Виды пламени и скорости его распространения

Если пламя движется по первоначально неподвижному газу. В данном случае пламя будет движущимся (нестационарным).

Стационарное пламя можно наблюдать на бунзеновской горелке, где пространственное расположение пламени фиксировано на выходном конце трубы и имеет форму, близкую к конической (бунзеновский конус).

 Под нормальной скоростью понимают скорость распространения фронта пламени относительно свежей смеси в направлении по нормали к его поверхности (Рис. 5.3).

u_н = dn/dt,

где

u_н – нормальная скорость распространения пламени, м/с;

n - расстояние, пройденное фронтом пламени (м) по нормали к поверхности фронта за время t, с.

Нормальная скорость распространения пламени является постоянной величиной процесса горения данной смеси и не зависит от гидродинамических условий, сопутствующих процессу горения. Нормальная скорость распространения пламени всегда меньше наблюдаемой скорости, то есть скорости перемещения фронта горения относительно стенок трубки.

В случае стационарного пламени, когда его фронт неподвижен:

u_н = V_см/F,

где

V_см - расход свежей смеси, м³/с;

F – поверхность фронта пламени, м².

Из этого следует, что

u_н = u_в^.S/F,

т.е. нормальная скорость во столько раз меньше видимой, во сколько поверхность фронта пламени больше площади поперечного сечения трубы.

Существует также массовая скорость распространения пламени (массовая скорость горения). Она показывает массу вещества, сгорающую в единицу времени с единицы поверхности фронта пламени

Факторы, влияющие на нормальную скорость распространения пламени.

1. Концентрация горючего и окислителя.

При концентрации, близкой к нижнему концентрационному пределу, скорость горения обычно составляет несколько сантиметров в секунду. При увеличении концентрации скорость горения возрастает. Максимальная скорость наблюдается не при стехиометрических концентраций, а в смеси с избытком горючего (при этом скорость составляет 0,2 – 10 м/с). Дальнейшее увеличение концентрации приводит к уменьшению скорости горения.

2. Примеси инертных газов.

При введении в горючую смесь инертных газов скорость распространения пламени снижается.

3. Температура смеси.

С увеличением начальной температуры смеси нормальная скорость горения возрастает пропорционально квадрату начальной температуры смеси.

Температура и давление при взрыве газовоздушных смесей

Горючие газовые смеси имеют две теоретические температуры горения – при постоянном давлении и при постоянном объеме. Методика расчета температуры горения при постоянном давлении рассмотрена в главе 3. Рассмотрим методику вычисления теоретической температуры горения газовых смесей при постоянном объеме, что соответствует взрыву в замкнутом сосуде.

При горении газовых смесей в замкнутом объеме продукты горения не совершают работу; энергия взрыва расходуется только на нагрев продуктов взрыва. Теплота, выделяющаяся при взрыве, равна сумме внутренней энергии взрывчатой смеси U_СМ и теплоты сгорания данного вещества Q_Г.

Q_ВЗР = U_СМ + Q_Г

Величина энергии взрывчатой смеси (U_СМ) равна сумме произведений теплоемкостей компонентов взрывчатой смеси при постоянном объёме на начальную температуру смеси.

U_{СМ .}= n₁^. C_V1×T₀ + n₂^. C_V2×T₀ +…+ n_n ^.C_Vn×T₀

Где

n_i – число моль каждого компонента смеси;

C_V1, C_V2, C_Vn – мольная теплоёмкость при постоянном объеме компонентов исходной взрывчатой смеси, кДж/кг×К;

Т₀ – начальная температура смеси, К.

Мольная теплоемкость каждого компонента при постоянном объеме может быть вычислена по формуле:

C_V = С_P – R

где

С_р - мольная теплоемкость при постоянном давлении;

R = 8,31 Дж/(моль×К) – универсальная газовая постоянная.

При горении газовых смесей в закрытом объёме теплота взрыва будет равна сумме внутренних энергий продуктов горения.

Q_ВЗР = U_ПГ = S (n_i C_Vi×T_ВЗР)

Произведения C_Vi×T_ВЗР находят по справочным таблицам.

Температуру взрыва газовых смесей при постоянном объёме вычисляют по методу расчёта температуры горения смеси при постоянном давлении.

 

По температуре взрыва находят давление взрыва. Максимальным давлением взрыва называется наибольшее избыточное давление, возникающее при дефлаграционном сгорании газовоздушных смесей в замкнутом сосуде при начальном давлении смеси 101,3 кПа.

 Значение максимального давления взрыва применяют в расчетах на взрывоустойчивость аппаратуры с горючими газами, жидкостями и порошкообразной продукцией; в расчетах предохранительных клапанов, взрывных мембран, разгрузочных отверстий в ограждающих конструкциях и оболочек взрывонепроницаемого оборудования.

Максимальное давление взрыва можно приближенно рассчитать по формуле:

, МПа

где

Р₀ – начальное давление, при котором находится смесь, МПа;

Т₀ – начальная температура исходной смеси, К;

Т_взр – адиабатическая температура горения стехиометрической смеси горючего с воздухом при постоянном объеме, К;

n_п.г. – число молей газообразных продуктов горения;

n_{исх.смеси} – число молей исходной газовой смеси.

Величина максимального давления взрыва для многих горючих газов составляет 600 – 900 кПа.