Корольченко А.Я. Процеси горіння і вибуху

n1.doc (7 стор.)
Оригінал


  1   2   3   4   5   6   7






Корольченко А.Я.

Процеси горіння і вибуху.-М.: Пожнаука, 2007. -266 С, іл.

ISBN 978-5-91444-001-2

Книга написана стосовно до чинної програми з дисципліни «Теорія горіння і вибуху» для вищих навчальних закладів. У ній викладені основні розділи сучасної теорії горіння: хімічні та тепло-массообменниє процеси при горінні, механізм перетворення вихідних речовин у продукти горіння, умови виникнення горіння, процеси поширення полум'я по газовим сумішам, аерозолям, твердим речовинам, умови припинення горіння.

У книзі розглянуто характеристики горіння і параметри пожаровзриво-небезпеки газів, рідин, пилу і твердих матеріалів. Матеріал книги ілюструється довідковими даними, графіками та прикладами. Показана тісний зв'язок теорії горіння з прикладними науками про безпеку технологічних процесів і будівельних об'єктів.

Книга призначена як підручник для студентів технічних вузів і може служити корисним посібником для наукових і інженерно-технічних працівників сфери забезпечення пожежовибухобезпеки різних об'єктів, а також для викладачів теорії горіння і суміжних з нею дисциплін.

ISBN 978-5-91444-001-2

© Корольченко А.Я. Про Пожнаука, 2007

Зміст

Передмова 6

Глава 1. Основні поняття теорії горіння 8

  1. Основні явища при горінні 8

  2. Гомогенне, гетерогенний і дифузійне горіння 12

  3. Горіння в рухомому газі 15

  4. Турбулентний горіння 16

  5. Особливості горіння вибухових речовин 18

  6. Термодинаміка згоряння углеводородовоздушних сумішей 19

Глава 2. Хімічні процеси при горінні 30

2.1. Ланцюгові реакції 30

Зародження ланцюгів 33

Продовження ланцюгів 34

Обрив ланцюгів 37

  1. Хімічні процеси при горінні водню 39

  2. Хімічні реакції при горінні оксиду вуглецю 40

  3. Горіння вуглеводнів 43

  4. Горіння вуглецю 45

Глава 3. Виникнення процесів горіння 48

  1. Самозаймання. Стаціонарна теорія 48

  2. Запалювання 53

  3. Самозаймання 59

Теплове самозаймання 64

Хімічне самозаймання 66

Мікробіологічне самозаймання 67

Математична модель процесу самозаймання насипу

рослинного матеріалу 68

Наближене рішення задачі самозаймання дисперсних
матеріалів для реакції порядку 75

3

Глава 4. Розвиток горіння 83

4.1. Поширення полум'я по газах 83

Дефлаграційне горіння 83

Детонація ... 88

Перехід дефлаграційне горіння в детонацію 91

Розрахунок параметрів детонаційних хвиль у сумішах водень-
кисень-інертний газ 93

4.2. Горіння парогазових сумішей при підвищених температурах

і тисках 102

4.3. Вибухи пилів 103

Вплив відносного руху фаз аерозависі на

поширення полум'я 103

Гідродинамічний аналіз горіння аерозолів 112

Фазодінаміческій режим поширення полум'я

по аеродисперсних системі 122

4.4. Дифузійне горіння рідин 127

Механізм горіння 127

Форма і розміри полум'я 130

Прогрів рідини при горінні 131

Вплив діаметра посудини на швидкість вигоряння 132

Вплив концентрації кисню на швидкість вигоряння ... 133

4.5. Горіння твердих матеріалів 134

Механізм горіння 134

Процеси тління в пінопласт 141

4.6. Горіння дисперсних речовин в шарі 145

Глава 5. Припинення горіння 154

  1. Умови потухання полум'я 154

  2. Флегматизація 157

Флегматизація газових сумішей 157

Флегматизація пилоповітряних сумішей інертними

разбавителями 159

Флегматизація пилоповітряних сумішей інертними
частинками 162

5.3. Інгібування 163

4

Глава 6. Характеристики горіння газів 168

  1. Температура самозаймання 168

  2. Енергія запалювання 173

  3. Концентраційні межі поширення полум'я 177

  4. Нормальна швидкість горіння 187

  5. Флегматізірующіе концентрації інертних розріджувачів ... 190

  6. Тиск вибуху 196

Глава 7. Характеристики горіння рідин 201

  1. Температура спалаху 203

  2. Температура займання 210

  3. Температура самозаймання, 212

  4. Температурні межі поширення полум'я 215

  5. Швидкість вигоряння 224

Глава 8. Характеристики горіння аерогелей і аерозолів 229

  1. Показники пожежовибухонебезпеки аерозолів 230

  2. Фактори, що впливають на небезпеку аерозолів 233

Дисперсний склад твердої фази 234

Теплота згоряння 237

Температура і тиск 239

Вологовміст частинок і повітря 241

Склад твердої фази аерозолю 245

Газоподібні флегматизаторами 249

  1. Гібридні суміші 252

  2. Показники пожежної небезпеки аерогелей 257

Література 265

5

Передмова

Д анний курс процесів горіння і вибуху призначений для студентів, що навчаються за спеціальністю «Пожежна безпека» будівельних і політехнічних вузів. Він заснований на лекціях, що читаються для студентів Московського державного будівельного університету, і включає основні розділи теорії горіння: виникнення горіння, його розвиток і припинення.

Процеси горіння широко використовуються в різних сферах: у двигунах внутрішнього згоряння, на теплових електростанціях, у військовій справі (горіння порохів, ракетного палива). Подібні процеси реалізуються на пожежах.

Маючи загальну фізико-хімічну основу, процеси горіння в перерахованих областях характеризуються рядом особливостей, обумовлених умовами їх перебігу, масштабами та ін факторами.

У даній книзі викладаються теоретичні основи процесів горіння, протікають на пожежах. Знання цих основ необхідно для успішного освоєння студентами общепрофессіональних і спеціальних дисциплін: вогнестійкість будівельних конструкцій, взривоустойчі вость будівель, пожежна безпека електроустановок, будівлі, споруди та їх стійкість при пожежі, пожежна безпека технологічних процесів, виробнича і пожежна автоматика, прогнозування небезпечних факторів пожежі.

При підготовці підручника використані праці вітчизняних вчених у галузі теорії горіння: акад. Н. Н. Семенова, акад. Я. Б. Зельдовича, акад. Д.А. Франк-Каменецького, акад. В. В. Азатян, докт. техн. наук, проф. А.І. Баратова.

У книгу включено результати досліджень процесів горіння і вибуху, отримані автором у період роботи в ВНДІ протипожежної оборони спільно з співробітниками та учнями: докт. техн. наук, проф. Ю. Н. Шебеко, докт. техн. наук Л. П. Вогманом, докт. техн. наук, проф. В. В. Молькова, докт. техн. наук Н. І. Константинової, докт. техн. наук В. Ю. Навценей, докт. техн. наук Н. Л. Поле-

6

таев, докт. техн. наук Л. П. Шевчуком, докт. техн. наук С. Г. Ца-річенко, канд. техн. наук В. А. Зуйковим, канд. техн. наук А. Б. Ільїним, канд. техн. наук І. М. Смоліним, канд. техн. наук С. А. Ша-роварніковим, канд. техн. наук В. І. Цапом. *

* Деякі розділи підручника виходять за межі вузівського курсу дисципліни «Теорія горіння і вибуху» і не є обов'язковими для вивчення. До них від носяться: «Розрахунок параметрів детонаційних хвиль у сумішах водень-кисень-інертний газ», «Вплив відносного руху фаз аерозависі на поширення полум'я», «Гідродинамічний аналіз горіння аерозолів», «Фазодіна-мічного розповсюдження полум'я по аеродисперсних системі», « Вплив концентрації кисню на швидкість вигоряння ». Однак автор визнав за необхідне включити ці розділи в підручник для більш глибокого розуміння складних процес сов, що протікають при горінні. Крім того, освоєння цих розділів має прикладне значення. Наприклад, значення особливостей розвитку пилових вибухів дозволяє розробляти ефективне заходи щодо їх попередження та зниження тяжкості наслідків у разі їх виникнення.

7

Глава 1.

ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ ТЕОРІЇ ГОРІННЯ

1.1. Основні явища при горінні

У природі і техніці велике значення мають бистропротекающие екзотермічні процеси, що супроводжуються виділенням величезної кількості тепла - процеси горіння. При виникненні і розвитку лісових пожеж, при спалюванні кам'яного вугілля, дров, нафтопродуктів, при роботі двигунів внутрішнього згоряння протікають процеси горіння. Ці ж процеси супроводжують пожежі в будівлях і спорудах.

Маючи однакову фізико-хімічну природу, процеси горіння всередині топкових пристроїв і при пожежах розрізняються масштабами, умовами тепло-і масообміну.

Тому, розглядаючи закономірності виникнення і розвитку горіння, ми будемо враховувати, що описувані явища відносяться перш за все до пожеж у будівлях і спорудах.

Основна особливість явищ горіння полягає у можливості їх самоподдержіванія і саморозвитку. Реалізуючись при високій температурі, реакції горіння самі і створюють цю температуру. Під горінням ми будемо розуміти процес протікання екзотермічних хімічних реакцій в умовах прогресивного самоускоренія, обумовленого накопиченням в горючій системі тепла або каталізують продуктів реакції. При цьому ми будемо розділяти теплові і ланцюгові (автокаталітіческіе) процеси при горінні. У другому випадку вирішальне значення для реалізації процесів горіння мають реакції з розгалужуються ланцюгами.

Особливості явищ горіння полягають у наявності критичних умов їх виникнення і в здатності поширення по горючій суміші. При тепловому горінні поширення полум'я відбувається за допомогою передачі тепла із зони реакції в свіжу суміш, при ланцюговому-за допомогою передачі активних речовин.

При тепловому горінні ланцюгові реакції також мають місце, але на відміну від суто ланцюгових процесів підвищення температури є основною причиною прискорення реакції. Оскільки швидкість реакції зави-

8

Глава 1. Основні поняття теорії горіння

сит від температури за експоненціальним законом, а від концентрацій реагуючих речовин тільки за степеневим, то вплив нагріву, як правило, істотніше.

У всіх процесах горіння, незалежно від їх хімічної природи основну роль грають критичні явища при виникненні горіння і умови розповсюдження зони реакції. Критичні явища при виникненні горіння характеризуються різкою зміною режиму протікання процесу при незначній зміні зовнішніх умов. Швидкості всіх елементарних хімічних процесів є безперервними функціями температури, які відображаються законом Арреніуса:



де до - константа швидкості реакції; А - предекспоненціальний множник, Е - енергія активації; R - універсальна газова постійна; Т-температура.

Критичні умови виникнення горіння є результатом порушення теплового рівноваги між реагує системою і навколишнім середовищем.

До критичних умов відносяться самозаймання, запалювання і умови розповсюдження полум'я. При цьому різниця між самовоспламенением і запалюванням по суті умовна.

У теорії горіння самовоспламенением називають виникнення горіння в горючій суміші, вміщеній в нагрітий посудину, температура стінок якого приймається рівною початковій температурі суміші.

Запалюванням (або вимушеним запалюванням) називають виникнення горіння під дією місцевого теплового імпульсу, що впливає на невелику частину горючої суміші. В якості теплого імпульсу приймають електричну іскру або накочену поверхню. Електрична іскра розглядається як чисто теплової імпульс, що нагріває малий обсяг газу до високої температури. При впуску холодної горючої суміші в посудину з нагрітими стінками можливий безперервний перехід від самозаймання до запалювання. Його можна розглядати як процес запалювання, в якому роль гарячої поверхні грає вся поверхня стінок посудини. Підвищуючи початкову температуру горючої суміші до температури стінок посудини, можна здійснити безперервний перехід до самозаймання.

Найпростішим прикладом виникнення горіння можна вважати теплове самозаймання, описане Вант-Гоффом. Згідно з його перед-

9

Корольченко А.Я. Процеси горіння і вибуху

ставлені умовою теплового займання є порушення теплового рівноваги між реагує системою і навколишнім середовищем. Академіком Н. Н. Семеновим і його учнями було відкрито і детально досліджено явище ланцюгового самозаймання, реалізація якого відбувається при порушенні рівноваги між освітою і витрачанням активних продуктів авто каталітичної реакції. Умова виникнення самозаймання пов'язує всі параметри, що впливають на швидкість реакції і на відведення тепла або активних продуктів в навколишнє середовище. Самозаймання відбувається при зміні будь-якого з цих параметрів: або властивостей горючої суміші (температури, тиску, складу, коефіцієнтів теплопровідності або дифузії), або розмірів посудини, в якому протікає реакція. Найбільший вплив на швидкість реакції в порівнянні з іншими факторами має температура.

Критичні умови запалювання місцевих теплових імпульсом також полягають у порушенні теплового рівноваги горючої системи. Умова самозаймання в простому випадку (для чисто гомогенної реакції) включає тільки властивості і обсяг горючої суміші. Температура стінок посудини, в якому знаходиться суміш, передбачається заданою і постійною. За час розвитку процесу самозаймання вона практично не змінюється. При цих припущеннях, хоча займання і залежить від умов тепловіддачі, останні можуть прийматися незалежними від властивостей стінок посудини. Тому завдання про займання вважається однією з найпростіших завдань теорії горіння. А умова самозаймання - безпосередній характеристикою горючої суміші *.

Умова самозаймання характеризує неможливість збереження теплового рівноваги в обсязі горючої суміші з певними розмірами і властивостями. Умови ж запалювання характеризують порушення цієї рівноваги при заданих початкових умовах.

При збільшенні розмірів запалює поверхні аж до повного оточення його обсягу горючої суміші реалізується безперервний перехід від запалювання до самозаймання.

Після запалювання суміші небудь джерелом можливі два варіанти: загасання полум'я поблизу джерела запалювання або його поширення на весь обсяг горючої суміші. Реалізація того чи іншого варіанту

У практиці забезпечення пожежної безпеки прийнято використовувати поняття «стандартна температура самозаймання» або просто «температура саме займання».

10

Глава 1. Основні поняття теорії горіння

залежить насамперед від складу суміші, від концентрації пального компонента. Для можливості поширення полум'я істотна не початкова температура суміші, а температура, що розвивається при горінні. Схема поширення полум'я по горючій газової суміші показана на рис. 1.1.



Рис 1.1. Схема поширення полум'я по горючій газової суміші

У лівій частині рис. 1.1 показана вертикально розташована трубка, заповнена горючою газовою сумішшю. При ініціюванні горіння яких-небудь джерелом в трубці формується зона реакції (зона світиться полум'я), яка піднімається вгору. При цьому спостерігається пошарове згоряння суміші. Розподіл температури в околиці зони реакції показано на діаграмі в правій частині рис. 1.1. Помітні перетворення компонентів вихідної суміші починаються при температурі приблизно 700 К; в зоні реакції температура досягає 1500-1600 К. За зоною активної реакції спостерігається деяке збільшення температури. Далі має місце область приблизно постійної температури, в якій втрати тепла, на випромінювання, конвекцію і дифузійне охолодження компенсуються виділеннями тепла за рахунок рекомбінації радикалів і догорання надлишку палива. Потім полум'я охолоджується і перетворюється в гарячий газ. Ширина зони реакції становить 0,2-0,4 мм.

Поширення полум'я по горючій газової суміші характеризується величиною нормальної швидкості горіння. Нормальним горінням нази-

11

Корольченко А.Я. Процеси горіння і вибуху

ється поширення полум'я при відсутності газодинамічних ефектів, обумовлених градієнтами тиску або турбулентністю. Швидкість поширення цього ідеалізованого процесу називається нормальною швидкістю полум'я (горіння). Вона залежить тільки від кінетики реакції горіння, коефіцієнтів дифузії і теплопровідності.

У початкових умовах процес горіння завжди супроводжується рухом газу. Якщо такий рух і не створюється штучно, воно виникає мимовільно внаслідок термічного розширення згорілих обсягів. При неоднорідному русі газу викривлення фронту полум'я призводить до збільшення швидкості горіння. При виникненні турбулентності механізм прискорення горіння визначається співвідношенням між масштабом турбулентності і товщиною фронту полум'я. (Під товщиною фронту полум'я розуміється зона, в якій відбуваються хімічні реакції горіння.) При великомасштабної турбулентності (тобто коли масштаб турбулентності істотно більше товщини фронту полум'я) збільшується поверхня полум'я і, відповідно, швидкість горіння. При дрібномасштабною турбулентності змінюється механізм тепломассопе-редачи у фронті полум'я. Вона здійснюється вже не молекулярної, а турбулентної теплопровідністю і дифузією.

При надзвуковому русі газу в ньому виникають ударні хвилі-поверхні, де різке стиснення відбувається на відстані близько вільного пробігу молекул. У цих умовах робота стиснення перетвориться в теплову енергію. Що відбувається при цьому розігрів призводить до самозаймання горючої суміші. Поширення горіння за допомогою займання ударною хвилею називається детонацією. Швидкість детонації перевершує швидкість поширення звуку. У механізмі детонації теплопередача і дифузія активних центрів у свіжу суміш не відіграють істотної ролі. Тепло втрати із зони реакції можуть бути істотні тільки для меж детонації.

1.2. Гомогенне, гетерогенний і дифузійне горіння

Перераховані в попередньому розділі фізичні явища спостерігаються в найрізноманітніших процесах, що розрізняються як за природою хімічних реакцій, так і за агрегатним станом беруть участь у горінні речовин.

Розрізняють гомогенне, гетерогенний і дифузійне горіння.

12

Глава 1. Основні поняття теорії горіння

До гомогенного відноситься горіння попередньо перемішаних газів *. Численними прикладами гомогенного горіння є процеси згоряння газів або парів, в яких окислювачем є кисень повітря: горіння сумішей водню, сумішей оксиду вуглецю та вуглеводнів з повітрям. У практично важливих випадках не завжди виконується умова повного попереднього перемішування. Тому завжди можливі комбінації гомогенного з іншими видами горіння.

Гомогенне горіння може бути реалізовано в двох режимах: ламінарному і турбулентному. Турбулентність прискорює процес горіння за рахунок дроблення фронту полум'я на окремі фрагменти і відповідно збільшення площі контакту реагуючих речовин при великомасштабної турбулентності або прискорення процесів те-пломассопереноса у фронті полум'я при дрібномасштабною. Турбулентному горінню притаманна автомодельності: турбулентні вихори збільшують швидкість горіння, що призводить до збільшення турбулентності.

Всі параметри гомогенного горіння проявляються і в процесах, в яких окислювачем виступає не кисень, а інші гази. Наприклад, фтор, хлор або бром.

При пожежах найбільш поширені процеси дифузійного горіння. У них все реагують речовини знаходяться в газовій фазі, але попередньо НЕ перемішані. У разі горіння рідин і твердих речовин процес окислення пального в газовій фазі відбувається одночасно з процесом випаровування рідини (або розкладання твердого матеріалу) і з процесом змішання.

Найпростішим прикладом дифузійного горіння є горіння природного газу в газовому пальнику. На пожежах реалізується режим турбулентного дифузійного горіння, коли швидкість горіння визначається швидкістю турбулентного змішання.

При цьому розрізняють макросмешеніе і мікросмешеніе. Процес турбулентного змішування включає послідовне дроблення газу на все більш малі обсяги і перемішування їх між собою. На останній стадії остаточне молекулярне змішання відбувається молекулярної дифузією, швидкість якої збільшується в міру зменшення масштабу дроблення. По завершенні макросмешенія

* Подібне горіння часто називають кінетичним.

13

Корольченко А.Я. Процеси горіння і вибуху

швидкість горіння визначається процесами мікросмешенія всередині малих обсягів пального і повітря.

Гетерогенне горіння відбувається на поверхні розділу фаз. При цьому одне з реагуючих речовин знаходиться в конденсованому стані, інше (зазвичай кисень повітря) надходить за рахунок дифузії газової фази. Обов'язковою умовою гетерогенного горіння є дуже висока температура кипіння (або розкладання) конденсованої фази. При недотриманні цієї умови горінню передує випаровування або розкладання. Від поверхні в зону горіння надходить потік пари або газоподібних продуктів розкладання, і горіння відбувається в газовій фазі. Таке горіння можна віднести до дифузійним квазігетерогенним, але не повністю гетерогенним, оскільки процес горіння відбувається вже не на межі фаз. Розвиток такого горіння здійснюється за рахунок теплового потоку від факела полум'я до поверхні матеріалу, який забезпечує подальше випаровування або розкладання і надходження пального в зону горіння. У подібних ситуаціях виникає змішаний випадок, коли реакції горіння частково протікають гетеро-генно - на поверхні конденсованої фази, частково гомогенно - в обсязі газової суміші.

Прикладом гетерогенного горіння є горіння кам'яного і деревного вугілля. При згорянні цих речовин протікають реакції двоякого роду. Деякі сорти кам'яного вугілля виділяють при нагріванні леткі компоненти. Згорянню такого вугілля передує їх часткове термічне розкладання з виділенням газоподібних вуглеводнів і водню, згорають в газовій фазі. Крім того, при згоранні чистого вуглецю може утворюватися оксид вуглецю СО, догораючий в об'ємі. При достатньому надлишку повітря і високій температурі поверхні вугілля об'ємні реакції протікають настільки близько від поверхні, що в певному наближенні дає підставу вважати такий процес гетерогенним.

Прикладом дійсно гетерогенного горіння є горіння тугоплавких нелетких металів. Ці процеси можуть ускладнюватися утворенням оксидів, що покривають поверхню, що горить і перешкоджають контакту з киснем. При великій різниці у фізико-хімічних властивостях між металом і його оксидом в процесі горіння окисна плівка розтріскується, і доступ кисню в зону горіння забезпечується.

14

Глава 1. Основні поняття теорії горіння

1.3. Горіння в рухомому газі

Для опису процесів горіння використовується термін «нормальна швидкість полум'я» *. Він характеризує швидкість руху фронту полум'я в нерухомій газової суміші. Таке ідеалізоване стан можна створити лише в лабораторному експерименті. У реальних умовах горіння полум'я завжди існує в рухомих потоках.

Поведінка полум'я в таких умовах підпорядковується двом законам, встановленим російським ученим В. А. Міхельсоном.

Перший з них встановлює, що складова швидкості газового потоку v по нормалі до фронту полум'я, що поширюється по нерухомій суміші, дорівнює нормальної швидкості поширення полум'я і, поділеній на cos

(1-1)

де - Кут між нормаллю до поверхні полум'я і напрямом газового потоку.

Величина v характеризує кількість газу, що згорає в одиницю часу в косому полум'я. Її прийнято називати дійсною швидкістю горіння в потоці. Дійсна швидкість у всіх випадках дорівнює або перевищує нормальну.

Цей закон застосуємо тільки до плоского полум'я. Узагальнення його на реальні пламена з викривленням фронту полум'я дає формулювання другого закону - закону площ.

Припустимо, що в газовому потоці, має швидкість v і поперечний переріз стаціонарно розташований викривлений фронт полум'я із загальною поверхнею S. У кожній точці фронту полум'я полум'я поширюється по нормалі до його поверхні зі швидкістю і. Тоді обсяг горючої суміші, що згоряє в одиницю часу складе:

(1.2)

Відповідно до балансу вихідного газу цей же обсяг дорівнює:

(1.3)

* Цей термін адекватний терміну «нормальна швидкість горіння».

15

Корольченко А.Я. Процеси горіння і вибуху

Прирівнюючи ліві частини (1.2) і (1.3) отримуємо:




(1.4)

У системі відліку, в якій фронт полум'я переміщається по нерухомій газової суміші, співвідношення (1.4) означає, що полум'я поширюється щодо газу зі швидкістю V. Формула (1.4) є математичним виразом закону площ, з якого випливає важливий висновок: при викривленні фронту полум'я швидкість горіння виростає пропорційно збільшенню його поверхні. Тому неоднорідне рух газу завжди інтенсифікує горіння.

1.4. Турбулентний горіння

Із закону площ випливає, що турбулентність збільшує швидкість горіння. На пожежах це виражається сильної інтенсифікацією процесу поширення полум'я.

Розрізняють (рис. 1.2) два види турбулентного горіння: горіння однорідної газової суміші і мікродифузійні турбулентний горіння.



Рис. 1.2. Класифікація турбулентного горіння

При горінні однорідної суміші в режимі турбулентного горіння можливі два випадки: виникнення дрібномасштабною і великомасштабної-

16

Глава 1. Основні поняття теорії горіння

штабний турбулентності. Такий поділ проводиться залежно від співвідношення масштабу турбулентності і товщини фронту полум'я. При масштабі турбулентності меншому товщини фронту полум'я її відносять до дрібномасштабною, при більшому - до великомасштабної. Механізм дії дрібномасштабною турбулентності обумовлений інтенсифікацією процесів горіння за рахунок прискорення процесів тепломассопере-носа в зоні полум'я. При описі дрібномасштабною турбулентності у формулах для швидкості поширення полум'я коефіцієнти дифузії і температуропровідності замінюються на коефіцієнт турбулентного обміну.

Найбільші швидкості горіння спостерігаються при великомасштабної турбулентності. У цьому випадку можливі два механізми прискорення горіння: поверхневий і об'ємний.







Поверхневий механізм полягає в викривленні фронту полум'я турбулентними пульсаціями. У цьому випадку швидкість горіння зростає пропорційно збільшенню поверхні фронту. Однак це справедливо лише для умов, коли хімічні перетворення в полум'ї завершуються швидше, ніж встигне статися турбулентний змішання. У цьому випадку, коли турбулентний змішання обганяє хімічну реакцію, зона реакції розмивається турбулентними пульсаціями. Такі процеси описуються закономірностями об'ємного турбулентного горіння.

Час турбулентного змішування дорівнює відношенню масштабу

турбулентності до пульсационной швидкості Тому прискорення

полум'я за рахунок турбулентних пульсацій відбувається по поверхневому механізму, якщо виконується умова:



(1.5)

17

Корольченко А.Я. Процеси горіння і вибуху

де - Час перебігу хімічної реакції при температурі горе-

ня

Якщо умова (1.5) не виконується, то має місце механізм об'ємного турбулентного горіння.

Час хімічної реакції може бути виражено. Через макроскопічні величини: нормальну швидкість полум'я і товщину фронту полум'я

(1.6)

Тоді критерій поверхневого прискорення приймає вигляд:

(1.7)



(1.8)

Для оцінки швидкості поширення турбулентного полум'я при поверхневому прискоренні К. І. Щолкіно запропонована формула:

де В - слабо мінливий число, не більше одиницю. У межі при сильної турбулентності турбулентна швидкість полум'я прагне до пульсационной швидкості, тобто В - до одиниці.

1.5. Особливості горіння вибухових речовин

Вибуховими називаються індивідуальні речовини або їх суміші, здатні під впливом якогось зовнішнього впливу (нагрівання, удару, тертя, вибуху іншої вибухової речовини) до швидкого самораспространяющемуся хімічному перетворенню з виділенням великої кількості тепла і утворенням газів.

Від звичайних горючих речовин, горіння яких відбувається при взаємодії з киснем або іншими зовнішніми оксілітелямі, вибухові речовини, перебуваючи в конденсованої (твердої або рідкої) фазі, містять в собі всі компоненти, що залучені до горінні. Вибуховими речовинами можуть бути як індивідуальні хімічні сполуки, так і механічні суміші.

Більшість індивідуальних вибухових речовин відносяться до нітросполук: тринітротолуол, тетрил, гексоген, октоген, нітроглі-

Глава 1. Основні поняття теорії горіння

церин, нітрати целюлози та ін Вибуховими властивостями володіють також хлорати, перхлорати, азиди, органічні перекису.

Молекули органічних нітросполук містять слабко зв'язаний кисень у вигляді нітрогрупи - Таким чином, в одній молекулі містяться і пальне, і окислювач. Їх горіння за рахунок внутрішньомолекулярного окиснення може початися при незначних зовнішніх впливах.

Значну групу вибухових речовин складають ендотермічні з'єднання, молекули яких не містять кисню. У цьому випадку джерелом енергії є не окислення, а прямий розпад. До таких сполук відносяться азиди свинцю, срібла та інших металів. До механічних сумішей відносяться суміші твердих у глее про що тримають горючих з твердими окислювачами. Прикладом подібної суміші є чорний порох.

1.6. Термодинаміка згоряння

углеводородовоздушних сумішей

Закони термодинаміки дозволяють обчислити необхідні для опису процесів горіння параметри: коефіцієнт розширення продуктів згоряння при початкових умовах відносини теп-лоемкостей при постійному тиску і постійному обсязі як хтя свіжої суміші, так і для продуктів згоряння; максимальний тиск вибуху р е; адіабатичну температуру продуктів згоряння в ізобаричних і изохорический умовах, склад продуктів згоряння

У справжньому розділі описаний алгоритм розрахунку рівноважного стану продуктів згоряння CH-0-N-містять горючих в повітрі в широкому діапазоні початкових температур, тисків і концентрацій, розроблений проф. В.В. Молькова. Алгоритм заснований на узагальненні та систематизації термодинамічних і математичних методів з використанням найбільш точних даних по термодинамічних властивостях індивідуальних речовин.

Для підвищення достовірності результатів у розрахунках необхідно враховувати не тільки кисень і азот повітря, а й інші входять до його складу гази - , Н 2 0, С0 2. Збільшення числа компонентів продуктів згоряння до 19 (Н 2, Н 2 0, С0 2, N 2, Аг, С-газ, Н, О, N, CO, CH 4, HCN, 0 2,

та проведення розрахунків з урахуванням складу віз-

19

Корольченко А.Я. Процеси горіння і вибуху

духу середньої вологості

не ускладнювати обчислень на комп'ютері, використання якого дозволяє істотно скоротити час розрахунків при одночасному підвищенні їх точності в порівнянні з наближеним підходом без використання комп'ютера.

Брутто-реакція для згоряння пального в повітрі середньої вологості в розрахунку на моль свіжої суміші може бути записана у вигляді



(1.9)

де - Об'ємна концентрація пального в свіжої суміші: -

число атомів відповідно вуглецю, водню, кисню та азоту в молекулі пального; - Число молей -Го компонента продуктів згоряння;

- компонент продуктів згоряння.

Сумарне число атомів в системі, обчислене за складом свіжої суміші, одно

(1-10)

Відносини числа атомів відповідно вуглецю, водню, азоту та аргону до числа атомів кисню є константами для конкретної суміші і не залежать від термодинамічної стану замкнутої системи:

(1.11) (1.12)

(1.13)

(1.14)

- Число атомів кисню в системі.

20

Глава 1. Основні поняття теорії горіння

Для адіабатичного процесу горіння в ізобаричних умовах закон збереження енергії еквівалентний закону збереження ентальпії замкнутої системи

Hi = Hj, (1.15)

де Н - ентальпія, а індекси і j позначають відповідно параметри свіжої суміші і продуктів згоряння. Ентальпія благаючи свіжої суміші

(1.16)

де і - Ентальпія відповідно пального та повітря при на-

чальной температурі Залежність ентальпії пального і повітря від початкової температури в діапазоні від 250 до 500 К задається поліномом четвертого ступеня

<1.17)

де (298) - ентальпія утворення речовини при температурі 298 К;

- Ентальпія при температурі Т; - Чисельні коефіцієнти,

визначаються рішенням системи лінійних рівнянь, наприклад, методом виключення Гауса-Жордана; Т 0 - деяке довільне постійне значення температури.

Ентальпія продуктів згоряння, отриманих при спалюванні благаючи свіжої суміші




(1.18)

де сума в круглих дужках дорівнює числу молей продуктів при згорянні одного благаючи свіжої суміші; - Мольна частка-го компонента продуктів згоряння; - Ентальпія -Го продукту згоряння при темпера-

турі Т.

Значення ентальпій

(1.19)

визначаються по залежності наведеної енергії Гіббса від температури Ф (Т) в діапазоні температур від 500 до 6000 К. Відомо, що

21

Корольченко А.Я. Процеси горіння і вибуху




(1.20)

При горінні в изохорический умовах, наприклад при вибуху газу в бомбі постійного обсягу, перехід системи з вихідного рівноважного термодинамічного стану в кінцеве відбувається із збереженням внутрішньої енергії

(1.21)

де на моль свіжої суміші (Універсальна газова постійна

R - 8,31441 Дж / ​​моль • К), а для продуктів згоряння




(1.22)

де Т е - рівноважна температура продуктів згоряння в бомбі.

Тиск вибуху газової суміші в замкнутої бомбі визначається по відношенню рівнянь стану ідеального газу для продуктів згоряння і свіжої суміші

(1.23)

Для знаходження рівноважного складу продуктів згоряння необхідно вирішити систему, що включає в себе 5 лінійних (рівняння збереження маси) і 14 нелінійних (рівняння хімічної рівноваги) алгебраїчних рівнянь.

Для изобарического процесу доцільно записати рівняння збереження маси через молярний частки продуктів згоряння

(1.24)



(1.25)



22

Глава 1. Основні поняття теорії горіння




(1.26)




(1.27)




(1.28)

де значення визначені за параметрами свіжої суміші у відповід-

повідно з формулами (1.10) - (1.14).

Сума мольних часток за визначенням дорівнює одиниці

(1.29)





Число незалежних рівнянь хімічної рівноваги дорівнює різниці числа компонентів продуктів згоряння і числа хімічних елементів у системі. В якості незалежних обрано такі чотирнадцять реакцій:

(1.30) (1.31) (1.32)

(1.33)

23




Корольченко А.Я. Процеси горіння і вибуху

(1.34) (1.35) (1.36) (1.37) (1.38) (1.39) (1.40) (1.41) (1.42) (1.43)

де р - тиск, при якому протікає реакція, атм. Залежність констант хімічної рівноваги від температури приймається за довідковими даними для реакцій дисоціації




(1.43 а)

24

Глава 1. Основні поняття теорії горіння

де - Стехіометричні коефіцієнти, визначаються зі співвідношення




(1.44)

якому - Константа равновесіяреакціі дисоціації (1.43 а)

при температурі - Приведені енергії Гіббса відпо-

ного реагентів - Тепловий ефект-ой реакції (1.44)

при абсолютному нулі температури.

Показники адіабат ​​для свіжої суміші і продуктів згоряння визначаються з використанням рівняння Майера за формулою




(1.45)

де у-показник адіабати; з р - Мольна теплоємність при постійному тиску; R - універсальна газова стала. Теплоємність суміші ідеальних газів обчислюється за формулою



(1.46)

Для свіжої суміші значення визначаються диференціюванням виразу (1.17) для ентальпії газів вихідної суміші (пального та повітря) по температурі для продуктів згоряння - за виразами, отриманими в результаті диференціювання рівняння (1.19) по температурі Т.

При розрахунках процесів горіння в постійному обсязі константу рівноваги залежну для ідеального газу тільки від температури,

при якій розраховується рівновагу, і не залежну від тиску, доцільно записати не через молярний частки як це зроблено при розрахунках горіння в ізобаричних умовах в рівняннях (1.30) - (1.43), а через кількість молей п,. Тоді, наприклад, для реакції (1.31) маємо




(1.47)

де Г-температура, при якій обчислюється константа рівноваги; р, і Г, - початкові значення тиску і температури свіжої суміші. При пе-

25

Корольченко А.Я. Процеси горіння і вибуху

реходе від мольних часток до числа молей в ізохоричному процесі в рівняннях збереження маси (15) - (18) необхідно замінити значення на відповідні Рівняння (19) цьому запишеться у вигляді

(1.48)

Після множення обох частин рівняння (1.28) на можна обчислити суму необхідну для обчислення давленіявзрива газової суміші в бомбі постійного обсягу за рівнянням (1.22).

Опишемо метод рішення системи рівнянь (1.15), (1.23) - (1.43), що містить 21 невідому величину: 19 мольних часток продуктів згоряння сумарне число молей продуктів при згорянні благаючи свіжої суміші і ентальпію продуктів згоряння . В якості незалежних змінних обрані молярний частки водню, води, діоксиду вуглецю, азоту та аргону Молярний

частки інших 14 продуктів згоряння виражаються через константи рівноваги і вибрані незалежні змінні з рівнянь (1.29) - (1.43). Далі перепишемо рівняння (1.23) - (1.26) і (1.28) відповідно у вигляді

F (A, B, C, D, E) = 0,

G (А, В, С, D, Е) = 0,

H (A, B, C, D,. E) = 0, (1.49)

J (А, В, С, D, Е) = 0,

I (А, В, С, D, Е) = 0.

Лінеаризованих систему рівнянь (1.49) розкладанням в ряд Тейлора з точністю до членів, що містять перші похідні, отримуємо

(1.50)

де і т. д. (індекс 0 позначає ис-

хідні значення величин). Система рівнянь (1.50) містить п'ять невідомих - які є приростами до вихідних

26

Глава 1. Основні поняття теорії горіння

Вестн - які є приростами до вихідних

значенням мольних часток А, В, С, D, Е. Система може бути вирішена різними методами, наприклад обчисленням і діленням один на одного детермінантів відповідних матриць системи рівнянь (1.50) або використанням методу виключення Гауса-Жордана.

При передбачуваному значенні рівноважної температури продуктів згоряння Т обчислюють значення констант рівноваги .. Потім визначаються-

ють по вихідним значенням незалежних змінних А, В, С, D, Е значення інших мольних, часткою продуктів згоряння, а отже, і коефіцієнти системи рівнянь (1.50). Потім, вирішивши цю систему рівнянь, знаходять нові значення

Ітераційний процес повторюють до тих пір, поки абсолютні значення відносин не стануть менше певної величини, рівної, наприклад, (При результати розрахунків практично не змінюються). Таким чином, визначають рівноважний склад продуктів згоряння при передбачуваної температурі Т. За рівноважного складу продуктів знаходять згідно рівняння (1.27) величину Јі, -, що дозволяє обчислювати значення ентальпії Hj продуктів згоряння за формулою (1.18).

При горінні в изохорический умовах порядок обчислень аналогічний описаному вище. Відмінність, як уже зазначалося, полягає в тому, що розрахунок проводиться не для мольних часток, а для числа молей і замість ентальпій обчислюють внутрішню енергію свіжої суміші і продуктів згоряння.

У табл. 1.1 наведені розраховані термодинамічні параметри для стехіометричних сумішей метану, пропану, гексану, гептану, ацетону, ізопропілового спирту і бензолу з повітрям.

Таблиця 1.1. Максимальний адиабатическое тиск вибуху в замкнутому посудині , Температура продуктів згоряння , Показники адіабат ​​свіжої суміші і продуктів згоряння коефіцієнт розширення продуктів згоряння при початкових умовах Ei для стехиометрических вуглеводневих сумішей при

початковій температурі = 298,15 До



27

Корольченко А.Я. Процеси горіння і вибуху







0,06 0,04

5,188 3,439

2539,6 2521,9




1,247 1,248

2192,7 2183,2

7,412 7.385



3,964

0,10 0,08 0,06

0,04

9,228 7,358 5,494 3,640

2604,4 2594,1 2580,5 2561,2

1,365

1,247 1,248 1,248

1,249

2245,2 2239,4 2231,7 2220,7

7,897 7,880 7,857 7,825



2,126

0,10 0,08 0,06 0,04

9,378 7,478 5,583 3,699

2611,6 2601,2 2587,3 2567,8

1,360

1,248 1,248 1,249 1,249

2251,7 2245,8 2237,9 2226,7

8,025 8,008 7,984 7,951



1,842

0,10 0,08 0,06 0,04

9,403 7,498 5,598 3,708

2613,0 2602,6 2588,7 2569,1

1,359

1,248 1,248 1,249 1,249

2253,0 2247,1 2239,1 2227,9

8,047 8,029 8,005 7,972



4,907

0,10 0,08 0,06 0,04

9,282 7,401 5,527 3,661

2594,2 2583,7 2570,4 2550,9

1,357

1,245 1,245 1,246 1,246

2242,1 2236,2 2228,2 2216,9

7,962 7,944 7,921 7,888



4,386

0,10 0,08 0,06 0,04

9,344

7,451 5,565 3,688

2574 3 2564,4 2551,8

2533,2

1,361

1,244 1,245 1,245 1,246

2219,7 2214,3 2206,9 2196,5

7,999 7,983 7,961 7,929



2,679

0,10 0,08 0,06 0,04

9,299

7,411 5,532 3,662

2678,2 2666,0 2650,6 2628,2

1,377

1,251 1,251 1,252 1,252

2321,1 2313,7 2304,2 2290,4

7,990 7,969 7,942 7,902

Стехіометрична концентрація пального при згорянні в повітрі середньої вологості і в сухому повітрі визначаються відповідно за формулами:

(1.51)

(1.52)

де - Стехіометричний коефіцієнт кисню, що дорівнює числу молей кисню, що припадають на 1 моль пального речовини при його повному згорянні.

28

Глава 1. Основні поняття теорії горіння

На рис. 1.3 як приклад показано розраховане зміна температури горіння і мольних часток основних компонентів продуктів згоряння в залежності від об'ємної концентрації пального для гекса-но-повітряної суміші.



Рис. 1.3. Залежність складу і температури продуктів згоряння

гексан-повітряної суміші при тиску 0,101 МПа і початковій температурі

298,15 К від концентрації гексану

Навчальний матеріал
© ukrdoc.com.ua
При копіюванні вкажіть посилання.
звернутися до адміністрації