Тепловая теория потухания пламени

Наиболее распространенной научно обоснованной теорией прекращения процессов горения является тепловая теория потухания пламени или тепловая теория прекращения горения. Суть ее сводится к тому, что при нарушении условий теплового равновесия в зоне протекания химических реакций горения самопроизвольное и непрерывное течение этих реакций становится невозможным и процесс горения прекращается. Это происходит тогда, когда в результате нарушения теплового равновесия в зоне протекания химических реакций горения температура снизится до некоторого критического значения Т_кр = Т_пл - ∆ Т. Из анализа выражения для массовой скорости выгорания при диффузионном горении предварительно неперемешанных газов, которая возрастает с увеличением интенсивности подачи горючих компонентов в зону горения, в работе Я.Б. Зельдовича [37-41], получена максимально возможная величина снижения температуры пламени (до момента срыва пламени) по формуле (119):                                                     (119)

где R - универсальная газовая постоянная, 4, 19 кДж/(моль*К);

Т _ад - адиабатическая температура пламени, 2300 К;

Е - энергия активации, 125000 кДж/моль.

Подставив численные значения входящих величин, получим величину критической температуры пламени или теоретической температуры потухания (120):

.    (120)

Температура кинетического пламени значительно меньше адиабатической Т_кин< Т_ад из-за теплопотерь из зоны горения на излучение пламени. В диффузионных пламенах, которые наиболее часто встречаются на пожаре, доля тепловых потерь на излучение значительно больше. Во-первых, потому, что у диффузионных пламён выше светимость из-за наличия в них твердых частиц углерода. Углерод образуется в пред пламенной зоне прогрева углеводородных горючих при недостатке кислорода. В кинетическом пламени такой нагрев давал бы окисление углерода до СО или СО₂, а в диффузионном - приводит к образованию свободного углерода С, коагулирующего до твердых сажистых частиц значительных размеров, резко увеличивающих светимость диффузионных пламен. Это приводит и к увеличению теплопотерь от диффузионного факела пламени излучением и к снижению интенсивности тепловыделения из-за неполноты сгорания, так как углеродные частицы не успевают сгорать до СО или СО₂ из-за недостатка кислорода. Во-вторых, при диффузионных пламенах больше зона реакции и, соответственно - больше поверхность излучения пламени и ниже интенсивность тепловыделения на единицу объема зоны реакции. В-третьих, при диффузионном горении больше удельная величина тепловых потерь от факела пламени за счет конвективного теплообмена зоны горения с окружающим пространством. В сумме эти потери для диффузионных пламен составляют до 40% от всего количества тепла, выделяющегося в зоне горения.

Поэтому реальная температура диффузионного пламени получается примерно на 40*45% ниже Т_ад, соответствующей низшей теплоте сгорания углеводородных горючих веществ и материалов. Принимая условно среднюю теплоемкость газов в зоне пламени постоянной С_р, можно записать, что в расчете на единицу массы горючего вещества Т_ад =Т₀+∆ Т_ад, где ∆ Т_ад - повышение температуры в зоне горения за счет выделения теплоты химических реакций горения  или    .

где Т₀≈ 300 К, откуда       К.

Если количество тепла, идущего на повышение температуры среды в зоне пламени за вычетом теплопотерь, в расчете на единицу массы горючего обозначить Q_ПЛ, то можно записать, что Q_ПЛ ≈ Q^р_Н-∆ Q_ПОТ, где ∆ Q_ПОТ составляет примерно 40% от всего выделившегося в факеле пламени тепла, т.е. ∆ Q_ПОТ≈ 0, 4Q^р_Н. Откуда Q_ПЛ ≈ 0, 6Q^р_Н. Тогда, соответственно Т_ПЛ, определяется по формуле (121):

;                     (121)

Т_ПЛ=300+1200=1500 К.

Эта величина температуры факела диффузионного пламени t пл ~ 1200°С довольно хорошо согласуется с результатами экспериментальных данных t_пл ~ 1100 ± 1300 °С.

Следовательно, для того чтобы снизить температуру в зоне горения до температуры потухания, равной 1250 К, темпера туру факела диффузионного пламени в условиях пожара надо понижать не на три характеристических интервала температур ~ 1060 К, а всего на 150 ÷ 200 К, что соответствует интервалу температур , так как при t^min_пл ~1100 °С, ∆ T_пл~130 К, что соответствует Т_пот ~ T_пл - ∆ T_пл ~ 1400-130=1270 К (т.е. t_пот~1000°С), а при t^max_пл ~ 1200°С. ∆ T_пл ~ 150 К; что соответствует Т_пот ~ T_пл - ∆ T_пл ~ 1500-150 ~1350 К (т.е. t_пот~1050°С).

Таким образом, согласно тепловой теории потухания пламени задача сводится к снижению температуры в зоне химических реакций до температуры потухания путем нарушения теплового равновесия в зоне горения.

Нарушение теплового равновесия в зоне химических реакций горения можно осуществить либо снижением интенсивности тепловыделения в зоне реакции, ниже некоторого предельного значения, при котором невозможно самопроизвольное непрерывное продолжение реакций горения, либо повышением интенсивности теплоотвода, либо одновременно снижением интенсивности тепловыделения и повышением интенсивности теплоотвода до тех пор, пока температура в зоне химических реакций не снизится до температуры потухания. Аналитически интенсивность процесса тепловыделения во фронте пламени в зависимости от вида горючего, его концентрационного состава и температуры пламени выражается через скорость химических реакций уравнением вида (122):

        (122)

Интенсивность суммарного процесса теплоотвода от фронта пламени по механизму лучистой теплопередачи и передачи тепла конвекцией описывается уравнением вида (123):                       (123)

Приравнивая правые части выражений (122) и (123) и решая полученное трансцендентное уравнение относительно T_пл, можно найти температуру пламени. Однако строгое аналитическое решение этого уравнения представляет значительные трудности. Графически, температуру диффузионного пламени, как результат динамического равновесия процессов тепловыделения и теплоотвода во фронте пламени можно найти и как численное значение проекции точки пересечения кривых q₁=f(T) и q₂=f(T) на ось абсцисс (рис. 55, точка 1). В точке пересечения кривых q₁=f(T), q₂=f(T) величины q₁ и q₂  всегда равны между собой.

При нарушении условий тепловыделения в зоне горения за счет каких-либо внешних причин (например, при снижении интенсивности тепловыделения в пламени за счет изменения концентрационного состава горючей смеси) кривая q'₁=f(T) пойдет положе (см. пунктирную S - образную кривую) и температура во фронте пламени снизится до нового равновесного значения T'_пл соответствующего точке 2.

Рис. 55. Изменение скорости выделения и отвода тепла в зоне реакции в зависимости от температуры

 

При нарушении условий теплоотвода от пламени (например, повышение его интенсивности за счет снижения окружающей температуры), температура во фронте пламени вновь понизится до T'_пл, соответствующей пересечению кривых q₁=f(T) и q'₂=f(T) в точке 3.

Если нарушение теплового баланса происходит одновременно за счет снижения интенсивности тепловыделения во фронте пламени и повышения интенсивности отвода тепла от него, то кривые q'₁=f(T) и q'₂=f(T) пересекутся в новой точке 4, лежащей еще левее, чем точки 1 - 3. А температура пламени будет равна T'_пл.

Изменяя и дальше условия тепловыделения (снижая его интенсивность) и теплоотвода (повышая его интенсивность), можно довести систему до состояния, соответствующего критическим условиям самовоспламенения исходных компонентов горючей смеси. При этом температура самовоспламенения будет соответствовать точке касания кривых q₁=f(T) и q₂=f(T) и равна Т_св, а температура возникшего пламени будет соответствовать точке пересечения кривых q₁=f(T) и q'₂=f(T) и равна Т_пл^lV.

Снижая дальше интенсивность тепловыделения или повышая интенсивность теплоотвода, можно перевести систему в новое положение, соответствующее рис. 56. Для простоты изложения будем только повышать интенсивность теплоотвода путем снижения окружающей температуры, т.е. передвигать кривую q₂=f(T) влево параллельно самой себе. Таким способом можно достичь такого положения, когда кривые q₁=f(T) и q₂=f(T) будут иметь три точки пересечения (рис. 56). Точка а лежит в области низких температур, ниже температуры самовоспламенения (Т_а < Т_св ) и не представляет собой особого интереса с точки зрения процесса горения. Это область стационарных процессов медленного окисления. Точка б лежит выше температуры самовоспламенения (T_б > Т_св ) и характеризует неустойчивое состояние. При малейшем снижении температуры в точке б (смещение по стрелке влево вниз) система перейдет в состояние в точке а и горения не произойдет; а при незначительном повышении температуры в точке б (смещение по стрелке вправо вверх) система перейдет в устойчивое состояние в точке д и температура пламени Т_д будет выше, чем в точке II Т_П и пламя не погаснет, а его температура будет соответствовать значению Т_д > Т_П.

    

Рис. 56. Изменение скорости выделения и отвода тепла в зоне реакции взависимости от температуры (увеличение теплоотвода за счет уменьшениятемпературы окружающей среды).

 

Продолжая путем внешней воздействия на зону горения повышать интенсивность теплоотвода от фронта пламени (или снижением интенсивности тепловыделения или одновременным изменением обоих этих процессов), переведем систему в новое состояние, когда кривые q₁=f(T) и q₂=f(T) имеют только две общих точки: точку пересечения а в области низких температур и точки П - точку касания кривых. В точках пересечения и в точках касания кривых, значения q₁ и q₂ равны друг другу. Проведем анализ состояния системы в точке П методом малых возмущений. Снизим температуру системы на незначительную величину ∆ Т, т.е. сместимся влево от точки П. При этом кривая интенсивности теплоотвода q₂=f(T) идет выше q₁=f(T) и система за счет ее охлаждения в результате нарушения теплового баланса перейдет из точки II в точку а ( q₁ = q₂ ), т.е. процесс горения прекратится.

Теперь, наоборот, повысим температуру системы в точке П на незначительную величину ∆ Т, т.е. сместимся вправо вверх от точки II. В этом случае значение функции теплоотвода q₂=f(T) опять больше, чем функции q₁=f(T), т.е. теплоотвод интенсивнее тепловыделения (кривая q₂ идет выше, чем q₁ ) и температура системы вновь понизится, возвращая ее в точку П. Значит, в точке П система находится в относительно устойчивом положении, при котором повышение температуры системы ведет к ее стабилизации и возврату системы в прежнее состояние, а малейшее понижение температуры (повышение интенсивности теплоотвода или снижение интенсивности тепловыделения) ведет к неизбежному потуханию пламени (т.е. к возврату системы в точку а'). Это значит, что малейшее смещение кривой q₂=f(T) влево или кривей q₁=f(T) вправо приведет к тому, что эти кривые разойдутся, не имея ни одной общей точки, которая лежала бы выше температуры самовоспламенения, и будут иметь только одну общую точку а – в области низких температур, т.е. в области бесконечно медленного беспламенного окисления. Таким образом, точка П соответствует критическим условиям потухания пламени, а температура Т_п называется условно температурой потухания пламени. Точка П есть общая точка кривых q₁=f(T) и q₂=f(T), значит, в этой точке при Т=Т_п;  q₁= q₂. В то же время, это точка касания кривых q₁=f(T) и q₂=f(T), значит, в этой точке равны не только сами функции q₁ и q₂ от Т, но и их первые производные по температуре, т.е.

.

Тогда, аналитически, условие потухания пламени запишется так (124):

q₁(T_П) = q₂(T_П);              или

.      (124)

Независимо от того, каким образом будет осуществляться снижение температуры пламени до температуры потухания, процесс пламенного горения прекратится.

Снижения температуры в зоне горения до температуры потухания можно добиться и при меньших интенсивностях теплоотвода от пламени (рис. 57). Кривая q'₁=f(T) идет правее и ниже, чем q=f(T), которая была бы касательной к функции  q'₂=f(T), если бы интенсивность тепловыделения не снижалась. Из графика (рис. 57) видно, что тушение пламени в этом случае возможно при менее интенсивном теплоотводе. Кривая q'₂=f(T) идет правее и ниже кривой q''₂=f(T), а также при более высокой температуре окружающей среды (Т_П > Т'_П). Температура потухания Т_п не является строго постоянной величиной, а зависит от соотношения, вида и взаиморасположения кривых q₁=f(T) и q₂=f(T), т.е. от законов изменения интенсивности тепловыделения и теплоотвода. Температура потухания Т_П =1000°С выше температуры самовоспламенения, т.е. имеет место гистерезисный характер процесса воспламенения и потухания.

Рис. 57. Изменение скорости выделения и отвода тепла в зоне реакции в зависимости от температуры (уменьшение скорости тепловыделения)	Рис. 58. Изменение скорости выделения и отвода тепла в зоне реакции в зависимости от температуры (увеличение скорости теплоотвода)

 

Это справедливо и для случая, когда одновременно со снижением интенсивности тепловыделения в факеле пламени q₁=f(T) и повышением интенсивности теплоотвода более интенсивное охлаждение зоны горения будет осуществляться не только за счет снижения окружающей температуры Т_окр, а и за счет повышения коэффициента теплопередачи а или степени черноты пламени ε, или их обеих вместе.

Повышение интенсивности теплоотвода от пламени будет выражаться графически не только путем смещения кривой q₂=f(T) влево, а и одновременным увеличением ее угла наклона (кривая q''₂=f(T) пойдет круче по отношению к оси абсцисс). График такого процесса показан на рис. 58. При повышении коэффициента теплопередачи а (что соответствует одновременно и большему углу наклона кривой q₂=f(T) гашение пламени возможно при более высокой окружающей температуре [13].

⇐ Предыдущая891011121314151617Следующая ⇒

Поделиться: