Ламинарные пламена

В хорошо перемешанной однородной газовой смеси горючего и окислителя, при воспламенении небольшого объема смеси, образуются ламинарные пламена, распространение которых по смеси можно представить в виде схемы, показанной на рисунке 20, с соответствующими изменениями температуры и скорости тепловыделения. Заштрихованная часть представляет собой зону пламени (светящуюся зону) или фронт пламени, которая образуется вблизи поверхности смеси. Слева от светящейся зоны находится свежая горючая смесь, где на глубине 5–10 мм от фронта пламени начинают протекать физико-химические процессы, сопровождающиеся повышением температуры смеси и выделением тепла. Эту зону называют зоной предпламенных превращений (реакций), а справа от светящейся зоны формируется зона продуктов сгорания. Фронт пламени, в зависимости от внешнего давления, представляет собой очень тонкий слой, обычно 2–3 мм, в котором протекают основные экзотермические реакции с максимальным тепловыделением.

Рисунок 20 – Распределение температуры Т и скорости
тепловыделения Q(x) в пламени на примере пропано-воздушной
смеси

Продолжительность пребывания смеси во фронте пламени составляет (4–6) × 10^-3 с, за которую происходит ее превращение в продукты сгорания. Скорость перемещения фронта пламени в перпендикулярном направлении в свежую смесь называют нормальной скоростью распространения пламени (U_н), значение которой характеризует скорость горения смеси, вследствие распространения пламени, или скорость ламинарного горения. Большое количество методов определения U_н подразделяют на три группы: методы, основанные на регистрации скорости перемещения фронта пламени в трубе, открытой с одного конца, либо имеющей калиброванные отверстия с обоих концов; методы, основанные на регистрации скорости распространения пламени в бомбах постоянного давления (БПД) с эластичной оболочкой; методы стационарного пламени (метод горелки).

При близком к стехнометрическому соотношению или в более богатой смеси значение U_н в условиях нормального давления и комнатной температуре достигает максимума. В области богатых и бедных смесей, по мере смещения состава смеси от стехиометрического, значение U_н при нормальных условиях (P и t) уменьшается, вплоть до прекращения. Концентрации горючего в области богатых и бедных смесей, при которых прекращается горение, называют концентрационными пределами горения, а на величину U_н и концентрационные пределы горючей смеси влияет, как показано на рисунке 21, химический состав горючего.

Рисунок 21 – Зависимость нормальной скорости распространения пламени от состава смеси для различных горючих

Экспериментально определено, что наибольшую скорость горения при нормальных условиях имеет смесь водорода с воздухом
(U_{н(макс.)} = 3, 06 м/с), а для углеводородов различных гомологических рядов значения U_{н(макс.)} возрастают в следующем порядке: парафины< олефины< диены< ацетилены. Однако замещение в углеводородах водорода на метильный радикал снижает U_{н(макс.)}, а циклопарафины с 3–4 углеродными атомами в кольце имеют более высокие значения U_{н(макс.)}, чем соответствующие парафины (при большем числе атомов углерода в молекуле зависимость обратная). У олефинов и ацетиленов U_{н(макс.)} снижается с ростом числа атомов углерода (при содержании
2–7 атомов С) в молекуле, а углеводороды с числом атомов углерода более 10 мало различаются по значению U_{н(макс.)}. Смеси горючего с кислородом имеют большие значения U_{н(макс.)}, чем смеси горючего с воздухом, но для некоторых смесей наблюдается существенная зависимость U_{н(макс.)} от введения в смесь присадок.

Присадки, инициирующие самовоспламенение смеси (этилнитрат, этилпероксид), а также антидетонаторы (тетраэтилсвинец – ТЭС, пентакарбонилжелезо, диэтилолово, тетраметилолово) существенно не влияют на скорость распространения пламени. Это свидетельствует о существенном отличии механизмов химических реакций, протекающих в предпламенной зоне? от механизма предпламенных процессов при самовоспламенении (взрывном горении) смеси. С ростом начальной температуры смеси (Т₀) скорость распространения пламени возрастает, но эта зависимость значительно слабее, чем аррениусовская, и удовлетворительно описывается уравнением

U_н = α ·Т₀², (7.1)

где α – постоянная.

В интервале давлений 0, 05–0, 4 МПа возрастает линейная U_н с понижением начального давления горючей смеси, а массовая скорость распространения пламени, равная m = U_н·ρ (где ρ – начальная плотность горючей смеси), с повышением давления возрастает. Акустические колебания в диапазоне частот 5–40 кГц влияют на устойчивость пламени (срыв пламени, проскок в горелку), но в ультразвуковом диапазоне частот (270–500 мГц) скорость распространения пламени увеличивается.