Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва - файл n1.doc

приобрести
Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва
скачать (1925 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc1925kb.08.07.2012 22:05скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5   6   7






Корольченко А.Я.

Процессы горения и взрыва. -М.: Пожнаука, 2007. -266 с, ил.

ISBN 978-5-91444-001-2

Книга написана применительно к действующей программе по дисциплине «Теория горения и взрыва» для высших учебных заведений. В ней изложены ос­новные разделы современной теории горения: химические и тепло-массообменные процессы при горении, механизм превращения исходных веществ в продукты го­рения, условия возникновения горения, процессы распространения пламени по га­зовым смесям, аэрозолям, твердым веществам, условия прекращения горения.

В книге рассмотрены характеристики горения и параметры пожаровзрыво-опасности газов, жидкостей, пылей и твердых материалов. Материал книги иллю­стрируется справочными данными, графиками и примерами. Показана тесная связь теории горения с прикладными науками о безопасности технологических процес­сов и строительных объектов.

Книга предназначена в качестве учебника для студентов технических вузов и может служить полезным пособием для научных и инженерно-технических работ­ников сферы обеспечения пожаровзрывобезопасности различных объектов, а также для преподавателей теории горения и смежных с нею дисциплин.

ISBN 978-5-91444-001-2

© Корольченко А.Я. О Пожнаука, 2007

Оглавление

Предисловие 6

Глава 1. Основные понятия теории горения 8

  1. Основные явления при горении 8

  2. Гомогенное, гетерогенное и диффузионное горение 12

  3. Горение в движущемся газе 15

  4. Турбулентное горение 16

  5. Особенности горения взрывчатых веществ 18

  6. Термодинамика сгорания углеводородовоздушных смесей 19

Глава 2. Химические процессы при горении 30

2.1. Цепные реакции 30

Зарождение цепей 33

Продолжение цепей 34

Обрыв цепей 37

  1. Химические процессы при горении водорода 39

  2. Химические реакции при горении оксида углерода 40

  3. Горение углеводородов 43

  4. Горение углерода 45

Глава 3. Возникновение процессов горения 48

  1. Самовоспламенение. Стационарная теория 48

  2. Зажигание 53

  3. Самовозгорание 59

Тепловое самовозгорание 64

Химическое самовозгорание 66

Микробиологическое самовозгорание 67

Математическая модель процесса самовозгорания насыпи

растительного материала 68

Приближенное решение задачи самовозгорания дисперсных
материалов для реакции порядка 75

3

Глава 4. Развитие горения 83

4.1. Распространение пламени по газам 83

Дефлаграционное горение 83

Детонация... 88

Переход дефлаграционного горения в детонацию 91

Расчет параметров детонационных волн в смесях водород-
кислород-инертный газ 93

4.2. Горение парогазовых смесей при повышенных температурах

и давлениях 102

4.3. Взрывы пылей 103

Влияние относительного движения фаз аэровзвеси на

распространение пламени 103

Гидродинамический анализ горения аэрозолей 112

Фазодинамический режим распространения пламени

по аэродисперсной системе 122

4.4. Диффузионное горение жидкостей 127

Механизм горения 127

Форма и размеры пламени 130

Прогрев жидкости при горении 131

Влияние диаметра сосуда на скорость выгорания 132

Влияние концентрации кислорода на скорость выгорания... 133

4.5. Горение твердых материалов 134

Механизм горения 134

Процессы тления в пенопластах 141

4.6. Горение дисперсных веществ в слое 145

Глава 5. Прекращение горения 154

  1. Условия потухания пламени 154

  2. Флегматизация 157

Флегматизация газовых смесей 157

Флегматизация пылевоздушных смесей инертными

разбавителями 159

Флегматизация пылевоздушных смесей инертными
частицами 162

5.3. Ингибирование 163

4

Глава 6. Характеристики горения газов 168

  1. Температура самовоспламенения 168

  2. Энергия зажигания 173

  3. Концентрационные пределы распространения пламени 177

  4. Нормальная скорость горения 187

  5. Флегматизирующие концентрации инертных разбавителей ... 190

  6. Давление взрыва 196

Глава 7. Характеристики горения жидкостей 201

  1. Температура вспышки 203

  2. Температура воспламенения 210

  3. Температура самовоспламенения , 212

  4. Температурные пределы распространения пламени 215

  5. Скорость выгорания 224

Глава 8. Характеристики горения аэрогелей и аэрозолей 229

  1. Показатели пожаровзрывоопасности аэрозолей 230

  2. Факторы, влияющие на опасность аэрозолей 233

Дисперсный состав твердой фазы 234

Теплота сгорания 237

Температура и давление 239

Влагосодержание частиц и воздуха 241

Состав твердой фазы аэрозоля 245

Газообразные флегматизаторы 249

  1. Гибридные смеси 252

  2. Показатели пожарной опасности аэрогелей 257

Литература 265

5

Предисловие

Данный курс процессов горения и взрыва предназначен для студен­тов, обучающихся по специальности «Пожарная безопасность» строительных и политехнических вузов. Он основан на лекциях, кото­рые читаются для студентов Московского государственного строитель­ного университета, и включает основные разделы теории горения: воз­никновение горения, его развитие и прекращение.

Процессы горения широко используются в различных сферах: в двигателях внутреннего сгорания, на тепловых электростанциях, в воен­ном деле (горение порохов, ракетного топлива). Подобные процессы реализуются на пожарах.

Имея общую физико-химическую основу, процессы горения в пе­речисленных областях характеризуются рядом особенностей, обуслов­ленных условиями их протекания, масштабами и др. факторами.

В данной книге излагаются теоретические основы процессов горе­ния, протекающих на пожарах. Знание этих основ необходимо для ус­пешного освоения студентами общепрофессиональных и специальных дисциплин: огнестойкость строительных конструкций, взрывоустойчи-вость зданий, пожарная безопасность электроустановок, здания, соору­жения и их устойчивость при пожаре, пожарная безопасность техноло­гических процессов, производственная и пожарная автоматика, прогно­зирование опасных факторов пожара.

При подготовке учебника использованы труды отечественных уче­ных в области теории горения: акад. Н. Н. Семенова, акад. Я. Б. Зельдо­вича, акад. Д.А. Франк-Каменецкого, акад. В. В. Азатяна, докт. техн. на­ук, проф. А.И. Баратова.

В книгу включены результаты исследований процессов горения и взрыва, полученные автором в период работы в ВНИИ Противопо­жарной обороны совместно с сотрудниками и учениками: докт. техн. наук, проф. Ю. Н. Шебеко, докт. техн. наук Л. П. Вогманом, докт. техн. наук, проф. В. В. Мольковым, докт. техн. наук Н. И. Константи­новой, докт. техн. наук В. Ю. Навценей, докт. техн. наук Н. Л. Поле-

6

таевым, докт. техн. наук Л. П. Шевчуком, докт. техн. наук С. Г. Ца-риченко, канд. техн. наук В. А. Зуйковым, канд. техн. наук А. Б. Иль­иным, канд. техн. наук И. М. Смолиным, канд. техн. наук С. А. Ша-роварниковым, канд. техн. наук В. И. Цапом. *

* Некоторые разделы учебника выходят за пределы вузовского курса дисциплины «Теория горения и взрыва» и не являются обязательными для изучения. К ним от­носятся: «Расчет параметров детонационных волн в смесях водород-кислород-инертный газ», «Влияние относительного движения фаз аэровзвеси на распро­странение пламени», «Гидродинамический анализ горения аэрозолей», «Фазодина-мический распространения пламени по аэродисперсной системе», «Влияние кон­центрации кислорода на скорость выгорания». Однако автор счел необходимым включить эти разделы в учебник для более глубокого понимания сложных процес­сов, протекающих при горении. Кроме того, освоение этих разделов имеет при­кладное значение. Например, значение особенностей развития пылевых взрывов позволяет разрабатывать эффективное мероприятия по их предупреждению и снижению тяжести последствий в случае их возникновения.

7

Глава 1.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ

1.1. Основные явления при горении

В природе и технике большое значение имеют быстропротекающие эк­зотермические процессы, сопровождающиеся выделением огромного количества тепла - процессы горения. При возникновении и развитии лес­ных пожаров, при сжигании каменного угля, дров, нефтепродуктов, при работе двигателей внутреннего сгорания протекают процессы горения. Эти же процессы сопровождают пожары в зданиях и сооружениях.

Имея одинаковую физико-химическую природу, процессы горения внутри топочных устройств и при пожарах различаются масштабами, ус­ловиями тепло- и массообмена.

Поэтому, рассматривая закономерности возникновения и развития горения, мы будем учитывать, что описываемые явления относятся преж­де всего к пожарам в зданиях и сооружениях.

Основная особенность явлений горения заключается в возможности их самоподдерживания и саморазвития. Реализуясь при высокой темпера­туре, реакции горения сами и создают эту температуру. Под горением мы будем понимать процесс протекания экзотермических химических реак­ций в условиях прогрессивного самоускорения, обусловленного накопле­нием в горючей системе тепла или катализирующих продуктов реакции. При этом мы будем разделять тепловые и цепные (автокаталитические) процессы при горении. Во втором случае решающее значение для реали­зации процессов горения имеют реакции с разветвляющимися цепями.

Особенности явлений горения заключаются в наличии критических условий их возникновения и в способности распространения по горючей смеси. При тепловом горении распространение пламени происходит по­средством передачи тепла из зоны реакции в свежую смесь, при цепном -посредством передачи активных веществ.

При тепловом горении цепные реакции также имеют место, но в от­личие от чисто цепных процессов повышение температуры является ос­новной причиной ускорения реакции. Поскольку скорость реакции зави-

8

Глава 1. Основные понятия теории горения

сит от температуры по экспоненциальному закону, а от концентраций реа­гирующих веществ только по степенному, то влияние нагрева, как прави­ло, существеннее.

Во всех процессах горения, независимо от их химической природы основную роль играют критические явления при возникновении горения и условия распространения зоны реакции. Критические явления при воз­никновении горения характеризуются резким изменением режима проте­кания процесса при незначительном изменении внешних условий. Скоро­сти всех элементарных химических процессов являются непрерывными функциями температуры, которые отражаются законом Аррениуса:



где к - константа скорости реакции; А - предэкспоненциальный множи­тель, Е - энергия активации; R - универсальная газовая постоянная; Т -температура.

Критические условия возникновения горения являются результатом нарушения теплового равновесия между реагирующей системой и окру­жающей средой.

К критическим условиям относятся самовоспламенение, зажигание и условия распространения пламени. При этом разница между самовос­пламенением и зажиганием по существу условна.

В теории горения самовоспламенением называют возникновение го­рения в горючей смеси, помещенной в нагретый сосуд, температура сте­нок которого принимается равной начальной температуре смеси.

Зажиганием (или вынужденным воспламенением) называют возникно­вение горения под действием местного теплового импульса, воздействующе­го на небольшую часть горючей смеси. В качестве теплого импульса прини­мают электрическую искру или накаченную поверхность. Электрическая ис­кра рассматривается как чисто тепловой импульс, нагревающий малый объ­ем газа до высокой температуры. При впуске холодной горючей смеси в со­суд с нагретыми стенками возможен непрерывный переход от самовоспла­менения к зажиганию. Его можно рассматривать как процесс зажигания, в котором роль горячей поверхности играет вся поверхность стенок сосуда. Повышая начальную температуру горючей смеси до температуры стенок со­суда, можно осуществить непрерывный переход к самовоспламенению.

Простейшим примером возникновения горения можно считать теп­ловое самовоспламенение, описанное Вант-Гоффом. Согласно его пред-

9

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва

ставлениям условием теплового воспламенения является нарушение теп­лового равновесия между реагирующей системой и окружающей средой. Академиком Н. Н. Семеновым и его учениками было открыто и детально исследовано явление цепного самовоспламенения, реализация которого происходит при нарушении равновесия между образованием и расходова­нием активных продуктов авто каталитической реакции. Условие возник­новения самовоспламенения связывает все параметры, влияющие на ско­рость реакции и на отвод тепла или активных продуктов в окружающую среду. Самовоспламенение происходит при изменении любого из этих параметров: либо свойств горючей смеси (температуры, давления, соста­ва, коэффициентов теплопроводности или диффузии), либо размеров со­суда, в котором протекает реакция. Наибольшее влияние на скорость ре­акции по сравнению с другими факторами имеет температура.

Критические условия зажигания местным тепловым импульсом также заключаются в нарушении теплового равновесия горючей системы. Условие самовоспламенения в простейшем случае (для чисто гомогенной реакции) включает только свойства и объем горючей смеси. Температура стенок сосуда, в котором находится смесь, предполагается заданной и по­стоянной. За время развития процесса самовоспламенения она практиче­ски не изменяется. При этих допущениях, хотя воспламенение и зависит от условий теплоотдачи, последние могут приниматься независящими от свойств стенок сосуда. Поэтому задача о воспламенении считается одной из простейших задач теории горения. А условие самовоспламенения - не­посредственной характеристикой горючей смеси*.

Условие самовоспламенения характеризует невозможность сохра­нения теплового равновесия в объеме горючей смеси с определенными размерами и свойствами. Условия же зажигания характеризуют наруше­ние этого равновесия при заданных начальных условиях.

При увеличении размеров зажигающей поверхности вплоть до пол­ного окружения его объема горючей смеси реализуется непрерывный пе­реход от зажигания к самовоспламенению.

После зажигания смеси каким-либо источником возможны два вари­анта: затухание пламени вблизи источника зажигания или его распростра­нение на весь объем горючей смеси. Реализация того или иного варианта

В практике обеспечения пожарной безопасности принято использовать понятие «стандартная температура самовоспламенения» или просто «температура само­воспламенения».

10

Глава 1. Основные понятия теории горения

зависит прежде всего от состава смеси, от концентрации горючего компо­нента. Для возможности распространения пламени существенна не на­чальная температура смеси, а температура, развивающаяся при горении. Схема распространения пламени по горючей газовой смеси показана на рис. 1.1.



Рис 1.1. Схема распространения пламени по горючей газовой смеси

В левой части рис. 1.1 показана вертикально расположенная трубка, заполненная горючей газовой смесью. При инициировании горения каким-либо источником в трубке формируется зона реакции (зона светящегося пламени), которая поднимается вверх. При этом наблюдается послойное сгорание смеси. Распределение температуры в окрестности зоны реакции показано на диаграмме в правой части рис. 1.1. Заметные превращения ком­понентов исходной смеси начинаются при температуре примерно 700 К; в зоне реакции температура достигает 1500-1600 К. За зоной активной реак­ции наблюдается некоторое увеличение температуры. Далее имеет место область примерно постоянной температуры, в которой потери тепла, на из­лучение, конвекцию и диффузионное охлаждение компенсируются выде­лениями тепла за счет рекомбинации радикалов и догорания избытка топ­лива. Затем пламя охлаждается и превращается в горячий газ. Ширина зоны реакции составляет 0,2-0,4 мм.

Распространение пламени по горючей газовой смеси характеризует­ся величиной нормальной скорости горения. Нормальным горением назы-

11

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва

вается распространение пламени при отсутствии газодинамических эф­фектов, обусловленных градиентами давления или турбулентностью. Скорость распространения этого идеализированного процесса называется нормальной скоростью пламени (горения). Она зависит только от кинети­ки реакции горения, коэффициентов диффузии и теплопроводности.

В начальных условиях процесс горения всегда сопровождается дви­жением газа. Если такое движение и не создается искусственно, оно воз­никает самопроизвольно вследствие термического расширения сгоревших объемов. При неоднородном движении газа искривление фронта пламени приводит к увеличению скорости горения. При возникновении турбу­лентности механизм ускорения горения определяется соотношением меж­ду масштабом турбулентности и толщиной фронта пламени. (Под толщи­ной фронта пламени понимается зона, в которой происходят химические реакции горения.) При крупномасштабной турбулентности (т. е. когда масштаб турбулентности существенно больше толщины фронта пламени) увеличивается поверхность пламени и, соответственно, скорость горения. При мелкомасштабной турбулентности меняется механизм тепломассопе-редачи во фронте пламени. Она осуществляется уже не молекулярной, а турбулентной теплопроводностью и диффузией.

При сверхзвуковом движении газа в нем возникают ударные волны -поверхности, где резкое сжатие происходит на расстоянии порядка свободного пробега молекул. В этих условиях работа сжатия преобразуется в тепловую энергию. Происходящий при этом разогрев приводит к самовоспламенению горючей смеси. Распространение горения посредством воспламенения удар­ной волной называется детонацией. Скорость детонации превосходит скорость распространения звука. В механизме детонации теплопередача и диффузия активных центров в свежую смесь не играют существенной роли. Тепло потери из зоны реакции могут быть существенны только для пределов детонации.

1.2. Гомогенное, гетерогенное и диффузионное горение

Перечисленные в предыдущем разделе физические явления наблю­даются в самых разнообразных процессах, различающихся как по природе химических реакций, так и по агрегатному состоянию участвующих в го­рении веществ.

Различают гомогенное, гетерогенное и диффузионное горение.

12

Глава 1. Основные понятия теории горения

К гомогенному относится горение предварительно перемешан­ных газов*. Многочисленными примерами гомогенного горения явля­ются процессы сгорания газов или паров, в которых окислителем яв­ляется кислород воздуха: горение смесей водорода, смесей оксида уг­лерода и углеводородов с воздухом. В практически важных случаях не всегда выполняется условие полного предварительного перемеши­вания. Поэтому всегда возможны комбинации гомогенного с другими видами горения.

Гомогенное горение может быть реализовано в двух режимах: ламинарном и турбулентном. Турбулентность ускоряет процесс горе­ния за счет дробления фронта пламени на отдельные фрагменты и со­ответственно увеличения площади контакта реагирующих веществ при крупномасштабной турбулентности или ускорения процессов те-пломассопереноса во фронте пламени при мелкомасштабной. Турбу­лентному горению присуща автомодельность: турбулентные вихри увеличивают скорость горения, что приводит к увеличению турбу­лентности.

Все параметры гомогенного горения проявляются и в процессах, в которых окислителем выступает не кислород, а другие газы. Напри­мер, фтор, хлор или бром.

При пожарах наиболее распространены процессы диффузионно­го горения. В них все реагирующие вещества находятся в газовой фа­зе, но предварительно не перемешаны. В случае горения жидкостей и твердых веществ процесс окисления горючего в газовой фазе проис­ходит одновременно с процессом испарения жидкости (или разложе­ния твердого материала) и с процессом смешения.

Простейшим примером диффузионного горения является горе­ние природного газа в газовой горелке. На пожарах реализуется ре­жим турбулентного диффузионного горения, когда скорость горения определяется скоростью турбулентного смешения.

При этом различают макросмешение и микросмешение. Процесс турбулентного смешения включает последовательное дробление газа на все более малые объемы и перемешивание их между собой. На по­следней стадии окончательное молекулярное смешение происходит молекулярной диффузией, скорость которой увеличивается по мере уменьшения масштаба дробления. По завершении макросмешения

* Подобное горение зачастую называют кинетическим.

13

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва

скорость горения определяется процессами микросмешения внутри малых объемов горючего и воздуха.

Гетерогенное горение происходит на поверхности раздела фаз. При этом одно из реагирующих веществ находится в конденсированном со­стоянии, другое (обычно кислород воздуха) поступает за счет диффузии газовой фазы. Обязательным условием гетерогенного горения является очень высокая температура кипения (или разложения) конденсирован­ной фазы. При несоблюдении этого условия горению предшествует ис­парение или разложение. От поверхности в зону горения поступает по­ток пара или газообразных продуктов разложения, и горение происходит в газовой фазе. Такое горение можно отнести к диффузионным квазиге­терогенным, но не полностью гетерогенным, поскольку процесс горения происходит уже не на границе фаз. Развитие такого горения осуществля­ется за счет теплового потока от факела пламени к поверхности мате­риала, который обеспечивает дальнейшее испарение или разложение и поступление горючего в зону горения. В подобных ситуациях возникает смешанный случай, когда реакции горения частично протекают гетеро-генно - на поверхности конденсированной фазы, частично гомогенно - в объеме газовой смеси.

Примером гетерогенного горения является горение каменного и древесного угля. При сгорании этих веществ протекают реакции двояко­го рода. Некоторые сорта каменного угля выделяют при нагревании ле­тучие компоненты. Сгоранию таких углей предшествует их частичное термическое разложение с выделением газообразных углеводородов и водорода, сгорающих в газовой фазе. Кроме того, при сгорании чистого углерода может образовываться оксид углерода СО, догорающий в объ­еме. При достаточном избытке воздуха и высокой температуре поверх­ности угля объемные реакции протекают настолько близко от поверхно­сти, что в определенном приближении дает основание считать такой процесс гетерогенным.

Примером действительно гетерогенного горения является горение тугоплавких нелетучих металлов. Эти процессы могут осложняться об­разованием окислов, покрывающих горящую поверхность и препятст­вующих контакту с кислородом. При большой разнице в физико-химических свойствах между металлом и его окислом в процессе горе­ния окисная пленка растрескивается, и доступ кислорода в зону горения обеспечивается.

14

Глава 1. Основные понятия теории горения

1.3. Горение в движущемся газе

Для описания процессов горения используется термин «нормальная скорость пламени»*. Он характеризует скорость движения фронта пламе­ни в неподвижной газовой смеси. Такое идеализированное состояние можно создать лишь в лабораторном эксперименте. В реальных условиях горения пламя всегда существует в движущихся потоках.

Поведение пламени в таких условиях подчиняется двум законам, ус­тановленным русским ученым В. А. Михельсоном.

Первый из них устанавливает, что составляющая скорости газового потока v по нормали к фронту пламени, распространяющегося по непод­вижной смеси, равна нормальной скорости распространения пламени и, деленной на cos

(1-1)

где- угол между нормалью к поверхности пламени и направлением газового потока.

Величина v характеризует количество газа, сгорающего в едини­цу времени в косом пламени. Ее принято называть действительной скоростью горения в потоке. Действительная скорость во всех случаях равна или превышает нормальную.

Этот закон применим только к плоскому пламени. Обобщение его на реальные пламена с искривлением фронта пламени дает формулировку второго закона - закона площадей.

Предположим, что в газовом потоке, имеющем скорость v и попе­речное сечениестационарно расположен искривленный фронт пламени с общей поверхностью S. В каждой точке фронта пламени пламя распро­страняется по нормали к его поверхности со скоростью и. Тогда объем горючей смеси, сгорающей в единицу временисоставит:

(1.2)

В соответствии с балансом исходного газа этот же объем равен:

(1.3)

* Этот термин адекватен термину «нормальная скорость горения».

15

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва

Приравнивая левые части (1.2) и (1.3) получаем:




(1.4)

В системе отсчета, в которой фронт пламени перемещается по не­подвижной газовой смеси, соотношение (1.4) означает, что пламя распро­страняется относительно газа со скоростью V. Формула (1.4) является ма­тематическим выражением закона площадей, из которого следует важный вывод: при искривлении фронта пламени скорость горения вырастает пропорционально увеличению его поверхности. Поэтому неоднородное движение газа всегда интенсифицирует горение.

1.4. Турбулентное горение

Из закона площадей следует, что турбулентность увеличивает ско­рость горения. На пожарах это выражается сильной интенсификацией процесса распространения пламени.

Различают (рис. 1.2) два вида турбулентного горения: горение одно­родной газовой смеси и микродиффузионное турбулентное горение.



Рис. 1.2. Классификация турбулентного горения

При горении однородной смеси в режиме турбулентного горения возможны два случая: возникновение мелкомасштабной и крупномас-

16

Глава 1. Основные понятия теории горения

штабной турбулентности. Такое разделение производится в зависимости от соотношения масштаба турбулентности и толщины фронта пламени. При масштабе турбулентности меньшем толщины фронта пламени ее от­носят к мелкомасштабной, при большем - к крупномасштабной. Меха­низм действия мелкомасштабной турбулентности обусловлен интенсифи­кацией процессов горения за счет ускорения процессов тепломассопере-носа в зоне пламени. При описании мелкомасштабной турбулентности в формулах для скорости распространения пламени коэффициенты диффу­зии и температуропроводности заменяются на коэффициент турбулентно­го обмена.

Наибольшие скорости горения наблюдаются при крупномасштабной турбулентности. В этом случае возможны два механизма ускорения горе­ния: поверхностный и объемный.







Поверхностный механизм состоит в искривлении фронта пламени турбулентными пульсациями. В этом случае скорость горения возрастает пропорционально увеличению поверхности фронта. Однако это справед­ливо лишь для условий, когда химические превращения в пламени завер­шаются быстрее, чем успеет произойти турбулентное смешение. В этом случае, когда турбулентное смешение обгоняет химическую реакцию, зо­на реакции размывается турбулентными пульсациями. Такие процессы описываются закономерностями объемного турбулентного горения.

Время турбулентного смешенияравно отношению масштаба

турбулентностик пульсационной скоростиПоэтому ускорение

пламени за счет турбулентных пульсаций происходит по поверхностному механизму, если выполняется условие:



(1.5)

17

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва

где- время протекания химической реакции при температуре горе-

ния

Если условие (1.5) не выполняется, то имеет место механизм объем­ного турбулентного горения.

Время химической реакции может быть выражено .через макроско­пические величины: нормальную скорость пламени и толщину фронта пламени

(1.6)

Тогда критерий поверхностного ускорения принимает вид:

(1.7)



(1.8)

Для оценки скорости распространения турбулентного пламени при поверхностном ускорении К. И. Щелкиным предложена формула:

где В - слабо меняющееся число, не превышающее единицу. В пределе при сильной турбулентности турбулентная скорость пламени стремится к пульсационной скорости, т. е. В - к единице.

1.5. Особенности горения взрывчатых веществ

Взрывчатыми называются индивидуальные вещества или их смеси, способные под влиянием какого-либо внешнего воздействия (нагревания, удара, трения, взрыва другого взрывчатого вещества) к быстрому само­распространяющемуся химическому превращению с выделением большо­го количества тепла и образованием газов.

От обычных горючих веществ, горение которых происходит при взаимодействии с кислородом или другими внешними оксилителями, взрывчатые вещества, находясь в конденсированной (твердой или жид­кой) фазе, содержат в себе все компоненты, участвующие в горении. Взрывчатыми веществами могут быть как индивидуальные химические соединения, так и механические смеси.

Большинство индивидуальных взрывчатых веществ относятся к нитросоединениям: тринитротолуол, тетрил, гексоген, октоген, нитрогли-

Глава 1. Основные понятия теории горения

церин, нитраты целлюлозы и др. Взрывчатыми свойствами обладают так­же хлораты, перхлораты, азиды, органические перекиси.

Молекулы органических нитросоединений содержат слабо связан­ный кислород в виде нитрогруппы -Таким образом, в одной моле­куле содержатся и горючее, и окислитель. Их горение за счет внутримо­лекулярного окисления может начаться при незначительных внешних воздействиях.

Значительную группу взрывчатых веществ составляют эндотерми­ческие соединения, молекулы которых не содержат кислорода. В этом случае источником энергии является не окисление, а прямой распад. К таким соединениям относятся азиды свинца, серебра и других металлов. К механическим смесям относятся смеси твердых у глее о держащих горючих с твердыми окислителями. Примером подобной смеси является черный порох.

1.6. Термодинамика сгорания

углеводородовоздушных смесей

Законы термодинамики позволяют вычислить необходимые для описания процессов горения параметры: коэффициент расширения про­дуктов сгорания при начальных условияхотношения теп-лоемкостей при постоянном давлении и постоянном объемекак хтя свежей смеси, так и для продуктов сгорания; максимальное давление взрыва ре; адиабатическую температуру продуктов сгорания в изобариче­ских и изохорических условиях, состав продуктов сгорания

В настоящем разделе описан алгоритм расчета равновесного состоя­ния продуктов сгорания C-H-0-N- содержащих горючих в воздухе в ши­роком диапазоне начальных температур, давлений и концентраций, разра­ботанный проф. В.В. Мольковым. Алгоритм основан на обобщении и сис­тематизации термодинамических и математических методов с использо­ванием наиболее точных данных по термодинамическим свойствам инди­видуальных веществ.

Для повышения достоверности результатов в расчетах необходимо учитывать не только кислород и азот воздуха, но и другие входящие в его состав газы -, Н20, С02. Увеличение числа компонентов продуктов сгорания до 19 (Н2, Н20, С02, N2, Аг, С-газ, Н, О, N, CO, CH4, HCN, 02,

и проведение расчетов с учетом состава воз-

19

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва

духа средней влажности

не усложняют вычислений на компьютере, использова­ние которого позволяет существенно сократить время расчетов при одно­временном повышении их точности в сравнении с приближенным подхо­дом без использования компьютера.

Брутто-реакция для сгорания горючего в воздухе средней влажности в расчете на моль свежей смеси может быть записана в виде



(1.9)

где- объемная концентрация горючего в свежей смеси:-

число атомов соответственно углерода, водорода, кислорода и азота в мо­лекуле горючего;- число молей-го компонента продуктов сгорания;

-компонент продуктов сгорания.

Суммарное число атомов в системе, вычисленное по составу свежей смеси, равно

(1-10)

Отношения числа атомов соответственно углерода, водорода, азота и аргона к числу атомов кислорода являются константами для конкретной смеси и не зависят от термодинамического состояния замкнутой системы:

(1.11) (1.12)

(1.13)

(1.14)

- число атомов кислорода в системе.

20

Глава 1. Основные понятия теории горения

Для адиабатического процесса горения в изобарических условиях закон сохранения энергии эквивалентен закону сохранения энтальпии замкнутой системы

Hi = Hj, (1.15)

где Н - энтальпия, а индексыи j обозначают соответственно параметры свежей смеси и продуктов сгорания. Энтальпия моля свежей смеси

(1.16)

где и - энтальпия соответственно горючего и воздуха при на-

чальной температуре Зависимость энтальпии горючего и воздуха от начальной температуры в диапазоне от 250 до 500 К задается полиномом четвертой степени

<1.17)

где (298) - энтальпия образования вещества при температуре 298 К;

- энтальпия при температуре Т;- численные коэффициенты,

определяемые решением системы линейных уравнений, например, мето­дом исключения Гаусса-Жордана; Т0 - некоторое произвольное постоян­ное значение температуры.

Энтальпия продуктов сгорания, полученных при сжигании моля свежей смеси




(1.18)

где сумма в круглых скобках равна числу молей продуктов при сгорании одного моля свежей смеси;- мольная доля -го компонента продуктов сгорания; - энтальпия -го продуктасгорания при темпера-

туре Т.

Значения энтальпий

(1.19)

определяются по зависимости приведенной энергии Гиббса от температу­ры Ф(Т) в диапазоне температур от 500 до 6000 К. Известно, что

21

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва




(1.20)

При горении в изохорических условиях, например при взрыве газа в бомбе постоянного объема, переход системы из исходного равновесного термодинамического состояния в конечное происходит с сохранением внутренней энергии

(1.21)

где на моль свежей смеси(универсальная газовая постоянная

R - 8,31441 Дж/моль • К), а для продуктов сгорания




(1.22)

где Те - равновесная температура продуктов сгорания в бомбе.

Давление взрыва газовой смеси в замкнутой бомбе определяется по отношению уравнений состояния идеального газа для продуктов сгорания и свежей смеси

(1.23)

Для нахождения равновесного состава продуктов сгорания необхо­димо решить систему, включающую в себя 5 линейных (уравнения сохра­нения массы) и 14 нелинейных (уравнения химического равновесия) ал­гебраических уравнений.

Для изобарического процесса целесообразно записать уравнения со­хранения массы через мольные доли продуктов сгорания

(1.24)



(1.25)



22

Глава 1. Основные понятия теории горения




(1.26)




(1.27)




(1.28)

где значенияопределены по параметрам свежей смеси в соот-

ветствии с формулами (1.10)-(1.14).

Сумма мольных долей по определению равна единице

(1.29)





Число независимых уравнений химического равновесия равно раз­ности числа компонентов продуктов сгорания и числа химических эле­ментов в системе. В качестве независимых выбраны следующие четырна­дцать реакций:

(1.30) (1.31) (1.32)

(1.33)

23




Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва

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

где р - давление, при котором протекает реакция, атм. Зависимость кон­стант химического равновесияот температуры принимается по справочным данным для реакций диссоциации




(1.43 а)

24

Глава 1. Основные понятия теории горения

где- стехиометрические коэффициенты, определяются из соотношения




(1.44)

котором - константа равновесияреакции диссоциации (1.43 а)

при температуре- приведенные энергии Гиббса соответ-

ственно реагентов- тепловой эффект-ой реакции (1.44)

при абсолютном нуле температуры.

Показатели адиабат для свежей смеси и продуктов сгорания опреде­ляются с использованием уравнения Майера по формуле




(1.45)

где у- показатель адиабаты; ср - мольная теплоемкость при постоянном давлении; R - универсальная газовая постоянная. Теплоемкость смеси идеальных газов вычисляется по формуле



(1.46)

Для свежей смеси значенияопределяются дифференцированием выражения (1.17) для энтальпии газов исходной смеси (горючего и возду­ха) по температуредля продуктов сгорания - по выражениям, полу­ченным в результате дифференцирования уравнения (1.19) по температу­ре Т.

При расчетах процессов горения в постоянном объеме константу равновесиязависящую для идеального газа только от температуры,

при которой рассчитывается равновесие, и не зависящую от давления, це­лесообразно записать не через мольные доликак это сделано при рас­четах горения в изобарических условиях в уравнениях (1.30)-(1.43), а че­рез количество молей п,. Тогда, например, для реакции (1.31) имеем




(1.47)

где Г-температура, при которой вычисляется константа равновесия; р, и Г, - начальные значения давления и температуры свежей смеси. При пе-

25

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва

реходе от мольных долей к числу молей в изохорическом процессе в урав­нениях сохранения массы (15)-(18) необходимо заменить значенияна соответствующиеУравнение (19) этом запишется в виде

(1.48)

После умножения обеих частей уравнения (1.28) на можно вы­числить суммунеобходимую для вычисления давлениявзрыва газо­вой смеси в бомбе постоянного объема по уравнению (1.22).

Опишем метод решения системы уравнений (1.15), (1.23)-(1.43), со­держащей 21 неизвестную величину: 19 мольных долей продуктов сгора­ниясуммарное число молей продуктов при сгорании моля свежей сме­сии энтальпию продуктов сгорания. В качестве независимых пе­ременных выбраны мольные доли водорода, воды, диоксида углерода, азота и аргонаМольные

доли остальных 14 продуктов сгорания выражаются через константы рав­новесия и выбранные независимые переменные из уравнений (1.29)-(1.43). Далее перепишем уравнения (1.23)-(1.26) и (1.28) соответственно в виде

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.

Линеаризовав систему уравнений (1.49) разложением в ряд Тейлора с точностью до членов, содержащих первые производные, получаем

(1.50)

гдеи т. д. (индекс 0 обозначает ис-

ходные значения величин). Система уравнений (1.50) содержит пять неиз­вестных -являющихся приращениями к исходным

26

Глава 1. Основные понятия теории горения

вестных -являющихся приращениями к исходным

значениям мольных долей А, В, С, D, Е. Система может быть решена раз­личными методами, например вычислением и делением друг на друга де­терминантов соответствующих матриц системы уравнений (1.50) либо использованием метода исключения Гаусса-Жордана.

При предполагаемом значении равновесной температуры продуктов сгорания Т вычисляют значения констант равновесия.. Затем определя-

ют по исходным значениям независимых переменных А, В, С, D, Е значения остальных мольных, долей продуктов сгорания, а следовательно, и коэффици­енты системы уравнений (1.50). Затем, решив эту систему уравнений, находят новые значения

Итерационный процесс повторяют до тех пор, пока абсолютные значения от­ношенийне станут меньше определенной величины, равной, например,(прирезультаты расчетов прак­тически не изменяются). Таким образом, определяют равновесный состав про­дуктов сгорания при предполагаемой температуре Т. По равновесному составу продуктов находят согласно уравнению (1.27) величину Ји,-, что позволяет вы­числять значения энтальпии Hj продуктов сгорания по формуле (1.18).

При горении в изохорических условиях порядок вычислений аналогичен описанному выше. Отличие, как уже отмечалось, заключается в том, что рас­чет проводится не для мольных долей, а для числа молей и вместо энтальпий вычисляют внутреннюю энергию свежей смеси и продуктов сгорания.

В табл. 1.1 приведены рассчитанные термодинамические параметры для стехиометрических смесей метана, пропана, гексана, гептана, ацетона, изопропилового спирта и бензола с воздухом.

Таблица 1.1. Максимальное адиабатическое давление взрыва в замкнутом сосуде , температура продуктов сгорания, показатели адиабат свежей смеси и продуктов сгораниякоэффициент расширения продуктов сгорания при начальных условиях Ei для стехиометрических углеводородных смесей при

начальной температуре= 298,15 К



27

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва







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

Стехиометрическая концентрация горючего при сгорании в воздухе средней влажности и в сухом воздухе определяются соответственно по формулам:

(1.51)

(1.52)

где- стехиометрический коэффициент кислорода, равный числу молей кислорода, приходящихся на 1 моль горючего вещества при его полном сгорании.

28

Глава 1. Основные понятия теории горения

На рис. 1.3 в качестве примера показано рассчитанное изменение температуры горения и мольных долей основных компонентов продуктов сгорания в зависимости от объемной концентрации горючего для гекса-но-воздушной смеси.



Рис. 1.3. Зависимость состава и температуры продуктов сгорания

гексано-воздушной смеси при давлении 0,101 МПа и начальной температуре

298,15 К от концентрации гексана

  1   2   3   4   5   6   7


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации