Что такое дефлаграционное горение
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Дефлаграционное горение
Дефлаграционное горение 116 Деформации тепловые 64 ел. [1]
Дефлаграционное горение подразделяется на ламинарное и турбулентное. [2]
Дефлаграционное горение происходит в основном с дозвуковыми скоростями и при сгорании горючей смеси в трубе с одним открытым концом; давление, вызванное нагреванием, выравнивается с давлением в окружающем пространстве. [3]
Дефлаграционное горение пламени является сложным процессом, в котором на движение фронта пламени относительно газа накладывается движение самого газа. Распространение возмущений, возникающих при горении, происходит со скоростью звука, а движение фронта пламени иногда идет со скоростью десятков см / с. Образующиеся в процессе горения волны сжатия создают впереди зоны реакции массовый поток газа. Таким образом, распространение фронта пламени происходит в движущемся газе. Вихревые движения газа от зоны реакции способствуют теплопередаче от фронта пламени в соседние слои. Движение газа, возникающее впереди движущегося пламени, является основным фактором, подготавливающим новые порции аэровзвеси. Известно, что в турбулентном потоке также, как и в ламинарном, распределение скоростей потоков газа влияет на движение пламени, но это влияние более сложное, чем при ламинарном движении. [5]
Обычно дефлаграционное горение протекает со скоростями, значительно превышающими приведенные нормальные скорости распространения пламени. В коротких участках труб скорость пламени смесей горючих газов с воздухом может достигать десятков и сотен метров в секунду. Такая большая скорость сгорания объясняется увеличением поверхности фронта пламени вследствие наличия потока горючей смеси с неравномерным распределением скорости по сечению трубы, а также турбулизации фронта пламени. [6]
Режимы дефлаграционного горения для среды заданного состава различаются только скоростью распространения пламени при различной степени развития его поверхности. [7]
Для дефлаграционного горения характерна передача тепла от слоя к слою. Свежая горючая смесь и продукты сгорания разделены узкой зоной, называемой фронтом пламени, представляющим собой тонкий слой, в котором происходит подогрев горючей смеси и быстрая химическая реакция. Тепло из зоны реакции в результате теплопроводности распространяется в исходную холодную горючую смесь и нагревает ее. [8]
При дефлаграционном горении скорость распространения пламени составляет несколько метров в секунду; такое горение характерно для пожаров в производственных и бытовых условиях. При взрывном горении скорость пламени достигает десятков и сотен метров в секунду, происходит выделение значительных количеств энергии за счет изменения химического и физического состояния вещества. [9]
Возможность перехода обычного дефлаграционного горения газообразной смеси в самовоспламенение определяется в основном ее начальной температурой. [13]
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Дефлаграционное горение
Уже отсюда следует невозможность непрерывного перехода дефлаграционного пламени в детонационную волну. Все многообразие явлений, относящихся к смене дефлаграционного горения детонационным, можно распределить по двум разделам, применительно к возникновению плоской и сферической детонационной волны. Из рассмотрения эмпирического материала, характеризующего различие в механизме возникновения этих двух видов детонации, будет видно, насколько обоснована принятая классификация. [33]
Максимальное давление взрыва используют в расчетах технологического оборудования на взрывоустойчивость и в расчетах предохранительных мембран. Выполняя эти расчеты, необходимо учитывать возможность перехода дефлаграционного горения в детонацию в результате турбулизации и попадания горящих частиц в свежую смесь, а также возможность повышения давления взрыва из-за предварительного сжатия еще несгоревшей смеси при распространении взрыва по технологическому оборудованию и коммуникациям. [34]
При анализе многочисленных взрывов и загораний в технологических системах установлено, что пламя, возникшее в одном из аппаратов, часто распространяется по технологическим трубопроводам в другие аппараты. При значительной протяженности трубопроводов пламя распространяется с нарастающей скоростью и переходом дефлаграционного горения в детонацию. Детонационные ударные волны, распространяясь с очень высокими скоростями, могут вызывать разрушение оборудования еще до срабатывания предохранительных устройств сброса давления. [37]
Можно предположить, что в случае детонационного сгорания пламя задерживается при тех же начальных условиях, что и для дефлаграции. Гашение происходит так, как если бы никаких изменений горючей системы при переходе от дефлаграционного горения к детонации не происходило. Такой же вывод следует из анализа концентрационных пределов дефлаграции и детонации. Очевидно, что при вхождении в огнепреградитель детонационная волна разрушается, давление уменьшается до величины, близкой к начальной, после чего образовавшееся нормальное пламя гаснет по известному механизму. Вырождение детонационной волны в дефлаграцию, по-видимому, не сопровождается сколько-нибудь заметной задержкой, поскольку осуществляется на достаточно коротком участке пути: в металлокерамических пластинах уже при толщине 5 мм. [38]
Дефлаграционное (взрывное) горение.
Нормальное горение неустойчиво и в закрытом пространстве склонно к самоускорению. Причиной этому является искривление фронта пламени вследствие трения газа о стенки сосуда и изменения давления в смеси.
Рассмотрим процесс распространения пламени в трубе (рис. 20).
Рис. 20. Схема возникнове-ния взрывного горения.
Сначала у открытого конца трубы пламя распространяется с нормаль-ной скоростью, т.к. продукты горения свободно расширяются и выходят на-ружу. Давление смеси не изменяется. Длительность равномерного распро-странения пламени зависит от диаметра трубы, рода горючего и его концен-трации.
По мере продвижения фронта пламени внутрь трубы продукты реак-ции, имея больший объем по сравнению с исходной смесью, не успевают вы-ходить наружу и их давление возрастает. Это давление начинает давить во все стороны, и поэтому впереди фронта пламени исходная смесь начинает двигаться в сторону распространения пламени. Прилегающие к стенкам слои тормозятся. Наибольшую скорость имеет пламя в центре трубы, меньшую – у стенок (из-за теплоотвода в них). Поэтому фронт пламени вытягивается в сторону распространения пламени, а поверхность его увеличивается. Про-порционально этому увеличивается количество сгораемой смеси в единицу времени, которое влечет за собой возрастание давления, а то в свою очередь – увеличивает скорость движения газа и т.д. Таким образом, происходит ла-винообразное повышение скорости распространения пламени до сотен мет-ров в секунду.
Процесс распространения пламени по горючей газовой смеси, при ко-тором самоускоряющаяся реакция горения распространяется вследствие ра-зогрева путем теплопроводности от соседнего слоя продуктов реакции, назы-вается дефлаграцией. Обычно скорости дефлаграционного горения дозвуко-вые, т.е. менее 333 м/с.
4.6. Детонационное горение.
Если рассматривать сгорание горючей смеси послойно, то в результате термического расширения объема продуктов сгорания каждый раз впереди фронта пламени возникает волна сжатия. Каждая последующая волна, двига-ясь по более плотной среде, догоняет предыдущую и накладывается на нее. Постепенно эти волны соединяются в одну ударную волну (рис. 21).
Особенность детонации – она происходит с определенной для каждого состава смеси сверхзвуковой скоростью 1000-9000 м/с, поэтому является фи-зической константой смеси. Она зависит только от калорийности горючей смеси и теплоемкости продуктов сгорания.
Встреча ударной волны с препятствием ведет к образованию отражен-ной ударной волны и еще большему давлению.
Детонация – самый опасный вид распространения пламени, т.к. имеет максимальную мощность взрыва (N=A/t) и огромную скорость. Практически «обезвредить» детонацию можно лишь на преддетонационном участке, т.е. на расстоянии от точки зажигания до места возникновения детонационного горения. Для газов длина этого участка от 1 до 10 м.
Тема 5. ПОКАЗАТЕЛИ ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНОСТИ ВЕЩЕСТВ.
Пожаровзрывоопасность веществ и материалов определяется показате-лями, выбор которых зависит от агрегатного состояния вещества и условий его применения. Показатели представляют собой критические условия (по составу смеси, давлению, температуре и т.п.) возникновения и распростране-ния пламени.
Условия применения горючего означают, в основном, возможность воз-никновения взрыва (при кинетическом горении) либо пожара (при диффузии-онном горении).
Виды и области применения пожаровзрывоопасности веществ в воз-душной средеустановлены ГОСТом 12.1.044-89 ССБТ «Пожаровзрывоопас-ность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их опреде-ления».
Дефлаграция
Дефлаграция – это режим распространения пламени по горючей газовой смеси, осуществляемый путем диффузии активных центров и передачи тепла из фронта пламени в несгоревшую смесь. Дефлаграция обычно бывает в предварительно перемешанных горючих газовых смесях (гомогенное горение) с дозвуковыми скоростями, определяемыми скоростью химической реакции (кинетическое горение) (см. Горение).
Минимальная скорость дефлаграции сопоставима с нормальной скоростью распространения пламени. Такую дефлаграцию называют «слабой дефлаграцией», в отличие от «сильной дефлаграции», имеющей скорость, близкую к звуковой (330 м/с). «Сильная дефлаграция» может при определенных условиях самопроизвольно переходить в детонацию, отличающуюся от дефлаграции иным механизмом и скоростью распространения пламени (до 9000 м/с).
Механизм ускорения пламени при дефлаграции связан с турбулентностью пламени, возникающей за счет влияния стенок, ограничивающих газовую смесь, или за счет автотурбулизации пламени. В реальных условиях, при аварийном выбросе горючей газовой смеси в производственное помещение, роль «ускорителя» пламени могут выполнять технологическое оборудование, площадки обслуживания аппаратов, строительные конструкции. Например, для водородовоздушных смесей критический размер загромождения (начальный размер облака) составляет 1 м, для метановоздушных смесей — 10 м.
Передача зажигающего импульса при дефлаграции осуществляется послойно путем молекулярной теплопроводности при постоянном давлении. Продукты сгорания перемещаются в сторону, противоположную движению фронта пламени. В замкнутом пространстве (аппарате, помещении) в результате дефлаграции возникает избыточное давление, которое можно с достаточной точностью определить по известному уравнению в зависимости от свободного объема помещения, теплоты сгорания горючей смеси, массы горючего вещества и других величин. Получаемая величина избыточного давления используется при категорировании помещений по взрывопожарной опасности, расчете площади легкосбрасываемых конструкций, учитывается при разработке мероприятий по гражданской обороне объектов.
Источники: Физика горения и взрыва. Хитрин Л.Н. — М., 1957; Теория горения и детонации газов. Зельдович Я.Б. — М., 1944.
Режимы горения
Диффузионное и кинетическое горение
Рис. 1.2. Диффузионное горение метана
Отношение ΔmCH4/ тд по сути дела есть скорость диффузии, а это означает. что скорость горения в этом опыте определяется скоростью диффузии. т. е. скоростью смесеобразования.
Такое горение называют диффузионным.
При таком горении зона горения размыта, пламя имеет желтый оттенок. Из-за наличия в зоне химических реакций областей с низким содержанием окислителя в процессе горения образуются продукты неполного окисления, пламя коптит.
Рис. 1.3. Кинетическое горение метана
В зону химических реакций будет попадать уже готовая к горению горючая смесь. Это означает, что тД= 0. смесеобразование происходит как бы мгновенно. Тогда из формулы (1.12) следует:
Величина ΔmCH4/ тхр пропорциональна скорости химической реакции, поэтому скорость горения в этом случае зависит только от скорости химической реакции, которая значительно выше скорости диффузии.
Экспериментально это сразу будет заметно, в таком опыте придется увеличить скорость подачи газа, иначе пламя резко опустится и уйдет в трубку. Зона горения в этом опыте резко очерчена, пламя имеет голубой цвет.
Такое горение называется кинетическим.
Кинетическое горение газа можно наблюдать на горелках кухонной газовой плиты. Горелки устроены так. что в них при прохождении газа подсасывается воздух и в зону горения попадает уже газовоздушная смесь.
Кинетическому горению свойственно более полное сгорание, более высокая скорость горения и. как следствие, высокая скорость тепловыделения (Дж/с) и высокая температура пламени.
При кинетическом горении зона горения, т. е. зона химических реакций. представляет собой четко выраженную светящуюся область определенной толщины, называемую фронтом пламени, который отделяет свежую горючую смесь от продуктов горения.
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.
Итак, если смесь горючего и окислителя заранее перемешана, то по такой смеси пламя может перемешаться. Возникнув в одной какой-то точке пространства, горение будет распространяться во все стороны на всю горючую газовую смесь.
Пример диффузионного и кинетического горения можно посмотреть на видео:
Дефлаграционное и детонационное горение
Скорость распространения фронта пламени по газовоздушным смесям может изменяться в пределах от 0.5 до 50 м/с в зависимости от горючего вещества. Скорость распространения пламени зависит не только от скорости химической реакции между горючим и окислителем, но и от скорости передачи тепла от зоны горения в холодную свежую смесь, так как процесс горения представляет собой непрерывное последовательное воспламенение и сгорание все новых и новых порций горючей смеси.
Распространение пламени со скоростью движения тепловой волны называется нормальным или дефлаграционным.
Таким образом, по механизму распространения пламени и соответственно по скорости распространения пламени различают дефлаграционное и детонационное горение.
Дефлаграционному (нормальному) горению свойственны скорости распространения пламени 0.5—50 м/с, а детонационному (взрывному) горению 500-3000 м/с.
Детонационное горение обладает большой разрушительной силой. Однако встречается этот вид горения достаточно редко. Для возникновения детонационного горения даже в системах, склонных к детонации необходимы специальные условия. Детонация, как правило, возникает в закрытых объемах и длинных трубах, когда создаются условия для ускорения пламени.
Пример детонационного горения Вы можете просмотреть на видео.
Гомогенное и гетерогенное горение
Гомогенным горением является не только горение газов, но и горение жидкостей, а также большинства твердых горючих материалов. Объясняется это тем. что при горении жидкостей горит не сама жидкость, а ее пары. В результате испарения с поверхности жидкости непрерывно в газовую фазу поступают пары горючего вещества, которые, смешиваясь с окружающим воздухом, образуют горючую паровоздушную смесь. Именно здесь в паровоздушной смеси, а не на поверхности жидкости будут происходить химические реакции горения. Визуально можно наблюдать, что пламя (зона горения) как бы немного оторвано от поверхности жидкости.
Похожая картина наблюдается и при горении большинства твердых горючих материалов: парафина, оргстекла, полиэтилена, древесины, торфа. хлопка, резины, различных пластмасс. На их поверхности под воздействием тепловых потоков могут происходить различные физико-химические процессы (плавление, испарение, термическое разложение). В результате образуются газообразные горючие вещества, которые и вступают в химическую реакцию горения с кислородом воздуха. Таким образом, и в случае твердых горючих материалов горючее вещество и окислитель в зоне горения оказываются в одной фазе, в одном агрегатном состоянии. Поскольку химические реакции горения происходят в газовой фазе, то над поверхностью твердого горючего материала наблюдается пламя. Наличие пламени является отличительным признаком гомогенного горения.
Примером гетерогенного горения может служить горение углерода (графит или углистый остаток после термического разложения древесины), который даже при высоких температурах остается в твердом состоянии. Кислород воздуха диффундирует к твердой поверхности и при достаточно высокой температуре (700-800 °C) на поверхности будет происходить химическая реакция между твердым углеродом и газообразным кислородом. Пламя в этом случае отсутствует, а признаком гетерогенного горения углерода будет являться ярко красное свечение поверхности углерода. Такое горение называется тлением. Некоторые твердые горючие материалы, способные к гомогенному горению, такие, как древесина, бумага, хлопок и др., могут тлеть в случае, если количество теплоты, поступающее к поверхности этого материала, мало для обеспечения интенсивного термического разложения материала с образованием газообразных горючих веществ. При гетерогенном горении существует поверхность раздела фаз (твердой и газовой), именно на поверхности раздела фаз и происходят химические реакции. Гетерогенное горение является диффузионным, так как прежде чем произойдет химическая реакция между горючим и окислителем необходимо, чтобы кислород продиффундировал к поверхности раздела фаз. которая в данном случае и является зоной горения.
Гомогенное горение бывает как диффузионным, так и кинетическим. Если имеется готовая горючая газовая смесь, т. е. горючее и окислитель в ней заранее перемешаны, то в ней будет наблюдаться кинетическое горение. при котором пламя распространяется по горючей смеси. Если же смешение горючего и окислителя происходит непосредственно в зоне горения, как это имеет место при истечении горючего газа в окислительную среду, то горение будет диффузионным. Из этого можно сделать вывод, что горение жидкостей и большинства твердых горючих материалов является гомогенным и диффузионным. Диффузионное пламя будет располагаться там. где при смешении образуется горючая газовая смесь.
Ламинарное и турбулентное горение
Гомогенное, диффузионное горение образовано потоком горючего газа, втекающим в окислительную среду. В зависимости от скорости потока. его диаметра и вязкости среды движение может быть ламинарным или турбулентным. Также и возникающее диффузионное пламя может быть ламинарным или турбулентным. Ламинарное пламя образуется при низких скоростях потока горючего и небольшом его диаметре. Ламинарное горение воспринимается как спокойное горение, когда пламя неподвижно относительно окружающей среды. Такое пламя можно наблюдать при горении свечи, при горении газа в горелке, если скорость истечения небольшая, а также при горении жидкости в небольших тиглях.
С увеличением скорости и диаметра потока газообразного горючего вещества происходит его турбулизация, появляются завихрения, пламя становится неустойчивым. Турбулизация пламени приводит к увеличению скорости смесеобразования и. как следствие, к увеличению скорости горения.
Развитый турбулентный режим горения наблюдается на пожарах газовых фонтанов, крупных резервуаров с горючими жидкостями, больших штабелей древесины.
Ламинарный и турбулентный режимы горения характерны как для диффузионного, так и для кинетического пламени. При ламинарном кинетическом горении фронт пламени гладкий, движение его спокойное. При турбулизации кинетического горения происходит искривление фронта, образуются вихри и фронт разбивается на отдельные очаги. При этом скорость горения увеличивается, увеличивается и скорость движения зоны горения. Турбулизации кинетического горения и его ускорению способствует наличие препятствий на пути движения фронта. Так. кинети-ческое пламя хорошо турбулизуется и ускоряется в загроможденных помещениях. Турбулизация и ускорение китентического пламени может способствовать переходы дефлаграционного горения в детонацию.
Пример турбулентного горения в видео: