Пламени

Вопрос 3 Влияние различных факторов на скорость распространения

Уравнение (6.14) показывает, что нормальная скорость распространения пламени зависит от теплофизических свойств газопаровоздушной смеси. Но в еще большей степени скорость распространения зависит от ее физико- химических свойств - скорости и температуры реакции горения. Из уравнения видно, что:

(6.15)

т.е. ин пропорциональна скорости реакции окисления и обратно пропорциональна температуре горения. Определяющим параметром здесь, безусловно, будет скорость реакции. Запишем уравнение скорости химической реакции горения:

(6.16)

Рассмотрим, как будет меняться скорость реакций окисления для смесей с разным соотношением горючего и воздуха (рис.6.3).

стех •

Из графика видно, что для смеси стехиометрического состава коэффициент избытка воздуха а = 1, скорость реакции окисления максимальна:

w(Tr) = w,

При увеличении содержат концентрации горючего в смеси, когда а становится < 1, воздух находится в недостатке, и горючее сгорает не полностью, а частично. Поэтому меньше выделится теплоты Qrop, а значит Тг снизится.

Рис.6.3. Зависимость скорости горения от концентрации горючего в смеси

 

Скорость реакций окисления по сравнению со стехиометрической уменьшится, причем из-за снижения сразу и концентрации окислителя 02, и температуры горения. То есть при последовательном снижении а (что эквивалентно увеличению концентрации Сгор в смеси) скорость реакций окисления w(Tr) будет последовательно снижаться. На графике при Сгор > Сгстех кривая становится нисходящей. Значит при а > 1 скорость реакций окисления также снижается, и в целом на графике получается парабола. Именно такая зависимость скорости реакции горения от концентрации горючего компонента в исходной смеси предопределяет параболический вид зависимости многих параметров процесса горения от состава смеси: температуры самовоспламенения и минимальной энергии зажигания, рассмотренных ранее, концентрационных пределов распространения пламени. Вид параболы имеет также и зависимость ин от Сг (рис.6.4).

Рис.6.4. Зависимость ин от концентрации пропана в воздухе

 

Согласно теории инмах должна соответствовать стехиометрической концентрации. Однако экспериментальные ее значения несколько сдвинуты в сторону богатых смесей ( а < 1).

С увеличением начальной температуры смеси разность Тг - То, что стоит в знаменателе уравнения (6.14), уменьшается. Значит в целом дробь, т.е. скорость распространения пламени, должна повышаться, что и наблюдается на практике. Например, для смеси паров бензина и керосина с воздухом она имеет вид, приведенный на рис.6.5.

Рис.6.5. Зависимость ин от начальной температуры для смеси паров бензина и керосина с воздухом ( а = 0,95)

Для различных веществ ин зависит от их химического строения и колеблется в довольно широких пределах (табл.6.1).



1.5

OJ5

S90

700 ТгК
зоо

Для большинства смесей углеводородных топлив с воздухом uH < I м/с. При введении в горючую смесь балласта - избыточного воздуха или азота - заметно снижается температура горения. Введение в горючую смесь азота N2, аргона Аг, диоксида углерода С02 и т.п. газов разбавляет ее и тем самым снижает скорость реакции окисления и распространения пламени. Данные рис.6.6 иллюстрируют эти факты.

Таблица 6.1. Нормальная скорость распространения пламени для различных горючих смесей
Горючая смесь Формула uH, м/с
Водород + воздух Н2 + 0,5(02 + 3,76N2) 1,60
Ацетилен + воздух CH=CH + 2,5(02 + 3,76N2) 1,50
Ацетилен + кислород СН=СН + 2,502 8,00
Этилен + воздух СН2=СН2 + 3(02 + 3,76N2) 0,60
Бутан + воздух С4Н10 + 6,5(02 + 3,76N2) 0,40
Метан + воздух СН4 + 3(02 + 3,76N2) 0,34

 

 

Рис.6.6. Влияние флегматизаторов на скорость распространения

 

пламени С3Н8 (а = 1,15)

Разная флегматизирующая способность этих газов связана с различием их теплофизических свойств, в частности теплопроводности. Более подробно этот вопрос будет изложен позже при изучении свойств огнетушащих веществ.


(*) ф - отношение объема окисла к объему сгоревшего металла.

Нитриды щелочных металлов при 300-350 °С разлагаются на элементы, поэтому в продуктах горения не накапливаются. Нитриды щелочноземельных металлов стабильны до 1500-2000 °С, поэтому в реакции горения этих металлов заметно участвует и азот. Более тугоплавкие металлы (В, Al, Ti, Zr и др.) в порошкообразном виде могут при нагревании воспламеняться и гореть в среде азота с образованием тугоплавких нитридов.

Обобщая рассмотренные данные, можно выделить следующиеосновные особенности пожарной опасности и горения металлов:


[1] Температура самовоспламенения зависит от состава горючей смеси, принимая минимальное значение при стехиометрическом соотношении компонентов (рис.6). Эта зависимость используется для экспериментального