Распространение пламени в трубах.

При вынужденном зажигании газовоздушной смеси возникает пламя, которое распределяется по объему смеси с определенной скоростью, захватывая все новые порции смеси горючего с окислителем. Пламя – зона, в которой протекают реакции горения. Она отделяет еще не сгоревшую смесь от продуктов горения. Характерным свойством пламени явл. его светимость. Это дает возможность зрительно наблюдать и изучать форму, р-ры и др характеристики пламени. Существует два типичных случая распространения пламени: нормальное (медленное) горение и детанационное горение.

Представим себе трубку, запаянную с одного конца и заполненную газовоздушной смесью. При поджигании смеси со стороны открытого конца трубки узкий слой ее воспламенится, сгорит и за счет выделяющегося тепла темп-ра его повысится. Возникнет фронт пламени и начнется процесс передачи тепла теплопроводностью от сгорающего газа, к близлежащим холодным слоям смеси. Пламя равномерно движется вдоль трубки, а тепловой поток, опережая его, распространяется молекулярной теплопроводностью от горячих слоев пламени к холодной смеси. Линейную скорость движения пламени v называют скоростью равномерного распространения пламени.

Распространение пламени, объясняемое процессом молекулярной теплопроводности, называется нормальным распространением пламени. Оно характеризуется нормальной скоростью распространения пламени u_н, которая определяется физико-химическими свойствами смеси и поэтому является физико-химически постоянной величиной.

Нормальной скоростью распространения пламени называется скорость движения пламени в направлении нормальном к его поверхности, отнесенная к свежей, еще не сгоревшей, смеси и обязанная своим происхождением процессу передачи тепла молекулярной тепл-тью. Под скоростью равномерного движения пламени понимают линейную скорость поступательного движения фронта пламени в целом. Т.о. равномерная скорость определяется величиной норм.скорости и формой пламени. Норм.ск-ть распространения пламени невелика. Например, для наиболее быстро горящей смеси водорода и воздуха она достигает 2,67 м/с, а для смеси метана и воздуха она составляет 0,37 м/с.

Вернемся к рассмотрению движения фронта пламени в трубке. Пламя движется равномерно примерно на ¼ длины трубки, а затем возникает вибрационное движение или броски пламени. Ср. ск-ть поступательного движения пламени возрастает. При очень сильных бросках пламя или гаснет, или возникает детонационное горение. Детонация обусловлена поджиганием гор.смеси при ее адиабатическом сжатии в ударной волне. Детонационное горение характеризуется очень большой скоростью (несколько км/с) и сопровождается значит.перепадом давления.

Определение норм.скорости распространения пламени при различных условиях горения производится экспериментально, с учетом состава смеси, температуры, давления, режимом движения, методов сжигания.

Одним из методов определения нормальной скорости явл изучение процесса распространения пламени в трубах. При этом измеряется скорость движения фронта пламени v и поверхность фронта пламени. По ним и расчит. норм.ск-ть. При этом исп. след.прибор:

1-трубка из низкоплавкого стекла,

2-запал,

3-баллон, заполненный инертным газом,

4-кран.

Трубка заполняется газовоздушной смесью, баллон – инертным газом. Объем баллона в 80-100 раз больше объема трубки и служит для поддержания постоянного давления в процессе горения смеси. При определении величины скорости кран открывают, и смесь поджигается запалом. Фронт пламени перемещается в сторону запаянного конца трубки. Его перемещение фиксир. с пом. киноаппарата. Зная промежутки между кадрами, можем рассчитать величину v. Значение величины v зависит от диаметра трубки. Это связано с тем, что стенки поглощают тепло и отводят его в окр.среду, что затрудняет процесс распространения пламени. Теплоотвод зависит не только от диаметра трубки, но и от ее материала.

С уменьшением диаметра трубки охлаждающее действие ее стенок увеличивается, что снижает величину v, удельные теплопотери настолько увеличиваются, что пламя не может распространяться и гаснет. Такой диам. наз. критическим (для метановозд. смеси 3,5 мм; а для смеси водорода с воздухом 0,9мм). В реальных условиях при распространении пламени в трубах всегда происходит турбулизация потока, поэтому фронт пламени искривляется, его пов-ть увел-ся и оказывается больше поперечного сечения трубки. Это является основной причиной ускорения горения. Поэтому наблюдаемая скорость движения пламени всегда больше норм.ск-ти. Если поперечное сечение трубки обозначается через f, а поверхность фронта пламени через F, то:

vf=u_нF; u_н= vf/F

График: Характер изменения кривой равномерной скорости распространения пламени от диаметра трубки.

Если бы фронт пламени не искривлялся за счет конвективных токов, то с увеличением диаметра трубки, то с увеличением диаметра трубки влияние трубок сказывалось бы все меньше и кривая асимптотически приближалась бы к прямой нормальной скорости распространения пламени (пунктирная кривая), но вследствие искривления фронта равномерная скорость непрерывно возрастает.

Рассм. распределение температур, концентраций горючего и интенсивности тепловыделения в пламени.

Вдали от фронта пламени хол. смесь им темп-ру Т₀ и концентрацию С₀. Концентрация горючего в зоне подогрева изменяется мало в виду малой скорости реакции. Скорость реакции становится заметной при температуре воспламенения Т_в.

Зона подогрева самостоятельно существовать не может, т.к. тепловыделения в ней вследствие реакции весьма незначительны. Нагрев свежей смеси осуществляет тепловой поток, выходящий из зоны реакции.

На нижнем графике показана кривая интенсивности тепловыделений. Она определяется как произведение теплоты реакции на ее скорость q·W. Максимум тепловыделений соотв. не температуре воспламенения Т_в, а более высокой температуре близкой к т-ре горения Т_г. Процесс горения завершается там, где полностью израсходовано горючее, т.е. С=0.

38. Схема пламени в горелке Бунзена

1 – внутренний конус пламени;

2 – наружный конус;

3 – косой фронт пламени;

4 – поперечный фронт пламени (поджигающий полюс);

5 – стенка горелки.

В горелку подается газ и некоторое количество воздуха необходимого для горения (50-60% от общего количества воздуха, т.е. коэф = 0,5-0,6). Из устья горелки выходит газовоздушная смесь с избытком горючего. Газовозд смесь движется ламинарно и поле скоростей имеет параболический характер.

По мере удаления от устья горелки профиль скоростей деформируется и скорость по величине уменьшается (рис. в). Пламя состоит из внутреннего и внешнего конуса. Внутренний конус – это поверхность остановленного фронта пламени, где выгорает часть горючего обеспеченное первичным воздухом. Этот конус ярко очерчен и имеет зеленовато-голубой цвет. Внешний конус представляет собой поверхность, где в результате диффузии окружающего воздуха выгорает оставшаяся часть газа. Этот конус не имеет четкого очертания и границы его размыты. Пламя распространяется по нормали поверхности воспламенения в каждой ее точке. Поскольку поток смеси имеет неравномерное поле скоростей (в центральной части потока скорость максимальна, а у стенки она = 0), то возникает косой фронт пламени (нормальная скорость распространения пламени U_н компенсирует только нормально составляющую скорость потока; другая составляющая – направленная вдоль фронта – остается нескомпенсированной) составляющая W_t будет сносить фронт пламени по поверхности конуса вверх к его вершине. Т.о. косое пламя может устойчиво существовать только в том случае если производится непрерывное поджигание газовоздушной смеси с периферии. Если поддержание прекратить, то пламя будет снесено к вершине и погаснет. Остановленный фронт пламени, т.е. стабильность формы внутреннего конуса означает, что каждой точке его поверхности, нормальная скорость распространения пламени Uнорм, направлено по нормали внутрь конуса = противоположно направленной нормальной составляющей скорости потока газовоздушной смеси

U_норм=W_пcosφ

где W_п – скорость потока;

φ – угол между скоростью потока и нормалью к фронту пламени.

Это соотношение называется законом косинуса и отражает основное условие стабилизации фронта пламени на горелке.

Если считать внутренний конус геометрически правильным, то получается простое соотношение связывающее высоту конуса с основными характеристиками процесса горения из рис.б имеем:

; ; =>

где V_г – расход газа, м³/ч;

α’ – коэффициент первичного воздуха;

V_о – теоретическое количество воздуха необходимое для сжигания 1 м³ газа,м³/м³;

h – высота внутреннего конуса;

R – внутренний радиус горелки, м.

Т.о. для экспериментального определения нормальной скости распространения пламени достаточно измерить расход газа, внутренний радиус горелки, высоту внутреннего конуса и коэффициент избытка первичного воздуха.

В действительности внутренний конус не является геометрически правильным конусом. У основания фронт пламени расходится шире отверстия горелки, а в вершине он имеет плавное закругление. Увеличение диаметра внутреннего конуса у основания горелки связано с тем, что в трубе давление газовоздушной смеси больше атмосферного, поэтому при выходе поток расширяется (рис.в).

Нормальная скорость распространения пламени (U_н) не одинаково во всех точках внутреннего конуса, у вершины она имеет максимальное значение, а у основания минимальное. Увеличение значения U_н к вершине внутреннего конуса объясняется тем, что газовоздушнаясмесь движущаяся в узкой центральной части получает повышенный предварительный разогрев. Кроме того в него диффундирует большое количество активных центов из расположенной ниже зоны реакции и предпламенных зон. При приближении к основанию конуса U_н уменьшается в следствии усиленного теплоотвода в стенки горелки и подмешенного воздуха из окружающей атмосферы. В большинстве случаев допущения о том, что внутренний конус является геометрически правильным является вполне приемлемыми, а точность определения нормальной скорости распространения пламени достаточной.

Однако при этом определяется средняя скорость распространения пламени равная U_н в какой-то средней точке образующей конуса.

Рассмотрим стабилизацию пламени на горелки Бунзена. Вблизи стенок поток сильно заторможен. Здесь создается область замедленного течения. Скорость распространения пламени вблизи стенок в следствии их охлаждающего действия так же значительно меньше средней величины. В этой области создаются условия для возможности прямой компенсации скоростью потока скорости пламени (рис.г)

W_п= U_н, cosφ=1.

Фронт пламени в нижней части конуса разворачивается в горизонтальной плоскости, образуя кольцевую зону поперечного фронта пламени. Так создается огневой зажигающий пояс стабилизирующий процесс горения (рис.г).

С увеличением расхода смеси ламинарный режим переходит в турбулентный, зажигательный пояс размывается, нарушает устойчивость горения и пламени отрывается от горелки. Устойчивость пламени резко снижается с увеличением содержания первичного воздуха в смеси.

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: