Влияние различных факторов на скорость распространения пламени

Нормальная скорость распространения пламени (u _н) зависит от теплофизических свойств газовоздушной смеси. Но в еще большей степени скорость распространения зависит от ее физико-химических свойств − скорости горения V, и температуры в зоне реакции горения, Т_Г:

(1)

т.е. u _н пропорциональна скорости реакции окисления (V) и находится в экспоненциальной зависимости от обратной температуры зоны горения (Т _г). Определяющим параметром, безусловно, будет скорость реакции. Запишем уравнение скорости химической реакции горения:

, (2)

где k ₀ – предэкспоненциальный множитель из уравнения Аррениуса,

С_г, С_ок – концентрации горючего и окислителя,

m, n - порядки реакции соответственно по горючему и окислителю,

Е_а - энергия активации химической реакции.

Рассмотрим, как будет меняться скорость реакций окисления для смесей с разным соотношением горючего и окислителя (рис. 2).

Из графика видно, что для смеси стехиометрического состава (коэффициент избытка воздуха a =1) скорость реакции окисления максимальна.

При увеличении концентрации горючего в смеси выше стехиометрического количества, когда a становится < 1 (кислород находится в недостатке), горючее сгорает не полностью. В этом случае меньше выделится теплоты реакции горения Q_гор и произойдёт снижение T _г.

Скорость реакции окисления по сравнению со стехиометрическим составом смеси уменьшится, причем как из-за снижения концентрации окислителя О₂, так и температуры зоны горения. То есть при последовательном снижении a (что эквивалентно увеличению концентрации С_г в смеси) скорость реакции окисления u и температуры зоны горения T_г будут последовательно снижаться. На графике при C_г > С_г^стех кривая становится резко нисходящей. Снижение же скорости реакции окисления при a > 1 объясняется уменьшением тепловыделения в зоне горения в связи с более низкой концентрацией в ней горючего.

Рисунок 2. Зависимость скорости горения от концентрации горючего в смеси

Именно такая, как на рис.2, зависимость скорости реакции горения от концентрации горючего компонента в исходной смеси предопределяет параболический вид зависимости её других параметров процесса горения от состава смеси: температуры самовоспламенения и минимальной энергии зажигания, концентрационных пределов распространения пламени. Вид параболы имеет также и зависимость нормальной скорости распространения пламени u _н от концентрации горючего в смеси С_г. На рис. 3 приведены такие зависимости для случая горения воздушно-пропановой смеси при различных значениях начальной температуры.

Рисунок 3. Зависимость скорости распространения пламени от концентрации пропана в воздухе при начальной температуре 311 K(1); 644 K (2); 811 K (3)

Согласно описанным выше представлениям, максимальная скорость распространения пламени (u _н^мах) должна соответствовать стехиометрической концентрации горючего. Однако экспериментально найденные её значения несколько сдвинуты в сторону богатых по содержанию горючих смесей. С увеличением начальной температуры смеси скорость распространения пламени должна повышаться, что и наблюдается на практике. Например, для воздушной смеси паров бензина и керосина она имеет вид, приведенный на рис. 4.

Рисунок 4. Зависимость скорости распространения пламени от начальной температуры воздушной смеси паров бензина и керосина с воздухом (a = 0.95).

Для различных веществ u _н зависит от их химической природы и колеблется в довольно широких пределах (табл. 1). Для большинства смесей углеводородных топлив с воздухом u_н < 1 м/с. При введении в горючую смесь избыточного воздуха или азота температура горения заметно снижается.

Таблица 1.

Нормальная скорость распространения пламени для некоторых горючих смесей

Введение в горючую смесь инертных и нейтральных газов: азота N₂, аргона Аr, диоксида углерода СО₂ разбавляет ее и тем самым снижает как скорость реакции окисления, так и скорость распространения пламени. Это хорошо видно из зависимостей, приведённых на рис. 5.

При этом при определённой (флегматизирующей) концентрации разбавителей горение вообще прекращается. Наиболее сильное влияние оказывает введение хладонов, так как они обладают ещё и ингибирующим действием на реакцию горения.

Как видно из рис. 5, введение в горючую смесь хладона (114В2) в 4 – 10 раз эффективнее, чем нейтральных газов - разбавителей.

Рисунок 5. Влияние концентрации разбавителей и хладона 114В2 на скорость распространения пламени в пропано-воздушной смеси (a = 1.15)

Флегматизирующая способность газов - разбавителей зависит от их теплофизических свойств, и в частности, от их теплопроводности и теплоёмкости.