS проблем Винагиповече площплоска предна част S pl

> 1.

, Ето защоНормална скорост на разпространение на пламъкаu nза всяка горима смес зависи от примеса на инертни газове, температурата на сместа, влажността и други фактори. По-специално, предварителното загряване на горимия газ увеличава скоростта на разпространение на пламъка. Може да се покаже, че скоростта на разпространение на пламъкаu n

пропорционална на квадрата на абсолютната температура на сместа:.

u n .= const · T 2

Скоростта на разпространение на пламъка се влияе от топлинния капацитет на инертния газ. Колкото по-голям е топлинният капацитет на инертен газ, толкова повече той намалява температурата на горене и толкова повече намалява скоростта на разпространение на пламъка. Така че, ако смес от метан и въздух се разрежда с въглероден диоксид, тогава скоростта на разпространение на пламъка може да намалее 2-3 пъти. Скоростта на разпространение на пламъка в смеси от въглероден окис с въздух се влияе от голямо влияниевлага, съдържаща се в сместа, наличие на частици сажди и примеси на инертни газове.

ориз. 3.3. Зависимост на скоростта на разпространение на пламъка

върху концентрацията на въглероден окис в сместа

Разпространение на зоната на химичните трансформации в отворена горима система

Горенето започва със запалването на горимата смес в локалния обем на горивната система, след което се разпространява по посока на движещата се смес. Зоната на горене, в която протичат редокс химични реакции, видими за наблюдателя, се нарича пламък. Повърхността, разделяща пламъка и все още негорящата смес, служи като фронт на пламъка. Характерът на разпространението на пламъка зависи от много процеси, но определящият процес е нагряването на горимата смес. В зависимост от метода на нагряване на горимата смес до температурата на запалване се разграничават нормално, турбулентно и детонационно разпространение на пламъка.

Нормално разпространение на пламъка се наблюдава при горене в горима система с ламинарно движеща се смес. С нормално разпространение на пламъка топлинна енергияот горящия слой към студения се прехвърля главно чрез топлопроводимост, както и чрез молекулярна дифузия. Топлопроводимостта на газовете е ниска, така че скоростта на нормалното разпространение на пламъка е ниска.

По време на турбулентното движение на горима смес преносът на топлинна енергия от горящия слой към студения слой се осъществява предимно чрез моларна дифузия, както и топлопроводимост. Моларният трансфер е пропорционален на мащаба на турбулентността, който се определя от скоростта на сместа. Скоростта на турбулентното разпространение на пламъка зависи от свойствата на сместа и газовата динамика на потока.

Разпространението на пламъка в горима смес от зоната на горене към студените слоеве чрез молекулярни и моларни процеси се нарича дефлаграция.

Физико-химичните процеси на горене са придружени от повишаване на температурата и налягането в пламъка. В запалими системи, при определени условия, могат да възникнат зони с високо налягане, които могат да компресират съседни слоеве, като ги нагряват до точката на запалване. Разпространението на пламъка чрез бързо компресиране на студена смес до температурата на запалване се нарича детонация и винаги е експлозивен характер.

В запалими системи може да възникне вибрационно изгаряне, при което фронтът на пламъка се движи със скорост, която варира както по големина, така и по посока.

Скоростта на разпространение на фронта на горене в ламинарно движеща се или неподвижна смес се нарича нормална или основна скорост на разпространение на пламъка. Числената стойност на нормалната скорост се определя от скоростта на сместа, която все още не се е запалила, обикновено насочена към фронта на горене.

Стойността на u n за плосък фронт на горене може да се определи от условието за динамично равновесие между скоростта на нагряване на сместа чрез топлопроводимост до температурата на запалване и скоростта на химическата реакция. В резултат на това се получава следната формула

където l е коефициентът на топлопроводимост на газовата смес, c p е коефициентът на топлинен капацитет на сместа при постоянно налягане, T първоначално е началната температура на сместа, T a е адиабатната температура на горене, Arr е критерият на Арениус , k 0 е коефициентът на закона на Арениус.

Нормалната скорост може да се определи експериментално от скоростта на движение на фронта в тръба с неподвижна смес или от височината на горивния конус в горелката на Бунзен. Горелката Bunsen е лабораторна горелка с частично предварително смесване на газ и въздух. На изхода от горелката се образува пламък с фронт на горене под формата на конус правилна форма(ориз.).

Фиг.7. Фронт на горене в горелка Бунзен

Когато фронтът на горене е в стабилно положение, скоростта на разпространение на пламъка u n се балансира от компонента W n, перпендикулярна на повърхността на горивния конус на скоростта на газово-въздушната смес W, т.е.

където j е ъгълът между вектора на скоростта на сместа газ-въздух и вектора на нейния компонент, нормален към повърхността на горивния конус.

Скоростта на движение на газовъздушната смес на изхода на дюзата с конус на горене с правилна форма се определя по формулата

където d 0 е диаметърът на дюзата на горелката, V е дебитът на сместа газ-въздух през горелката.

Стойността на cos j може да бъде изразена чрез височината на горивния конус

Като се има предвид факта, че повърхността на горене е странична повърхностправилен конус

се определя нормалната стойност на скоростта

Нормалната скорост на разпространение на пламъка се влияе от:

1. Начална температура на сместа. При ниски температури u n е право пропорционална на квадрата на абсолютната температура на сместа, влизаща в процеса на горене. При температури над температурата на запалване концепцията за нормална скорост губи смисъла си, тъй като сместа става способна на самозапалване.

2. Температура на стените на канала, при условие че пламъкът се разпространява вътре в този канал. Студените стени прекъсват верижните реакции и забавят разпространението на пламъка.

3. Диаметър на канала. За всяка горима смес има критична стойност на диаметъра dcr, започвайки от която разпространението на пламъка в канала е невъзможно. Стойността на критичния диаметър може да се определи по формулата

където a cm е коефициентът на топлопроводимост на сместа.

4. Налягане. С увеличаване на налягането u n намалява.

5. Състав на сместа. За смес със състав, близък до стехиометричния, нормалната скорост има максимална стойност. Освен това има долни и горни граници за концентрация на гориво, отвъд които пламъкът не може да се разпространи.

Нормалната скорост на разпространение на пламъка (un) зависи от топлофизичните свойства на сместа газ-въздух. Но в още по-голяма степен скоростта на разпространение зависи от неговите физикохимични свойства? скорост на горене V и температура в зоната на реакция на горене, TG:

тези. un е пропорционална на скоростта на окислителната реакция (V) и е експоненциално зависима от обратната температура на зоната на горене (Tg). Определящият параметър, разбира се, ще бъде скоростта на реакция. Нека напишем уравнението за скоростта на химическата реакция на горене:

където k0 е предекспоненциалният фактор от уравнението на Арениус,

Cg, Juice - концентрации на гориво и окислител,

m, n - поръчки за реакция съответно за гориво и окислител,

Ea е енергията на активиране на химическа реакция.

Нека разгледаме как ще се промени скоростта на окислителните реакции за смеси с различни съотношения на гориво и окислител (фиг. 2).

Графиката показва, че за смес със стехиометричен състав (коефициент на излишък на въздух? = 1) скоростта на окислителната реакция е максимална.

Когато концентрацията на гориво в смес се увеличи над стехиометричното количество, кога? става< 1 (кислород находится в недостатке), горючее сгорает не полностью. В этом случае меньше выделится теплоты реакции горения Qгор и произойдёт снижение Tг.

Скоростта на окислителната реакция ще намалее в сравнение със стехиометричния състав на сместа, както поради намаляване на концентрацията на окислителя O2, така и поради температурата на зоната на горене. Тоест с постоянен спад? (което е еквивалентно на увеличаване на концентрацията на SG в сместа) скорост на окислителната реакция? и температурите в зоната на горене Tg постоянно ще намаляват. На графиката при SG > SGstech кривата става рязко надолу. Намаляване на скоростта на окислителната реакция при? > 1 се обяснява с намаляване на отделянето на топлина в зоната на горене поради по-ниската концентрация на гориво в нея.

Фигура 2. Зависимост на скоростта на горене от концентрацията на гориво в сместа

Точно същата като на фиг. 2, зависимостта на скоростта на реакцията на горене от концентрацията на горимия компонент в първоначалната смес, предопределя параболичната форма на зависимостта на другите параметри на процеса на горене от състава на сместа: температурата на самозапалване и минималната енергия на запалване, концентрационните граници на разпространение на пламъка. Зависимостта на нормалната скорост на разпространение на пламъка un от концентрацията на горивото в ПГ сместа също има формата на парабола. На фиг. Фигура 3 показва такива зависимости за случай на изгаряне на смес въздух-пропан при различни значенияначална температура.

Фигура 3. Зависимост на скоростта на разпространение на пламъка от концентрацията на пропан във въздуха при начална температура 311 K (1); 644 К (2); 811 K (3)

Съгласно концепциите, описани по-горе, максималната скорост на разпространение на пламъка (unmax) трябва да съответства на стехиометричната концентрация на горивото. Въпреки това, експериментално установените му стойности са донякъде изместени към богати на горими смеси. С повишаване на началната температура на сместа скоростта на разпространение на пламъка трябва да се увеличи, което се наблюдава на практика. Например, за въздушна смес от пари на бензин и керосин, тя има формата, показана на фиг. 4.

Фигура 4. Зависимост на скоростта на разпространение на пламъка от началната температура на въздушната смес от бензинови и керосинови пари с въздух

За различни вещества un зависи от тяхната химична природа и варира в доста широки граници (Таблица 1). За повечето смеси от въглеводородни горива с въздух< 1 м/с. При введении в горючую смесь избыточного воздуха или азота температура горения заметно снижается.

Таблица 1.

Нормална скорост на разпространение на пламъка за някои запалими смеси

Въвеждането на инертни и неутрални газове в запалимата смес: азот N2, аргон Ar, въглероден диоксид CO2 го разрежда и по този начин намалява както скоростта на окислителната реакция, така и скоростта на разпространение на пламъка. Това ясно се вижда от зависимостите, показани на фиг. 5.

Освен това, при определена (флегматизираща) концентрация на разредителите, горенето спира напълно. Въвеждането на фреони има най-мощен ефект, тъй като те също имат инхибиращ ефект върху реакцията на горене.

Както се вижда от фиг. 5, въвеждането на фреон (114B2) в горимата смес е 4 - 10 пъти по-ефективно от неутралните газове - разредители.

Фигура 5. Ефект на концентрацията на разредители и хладилен агент 114B2 върху скоростта на разпространение на пламъка в смес пропан-въздух (? = 1,15)

Флегматизиращата способност на разреждащите газове зависи от техните термофизични свойства и по-специално от тяхната топлопроводимост и топлинен капацитет.

1.3 Дифузионно изгаряне на газове

В реални условия, в случаите, когато газ или пари се запалват след началото на аварийното им изтичане, се наблюдава дифузионно изгаряне. Типичен и доста често срещан пример е дифузионното изгаряне на газ по време на разрушаването на магистрални тръбопроводи, при авариен изблик в морето или на брега на кладенец на газово или газово кондензатно находище, в газопреработвателни предприятия.

Нека разгледаме характеристиките на такова изгаряне. Да приемем, че гори фонтан от природен газ, чийто основен компонент е метанът. Горенето протича в дифузионен режим и има ламинарен характер. Концентрационните граници на разпространение на пламъка (CPLP) за метан са 5 - 15 об. Нека да изобразим структурата на пламъка и да изградим графични зависимости на промяната на концентрацията на метан и скоростта на реакцията на горене от разстоянието до аксиалния фонтан (фиг. 6).

Фигура 6. Диаграма на дифузионен ламинарен пламък на газов фонтан (a), промяна в концентрацията на гориво (b) и скорост на реакция на горене (c) по протежение на фронта на пламъка.

Концентрацията на газ намалява от 100% при аксиалния фонтан до стойността на горната концентрационна граница на възпламеняване и по-нататък до LFL в периферията му.

Изгарянето на газ ще се случи само в концентрационния диапазон от VKPR до LKPR, т.е. в обхвата на концентрация на неговото запалване. Скоростта на реакцията на горене?(T) ще бъде равна на нула при концентрации над VKPR и под LKPR и максимална при. Така разстоянието между HNKPR и HVKPR определя ширината на фронта на дифузионния пламък:

fp = HNKPR - HVKPR. (3)

Предната ширина за такъв пламък варира от 0,1 до 10 mm. Скоростта на реакцията на горене в този случай се определя от скоростта на дифузия на кислород и нейната стойност е приблизително 5–104 пъти по-малка от скоростта на горене в кинетичен режим. Топлинният интензитет е същия брой пъти по-нисък, т.е. скоростта на отделяне на топлина в факел с дифузно горене.

1.4 Характеристики на изгаряне на газови струи. Условия за стабилизиране на пламъка

По-удобно е да се разгледат условията на горене на газови фонтани, като се използва примерът на газови струи. В реални условия такива струи са турбулентни. При запалване на газов поток, изтичащ от кладенец, се образува т. нар. дифузионен струя, която има симетрична вретеновидна форма (фиг. 6). Химични реакциигоренето се случва в тънък повърхностен слой на факела, който в първо приближение може да се счита за повърхност, където концентрациите на гориво и окислител стават нула, а дифузионните потоци на гориво и окислител към тази повърхност са в стехиометрично съотношение. Фронтът на дифузионното горене има нулева скорост на разпространение, така че не може самостоятелно да остане върху течащата нагоре струя.

Стабилизирането на пламъка върху струята става в самото дъно на факела, където се реализира друг механизъм на горене. Когато газът изтича от отвора, се образува турбулентен слой от смесващ газ и околния въздух върху първоначалната негоряща част от повърхността на струята. В този слой концентрацията на газ в радиална посока постепенно намалява, а концентрацията на окислителя се увеличава. В средната част на смесителния слой се появява хомогенна смес от гориво и окислител със състав, близък до стехиометричния. Когато такава смес, подготвена за изгаряне, се запали, фронтът на пламъка може да се разпространява в смесителния слой с крайна скорост, дори към потока, ако скоростта на горене надвишава местната скорост на потока. Но тъй като скоростта на струята се увеличава, когато се приближава до изхода, на определена височина скоростта на струята (uf) става равна на скоростта на горене (?t) и пламъкът се стабилизира на повърхността на струята на тази височина. Не е възможно да се изчисли точно скоростта на турбулентно горене (?t). Оценките обаче показват, че стойността (?t) е приблизително равна на пулсиращите скорости на струята, чиято големина е пропорционална на аксиалната скорост (um). От експерименталните данни следва, че максимални стойностиСредните квадратични пулсации на компонента на надлъжната скорост са 0,2 um. Приемайки тази стойност като скорост на турбулентно горене, можем да предположим, че максималната скорост на разпространение на пламъка към газовата струя, бликаща със скорост 300-450 m/s, ще бъде около 50 m/s.

1.5 Оценка на дебита на горящи газови фонтани

При гасене на пожари от мощни газови фонтани е необходимо да се оцени дебитът (D) на горящия фонтан, тъй като консумацията на газ е един от основните параметри, които определят обема на работата и материално-техническите средства, необходими за отстраняване на аварията . Директното измерване на дебита на горящ фонтан обаче в повечето случаи се оказва невъзможно и няма ефективни дистанционни методи за определяне на дебита на струята. Консумацията на мощни газови фонтани може да бъде доста точно определена от височината на факела (H).

Известно е, че височината на турбулентния облак, образуван по време на изгарянето на нормално разширени газови струи с дозвукова скорост на изпускане, не зависи от скоростта или дебита на струята, а се определя само от диаметъра на отвора (d) от която изтича струята, топлофизичните свойства на газа и неговата температура (Т) на изхода от отвора.

Има добре известна емпирична формула за изчисляване на дебита на фонтан въз основа на височината на факела при изгаряне на природен газ:

D = 0,0025Hf 2, милиона m3/ден. (4)

При реални пожари практически никога не възникват ламинарни режими на горене. Газът, както в резервоара на газовото находище, така и в транспортните тръбопроводи и технологични инсталации, е под налягане. Следователно консумацията на газ по време на авариен теч ще бъде много висока? до 100 m3/s при бликащи пожари газови кладенци(до 10 милиона m3/ден). Естествено, при тези условия режимите на изтичане, а следователно и режимите на горене, ще бъдат турбулентни.

За изчисляване на силите и средствата за гасене на горящи газови факли е необходимо да се знае разходът на газ. Първоначалните данни за неговото изчисляване почти винаги липсват, тъй като или налягането на газа в технологично оборудване, или в резервоара на полето. Следователно на практика те използват експериментално установената зависимост (4) на височината на пламъка на горелката от газовия поток, изчислените данни за използване на които са дадени в табл. 2.

Таблица 2.

Зависимост на височината на пламъка от газовия поток на газов фонтан при различни режими на горене

 

---

Прочетете:
Защо мечтаете за буря на морските вълни? Отчитане на разчети с бюджета Чийзкейкове от извара на тиган - класически рецепти за пухкави чийзкейкове Чийзкейкове от 500 г извара Салата Черна перла със сини сливи Салата Черна перла със сини сливи Рецепти за лечо с доматено пюре