Теория горения и взрывов. Классификация процессов горения газов, жидкостей и твердых веществ. Лекция 7.1

Учебные вопросы
ГОРЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ
Цепные реакции горения газового топлива.
Тема: Классификация процессов горения газов, жидкостей и твердых веществ

Учебная литература:
Зинченко А.В. Теория горения и взрыва, 2016. URL:
http:// elib.spbstu.ru/dl/2/s16-138.pdf

ГОРЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ
Условия для возникновения горения жидкостей

Жидкости непрерывно испаряются даже при низких температурах. Поэтому
над зеркалом жидкости всегда присутствует парообразная смесь с воздухом
за счет того, что часть молекул на поверхности, которые имеют большую 183
кинетическую энергию, покидают жидкость и смешиваются с воздухом.
При этом поверхность жидкости охлаждается. За счет теплового движения
молекулы постепенно распространяются за пределы открытого сосуда.
Плотность пара жидкостей по воздуху больше единицы, т.е. пар тяжелее
воздуха. Он оседает вниз, скапливаясь на поверхности земли, пола и т.п. В
результате длительного испарения могут образовываться взрывоопасные паровоздушные облака очень большой протяженности
Схема испарения жидко-сти из открытого сосуда
Концентрация пара по высоте над зеркалом жидкости в открытом сосуде монотонно уменьшается от ϕ нас. до 0.
На характер зависимости не оказывает влияние температура и вид жидкости.

Схема парообразования в закрытом сосуде
Иначе ведут себя жидкости в закрытом сосуде. В этом
случае пары уже не могут рассеиваться в окружающую среду. По мере испарения концентрация пара за время τ 0 до τ испар.
В свободном пространстве сосуда повышается и в итоге достигает состояния насыщения. Устанавливается
динамическое равновесие, за время при котором количество испаряющихся
молекул жидкости равно количеству молекул пара конденсирующихся обратно в жидкость.
Такой пар называют насыщенным, а его парциальное давление - давлением насыщенного пара Рs
Как правило, давление насыщенного пара обозначается Рs.
Концентрация насыщенного пара во всем закрытом
объеме одинакова.

а - открытая емкость;
б - закрытая емкость;
τ- время, τn>τ
Изменение концентрации паров от высоты над уровнем жидкости и времени.

Нижним (НТПР) или верхним (ВТПР) температурным пределом
распространения пламени называется температура жидкости, при которой
концентрация паров над ее поверхностью равна соответствующему концентрационному пределу.
Температурные пределы распространения пламени могут быть определены как экспериментальным, так и расчетным путем.
Температурные пределы распространения пламени
На приведенном графике видно, что НКПР и ВКПР пара достигаются при значениях температур: Тн и Тв. Эти температуры называются температурными пределами распространения пламени жидкости, обозначаются ТПР
Зависимость концентрации паров
от температуры жидкости
Температурные пределы Тн и Тв связаны с КПР пламени зависимостью:
где ϕпр - нижний или верхний КПР, %;
Р0 - атмосферное давление, кПа;
А, В, Са - константы уравнения Антуана для давления насыщенных паров.

Температура вспышки. Температура воспламенения жидкости
Температура вспышки - это наименьшая температура конденсированного вещества, при которой в условиях специальных испытаний над его поверхностью образуются пары и газы, способные вспыхивать от источника зажигания; устойчивое горение при этом не возникает.
При дальнейшем нагревании жидкости можно достичь такой температуры, при которой скорость испарения будет уже достаточной для возникновения самоподдерживающегося процесса горения жидкости после удаления источника зажигания. Такая температура называется температурой воспламенения.
Температура воспламенения - это наименьшая температура вещества, при которой в условиях специальных испытаний вещество выделяет горючие газы и пары с такой скоростью, что при воздействии источника зажигания наблюдается воспламенение жидкости.
Температура воспламенения обычно на 1-30 °С выше температуры вспышки.
Температура вспышки является важнейшим показателем пожарной опасности жидкостей. Применяется при классификации жидкостей по степени пожарной опасности, при категорировании помещений и зданий по взрывной, взрывопожарной и пожарной опасности, а также при определении классов взрывоопасных и пожароопасных зон.
Жидкости с температурой вспышки до 61°С относятся к легковоспламеняющимся (ЛВЖ), а выше 61 °С - к горючим (ГЖ).

Механизм теплового распространения горения жидкостей
Жидкости с низкими температурами вспышки, содержащие летучие компоненты, представляют пожарную опасность уже при обычных температурах, независимо от того, где они находятся: в закрытых объемах или в открытых емкостях. Над поверхностью летучего нефтепродукта всегда находится пар, который на определенном расстоянии от зеркала образует однородные паровоздушные смеси по всей площади жидкости. Первоначально возникает кинетическое горение подготовленной смеси, которое переходит в диффузионное. Распространение пламени осуществляется по гомогенной смеси и ничем не отличается от горения газовоздушной смеси. После того, как подготовленная смесь сгорела, и если интенсивность испарения достаточна для поддержания горения, возникает диффузионное пламя.
При повышении температуры от Т1 до Т2 растет концентрация паров над жидкостью и увеличивается зона области распространения пламени. При температуре Т2 концентрация паров в горючей смеси может быть равной стехиометрической. Тогда скорость распространения пламени (U) будет иметь максимальное значение. Дальнейшее повышение температуры до Т3 увеличивает зону распространения пламени, однако скорость распространения пламени по поверхности жидкости остается примерно постоянной. Пламя распространяется над всей поверхностью жидкости. Однородная смесь быстро сгорает, и пламя переходит из кинетического режима горения в диффузионный.

Схема образования горючей зоны и фронта пламени по поверхности жидкости с низкой температурой вспышки.
а- движение пламени по жидкости с температурой Т1
б- движение пламени по жидкости с температурой Т2
в- движение пламени по жидкости с температурой Т3
Т3>Т2>Т1

Жидкости с высокой температурой вспышки можно поджечь и, не подогревая всю её, а ограничится подогреванием лишь незначительной части ее поверхности. Часто пожары имеют именно такой характер развития.
Горючая среда над поверхностью таких жидкостей отсутствует, а возникает она постепенно, вследствие подогрева топлива непосредственно перед движущимся фронтом пламени. Первоначальный фронт пламени создается в результате локального теплового воздействия. Распространение пламени до полного охвата зеркала занимает некоторое время, которое требуется для нагрева поверхности до температуры вспышки, дальнейшего прогрева до температуры воспламенения и времени продвижения фронта по всей жидкости.
1-Горючая жидкость;
2- Зона прогрева до температуры вспышки;
3- Зона прогрева до температуры воспламенения;
4 - Пульсирующее пламя;
5- Основной фронт пламени;
6- Неустойчивое пламя;
7- Устойчивое пламя.

Тепловые процессы, которые имеют место при горении жидкостей. На рис. изображен резервуар с горящей жидкостью.
Над жидкостью имеется зона паров. Последние на периферии зоны
смешиваются с воздухом и сгорают, образуя пламя. Для того, чтобы пламя
не гасло, в него должны непрерывно поступать пары и воздух. Процесс парообразования возможен только при постоянном подогреве поверхности
жидкости. Источником теплоты в данном случае является лишь теплота излучения пламени, т.к. продукты горения (конвективный тепловой поток) оттесняются парами от поверхности жидкости.
Схема процессов теплообмена при горении жидкостей
1- нагрев жидкости;
2-нагрев соседних резервуаров

Основные характеристики горения жидкостей

2. Цепные реакции горения газового топлива.

Сжигание газообразного топлива. В действительности реакции в веществах, находящихся в парогазовом состоянии, протекают чаще не между исходными молекулами горючего и окислителя, а через ряд промежуточных стадий, в которых вместе с молекулами участвуют активные осколки молекул - радикалы и атомы, имеющие свободные связи Н, ОН, О, СН и др. При этом переход от исходных веществ к конечным продуктам происходит через ряд промежуточных реакций, протекающих с большой скоростью, так как они обладают низкой энергией активации. Такие реакции, отличительной особенностью которых является огромная скорость их протекания, получили название цепных.

Стадии горения: Зарождение цепей – образование активных частиц из исходного продукта; Период индукции – накопление активных центров реакции в виде заряженных частиц; Разветвление цепей – 1 активный центр зарождает 2 и более новых; Прекращение горения – по мере убывания горючих реакция замедляется, наступает обрыв цепей и реакция вырождается.

Сжигание жидкого топлива. На начальном участке и, в особенности в пограничном слое струи интенсивный нагрев вызывает быстрое испарение капель. Пары горючего, смешиваясь с воздухом, создают газо-воздушную горючую смесь, которая, воспламеняясь, образует факел. Таким образом, процесс горения жидкого топлива можно разбить на следующие фазы: распыление жидкого топлива, испарение и образование газо-воздушной смеси, воспламенение горючей смеси и горение последней.
Схема факела жидкого топлива. 1 - зона испарения;
2 - зона разложения (крекинга);
3 - зона воспламенения (горения); 4 – зона догорания (продукты горения).