ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ТОПОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

ПРЕДЕЛЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ

Мы видели, что скорость распространения пламени изменяется в за­висимости от различных факторов. Поэтому встает вопрос о пределах распространения пламени, т. е. вопрос о том, в каких пределах измене­ния физических условий данная смесь еще будет гореть.

Любую горючую смесь, как бы она ни была разбавлена, можно воспламенить, применив достаточно сильный источник зажигания. Но оказывается не всякая смесь способна поддерживать распространение пламени. Способность смеси к распространению пламени зависит от ее состава и условий теплообмена с окружающей средой.

Рассмотрение этого вопроса начнем со второго фактора. Опыты по­казывают, что одна и та же смесь горит в широких трубках, но не под­держивает распространения пламени в трубках с малым диаметром. При уменьшении диаметра трубки увеличиваются относительные тепло­вые потери, во-первых, посредством отвода тепла из зоны реакции и зоны подогрева через стенки трубки и, во-вторых, в результате охлаж­дения продуктов сгорания возникает продольный поток тепла от зоны горения в сторону продуктов сгорания. Эти теплопотери снижают тем­пературу горения и, следовательно, скорость распространения пламени и обусловливают прекращение распространения пламени в трубке не­которого диаметра. Понижение температуры горения по сравнению с теоретической температурой горения зависит от скорости пламени. С уменьшением скорости пламени увеличивается время пребывания газа в зоне охлаждения, а следовательно, увеличиваются теплопотери, что приводит к большему падению температуры. Поэтому значение кри­тического диаметра, т. е. диаметра, при котором прекращается распро­странение пламени, для различных смесей обратно пропорционально теоретической скорости распространения пламени (скорости распрост­ранения пламени в условиях отсутствия теплопотерь). Кроме того, при данном диаметре трубки теплопотери будут тем меньше, чем выше дав-

Ление смеси, так как при этом увеличивается масса реагирующей смеси при той же величине поверхности охлаждения.

Эти соображения приводят к следующему соотношению для крити­ческого диаметра:

А___ const

В формуле:

U? — теоретическая скорость распространения пламени;

Р — давление смеси.

С увеличением диаметра трубки относительные потери тепла умень­шаются, что улучшает условия распространения пламени. Однако это имеет место до определенного предела, после которого относительные тепловые потери перестают зависеть от диаметра, вследствие чего рас­пространение пламени также перестает зависеть от диаметра.

Теперь рассмотрим возможность распространения пламени в зави­симости от состава смеси. Так как скорость распространения пламени зависит не только от природы горючего, но и от состава смеси и темпе­ратуры горения, то при разбавлении смеси вследствие уменьшения тем­пературы горения уменьшается скорость распространения пламени в ней и одновременно увеличиваются тепловые потери, которые при опреде­ленной степени разбавления приводят к прекращению горения. Подоб­ное же влияние оказывает большой избыток горючего. Таким образом, существуют определенные концентрационные пределы, внутри которых возможно распространение пламени. Опытные кривые зависимости ско­рости распространения пламени от состава смеси (рис. 8-7 и 8-8) на краях обрываются на конечных величинах Un, что говорит о существо­вании граничных скоростей распространения пламени.

Предел, ограничивающий распространение пламени из-за разбав­ления горючей смеси, называют нижним пределом, а предел, огра" ничивающий распространение пламени из-за избытка горючего, назы­вают верхним пределом.

Если некоторую смесь, находящуюся в указанных концентрацион­ных пределах воспламенения зажечь в каком-либо месте, то пламя рас­пространится по всей смеси.

Если смесь, лежащая вне концентрационных пределов воспламене­ния, и может быть зажжена сильным источником, все же пламя в ней не будет распространяться, а погаснет.

Значения пределов воспламенения при нормальных атмосферных условиях для некоторых газов приведены в табл. 8-3. На рис. 8-8 по­казаны концентрационные пределы воспламенения и значения скорости нормального распространения пламени для природного газа саратов­ского месторождения. Саратовский газ горит в том случае, если содер­жание его в смеси с воздухом находится в пределах от 5,5 до 14,8%, соответственно коэффициент избытка воздуха изменяется в пределах от 1,9 до 0,63. Вне этих пределов, при отсутствии предварительного подо­грева, смесь не горит. Максимальная скорость распространения пламени UnMaKC = 0,695 м/с достигается при 10,2% газа в смеси и а = 0,97, т. е. при некотором недостатке воздуха.

При разбавлении смеси инертными газами по мере уменьшения температуры горения уменьшается скорость распространения пламени, в результате чего концентрационные границы сужаются. Напротив, в случае предварительного подогрева смеси из-за роста скорости реак-

Ции с температурой скорость распространения пламени увеличивается, а концентрационные пределы расширяются.

При отсутствии экспериментальных данных скорость нормального распространения пламени и массовая скорость горения могут быть рас­считаны по формулам, предложенным А. С. Предводителевым [Л. 10]:

Ип = ипгр+А (Ст—Сн) (Св—Ст) (8-50)

Ит=итТ1) + В(Ст-Ся) (Св—Ст). (8-51)

В формулах (8-50) и (8-51):

Ипгр и итт]? — минимальные значения скоростей;

Ст — концентрация топлива в смеси, %' по объему;

Сн и Св — нижняя и верхняя концентрационные границы зажигания (пределы воспламенения);

А и В — коэффициенты, определяемые по одной экспериментальной точке.

Пределы воспламенения технических газов, представляющих собой смесь простых газов: СО, Нг, СН4 и др., можно определить, пользуясь правилом Ле-Шателье, в основе которого лежит предположение о неза­висимости горючих свойств каждого из газов, входящих в смесь:

В формуле:

Ь— определяемый верхний или нижний предел воспламенения; пи Пг — процентное содержание компонентов в сложном газе;

К — верхние или нижние пределы воспламенения для смеси от­дельных газов с воздухом, приведенные в табл. 8-3.

Экспериментально установлено, что максимальное значение нор­мальной скорости распространения пламени в смесях технических га­зов можно определять по формуле

И„= п'Р'-±п2Ч±+- , (8-53)

П,1 + п2 + ... 4 '

Где V1, и2 — нормальные скорости распространения пламени для смесей этих компонентов с воздухом.