Какова нормальная скорость распространения пламени. Влияние различных факторов на скорость распространения пламени

51. Скорость истечения в сужающемся канале, массовая скорость перемещения потока Скорость истечения в сужающемся каналеРассмотрим процесс адиабатного истечения вещества. Предположим, что рабочее тело с некоторым удельным объемом (v1) находится в резервуаре под

Распространение зоны химических превращений в открытой горючей системе

Горение начинается с воспламенения горючей смеси в локальном объёме горючей системы, затем распространяется в направлении движущейся смеси. Горящая зона, в которой осуществляются видимые наблюдателю окислительно-восстановительные химические реакции, называется пламенем. Поверхность, разделяющая пламя и ещё негорящую смесь, служит фронтом пламени. Характер распространения пламени зависит от многих процессов, но определяющим служит процесс нагрева горючей смеси. В зависимости от способа нагрева горючей смеси до температуры воспламенения различают нормальное, турбулентное и детонационное распространение пламени.

Нормальное распространение пламени наблюдается при горении в горючей системе с ламинарно движущейся смесью. При нормальном распространении пламени тепловая энергия от горящего слоя к холодному передаётся преимущественно теплопроводностью, а также молекулярной диффузией. Теплопроводность в газах отличается малой интенсивностью, поэтому скорость нормального распространения пламени невысока.

При турбулентном движении горючей смеси перенос тепловой энергии от горящего слоя к холодному происходит преимущественно молярной диффузией, а также теплопроводностью. Молярный перенос пропорционален масштабу турбулентности, который определяется скоростью движения смеси. Скорость турбулентного распространения пламени зависит от свойств смеси и от газодинамики потока.

Распространение пламени в горючей смеси от зоны горения к холодным слоям посредством молекулярных и молярных процессов называется дефлаграционным.

Физико-химические процессы горения сопровождаются повышением температуры и давления в пламени. В горючих системах при определённых условиях могут возникнуть зоны повышенного давления, способные осуществлять сжатие соседних слоёв, нагревая их до состояния воспламенения. Распространение пламени посредством быстрого сжатия холодной смеси до температуры воспламенения называется детонационным и всегда носит взрывной характер.

В горючих системах может возникнуть вибрационное горение, при котором фронт пламени перемещается со скоростью, изменяющейся как по величине, так и по направлению.

Скорость распространения фронта горения в ламинарно движущейся или неподвижной смеси называют нормальной или фундаментальной скоростью распространения пламени. Численное значение нормальной скорости определяют по скорости ещё не воспламенившейся смеси, нормально направленной к фронту горения.

Значение u н для плоского фронта горения можно определить из условия динамического равновесия между скоростью нагрева смеси теплопроводностью до температуры воспламенения и скоростью химической реакции. В результате получена следующая формула

где l – коэффициент теплопроводности газовой смеси, с р – коэффициент теплоёмкости смеси при постоянном давлении, Т нач – начальная температура смеси, Т а – адиабатическая температура горения, Arr – критерий Аррениуса, k 0 – коэффициент закона Аррениуса.

Нормальную скорость можно определить экспериментально по скорости перемещения фронта в трубке с неподвижной смесью или по высоте конуса горения в горелке Бунзена. Горелка Бунзена – это лабораторная горелка с частичным предварительным смешением газа и воздуха. На выходе из горелки образуется пламя с фронтом горения в виде конуса правильной формы (рис.).

Рис.7. Фронт горения в горелке Бунзена

При стабильном положении фронта горения скорость распространения пламени u н уравновешена нормальной к поверхности конуса горения составляющей W н скорости движения газовоздушной смеси W, т.е.

где j – угол между вектором скорости движения газовоздушной смеси и вектором её нормальной к поверхности конуса горения составляющей.

Значение скорости движения газовоздушной смеси на срезе сопла при конусе горения правильной формы определяется по формуле

где d 0 – диаметр сопла горелки, V – расход газовоздушной смеси через горелку.

Значение cos j можно выразить через высоту конуса горения

С учётом того, что поверхность горения – это боковая поверхность правильного конуса

значение нормальной скорости определяется

На величину нормальной скорости распространения пламени влияют:

1. Начальная температура смеси. При низких температурах u н прямо пропорциональна квадрату абсолютной температуры поступающей на горение смеси. При температуре, превышающей температуру воспламенения, понятие нормальной скорости теряет смысл, так как смесь становится способной к самовоспламенению.

2. Температура стенок канала при условии что пламя распространяется внутри этого канала. Холодные стенки обрывают цепные реакции и тормозят распространение пламени.

3. Диаметр канала. Для каждой горючей смеси существует критическое значение диаметра d кр, начиная с которого распространение пламени внутри канала невозможно. Значение критического диаметра можно определить по формуле

где а см – коэффициент температуропроводности смеси.

4. Давление. При увеличении давления u н уменьшается.

5. Состав смеси. Для смеси с составом, близким к стехиометрическому нормальная скорость имеет максимальное значение. Кроме того, существуют нижний и верхний по концентрации горючего пределы, вне которых пламя распространяться не может.

Скорость ламинарного горения – скорость с которой фронт пламени перемещается в направлении перпендикулярном к поверхности свежей ТВС.

–зона ламинарного горения;

–скорость ламинарного горения.

Турбулентное горение.

Турбулентная скорость пламени – скорость, с которой фронт пламени перемещается в турбулезированном потоке.

–зона турбулентного горения;

–нормальные скорости маленьких частиц.

Ламинарное горение не обеспечивает необходимую скорость выделения тепла в двигателе, поэтому требуется турбулезация газового потока.

Уравнение Аррениуса:
– скорость химической реакции.

–константа химической реакции, зависящая от состава смеси и рода топлива;

–давление химической реакции;

–порядок химической реакции;

–универсальная газовая постоянная;

–температура химической реакции;

–энергия активации – энергия, необходимая для разрыва внутримолекулярных связей.

Влияние различных факторов на процесс горения в двс с искровым зажиганием.

Состав смеси.

–верхний концентрационный предел;

–нижний концентрационный предел;

–нормальное горение;

–мощностной состав смеси – максимальная мощность, развиваемая двигателем.

–экономический состав смеси – максимальная экономичность.

Степень сжатия.

С увеличение частоты оборотов, увеличивается фаза воспламенения, что приводит к позднему развитию процесса сгорания и уменьшению количества тепла выделившегося за цикл. Поэтому при изменении требуется регулирование угла опережения зажигания (УОЗ).

Угол опережения зажигания.

Угол опережения зажигания – угол поворота коленвала от момента подачи искры до ВМТ.

П
од нагрузкой понимают угол поворота дроссельной заслонки – именно ей регулируют нагрузку на двигатель.

–угол поворота дроссельной заслонки.

Основные нарушения процесса горения в двс с искровым зажиганием. Детонация.

Д
етонация – взрывообразное горение смеси, сопровождающееся ударными волнами давления, распространяющимися по объему камеры сгорания. Детонация возникает в результате самовоспламенения удаленных от свечи участков смеси, вследствие интенсивного нагрева и сжатия при распространении фронта пламени.

При детонации:

Отражаясь от стенок камеры сгорания, ударная волна образует вторичные фронты пламени и очаги самовоспламенения. Внешне детонация проявляется в виде глухих стуков при работе двигателя на больших нагрузках.

Последствия работы двигателя с детонацией:

Перегрев и прогорание отдельных узлов двигателя (клапаны, поршни, прокладки головки, электроды свечей);

Механические разрушения деталей двигателя вследствие ударных нагрузок;

Снижение мощности и экономичности работы.

Т.о. длительная работа с детонацией недопустима.

П
еречислим факторы, вызывающие детонацию:

Способность топлива к самовоспламенению характеризует детонационная стойкость , а детонационная стойкость оценивается октановым числом (ОЧ) .

ОЧ – численно равно объемной доли плохо дитонирующего изооктана смеси с легко дитонирующим нормальным гептаном, эквивалентным по детонационным свойствам данному бензину.

Изооктан – 100 ед., нормальный гептан – 0 ед.

Например: октановое число 92 означает, что данный бензин обладает такой же детонационной стойкостью как эталонная смесь из 92% изооктана и 8% нормального гептана.

А
– автомобильный бензин;

и – исследовательский метод получения бензина;

м – моторный метод (буква обычно не пишется).

В моторном методе исследования регулируют степень сжатия, пока не начнется детонация, и определяют по таблицам октановое число.

Моторные методы имитируют движение на полной нагрузке (грузовик за городом).

Исследовательский метод имитирует движение при частичной нагрузке (в городе).

Если октановое число избыточно велико, то снижается скорость распространения пламени. Процесс сгорания затягивается, что приводит к снижению КПД и повышению температуры отработавших газов. Следствием этого является падение мощности, повышение расхода топлива, перегрев двигателя и прогорание отдельных элементов. Максимальные показатели двигателя достигаются при октановом числе топлива близком к порогу детонации.

Способы борьбы с детонацией:

3. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПЛАМЕНИ В ГАЗОВЫХ СМЕСЯХ

Скорость распространения пламени при горении твердых, жидких и газообразных веществ представляет практический интерес в плане предупреждения пожаров и взрывов. Рассмотрим скорость распространения пламени в смесях горючих газов и паров с воздухом. Зная эту скорость, можно определить безопасные скорости газовоздушного потока в трубопроводе, шахте, вентиляционной установке и других взрывоопасных системах.

3.1. СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ

В качестве примера на рис. 3.1 приведена схема вытяжной вентиляции в угольной шахте. Из штреков шахты 1 по трубопроводу 2 осуществляется удаление запыленной смеси воздуха и угольной пыли, а в ряде случаев – выделившегося в угольных пластах метана. При возникновении очага возгорания, фронт пламени 3 будет распространяться в сторону штреков 1. Если скорость движения горючей смеси w будет меньше скорости распространения фронта пламени и относительно стенок трубки, то пламя распространится в шахту и приведет к взрыву. Поэтому для нормальной работы системы вентиляции необходимо соблюдение условия

w > u.

Скорость удаления взрывоопасной смеси должна быть больше скорости распространения фронта пламени. Это позволит не допустить попадания пламени в штреки шахты.

Рис. 3.1. Схема распространения пламени в шахте:

1 – шахта; 2 – трубопровод; 3 – фронт пламени

Теория распространения пламени, развитая в работах Я.Б. Зельдовича и Д.А. Франк-Каменецкого, основана на уравнениях теплопроводности, диффузии и химической кинетики. Воспламенение горючей смеси всегда начинается в одной точке и распространяется по всему объему, занимаемому горючей смесью. Рассмотрим одномерный случай – трубку, заполненную горючей смесью (рис. 3.2).

Если смесь поджечь с одного конца трубки, то узкий фронт пламени будет распространяться вдоль трубки, отделяя продукты горения (позади фронта пламени) от свежей горючей смеси. Фронт пламени имеет вид колпачка или конуса, обращенного выпуклой частью в сторону движения пламени. Фронт пламени представляет собой тонкий газовый слой шириной (10 -4 ÷10 -6) м. В этом слое, который называется зоной горения, протекают химические реакции горения. Температура фронта пламени в зависимости от состава смеси составляет Т = (1500÷3000) К. Выделяющаяся теплота горения расходуется на нагрев продуктов сгорания свежей горючей смеси и стенок трубки за счет процессов теплопроводности и излучения.

Рис. 3.2. Схема распространения фронта пламени в трубке

При движении фронта пламени в трубке в горючей смеси возникают волны сжатия, которые создают вихревые движения. Завихрения газов искривляют фронт пламени, не изменяя его толщины и характера протекающих в нем процессов. На единице поверхности фронта пламени всегда сгорает одно и тоже количество вещества в единицу времени . Величина является постоянной для каждой горючей смеси и называется массовой скоростью горения. Зная площадь фронта пламени S , можно рассчитать массу вещества М , сгораемого во всем фронте горения в единицу времени:

Каждый элемент фронта пламени dS перемещается относительно свежей смеси всегда по направлению нормали к фронту пламени в данной точке (рис. 3.2), причем скорость этого перемещения:

где – плотность свежей горючей смеси.

Величина называется нормальной скоростью распространения пламени и имеет размерность м/с. Она является постоянной величиной процесса горения данной смеси и не зависит от гидродинамических условий, сопутствующих процессу горения. Нормальная скорость распространения пламени всегда меньше наблюдаемой скорости и , то есть скорости перемещения фронта горения относительно стенок трубки:

u n < u .

Если фронт пламени плоский и направлен перпендикулярно оси трубки, то в этом случае наблюдаемая и нормальная скорость распространения пламени будут одинаковы

u n = u .

Площадь выпуклого фронта пламени S вып всегда больше площади плоского фронта S пл , поэтому

> 1.

Нормальная скорость распространения пламени u n для каждой горючей смеси зависит от примеси инертных газов, температуры смеси, влажности и других факторов. В частности, предварительный подогрев горючего газа увеличивает скорость распространения пламени. Можно показать, что скорость распространения пламени u n пропорциональна квадрату абсолютной температуры смеси:

u n .= const · T 2 .

На рис. 3.3 приведена зависимость скорости распространения пламени в горючей смеси „воздух – угарный газ” в зависимости от концентрации СО. Как следует из приведенных графиков, скорость распространения пламени возрастает с увеличением температуры смеси. Для каждого значения температуры скорость распространения пламени имеет максимум в области концентрации угарного газа СО, равной ~ 40%.

На скорость распространения пламени влияет теплоемкость инертного газа. Чем больше теплоемкость инертного газа, тем больше он снижает температуру горения и тем сильнее уменьшает скорость распространения пламени. Так, если смесь метана с воздухом разбавить углекислым газом, то скорость распространения пламени может уменьшиться в 2÷3 раза. На скорость распространения пламени в смесях оксида углерода с воздухом оказывает большое влияние влага, содержащаяся в смеси, наличие сажевых частиц и примеси инертных газов.

Рис. 3.3. Зависимость скорости распространения пламени

от концентрации угарного газа в смеси