Загальні закономірності горіння газоповітряних систем (тема 7)

План лекції
1. Загальні закономірності горіння газових сумішей.
2. Поширення кінетичного горіння
2.1. Дефлаграційне горіння
2.2. Структура дефлаграційного фронту полум’я.
2.3. Перехід дефлаграції в детонацію.

1. Загальні закономірності горіння газових сумішей
Горіння виникає, якщо концентрації горючої речовини в суміші з окислювачем перевищує НКМПП ϕн.
Горіння газів завжди є гомогенним.
Залежно від способу сумішоутворення, горіння газів може бути кінетичним (якщо ϕгг лежить в межах від ϕн до ϕв) або дифузійним (якщо ϕгг більше ϕв).
Залежно від механізму поширення горіння газів може бути дефлаграційним або детонаційним.
Залежно від газодинамічного режиму натікання газів в зону горіння, горіння може бути ламінарним або турбулентним.

Залежно від об'єму горючої суміші може виділятися різна кількість енергії, що обумовлює різний тиск продуктів згоряння. Залежно від тиску продуктів згоряння розрізняють види кінетичного горіння:
Спалах – швидке згоряння газової суміші, яке відбувається в відкритому просторі й не супроводжується збільшенням тиску продуктів згоряння.
Хлопок – швидке згоряння газової суміші, яке відбувається в закритому просторі, супроводжується незначним підвищення тиску, яке викликає лише звукові ефекти, але руйнування конструкцій при цьому не відбувається.
Вибух – швидке згоряння газової суміші, яке супроводжується різким виділенням значної кількості енергії і утворенням стислих газів, здатних виконувати роботу.

ВИЗНАЧЕННЯ ТИСКУ ПРИ ВИБУХУ
Горіння при вибуху відбувається дуже швидко, і гази, що утворилися, не встигають розширитися Vo = Vвиб
PoVo = nгсRTo PвибVвиб = nпгRTвиб
де То, Ро, Vo - температура, тиск і об'єм початкової ГС,
Твиб, Рвиб, Vвиб - температура, тиск і об'єм ПГ,
nгс. - число молів початкової горючої суміші,
nпг - число молів продуктів горіння,
R - універсальна газова стала.

Визначення температури вибуху
Перший закон термодинаміки:
Н = U + PV; U = Н - PV; PV = nRT.
Внутрішня енергія продуктів горіння за певної температури Т дорівнює:
UТ = ∑(HTпг i nпг i) - RT ∑nпг i,
Енергія вибуху – це зміна внутрішньої енергії системи між кінцевим і початковим станом.
Qвиб. = ⏐UПГ – UГС⏐
Qвиб. = Qн + RTo Δn
Температуру вибуху розраховують за формулою:

Фактори, що впливають на тиск при вибуху
1) вид горючої речовини
Qн ↑ Тгор↑ Рвиб ↑
2) склад горючої суміші;
φО2 ↑ Тгор↑ Рвиб ↑
φнг ↑ Тгор↓ Рвиб ↓
φгр = φстм Tгор = mах Рвиб = mах
3) умови, в яких знаходиться горюча суміш
T0 ↑ q(-) ↓ Тгор↑ Рвиб ↑
Р 0↑ q(+) ↑ Тгор↑ Рвиб ↑

2. ЗАКОНОМІРНОСТІ ПОШИРЕННЯ ГОРІННЯ В ГАЗОВИХ СУМІШАХ
Дефлаграційне горіння обумовлено передачею тепла, що виділилося в зоні горіння при хімічній реакції, теплопровідністю в сусідні шари газу, який ще не прореагував. При цьому відбувається нагрів газу до критичної температури та ініціювання швидкої хімічної реакції.
Детонаційне горіння обумовлено швидким стисненням горючої речовини в ударній хвилі. Різке підвищення тиску в ударній хвилі забезпечує необхідне нагрівання речовини для того, щоб реакція окислення пішла зі значною швидкістю.

2.1. Поширення дефлаграційного горіння.
Фронт полум'я - об'єм системи, в якому протікає хімічна реакція взаємодії горючої речовини з окисником, утворюються продукти горіння, виділяється теплота згоряння і температура підвищується від початкової до температури горіння.

ФП може бути нерухомим (стаціонарне полум'я) або рухомим (нестаціонарне полум'я).
Стаціонарне полум'я встановлюється за умови, що швидкість руху горючої суміші дорівнює швидкості зустрічного переміщення ФП.
Нестаціонарне полум'я виникає при горінні в нерухомій ГС або у випадку, коли швидкість руху горючого газу відрізняється від швидкості поширення горіння.
vфп > wгс – проскок полум’я
wгс >> vфп – зрив полум’я

На швидкість поширення фронту полум’я vфп впливають:
швидкість руху потоку горючого газу,
нормальна швидкість поширення горіння, яка характерна для даної горючої речовини.
Нормальна швидкість поширення горіння uн - швидкість, з якою рухається фронт полум'я відносно нерухомого газового середовища по нормалі до поверхні фронту полум'я.
uн залежить від:
1) виду горючої речовини;
2) складу горючої суміші;
3) умов, в яких знаходиться горюча суміш.

Розширення гарячих ПГ, що утворилися, обумовлює додаткове зміщення поверхні горіння, тому vфп буде більшою, ніж нормальна швидкість горіння:
vфп = uн ε,
де ε – коефіцієнт розширення, рівний Тгор/То.
При викривленні ФП і збільшенні його поверхні збільшується об'єм газу, який згоряє, і кількість тепла, що виділяється при горінні, отже vфп зростає.
vфп = uн F/S,
де F – поверхня фронту полум'я,
S – площа поперечного перетину потоку.

Всередині ФП протікає хімічна реакція окислення, яка супроводжується виділенням тепла. Хімічна реакція усередині ФП протікає нерівномірно через різку залежність швидкості реакції від температури.
ФП прийнято розмежовувати на
зону реакції (ЗР)
підготовчу зону (ПЗ).
2.2. Структура дефлаграційного
фронту полум’я

У підготовчій зоні відбувається найбільша зміна температури внаслідок передачі тепла із зони реакції теплопровідністю, відбувається підігрівання газу до критичної температури. Концентрація ГР зменшується за рахунок дифузії речовини в зону реакції. Швидкість реакції окислення невелика.
У зоні реакції протікає реакція горіння, виділяється основна частка енергії, яка передається в підготовчу зону. Температура збільшується до Тгор. Концентрація ГР зменшується за рахунок протікання реакції. Швидкість реакції окислення велика.

Товщина фронту полум'я дорівнює сумі товщини підготовчої зони і зони реакції.
δф.п = δпз + δзр δф.п ~ аt /uн
Енергетичний баланс у фронті полум'я:
- віддача тепла теплопровідністю
- передача тепла конвекцією
- тепловиділення хімічної реакції

2.3. Перехід дефлаграції в детонацію
Детонація може виникнути у вибуховому середовищі у разі його попереднього стиснення досить сильною ударною хвилею.
Детонація – це вибух стиснутої горючої суміші.
Ударне стиснення сильно нагріває газ (близько 1500-1700 К) і вибухове середовище, нагріте сильною ударною хвилею, самоспалахує. При цьому температура ПГ досягає 4000 – 6000 С, а період індукції скорочується до 10-5 - 10-7 с.

При поширенні ФП в кінетичній суміші, яка знаходиться в довгих трубах, відбувається витягування ФП.
Зі збільшенням площі ФП збільшується тепловиділення і швидкість поширення vфп.
Газоподібні продукти горіння збільшуються в об'ємі і починають грати роль поршня: надлишковим тиском виштовхують холодну горючу суміш. Перед фронтом полум'я відбувається стиснення початкової газової суміші (підвищення тиску). Утворюється хвиля стиснення.
Виникає турбулізація газового потоку, що, в свою чергу, знову збільшує поверхню зони горіння, а отже тепловиділення і швидкість поширення фронту полум'я.

Нова хвиля стиснення поширюється по вже стиснутому і нагрітому попередньою хвилею газу з більшою швидкістю. На певній відстані більш швидка хвиля стиснення наздожене першу, вони зіллються, їхні амплітуди складуться, у результаті виникне нова більш потужна ударна хвиля, яка призводить до появи детонаційного горіння.
Потрібне для виникнення детонації прискорення горіння відбувається після проходження полум’ям певного шляху, тобто необхідний відповідний переддетонаційний розгін від точки запалювання.
Чим сильніший початковий тиск, нормальна швидкість горіння, тим коротше переддетонаційна відстань.