Кинетическое горение

Кинетическое горение – это горение заранее перемешанных топлива (горючего газа, пара или пыли) и окислителя.

При кинетическом горении горючее вещество и кислород поступают в зону горения предварительно смешанными. В этом случае определяющим фактором является скорость химической реакции между кислородом (окислителем) и горючим. В качестве примера кинетического горения можно привести горение горючей смеси газов или паров с воздухом, образовавшейся до начала процесса горения, что наблюдается, например, в закрытых аппаратах. Чем выше скорость горения вещества, тем более серьезные последствия вызывает горение.

На эту тему ▼

Взрыв

Действия ударной волны и поражающие факторы

Скорость горения готовой смеси практически зависит только от скорости химической реакции между горючим веществом и кислородом воздуха (теплопроводности, теплоемкости, турбулентности, концентрации веществ, давления и т.п.). Поэтому скорость горения резко возрастает и носит взрывной характер. Если при кинетическом горении скорость перемещения фронта пламени равна или меньше скорости звука (340 м/с), то горение (взрыв) называют дефлаграционным. Если же скорость перемещения фронта пламени будет выше звуковой, то горение (взрыв) называют детонационным. При детонационном взрыве скорость перемещения пламени составляет для:

• водорода – 1770 м/с;
• метана – 1750 м/с;
• пропана – 1850 м/с;
• ацетилена – 1990 м/с;
• метанола – 1800 м/с.

При детонационном и дефлаграционном взрыве создается воздушная ударная волна, способная производить разрушения окружающих строений, подвижного состава, наносить травмы человеку, иногда несовместимые с жизнью.

Скорость выгорания смеси, а следовательно и величина давления при взрыве, зависят от ее состава. Максимальная скорость выгорания наблюдается у стехиометрических смесей. Стехиометрической смесью называется смесь, в которой соотношение между горючим веществом (твердым, жидким или газообразным) и окислителем соответствует уравнению реакции горения.

Принцип сжигания газов

Кинетический принцип сжигания применяется, когда газ необходимо сжигать с высокой интенсивностью в пространстве малого объема с минимальным химическим недожогом и когда технологический процесс не требует длинного светящегося факела. Кинетический принцип сжигания можно осуществить как в ламинарном, так и в турбулентном потоках.

в ламинарном потоке

При горении заранее подготовленной смеси с недостатком воздуха в ламинарном потоке, факел имеет четко выраженные голубой конус и слабо светящийся внешний ореол. Поверхность голубого конуса представляет собой первичный фронт пламени, в котором полностью расходуется кислород газовоздушной смеси. Избыток горючего проходит через первичный фронт пламени и догорает позади его вследствие диффузионного смешения с окружающим воздухом, образуя зону вторичного диффузионного горения. Ярким примером такого горения является горение в горелках кухонной газовой плиты. Горелки устроены так, что в них при прохождении газа подсасывается воздух и в зону горения попадает уже газовоздушная смесь.

На эту тему ▼

Бытовые газовые приборы

правила эксплуатации и использования

На газовой горелке фронт пламени кажется неподвижным, так как его положение не меняется во времени относительно самой горелки. Однако на самом деле он движется по горючей газовой смеси со скоростью, равной скорости движения этой смеси относительно горелки. В этом можно легко убедиться, если уменьшить или прекратить подачу горючей газовой смеси, пламя в этом случае уйдет в горелку до места смешения горючего и окислителя.

Если увеличивать избыток воздуха в горючей смеси, то по мере приближения к стехиометрической количество газа, сгорающего в зоне первичного горения, будет увеличиваться, а в зоне вторичного горения уменьшаться. При стехиометрической смеси зоны первичного и вторичного горения сливаются, образуя одну поверхность горения, отделяющую холодную горючую смесь от продуктов сгорания.

Длина кинетического ламинарного факела с достаточной степенью точности может быть определена по формуле, применявшейся для определения нормальной скорости распространения пламени по методу горелки.

Следует отметить, что процесс кинетического горения газа происходит при температурах, близких к теоретической. Зона горения очень тонка и измеряется десятыми долями миллиметра.

Кинетическое горение в ламинарном потоке не имеет широкого распространения и применяется лишь в небольших нагревательных приборах. В крупных горелочных устройствах эта разновидность сжигания практически неосуществима, так как при малых скоростях ламинарного потока газовоздушной смеси возникают так называемые обратные удары – проскоки пламени внутрь горелок.

в турбулентном потоке

Кинетическое сжигание газа в турбулентном потоке в отличие от сжигания в ламинарном потоке имеет довольно широкое распространение в технике.

При турбулизации потока в связи с возникновением пульсаций скорости структура фронта пламени значительно отличается от ламинарного фронта пламени.

Различают мелкомасштабную и крупномасштабную турбулентность. При мелкомасштабной турбулентности путь смешения I (масштаб турбулентности) не превышает толщины ламинарного фронта пламени. Фронт пламени при такой турбулентности принимает извилистую форму, что приводит к заметному увеличению суммарной поверхности и к сжиганию большего количества газа на единицу поперечного сечения потока (см. рисунок).

Фронты горения

а – ламинарное движение; б – мелкомасштабная турбулентность; в – крупномасштабная турбулентность.

При крупномасштабной турбулентности, когда путь смешения больше толщины ламинарного фронта пламени, частицы горящего газа и продуктов горения из фронта пламени попадают в свежую смесь, где создают новые очаги горения и, наоборот, частицы свежей смеси попадают во фронт пламени и образуют в нем горящие элементарные объемы. Таким образом, фронт пламени дробится па отдельно горящие частицы, окруженные продуктами сгорания; при этом толщина фронта пламени резко возрастает и измеряется сантиметрами.

Механизм горения отдельных элементарных объемов еще недостаточно ясен. Существует теория фронтового турбулентного горения, согласно которой на поверхности элементарных объемов горючей смеси возникает тонкий фронт пламени, распространяющийся вглубь с нормальной скоростью распространения. В противовес указанной существует теория объемного турбулентного горения, согласно которой этот процесс должен протекать не на поверхности, а во всем объеме элементарных частиц горючей смеси. Эта теория основывается на том, что в условиях интенсивной турбулентной диффузии в элементарных объемах горючей смеси устанавливаются постоянная температура и концентрация, поэтому ламинарный фронт пламени на поверхности не успевает образоваться и процесс реагирования протекает во всем объеме. Существует также мнение, что одновременно сочетается фронтовое и объемное горение.

На рисунке ниже представлена схема кинетического факела при турбулентном движении потока.

Структура турбулентного кинетического факела:

L_в – длина холодного ядра пламени (зона воспламенения), δ_т – толщина турбулентного фронта пламени в направлении оси струи, L_д – толщина зоны догорания в направлении оси струи, L_ф – полная длина факела

В факеле можно различить следующие зоны:

• холодное ядро – конус 1, где движется еще не воспламенившаяся горючая смесь;
• зона воспламенения или видимый фронт турбулентного пламени – зона 2, где происходит воспламенение и горение частиц газа; в этой зоне выгорает значительное количество горючего (до 90%);
• невидимая зона догорания – зона 3, где происходит полное завершение горения или достигается равновесие между газообразными продуктами сгорания (при наличии диссоциации).

Воспламенение струи происходит в ее наружных слоях вследствие интенсивного нагрева свежей горючей смеси при ее смешении с горячими продуктами сгорания.

Отличительной особенностью турбулентного пламени является наличие размытого утолщенного фронта пламени, тогда как в ламинарном пламени он имеет гладкую поверхность на очень малую толщину.

Переход от кинетического горения к диффузионному

Рис. 1. Переход из кинетического горения газа в диффузионное

Кинетическое горение может быть постепенно переведено в диффузионное, для чего достаточно начать уменьшение первичного избытка воздуха в горючей смеси. При недостатке воздуха фронт кинетического горения (I) (рис. 1) будет сжигать лишь ту часть топлива в горючей смеси, которая соответствует стехиометрическому соотношению, т.е. пока не израсходуется наличный кислород. Оставшиеся несгоревшими горючие газы смешаются с продуктами полного сгорания, представляя собой газообразное топливо, соответственно забалластированное инертными газами, т.е. топливо с пониженной теплоплотностью X, но способное гореть при смешении его с добавочным воздухом. Если кинетическое горение ведется в воздушной атмосфере, необходимый воздух будет диффундировать во втекающую струю из окружающей ее среды и возникнет подожженный с корня новый фронт горения по образующейся стехиометрической поверхности II в зоне смесеобразования I-III. При ламинарном движении потока образующиеся на этом вторичном фронте новые инертные продукты сгорания будут с помощью молекулярной диффузии диффундировать в обе стороны: в межфронтальную зону I-II, т.е. зону смесеобразования вторичного газообразного топлива с продуктами сгорания фронта II и в зону, образуемую границами фронта II и втекающего в атмосферу потока III, представляющую собой зону взаимной диффузии продуктов полного сгорания фронта II и воздуха. Это иллюстрируется схемами 3, 4, 5, 6 на рис. 1. Дальнейшее уменьшение первичного избытка воздуха в горючей смеси равносильно забалластированию последней избыточным топливом, что согласно предыдущему приводит к уменьшению u_норм и к удлинению кинетического конуса горения. Получающееся вторичное топливо с уменьшением первичного избытка (α₁ > α₂ > α₃ = 0) постепенно обогащается и требует для полного сгорания все больше и больше кислорода, диффундирующего из окружающей среды, вследствие чего диффузионный фронт II также растягивается. Постепенно оба фронта, кинетический (I) и диффузионный (II) сближаются и при α₃ = 0 горение становится чисто диффузионным. На рис. 1 схемы 1 и 2 соответствуют чисто кинетическому горению, причем в схеме 1 смесь забалластирована избыточным воздухом и кинетический конус несколько вытянут. Наименьшее развитие он получает при α_т>1, соответствующем u_норм^макс, но при этом уже возникает внешний, диффузионный факел. Схемы 3, 4, 5 являются переходными, а схема 6 соответствует чисто диффузионному горению α₃ = 0.

На рис. 2 показана фотография перераспределения кинетического и диффузионного фронтов по мере уменьшения первичного избытка воздуха на бунзеновском пламени.

Рис. 2. Изменение фронтов горения (внутреннего и внешнего) по мере убывания первичного избытка воздуха

Оба фронта легко могут быть искусственно отдалены друг от друга с помощью несложного прибора для «расчлененного» пламени, применяемого для устранения влияния диффузионного горения на конфигурацию кинетического конуса. На этом же приборе исследование показало, что химическое равновесие наступает непосредственно за первым фронтом, т.е. в межфронтальной зоне прекращаются химические реакции и не могут возникать явления хемилюминисценции (свечение при протекании некоторых химических реакций).

На эту тему ▼

Диффузионное горение

Следует обратить внимание на соотношения в развитии кинетического и диффузионного фронтов горения. На представленной масштабной схеме (рис. 3) видно, что кинетическое горение протекает значительно быстрее (∼2 калибра) диффузионного (∼4 калибра). Во втором случае скорость горения определяется скоростью диффузионного процесса смесеобразования, сводящегося к медленному процессу взаимной молекулярной диффузии газов из трех концентрационных источников: свежего вторичного горючего газа, продуктов сгорания фронта II и воздуха из окружающей среды. Строго диффузионное горение, в котором смесеобразование будет возникать только за счет молекулярной диффузии, может быть получено лишь при условии ламинарного движения горючего газа и воздуха.

Рис. 3. Расчлененное пламя

I – кинетический факел; II – диффузионный факел (масштаб соотношения длин факелов по опытам Габера и Рихарда)

Источники: Пожарная безопасность. Энциклопедия. –М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2007; Теория горения и взрыва. Часть 1: Конспект лекций. Щеглов П.П. –М.: МИИТ, 2008; Теория горения и взрыва: Учебное пособие. Андросов А.С., Бегишев И.Р., Салеев Е.П. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2007; Введение в теорию горения и газификации топлива. Лавров Н.В., Шурыгин А.П. Академия наук СССР. –М.: 1962.