Скорость распространения пламени при горении. Понятие о горении
Нормальная скорость распространения пламени (uн) зависит от теплофизических свойств газовоздушной смеси. Но в еще большей степени скорость распространения зависит от ее физико-химических свойств? скорости горения V, и температуры в зоне реакции горения, ТГ:
т.е. uн пропорциональна скорости реакции окисления (V) и находится в экспоненциальной зависимости от обратной температуры зоны горения (Тг). Определяющим параметром, безусловно, будет скорость реакции. Запишем уравнение скорости химической реакции горения:
где k0 - предэкспоненциальный множитель из уравнения Аррениуса,
Сг, Сок - концентрации горючего и окислителя,
m, n - порядки реакции соответственно по горючему и окислителю,
Еа - энергия активации химической реакции.
Рассмотрим, как будет меняться скорость реакций окисления для смесей с разным соотношением горючего и окислителя (рис. 2).
Из графика видно, что для смеси стехиометрического состава (коэффициент избытка воздуха?=1) скорость реакции окисления максимальна.
При увеличении концентрации горючего в смеси выше стехиометрического количества, когда? становится < 1 (кислород находится в недостатке), горючее сгорает не полностью. В этом случае меньше выделится теплоты реакции горения Qгор и произойдёт снижение Tг.
Скорость реакции окисления по сравнению со стехиометрическим составом смеси уменьшится, причем как из-за снижения концентрации окислителя О2, так и температуры зоны горения. То есть при последовательном снижении? (что эквивалентно увеличению концентрации СГ в смеси) скорость реакции окисления? и температуры зоны горения Tг будут последовательно снижаться. На графике при CГ > СГстех кривая становится резко нисходящей. Снижение же скорости реакции окисления при? > 1 объясняется уменьшением тепловыделения в зоне горения в связи с более низкой концентрацией в ней горючего.
Рисунок 2. Зависимость скорости горения от концентрации горючего в смеси
Именно такая, как на рис.2, зависимость скорости реакции горения от концентрации горючего компонента в исходной смеси предопределяет параболический вид зависимости её других параметров процесса горения от состава смеси: температуры самовоспламенения и минимальной энергии зажигания, концентрационных пределов распространения пламени. Вид параболы имеет также и зависимость нормальной скорости распространения пламени uн от концентрации горючего в смеси СГ. На рис. 3 приведены такие зависимости для случая горения воздушно-пропановой смеси при различных значениях начальной температуры.
Рисунок 3. Зависимость скорости распространения пламени от концентрации пропана в воздухе при начальной температуре 311 K (1); 644 K (2); 811 K (3)
Согласно описанным выше представлениям, максимальная скорость распространения пламени (uнмах) должна соответствовать стехиометрической концентрации горючего. Однако экспериментально найденные её значения несколько сдвинуты в сторону богатых по содержанию горючих смесей. С увеличением начальной температуры смеси скорость распространения пламени должна повышаться, что и наблюдается на практике. Например, для воздушной смеси паров бензина и керосина она имеет вид, приведенный на рис. 4.
Рисунок 4. Зависимость скорости распространения пламени от начальной температуры воздушной смеси паров бензина и керосина с воздухом
Для различных веществ uн зависит от их химической природы и колеблется в довольно широких пределах (табл. 1). Для большинства смесей углеводородных топлив с воздухом uн < 1 м/с. При введении в горючую смесь избыточного воздуха или азота температура горения заметно снижается.
Таблица 1.
Нормальная скорость распространения пламени для некоторых горючих смесей
Введение в горючую смесь инертных и нейтральных газов: азота N2, аргона Аr, диоксида углерода СО2 разбавляет ее и тем самым снижает как скорость реакции окисления, так и скорость распространения пламени. Это хорошо видно из зависимостей, приведённых на рис. 5.
При этом при определённой (флегматизирующей) концентрации разбавителей горение вообще прекращается. Наиболее сильное влияние оказывает введение хладонов, так как они обладают ещё и ингибирующим действием на реакцию горения.
Как видно из рис. 5, введение в горючую смесь хладона (114В2) в 4 - 10 раз эффективнее, чем нейтральных газов - разбавителей.
Рисунок 5. Влияние концентрации разбавителей и хладона 114В2 на скорость распространения пламени в пропано-воздушной смеси (? = 1.15)
Флегматизирующая способность газов - разбавителей зависит от их теплофизических свойств, и в частности, от их теплопроводности и теплоёмкости.
1.3 Диффузионное горение газов
В реальных условиях в тех случаях, когда газ или пары воспламеняются после начала их аварийного истечения, наблюдается диффузионное горение. Типичным и довольно распространенным примером является диффузионное горение газа при разрушении магистральных трубопроводов, на аварийной фонтанирующей морской или сухопутной скважине газового или газоконденсатного месторождения, на газоперерабатывающих заводах.
Рассмотрим особенности такого горения. Предположим, что горит фонтан природного газа, основным компонентом которого является метан. Горение происходит в диффузионном режиме и имеет ламинарный характер. Концентрационные пределы распространения пламени (КПРП) для метана составляют 5 - 15 % об. Изобразим структуру пламени и построим графические зависимости изменения концентрации метана и скорости реакции горения от расстояния до осевой фонтана (рис. 6).
Рисунок 6. Схема диффузионного ламинарного пламени газового фонтана (а), изменение концентрации горючего (б), скорости реакции горения (в) по фронту пламени.
Концентрация газа снижается от 100 % на осевой фонтана до значения верхнего концентрационного предела воспламенения и далее до НКПР на его периферии.
Горение газа будет происходить только в интервале концентраций от ВКПР до НКПР, т.е. в пределах концентрационной области его воспламенения. Скорость реакции горения?(Т) будет равна нулю при концентрациях, выше ВКПР и ниже НКПР, и максимальной при. Таким образом, расстояние между ХНКПР и ХВКПР определяет ширину фронта диффузионного пламени:
фп = ХНКПР - ХВКПР. (3)
Ширина фронта для такого пламени имеет значения от 0.1 до 10 мм. Скорость реакции горения в этом случае определяется скоростью диффузии кислорода и по своей величине она примерно в 5?104 раз меньше скорости горения в кинетическом режиме. Во столько же раз ниже теплонапряженность, т.е. скорость выделения теплоты в диффузионно горящем факеле.
1.4 Особенности горения газовых струй. Условия стабилизации пламени
Условия горения газовых фонтанов удобнее рассмотреть на примере газовых струй. В реальных условиях такие струи являются турбулентными. При воспламенении струи газа, вытекающей из скважины, образуется так называемый диффузионный факел, имеющий симметричную веретенообразную форму (рис. 6). Химические реакции горения идут в тонком поверхностном слое факела, который в первом приближении можно считать поверхностью, где концентрации топлива и окислителя обращаются в ноль, а диффузионные потоки топлива и окислителя к этой поверхности находятся в стехиометрическом соотношении. Диффузионный фронт горения имеет нулевую скорость распространения, поэтому самостоятельно удержаться на текущей вверх струе не может.
Стабилизация пламени на струе происходит в самой нижней части факела, где реализуется другой механизм горения. При истечении газа из отверстия на начальном не горящем участке поверхности струи образуется турбулентный слой смешения газа и окружающего воздуха. В этом слое концентрация газа в радиальном направлении плавно падает, а концентрация окислителя нарастает. В средней части слоя смешения возникает гомогенная смесь топлива и окислителя с составом, близким к стехиометрическому. При воспламенении такой подготовленной к горению смеси фронт пламени может распространяться в слое смешения с конечной скоростью даже навстречу потоку, если скорость горения превышает по величине локальную скорость потока. Но так как по мере приближения к выходному отверстию скорость струи нарастает, то на некоторой высоте скорость струи (uf) становится равной скорости горения (?t), и пламя стабилизируется на поверхности струи на этой высоте. Точно рассчитать скорость турбулентного горения (?t) не представляется возможным. Однако оценки показывают, что значение (?t) приблизительно равно пульсационным скоростям струи, величина которых пропорциональна осевой скорости (um). Из экспериментальных данных следует, что максимальные значения среднеквадратичных пульсаций продольной компоненты скорости составляют 0.2um. Принимая эту величину за скорость турбулентного горения, можно считать, что максимальная скорость распространения пламени навстречу фонтанирующей со скоростью 300-450 м/с струе газа будет порядка 50 м/с.
1.5 Оценка дебита горящих газовых фонтанов
При тушении пожаров мощных газовых фонтанов возникает необходимость в оценке дебита (D) горящего фонтана, так как расход газа является одним из основных параметров, определяющих объемы работ и материально-технических средств, необходимых для ликвидации аварии. Однако непосредственное измерение расхода горящего фонтана в большинстве случаев оказывается невозможным, а эффективных дистанционных способов определения расхода струи не существует. Расход мощных газовых фонтанов может быть достаточно точно определен по высоте факела (Н).
Известно, что высота турбулентного факела, образующегося при горении нормально расширенных газовых струй с дозвуковой скоростью истечения, не зависит от скорости или расхода струи, а определяется лишь диаметром отверстия (d), из которого струя вытекает, теплофизическими свойствами газа и его температурой (Т) на выходе из отверстия.
Известна эмпирическая формула расчёта дебита фонтана по высоте факела при горении природного газа:
D = 0.0025Hф 2, млн. м3/сутки. (4)
На реальных пожарах ламинарный режим горения практически не встречается. Газ, как в пласте газового месторождения, так и в транспортных трубопроводах и в технологических установках, находится под давлением. Поэтому расходы газа при аварийном истечении будут очень большими? до 100 м3/с на пожарах фонтанирующих газовых скважин (до 10 млн. м3/сутки). Естественно, что в этих условиях режимы истечения, а значит, и режимы горения будут турбулентными.
Для расчета сил и средств на тушение горящих газовых факелов необходимо знать расход газа. Исходные данные для его расчета практически всегда отсутствуют, поскольку неизвестны либо давление газа в технологическом оборудовании, либо в пласте месторождения. Поэтому на практике пользуются экспериментально установленной зависимостью (4) высоты пламени факела от расхода газа, расчётные данные при использовании которой приведены в табл. 2.
Таблица 2.
Зависимость высоты пламени от расхода газа газового фонтана при различных режимах горения
Горение -это интенсивные химические окислительные реакции, которые сопровождаются выделением тепла и свечением. Горение возникает при наличии горючего вещества, окислителя и источника воспламенения. В качестве окислителей в процессе горения могут выступать кислород, азотная кислота. В качестве горючего - многие органические соединения, сера, сероводород, колчедан, большинство металлов в свободном виде, оксид углерода, водород и т.д.
В условиях реального пожара окислителем в процессе горения обычно является кислород воздуха. Внешнее проявление горения-пламя, которое характеризуется свечением и выделением тепла. При горении систем, состоящих только из твердых или жидких фаз или их смесей, пламя может и не возникать, т. е. происходит беспламенное горение или тление.
В зависимости от агрегатного состояния исходного вещества и продуктов горения различают гомогенное горение, горение взрывчатых веществ, гетерогенное горение.
Гомогенное горение. При гомогенном горении исходные вещества и продукты горения находятся в одинаковом агрегатном состоянии. К этому типу относится горение газовых смесей (природного газа, водорода и т. п. с окислителем-обычно, кислородом воздуха)/
Горение взрывчатых веществ связано с переходом вещества из конденсированного состояния в газ.
Гетерогенное горение. При гетерогенном горении исходные вещества (например твердое или жидкое горючее и газообразный окислитель) находятся в разных агрегатных состояниях. Важнейшие технологические процессы гетерогенного горения-горение угля, металлов, сжигание жидких топлив в нефтяных топках, двигателях внутреннего сгорания, камерах сгорания ракетных двигателей.
Движение пламени по газовой смеси называется распространением пламени. В зависимости от скорости распространения пламени горения может быть дефлаграционным со скоростью несколько м/с, взрывным-скорость порядка десятков и сотен м/с и детонационным-тысячи м/с.
Дефлаграционное горение подразделяется на ламинарное и турбулентное.
Ламинарному горению присуща нормальная скорость распространения пламени.
Нормальной скоростью распространения пламени, называется скорость перемещения фронта пламени относительно несгоревшего газа, в направлении, перпендикулярном к его поверхности.
Температура относительно слабо увеличивает нормальную скорость распространения пламени, инертные примеси уменьшают ее, а повышение давления ведет либо к повышению, либо к снижению скорости.
В ламинарном газовом потоке скорости газов малы. Скорость горения в этом случае зависит от скорости образования горючей смеси. В турбулентном пламени завихрение газовых струй улучшает перемешивание реагирующих газов, так как увеличивается поверхность, через которую происходит молекулярная диффузия.
Показатели пожаро-взрывоопасности газов. Их характеристика и область применения
Пожароопасность технологических процессов в значительной степени определяется физико-химическими свойствами обращающихся в производстве сырья, промежуточных и конечных продуктов.
Показатели пожаро- и взрывоопасности используются при категорировании помещений и зданий, при разработке систем для обеспечения пожарной безопасности и взрывобезопасности.
Газы-вещества, абсолютное давление паров которых при температуре 50 °С равно или более 300 кПа или критическая температура которых менее 50 °С.
Для газов применимы след.показатели:
Группа горючести -показатель, который применим для всех агрегатных состояний.
Горючесть-способность вещества или материала к горению. По горючести вещества и материалы подразделяются на три группы.
Негорючие (несгораемые)-вещества и материалы, неспособные к горению на воздухе. Негорючие вещества могут быть пожароопасными (например, окислители, а также вещества, выделяющие горючие продукты при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом).
Трудногорючие (трудносгораемые) -вещества и материалы, способные возгораться в воздухе от источника зажигания, но не способные самостоятельно гореть после его удаления.
Горючие (сгораемые) -вещества и материалы, способные самовозгораться, а также возгораться от источника зажигания и самостоятельно гореть после его удаления. Из группы горючих веществ и материалов выделяют легковоспламеняющиеся вещества и материалы.
Легковоспламеняющимися называют горючие вещества и материалы, способные воспламеняться от кратковременного (до 30 с) воздействия источника зажигания с низкой энергией (пламя спички, искра, тлеющая сигарета и т. п.).
Горючесть газов определяют косвенно: газ, имеющий концентрационные пределы воспламенения в воздухе, относят к горючим; если газ не имеет концентрационных пределов вопламенения, но самовоспламеняется при определенной темпе ратуре, его относят к трудногорючим; при отсутствии концентрационных пределов воспламенения и температуры самовоспламенения газ относят к негорючим.
На практике группу горючести используют для подразделения материалов по горючести, при установлении классов взрывоопасных и пожароопасных зон по ПУЭ, при определении категории помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности, при разработке мероприятий для обеспечения пожаро- и взрывобезопасности оборудования и помещений.
Температура самовоспламенения - самая низкая температура вещества, при которой в условиях специальных испытаний происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, заканчивающихся пламенным горением.
Концентрационные пределы распространения пламени (воспламенения) - тот интервал концентраций, в котором возможно горение смесей горючих паров и газов с воздухом или кислородом.
Нижний (верхний) концентрационный предел распространения пламени - минимальное (максимальное) содержание горючего в смеси горючее вещество-окислительная среда» при котором возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания. Внутри этих пределов смесь горюча, а вне их-смесь гореть неспособна.
Температурные пределы распространения пламени (воспламенения)-такие температуры вещества, при которых его насыщенные пары образуют в конкретной окислительной среде концентрации, равные соответственно нижнему (нижний температурный предел) и верхнему (верхний температурный предел) концентрационным пределам распространения пламени.
Способность взрываться и гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха и другими веществами - качественный показатель,который характеризует особую пожарную опасность некоторых веществ. Это свойство веществ применяют при определении категории производств, а также при выборе безопасных условий проведения технологических процессов и условий совместного хранения и транспортирования веществ и материалов.
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:
При адиабатическом, т.е. не сопровождающемся тепловыми потерями сгорании, весь запас химической энергии горючей системы переходит в тепловую энергию продуктов реакции. Температура продуктов адиабатического сгорания не зависит от скорости реакций, протекающих в пламени, а лишь от их суммарного теплового эффекта и теплоемкостей конечных продуктов. Эта величина называется адиабатической температурой горения Т г. Она является важной характеристикой горючей среды. У большинства горючих смесей величина Т г лежит в пределах 1500 ÷ 3000°К. Очевидно, что Т г – максимальная температура продуктов реакции в отсутствие внешнего подогрева. Фактическая температура продуктов сгорания может быть только меньше Т г в случае возникновения тепловых потерь.
Согласно тепловой теории горения, разработанной советскими учеными Я. Б. Зельдовичем и Д. А. Франк-Каменецким, распространение пламени происходит путем передачи тепла от продуктов горения к несгоревшей (свежей) смеси. Распределение температур в газовой смеси с учетом тепловыделения от химической реакции и теплопроводности показано на рис. 6.1:
Рис. 6.1. Распределение температур в газовой смеси
Фронт пламени, т.е. зона, в которой происходит реакция горения и интенсивный саморазогрев сгорающего газа, начинается при температуре самовоспламенения Т св и заканчивается при температуре Т г.
Перед распространяющимся вправо фронтом пламени находится свежая смесь, а сзади – продукты горения. Считается, что в зоне подогрева реакция протекает настолько медленно, что выделением тепла пренебрегают.
Процесс теплопередачи при стационарном распространении пламени не приводит к потерям тепла и понижению температуры по сравнению с Т г непосредственно за фронтом пламени. Теплоотвод из каждого сгорающего слоя газа при поджигании соседнего, еще не нагретого, скомпенсирована аналогичным количеством тепла, ранее полученным в поджигающем слое при его собственном поджигании. Дополнительное тепло начального поджигающего импульса заметно не искажает стационарного режима горения, так как его роль все более уменьшается по мере увеличения количества сгоревшего газа.
Продукты сгорания теряют тепло только в результате излучения и при соприкосновении с твердой поверхностью. Если излучение незначительно, такое сгорание оказывается практически адиабатическим. Заметные тепловые потери возможны лишь на определенном расстоянии за фронтом пламени.
Таким образом, инициирование горения газовой смеси в одной точке приводит к нагреву близлежащего слоя, который разогревается путем теплопроводности от продуктов реакции до самовоспламенения. Сгорание этого слоя влечет за собой воспламенение следующего и т.д. до полного выгорания горючей смеси. Отводимое из зоны реакции в свежую смесь тепло полностью компенсируется выделением тепла реакции, и возникает устойчивый фронт пламени. В результате послойного сгорания фронт пламени перемещается по смеси, обеспечивая распространение пламени.
Если свежая смесь движется навстречу фронту пламени со скоростью, равной скорости распространения пламени, то пламя будет неподвижным (стационарным).
К свежей смеси от единицы поверхности пламени в единицу времени путем теплопроводности подводится количество тепла:
(6.7)
где – коэффициент теплопроводности; – ширина фронта пламени.
Это тепло расходуется на нагрев свежей смеси от начальной температуры до температуры горения :
где с – удельная теплоемкость; – плотность смеси.
С учетом уравнений (6.7) и (6.8) при U пл =υ г скорость распространения пламени определяется соотношением:
, (6.9)
где – коэффициент температуропроводности.
Поскольку скорость горения очень сильно зависит от температуры, сгорание основной массы газа происходит в зоне, температура которой близка к
Скорость химической реакции определяется уравнением:
(6.10)
Тогда скорость распространения пламени:
(6.11)
где b – показатель, зависящий от свойств смеси.
Таким образом, пламя не сможет распространяться по горючей смеси, если его температура будет ниже теоретической температуры горения на величину .
Максимальная скорость распространения пламени наблюдается не при стехиометрическом соотношении горючего и окислителя в смеси, а при избытке горючего. При предварительном подогреве смеси значительно увеличивается скорость распространения пламени в реальных условиях, так как она пропорциональна квадрату начальной температуры смеси.
Над поверхностью жидкого или твердого вещества при любой температуре существует паровоздушная смесь, давление которой в состоянии равновесия определяется давлением насыщенных паров или их концентрацией. С увеличением температуры давление насыщенных паров возрастет но экспоненциальной зависимости (уравнение Клапейрона - Клаузиса):
где Р н „ - давление насыщенного пара, Па; Q„ C11 - теплота испарения, кДж/моль; Т - температура жидкости, К.
Для любой жидкости существует интервал температур, в котором концентрация насыщенных паров над зеркалом (поверхность жидкости) будет находится в области воспламенения, т.е. НКПВ
Для создания НКПВ паров достаточно нагреть до температуры, равной НТПВ, не всю жидкость, а лишь только ее поверхностный слой.
При наличии источника зажигания такая смесь будет способна к воспламенению. Па практике чаще используют понятия «температура вспышки» и «температура воспламенения».
Температура вспышки - минимальная температура жидкости, при которой над ее поверхностью образуется концентрация паров, способная к воспламенению от источника зажигания, однако скорость образования паров недостаточна для поддержания горения.
Таким образом, как при температуре вспышки, так и при нижнем температурном пределе воспламенения над поверхностью жидкости образуется нижний концентрационный предел воспламенения, однако в последнем случае НКПВ создается насыщенными парами. Поэтому температура вспышки всегда несколько выше, чем НТПВ. Хотя при температуре вспышки наблюдается кратковременное воспламенение паров, не способное перейти в устойчивое горение жидкости, тем не менее, при определенных условиях вспышка может стать причиной возникновения пожара.
Температура вспышки принята за основу классификации жидкостей на легковоспламеняющиеся (ЛВЖ) и горючие жидкости (ГЖ). К ЛВЖ относятся жидкости, имеющие температуру вспышки в закрытом сосуде 61 °С и ниже, к горючим - с температурой вспышки более 61°С.
Экспериментально температуру вспышки определяют в приборах открытого и закрытого типа. В сосудах закрытого типа значения температуры вспышки всегда ниже, чем в открытом, поскольку в этом случае пары жидкости имеют возможность диффундировать в атмосферу и для создания горючей концентрации над поверхностью требуется более высокая температура.
В табл. 2.4 приведена температура вспышки некоторых жидкостей, определенных приборами открытого и закрытого типа.
Таблица 2.4
Температура вспышки разных видов жидкости при разных методах определения
Температура воспламенения - минимальная температура жидкости, при которой после воспламенения паров от источника зажигания устанавливается стационарное горение.
У легковоспламеняющихся жидкостей температура воспламенения выше, чем температура вспышки, на 1-5°, при этом, чем ниже температура вспышки, тем меньше разность между температурами воспламенения и вспышки.
У горючих жидкостей, имеющих высокую температуру вспышки, разница между этими температурами доходит до 25-35°. Между температурой вспышки в закрытом тигле и нижним температурным пределом воспламенения имеется корреляционная связь, описываемая формулой
Это соотношение справедливо при Г В(.
Существенная зависимость температур вспышки и воспламенения от условий эксперимента вызывает определенные трудности при создании расчетного метода оценки их величины. Одним из наиболее распространенных из них является полуэмпирический метод, предложенный В. И. Блиновым:
где Г вс - температура вспышки (воспламенения), К; Р нп - парциальное давление насыщенного пара жидкости при температуре вспышки (воспламенения), Па; D () - коэффициент диффузии паров жидкости, с/м 2 ; b - количество молекул кислорода, необходимое для полного окисления одной молекулы горючего; В - константа метода определения.
При расчете температуры вспышки в замкнутом сосуде рекомендуется принимать В = 28, в открытом сосуде В = 45; для расчета температуры воспламенения принимают В = 53.
Температурные пределы воспламенения могут быть рассчитаны:
По известным значениям температуры кипения
где ^н(в)’ 7/ип - соответственно нижний (верхний) температурный предел воспламенения и температура кипения, °С; k, I - параметры, значения которых зависят от вида горючей жидкости;
По известным значениям концентрационных пределов. Для этого сначала определяется концентрация насыщенных паров над поверхностью жидкости
где (р„ п - концентрация насыщенных паров, %; Р н п - давление насыщенных паров, Па; Р 0 - внешнее (атмосферное) давление, Па.
Из формулы (2.41) следует
Опеределив по значению нижнего (верхнего) предела воспламенения давление насыщенного пара, находим температуру, при которой это давление достигается. Она и является нижним (верхним) температурным пределом воспламенения.
По формуле (2.41) можно решать и обратную задачу: рассчитывать концентрационные пределы воспламенения по известным значениям температурных пределов.
Свойство пламени к самопроизвольному распространению наблюдается не только при горении смесей горючих газов с окислителем, но и при горении жидкостей и твердых веществ. При локальном воздействии тепловым источником, например открытым пламенем, жидкость будет прогреваться, возрастет скорость испарения и при достижении поверхностью жидкости температуры воспламенения в месте воздействия теплового источника произойдет зажигание паровоздушной смеси, установится устойчивое пламя, которое затем с определенной скоростью будет распространяться по поверхности и холодной части жидкости.
Что же является движущей силой распространения процесса горения, каков его механизм?
Распространение пламени по поверхности жидкости протекает в результате теплопередачи за счет излучения, конвекции и молекулярной теплопроводности от зоны пламени к поверхности зеркала жидкости.
По современным представлениям основной движущей силой распространения процесса горения является теплоизлучение от пламени. Пламя, обладая высокой температурой (более 1000°С), способно, как известно, излучать тепловую энергию. Согласно закону Стефана - Больцмана интенсивность лучистого теплового потока, отдаваемого нагретым телом, определяется соотношением
где ц я - интенсивность лучистого теплового потока, кВт/м 2 ; 8 0 - степень черноты тела (пламени) (е 0 = 0,75-Н,0); а = = 5,7 10 11 кДж/(м 2 с К 4) - постоянная Стефана - Больцмана; Г г - температура тела (пламени), К; Г 0 - температура среды, К.
Тепло, излучаясь во все стороны, частично поступает и на еще не загоревшиеся участки поверхности жидкости, прогревая их. При повышении температуры поверхностного слоя над прогретым участком процесс испарения жидкости интенсифицируется и образуется паровоздушная смесь. Как только концентрация паров жидкости превысит НКВП, произойдет ее зажигание от пламени. Затем уже этот участок поверхности жидкости начинает интенсивно прогревать соседний участок поверхности жидкости и т.д. Скорость распространения пламени по жидкости зависит от скорости прогрева поверхности жидкости лучистым тепловым потоком от пламени, т.е. от скорости образования горючей паровоздушной смеси над поверхностью жидкости, которая, в свою очередь, зависит от природы жидкости и начальной температуры.
Каждый вид жидкости имееют свою теплоту испарения и температуру вспышки. Чем выше их значения, тем более длительное время необходимо для ее прогрева до образования горючей паровоздушной смеси, тем, следовательно, ниже скорость распространения пламени. С увеличением молекулярной массы вещества в пределах одного гомологического ряда снижается давление паров упругости, возрастают теплота испарения и температура вспышки, соответственно снижается скорость распространения пламени.
Увеличение температуры жидкости повышает скорость распространения пламени, так как время, необходимое для прогрева жидкости до температуры вспышки перед зоной горения, уменьшается.
При вспышке скорость распространения пламени по зеркалу жидкости будет (по физическому смыслу) равна скорости распространения пламени по паровоздушной смеси состава, близкого к НКПВ, т.е. 4-5 см/с. При увеличении начальной температуры жидкости выше температуры вспышки скорость распространения пламени будет зависеть (аналогично скорости распространения пламени) от состава горючей смеси. Действительно, при увеличении температуры жидкости выше температуры ее вспышки концентрация паровоздушной смеси над поверхностью зеркала будет расти от НКВП до 100% (температура кипения).
Следовательно, вначале при повышении температуры жидкости от температуры вспышки до температуры, при которой над поверхностью образуются насыщенные пары, с концентрацией, равной стехиометрической (точнее, несколько выше, чем стехиометрическая), скорость распространения пламени будет нарастать. В закрытых сосудах по мере дальнейшего повышения температуры жидкости скорость распространения пламени начинает снижаться, вплоть до скорости, соответствующей верхнему температурному пределу воспламенения, при котором распространение пламени но паровоздушной смеси станет уже невозможным из-за недостатка кислорода в паровоздушной смеси над поверхностью жидкости. Над поверхностью же открытого резервуара концентрация паров на разных уровнях будет различной: у поверхности она будет максимальной и соответствовать концентрации насыщенного пара при данной температуре, по мере увеличения расстояния от поверхности концентрация постепенно будет снижаться из-за конвективной и молекулярной диффузии.
При температуре жидкости, близкой к температуре вспышки, скорость распространения пламени по поверхности жидкости будет равна скорости его распространения по смеси паров в воздухе на НКПВ, т.е. 3-4 см/с. При этом фронт пламени будет расположен у поверхности жидкости. При дальнейшем увеличении начальной температуры жидкости скорость распространения пламени будет расти аналогично росту нормальной скорости распространения пламени по паровоздушной смеси с увеличением ее концентрации. С максимальной скоростью пламя будет распространяться по смеси с концентрацией, близкой к стехиометрической. Следовательно, с увеличением начальной температуры жидкости выше Г стх скорость распространения пламени будет оставаться постоянной, равной максимальному значению скорости распространения горения по стехиометрической смеси или несколько больше ее (рис. 2.5). Таким образом,
Рис. 25.
1 - горение жидкости в закрытой емкости; 2 - горение жидкости в открытой емкости при изменении начальной температуры жидкости в открытой емкости в широком диапазоне температур (вплоть до температуры кипения) скорость распространения пламени будет изменяться от нескольких миллиметров до 3-4 м/с.
С максимальной скоростью пламя будет распространяться по смеси с концентрацией, близкой к стехиометрической. С увеличением температуры жидкости выше Г стх увеличится расстояние над жидкостью, на котором сформируется стехиометрическая концентрация, а скорость распространения пламени останется прежней (см. рис. 2.5). Это обстоятельство всегда надо помнить, как при организации профилактической работы, так и при тушении пожаров, когда, например, может возникнуть опасность подсоса воздуха в закрытую емкость - ее разгерметизация.
После возгорания жидкости и распространения пламени но ее поверхности устанавливается диффузионный режим ее выгорания , который характеризуется удельной массовой W rM и линейной W V Jl скоростями.
Удельная массовая скорость - масса вещества, выгорающего с единицы площади зеркала жидкости в единицу времени (кг/(м 2 *с)).
Линейная скорость - расстояние, на которое перемещается уровень зеркала жидкости в единицу времени за счет ее выгорания (м/с).
Массовая и линейная скорости выгорания взаимосвязаны через плотность жидкости р:
После воспламенения жидкости температура ее поверхности повышается от температуры воспламенения до кипения, происходит формирование прогретого слоя. В этот период скорость выгорания жидкости постепенно повышается, растет высота факела пламени в зависимости от диаметра резервуара и вида горючей жидкости. После 1-10 мин горения наступает стабилизация процесса: скорость выгорания и размеры пламени остаются в дальнейшем неизменными.
Высота и форма пламени при диффузионном горении жидкости и газа подчиняются одним и тем же закономерностям, поскольку в обоих случаях процесс горения определяется взаимной диффузией горючего и окислителя. Однако если при диффузионном горении газов скорость струи газа не зависит от процессов, протекающих в пламени, то при горении жидкости устанавливается определенная скорость выгорания, которая зависит как от термодинамических параметров жидкости, так и от условий диффузии кислорода воздуха и паров жидкости.
Между зоной горения и поверхностью жидкости устанавливается определенный тепло- и массообмен (рис. 2.6). Часть теплового потока, поступающего к поверхности жидкости q 0y затрачивается на ее нагрев до температуры кипения q ucn . Кроме того, тепло q CT на нагрев жидкости поступает от факела пламени через стенки резервуара за счет теплопроводности. При достаточно большом его диаметре величиной q CT можно прене- бречь, тогда q {) = K „ n +
Очевидно, что
где с - теплоемкость жидкости, кДжДкг-К); р - плотность жидкости, кг/м 3 ; W nc - скорость роста прогретого слоя, м/с; W Jl - линейная скорость выгорания, м/с; 0и СП - теплота парообразования, кДж/кг; Г кип - температура кипения жидкости, К.
Рис. 2.6.
Г () - начальная температура; Г кип - температура кипения;
Т г - температура горения; q KUW q Jl - соответственно конвективный и лучистый тепловые потоки; q 0 - тепловой поток, поступающий на поверхность жидкости
Из формулы (2.45) следует, что интенсивность теплового потока из зоны пламени обусловливает определенную скорость поставки горючего в эту зону, химическое взаимодействие которого с окислителем, в свою очередь, влияет на величину # 0 . В этом и состоит взаимосвязь массо- и теплообмена зоны пламени и конденсированной фазы при горении жидкостей и твердых веществ.
Оценку доли тепла от общего тепловыделения при горении жидкости, которая затрачивается на ее подготовку к горению q 0 , можно провести в следующей последовательности.
Принимая для простоты W rjl = W nx , получим
Скорость тепловыделения с единицы поверхности зеркала жидкости (удельную теплоту пожара q ll7K) можно определить по формуле
где Q H - низшая теплота сгорания вещества, кДж/кг; Р п - коэффициент полноты сгорания.
Тогда, учитывая состояние (2.44) и разделив выражение (2.45) на формулу (2.46), получим
Расчеты показывают, что около 2% от общего тепловыделения при горении жидкости затрачивается на образование и доставку паров жидкости в зону горения. При установлении процесса выгорания температура поверхности жидкости увеличивается до температуры кипения, которая в дальнейшем остается неизменной. Данное утверждение относится к индивидуальной жидкости. Если же рассматривать смеси жидкостей, имеющих разную температуру кипения, то сначала происходит выход легкокипящих фракций, затем - все более высококипящих.
На скорость выгорания значительное влияние оказывает прогрев жидкости по глубине в результате передачи тепла от нагретой лучистым потоком q 0 поверхности жидкости в ее глубь. Этот теплоперенос осуществляется за счет теплопроводности и конвенции.
Прогрев жидкости за счет теплопроводности может быть представлен экспоненциальной зависимостью вида
где Т х - температура слоя жидкости на глубине х, К; Г кип - температура поверхности (температура кипения), К; k - коэффициент пропорциональности, м -1 .
Такой тип температурного поля называется распределением температуры первого рода (рис. 2.7).
Ламинарная конвенция возникает в результате различной температуры жидкости у стенок резервуара и в его центре, а также вследствие фракционной разгонки в верхнем слое при горении смеси.
Дополнительная передача тепла от нагретых стенок резервуара к жидкости приводит к прогреву ее слоев у стенок до более высокой температуры, чем в центре. Более нагретая у стенок жидкость (или даже пузырьки пара в случае ее прогрева у стенок выше температуры кипения) поднимается вверх, что способствует интенсивному промешиванию и быстрому прогреву жидкости на большой глубине. Образуется так называемый гомотермический слой, т.е. слой с практически постоянной температурой, толщина которого увеличивается во время горения. Такое температурное поле называют распределением температуры второго рода.
Рис. 2.7.
1 - распределение температуры первого рода; 2 - распределение температуры второго рода
Образование гомотермического слоя возможно также и в результате фракционной перегонки приповерхностных слоев смеси жидкостей, имеющих различную температуру кипения. По мере выгорания таких жидкостей приповерхностный слой обогащается более плотными высококипя- щими фракциями, которые опускаются вниз, способствуя гем самым конвективному прогреву жидкости.
Установлено, что чем ниже температура кипения жидкости (дизельное топливо, трансформаторное масло), гем труднее образуется гомотермический слой. При их горении температура стенок резервуара редко превышает температуру кипения. Однако при горении влажных высококипя- щих нефтепродуктов вероятность образования гомотермического слоя достаточна высокая. При прогреве стенок резервуара до 100°С и выше образуются пузырьки водяного пара, которые, устремляясь вверх, вызывают интенсивное перемещение всей жидкости и быстрый прогрев в глубине. Зависимость толщины гомотермического слоя от времени горения описывается соотношением
где х - толщина гомотермического слоя на некоторый момент времени горения, м; х пр - предельная толщина гомотермического слоя, м; т - время, отсчитываемое от момента начала формирования слоя, с; р - коэффициент, с -1 .
Возможность образования достаточно толстого гомотермического слоя при горении влажных нефтепродуктов чревата возникновением вскипания и выброса жидкости.
Скорость выгорания существенно зависит от вида жидкости, начальной температуры, влажности и концентрации кислорода в атмосфере.
Из уравнения (2.45) с учетом выражения (2.44) можно определить массовую скорость выгорания:
Из формулы (2.50) очевидно, что на скорость выгорания оказывают влияние интенсивность теплового потока, поступающего от пламени к зеркалу жидкости, и теплофизические параметры горючего: температура кипения, теплоемкость и теплота испарения.
Из табл. 2.5 очевидно, что существует определенное соответствие между скоростью выгорания и затратами тепла на прогрев и испарения жидкости. Так, в ряду бен- золксилолглицеринов с увеличением затрат тепла на прогрев и испарение скорость выгорания снижается. Однако при переходе от бензола к диэтиловому эфиру затраты тепла уменьшаются. Это кажущееся несоответствие обусловлено различием в интенсивности тепловых потоков, поступающих от факела к поверхности жидкости. Лучистый поток достаточно велик для коптящего пламени бензола и мал для относительно прозрачного пламени диэтилового эфира. Как правило, соотношение скоростей выгорания наиболее быстро горящих жидкостей и наиболее медленно горящих достаточно невелико и составляет 3,0-4,5.
Таблица 25
Зависимость скорости выгорания от затрат тепла на прогрев и испарение
Из выражения (2.50) следует, что с увеличением Г 0 скорость выгорания возрастает, поскольку снижаются затраты тепла на прогрев жидкости до температуры кипения.
Содержание влаги в смеси понижает скорость выгорания жидкости, во-первых, вследствие дополнительных затрат тепла на ее испарение, а во-вторых, в результате флегмати- зирующего влияния паров воды в газовой зоне. Последнее приводит к снижению температуры пламени, а следовательно, согласно формуле (2.43), уменьшается и его излучающая способность. Строго говоря, скорость выгорания влажной жидкости (жидкости, содержащей воду) не постоянна, она увеличивается или уменьшается в процессе горения в зависимости от температуры кипения жидкости.
Влажное горючее может быть представлено как смесь двух жидкостей: горючее + вода, в процессе горения которых происходит их фракционная разгонка. Если температура кипения горючей жидкости меньше температуры кипения воды (100°С), то происходит преимущественное выгорание горючего, смесь обогащается водой, скорость выгорания снижается и, наконец, горение прекращается. Если температура кипения жидкости больше 100°С, то, наоборот, сначала преимущественно испаряется влага и концентрация ее снижается. В результате скорость выгорания жидкости возрастает, вплоть до скорости горения чистого продукта.
Как правило, с повышением скорости ветра скорость выгорания жидкости увеличивается. Ветер интенсифицирует процесс смешивания горючего с окислителем, тем самым повышая температуру пламени (табл. 2.6) и приближая пламя к поверхности горения.
Таблица 2.6
Влияние скорости ветра на температуру пламени
Все это повышает интенсивность теплового потока, поступающего на нагрев и испарение жидкости, следовательно, приводит к увеличению скорости выгорания. При большей скорости ветра пламя может сорваться, что приведет к прекращению горения. Так, например, при горении тракторного керосина в резервуаре диаметром 3 м наступал срыв пламени при скорости ветра 22 м/с.
Большинство жидкостей не могут гореть в атмосфере с содержанием кислорода менее 15%. С увеличением концентрации кислорода выше этого предела скорость выгорания растет. В атмосфере, значительно обогащенной кислородом, горение жидкости протекает с выделением большого количества сажи в пламени и наблюдается интенсивное кипение жидкой фазы. Для многокомпонентных жидкостей (бензин, керосин и т.н.) температура поверхности с увеличением содержания кислорода в окружающей среде растет.
Повышение скорости выгорания и температуры поверхности жидкости с ростом концентрации кислорода в атмосфере обусловлено увеличением излучающей способности пламени в результате роста температуры горения и высокого содержания сажи в нем.
Скорость выгорания также значительно меняется с понижением уровня горючей жидкости в резервуаре: происходит снижение скорости выгорания, вплоть до прекращения горения. Поскольку подвод кислорода воздуха из окружающей среды внутрь резервуара затруднен, то при понижении уровня жидкости увеличивается расстояние h np между зоной пламени и поверхностью горения (рис. 2.8). Лучистый поток к зеркалу жидкости уменьшается, а следовательно, уменьшается и скорость выгорания, вплоть до затухания. При горении жидкостей в резервуарах большого диаметра предельная глубина /г пр, при которой происходит затухание горения, очень большая. Так, для резервуара с диаметром 5 м она составляет 11 м, а с диметром Им - около 35 м.
