Зависимость скорости распространения пламени от давления

Так как интенсивность тепловыделения, выражаемая в (8-37) функ­цией Ф(Т), пропорциональна скорости реакции, зависящей от давления по степенному закону, где V — порядок реакции, а плотность пропор­циональна давлению, то из формулы (8-37) следует, что

-5—1

Ип^р. (8-47)

Массовая скорость горения, равная

И т — У пР о

С повышением давления всегда растет.

Зависимость скорости распространения пламени от состава и температуры смеси

Как видно из формул (8-37) и (8-44), ип в основном зависит от времени химической реакции во фронте пламени. Время сгорания мож­но считать пропорциональным средней скорости химического превращения, ко­торая зависит от температуры и состава смеси в зоне реакции в пламени.

Опыт показывает, что скорость нор­мального распространения пламени в ки­слородных и воздушных смесях горючих газов сильно зависит от состава смеси

И температуры. На рис. 8-7 показана зависимость скорости распростра­нения пламени в воздушных смесях водорода, окиси углерода и метана от содержания газа в смеси. На рис. 8-8 эта же зависимость приведена для воздушной смеси саратовского природного газа, на этом же рисунке показана зависимость ип от коэффициента избытка воздуха.

Как видно из рис. 8-7, скорость нормального распространения пла­мени для водородно-воздушных смесей во много раз больше, а концен­трационные пределы шире, чем для смесей метана или окиси углерода с воздухом. В кислородных смесях горючих скорость распространения пламени резко возрастает. Так, например, в смеси метана с кислородом максимальная скорость распространения пламени равняется 3,25 м/с, тогда как для смеси метана с воздухом она составляет 37 см/с.

Распространение пламени в различных смесях происходит по ана­логичным зависимостям от состава. Характер этих зависимостей иллю­стрируется куполообразными кривыми на рис. 8-7 и 8-8. Нормальная скорость распространения пламени достигает максимума при заметном избытке горючего, а не при стехиометрическом соотношении. Например, для воздушных смесей окиси углерода стехиометрический состав равен 29,5%, а скорость пламени достигает максимума при содержании горю­чих 42—43%.

Следует заметить, что при сжигании однородной смеси максимум температуры будет достигнут в стехиометрической смеси, тогда как ско­рость превращения максимальна в смеси такого состава, в которой со­ответственно кинетическому уравнению осуществляются оптимальные условия для скорости выхода продуктов реакции.

При изменении состава смеси изменяется также и температура го­рения, поэтому в действительности ип зависит не только от состава, но также и от температуры горения.

Следовательно, для нахождения зависимости ип от состава смеси следует так изменять состав, чтобы температура горения оставалась неизменной. Это условие может быть выполнено, если в смеси заменить часть избыточной компоненты на инертный газ, теплоемкость которого близка к теплоемкости избыточной компоненты. При таком изменении состава температура горения будет оставаться неизменной, а концентра­ция избыточной компоненты изменится.

Так, например, в следующих трех смесях [Л. 20]: 20% СО, 10% Ог, 70% N2; 20% СО, 30% Ог, 50% N2; 20% СО, 80% 02 температура горе­ния одинакова, концентрация СО в зоне реакции также одинакова, так как она определяется температурой горения, а концентрация кислорода изменяется. Опыты с этими смесями показали, что скорость распростра­нения пламени практически не зависит от концентрации кислорода. Концентрация кислорода в зоне реакции менялась от 2% в смеси пер­вого состава до 72% в третьем случае, а скорость пламени изменялась менее чем в 1,5 раза.

Опыты, проведенные подобным образом со смесями, содержащими в избытке различные количества окиси углерода, показали, что скорость пламени пропорциональна ]/"Ссо, где Ссо — концентрация окиси угле­рода в зоне реакции. Сопоставляя эту зависимость с формулой (8-44) с учетом того, что скорость реакции пропорциональна времени ее про­текания, видим, что химическая реакция в пламени — первого порядка по СО.

Разбавление смеси инертным газом снижает температуру горения, в результате чего скорость распространения пламени уменьшается. Чем больше теплоемкость инертного газа, тем больше инертный газ снижает

135

Температуру горения и тем сильнее уменьшает скорость распростране­ния пламени.

Для интенсификации процесса горения значительный интерес пред­ставляет зависимость скорости нормального распространения пламени от начальной температуры смеси.

Предварительный подогрев смеси увеличивает скорость распростра­нения пламени, так как при этом повышается температура горения. Однако наблюдающееся в опытах с предварительным подогревом уве­личение скорости распространения пламени во много раз меньше, чем можно было ожидать по увеличению скорости реакции согласно закону Аррениуса. Это объясняется тем, что для скорости химического реаги­рования в пламени и, следовательно, для скорости распространения пламени определяющей является температура в зоне горения, которая с повышением начальной температуры смеси увеличивается на значи­тельно меньшую величину. По результатам экспериментальных иссле­дований установлено, что максимальная скорость нормального распро­странения пламени растет пропорционально начальной температуре смеси в степени 1,7.

На скорость распространения пламени в смесях окиси углерода сильное влияние оказывает содержание водяного пара. Смесь СО с воз­духом и даже с кислородом, лишенная водородосодержащих веществ, не способна к распространению пламени. Однако прибавление к смеси даже ничтожных количеств влаги позволяет получить воспламенение и обеспечить распространение пламени. Оптимальное количество примеси водяного пара зависит от давления и при атмосферном давлении для кислородной смеси СО составляет примерно 9%.

В табл. 8-1 приведены данные о скорости нормального распростра­нения пламени в смесях различных газов с воздухом, а в табл. 8-2 —

Данные о скорости наблюдаемого распространения пламени в трубе

0 25,4 мм в смесях различных газов с воздухом, которые значительно превосходят соответствующие значения ип, взятые при прочих равных условиях: одинаковом составе смеси, температуре и давлении. При пере­счете по формуле (8-5) получаемые значения 0п совпадают с данными табл. 8-1. Это свидетельствует о сходимости результатов, полученных различными методами, и справедливости закона (8-5).