8.6. Горение в неподвижной среде

Перемещение пламенной зоны — фронта пламени, — области, отделяющей невступившую в реакцию горючую смесь от продуктов горения, вызвано тем, что холодная горючая смесь перед ним нагревается до температуры воспламенения за счет теплопроводности и диффузии раскаленных продуктов горения в холодную смесь. Линейная скорость, с которой перемещается фронт пламени по однородной горючей смеси, называется равномерной скоростью распространения пламени, зависящей как от вида газа, так и от его содержания в газовоздушной смеси. Минимальная скорость для всех видов горючих газов соответствует нижнему и верхнему пределам воспламенения, а максимальная — соотношению газов и воздуха.

Рис. 8.1. Кривые равномерных скоростей распространения пламени u_н, определенные в трубке диаметром 25,4 мм. 1 – водород; 2 – водяной газ; 3 – оксид углерода; 4 – этилен; 5 – коксовый газ; 6 – этан; 7 – метан; 8 – генераторный газ паровоздушного дутья.

Экспериментами установлено, что скорость распространения пламени зависит от диаметра цилиндрической трубки, по которой оно распространяется: чем больше диаметр, тем выше скорость распространения.

Увеличение диаметра трубки снижает влияние стенок на процесс горения и перемещающийся фронт пламени и способствует усилению конвекции (рис. 8.2). Анализ данных графика указывает, что при очень малых размерах трубок распространение пламени вообще невозможно (из-за сильного относительного теплоотвода). Размеры трубок, каналов и щелей, при которых пламя не распространяется, называются критическими.

Они различны для разных газов:

• холодная смесь метана с воздухом — 3 мм; 
• водородно-воздушная смесь — 0,9 мм; 
• разогретая смесь метана с воздухом — 1,2 мм.

Угасание в каналах малого сечения используются на практике для создания огнепреградителей: пламегасящих сеток, керамических пористых дисков, дисков из прессованных металлических шариков, сосудов, заполняемых мелкозернистыми материалами и др.); огневых каналов в конструкции горелок, работающих на газовоздушных смесях.

Для сравнительной характеристики горючих свойств газов (независимо от размеров трубок) введено понятие «нормальная скорость распространения пламени» — это скорость, отнесенная к холодной (еще невоспламенившейся) смеси, с которой пламя перемещается по нормали к ее поверхности. Фронт пламени принимается плоским и равным диаметру трубки:

u_н = w_pтr²/S (8.22)

где u_н — нормальная скорость распространения пламени, м/с; w_p — измеренная равномерная скорость распространения пламени, м/с; r — радиус трубки, м; S — площадь поверхности фронта пламени, м².

Как видно из данных табл. 8.14, максимальная скорость распространения пламени соответствует смесям газа и воздуха с недостатком окислителя (не стехиометрическим). При избытке горючего повышается эффективность столкновения реагирующих частиц и скорость химических реакций возрастает.

Рис. 8.2. Влияние диаметра d_тр и концентрации
метана в смеси с воздухом на изменение равномерной скорости распространения пламени u_н.

Скорости распространения пламени для газокислородных смесей на порядок выше, чем для газовоздушных. Так, максимальная нормальная скорость распространения пламени метано-кислородной смеси — 3,3 м/с, а для смеси пропана и бутана с кислородом — 3,5–3,6 м/с.
Максимальная нормальная скорость распространения пламени в смеси сложного газа с воздухом, м/с, определяется по формуле:

u_{н max} = (r₁u₁ + r₂u₂ + ... + r_nu_n)/(r₁ + r₂ + ... +r_n) (8.23)

где r₁, r₂,...r_n — содержание отдельных компонентов в сложном газе, об. %; u₁, u₂,...u_n — максимальные нормальные скорости распространения пламени компонентов сложного газа в смеси с воздухом, м/с.

Приведенные соотношения пригодны для газов, обладающих близкими нормальными скоростями распространения пламени, например, для природных и сжиженных углеводородных газов. Для смесей газов, обладающих резко различными скоростями распространения пламени (например, для смесей природных и искусственных газов, смесей с высоким содержанием водорода), они дают только приближенные значения.

Если же в смеси присутствуют балластные примеси (азот и диоксид углерода), то для приближенного расчета скорости распространения пламени следует воспользоваться формулой:

u_б = u_{н max} (1 – 0,01N₂ – 0,012СО₂) (8.24)

Значительно повышает скорость распространения пламени подогрев газовоздушной смеси:
и‘_н = и_н (Т‘/Т) (8.25)

где и‘_н — скорости распространения пламени в нагретой смеси с абсолютной температурой Т‘, К; и_н — то же, в холодной смеси с температурой Т, К.

Предварительный нагрев смеси изменяет ее плотность обратно пропорционально абсолютной температуре, поэтому и скорости распространения пламени растут пропорционально этой температуре. Этот факт надо учитывать при расчетах, особенно в тех случаях, когда огневые каналы горелок располагаются в нагретой кладке или когда на них воздействует излучение топки, раскаленных газов и т.п.

Равномерность распространения пламени возможна при выполнении следующих условий:

• огневая трубка имеет небольшую длину;
• горение распространяется при постоянном давлении, близком к атмосферному. 

Если длина трубки значительна, то равномерное распространение пламени для некоторых смесей может перейти в вибрационное, а затем — и в детонационное со сверхзвуковой скоростью горения (2000 м/с и более), когда воспламенение смеси происходит за счет ударной волны, нагревающей смесь до температур, превышающих температуру ­самовоспламенения. Детонация возникает в смесях, обладающих высокими скоростями распространения пламени. Пределы концентрации детонации уже пределов воспламеняемости газовоздушных и газокислородных смесей, об. %: пропан — 3,2–37, изобутан — 2,8–31, водород — 15–90. Давление, возникающее при детонационном горении, может превышать начальное в десятки раз и приводить к разрушению труб и других сосудов, рассчитанных на высокие давления.

Таблица 8.14. Скорости распространения пламени в различных газовоздушных смесях (при t =20°C и p = 103,3 кПа), м/с