Виды пламен. Распространение пламени. Детонация

Пламя — явление, вызванное свечением раскалённой газообразной среды, в ряде случаев содержащей плазму и/или диспергированные твёрдые вещества, в которой происходят физико-химические превращения реагентов, приводящие к свечению, тепловыделению и саморазогреву.

Газообразная среда пламени содержит заряженные частицы (ионы, радикалы), что обусловливает наличие электропроводности пламени и взаимодействие его с электромагнитными полями.

Пламя классифицируют по:

Ÿ агрегатному состоянию горючих веществ − пламя газообразных, жидких, твёрдых и аэродисперсных реагентов;

Ÿ излучению − светящиеся, окрашенные, бесцветные;

Ÿ состоянию среды горючее − окислитель − диффузионные, предварительно перемешанных сред;

Ÿ характеру перемещения реакционной среды − ламинарные, турбулентные, пульсирующие;

Ÿ температуре − холодные, низкотемпературные, высокотемпературные;

Ÿ скорости распространения − медленные, быстрые;

Ÿ высоте − короткие, длинные;

Ÿ визуальному восприятию − коптящие, прозрачные, цветные.

Кроме того, пламена подразделяют на окислительные и восстановительные.

Окислительное пламя - расположено в верхней, самой горячей части пламени, где горючие вещества практически полностью превращены в продукты горения. В данной области пламени избыток кислорода и недостаток топлива, поэтому помещённые в эту зону вещества интенсивно окисляются.

Восстановительное пламя - это часть пламени, наиболее близко расположенная к центру или чуть ниже центра пламени. В этой области пламени много топлива и мало кислорода для горения, поэтому, если внести в эту часть пламени вещество, содержащее кислород, то кислород отнимается у вещества.
Проиллюстрировать это можно на примере реакции восстановления сульфата бария BaSO₄. С помощью платиновой петли забирают BaSO₄ и нагревают его в восстановительной части пламени спиртовой горелки. При этом сульфат бария восстанавливается и образуется сульфид бария BaS. Поэтому пламя и называют восстановительным.

В ламинарном диффузионном пламени можно выделить 3 зоны (оболочки). Внутри конуса пламени имеются: тёмная зона (300− 350 °C), где горение не происходит из-за недостатка окислителя; светящаяся зона, где происходит термическое разложение горючего и частичное его сгорание (500− 800 °C); едва светящаяся зона, которая характеризуется окончательным сгоранием продуктов разложения горючего и макс. температурой (900− 1500 °C). Температура пламени зависит от природы горючего вещества и интенсивности подвода окислителя.

Далее рассмотрим распространение пламени

Распространение пламени по предварительно перемешанной среде (невозмущённой), происходит от каждой точки фронта пламени по нормали к поверхности пламени. Величина такой НСРП является основной характеристикой горючей среды. Она представляет собой минимально возможную скорость пламени. Значения НСРП отличаются у различных горючих смесей − от 0, 03 до 15 м/с.

Распространение пламени по реально существующим газовоздушным смесям всегда осложнено внешними возмущающими воздействиями, обусловленными силами тяжести, конвективными потоками, трением и т. д. Поэтому реальные скорости распространения пламени всегда отличаются от нормальных. В зависимости от характера горения скорости распространения пламени имеют следующие диапазоны величин: при дефлаграционном горении − до 100 м/с; при взрывном горении − от 300 до 1000 м/с; при детонационном горении − св. 1000 м/с.

Описание распрост-ранения пламени в пространстве требует введения явле-ний переноса. Константами вещества, характеризующими перенос, являются коэффициенты диффузии и теплопроводности. Однако уже анализ размерности показывает, что этих величин недостаточно для построения скорости распространения пламени. Размерность коэффициента диф-фузии D = см²/с.

Из теплопроводности, относя ее к объемной теплоемкости среды, мы получим так называемую температуропро-водность (размерность — см²/с):

K = l/C_pr

В газах, как известно, k и D весьма близки между собой.

Не будь в пламени выделения все новых порций тепла, возникновения новых активных центров, распространение заданной порции тепла или центров происходило бы с постепенно уменьшающейся скоростью.

Чтобы получить скорость распространения пламени, необходимо ввести некое, характерное для среды химической кинетики реакции горения время — время реакции или период индукции. В этом смысле «чисто тепловая теория», оперирующая одними термическими величинами не-возможна. Формула Малляра и Ле Шателье, не содержащая переменного от одной смеси к другой времени реакции, прямо ошибочна.

Вводя время t, мы построим с точностью до безразмерных множителей скорость пламени в следующем виде:

u ~ ~ (1)

Преобразуем это выражение, пользуясь соотношениями: k ~ D ~ cl; t ~ nl/C, где с — скорость движения молекул; l — длина свобод-ного пробега; n = 1/w — (среднее) число столкновений, необходимое для протекания химической реакции; l/c - -время свободного пробега между двумя столкновениями; w — вероятность реакции, отнесенная к одному столкновению).

Мы получим приближенно:

u ~ C/ ~ C

В согласии с теорией броуновского движения и диф-фузии Смолуховского и Эйнштейна сформулируем этот ре-зультат так: скорость пламени равна (по порядку величи-ны) средней скорости молекулы на участке пути, на кото-ром молекула испытывает n столкновений.

Известны два различных режима распространения волны реакции в пространстве — со сверхзвуковой и дозвуковой скоростями. Первый — детонационный — обусловлен быстрым сжатием вещества в ударной волне, которая обеспечивает необходимый нагрев вещества для того, чтобы реакция пошла со значительной скоростью; в свою очередь, выделение тепла в химической реакции поддерживает постоянную интенсивность ударной волны и тем самым обеспечивает ее распространение на большие расстояния. Второй режим распространения волны химической реакции происходит со скоростями, значительно меньшими звуковых, и связан с молекулярными процессами теплопроводности и диффузии – это режим распространения пламени.

Рассмотрим детонационный режим распространения волны реакции в пространстве.

Детонация — гидродинамический волновой процесс распространения по веществу зоны химической реакции со сверхзвуковой скоростью. Другое определение — сверхзвуковой комплекс, состоящий из ударной волны и экзотермической химической реакции за ней.

Механизм превращения энергии на фронте детонационной волны существенно отличается от механизма дефлаграции — волны медленного горения, сопровождающейся дозвуковыми течениями.

Принципиальная возможность явления детонации следует из того, что при прохождении через любое вещество фронта ударной волны оно нагревается. Если ударная волна достаточно сильна, то это нагревание может поджечь горючую смесь, что и приводит к детонации. Возникающая при этом поверхность нормального разрыва называется детонационной волной. Изменение термодинамических параметров среды при прохождении через фронт детонационной волны описывается детонационной адиабатой.

Явление детонации лежит в основе действия бризантных взрывчатых веществ, широко применяемых как в военном деле, так и в гражданской хозяйственной деятельности при производстве взрывных работ.