что такое кинетическое горение
Что такое кинетическое горение
Факельный вид горения. Диффузионный, кинетический режимы горения.Кинетическое ламинарное пламя. Форма пламени. Уравнение поверхности пламени. Устойчивость пламени. Проскок и отрыв пламени. Критерий устойчивости. Диффузионное ламинарное пламя. Форма пламени. Решение Бурке-Шумана. Смешанное диффузионно-кинетическое пламя.
1.Факельный вид горения.
Это наиболее старый способ сжигания топлива.
Используется в котельных установках, технологических печах и аппаратах, в быту, а также в ПВРД.
Таким образом, факел представляет собой стационарное пламя правильной формы, возникающее в струе горючей смеси (механизм образования не имеет значения)
Рис.1. Простейшая схема факела.
Внешне воспринимается как совокупность темного конуса и светящейся эллипсоидальной области.
Эффективность горения определяет LФ
2. Диффузионный и кинетический режимы горения.
      Для первого типа главную роль играет явление диффузии, смешения (молекулярной, турбулентной).
      Для второго типа главную роль играет кинетика химических реакций (тепловой и цепной механизмы распространения пламени).
       Горение – это процесс преобразования смеси одних химических соединений в смесь других химических соединений (продуктов горения), текущий в режиме самоорганизации и сопровождающийся (обычно) выделением тепла и света.
При диффузионном режиме горения tпреобр определяется гидродинамикой геометрической области преобразования, т.е. определяется интенсивностью процесса смешения, а также родом горючего и окислителя.
3.“Кинетическое” ламинарное пламя.
       Кинетическое пламя – это горение однородной газовой смеси, которое происходит благодаря распространению пламени в горючей смеси, непрерывно поступающей в топочную камеру.
      Ламинарное “кинетическое” пламя – имеет место при ламинарном движении горючей смеси.
      Пусть в горелку, расположенную вертикально, во избежании искривления факела подаётся однородная смесь. При ламинарном движении смеси скорость её движения распределяется в горелке по параболе. Аналогичное распределение скорости сохраняется и на выходе из горелки: у стенок горелки скорость очень мала, далее она возрастает, достигая максимального значения на оси горелки.
Рис.2. Распределение по скоростям в пламени горелки
      Кольцевая зона зажигания образуется естественно в результате замедленного движения на периферии горелки и диффузии горючего газа из потока наружу.
      Пламя в процессе распространения от периферии к центру одновременно относится потоком, и в результате этого достигает оси струи на некотором расстоянии от устья горелки, образуя конусообразный факел. Тонкая зона горения, образующая фронт пламени, обычно имеет ярко-голубой цвет, благодаря чему в пространстве факел чётко выделяется.
      Время, необходимое для распространения пламени от периметра горелки до центра струи
       
    ,где R – радиус горелки.
которое соответствует длине факела. Получаем, что длина ламинарного факела равняется
      Таким образом, горение протекает по поверхности конусообразного факела, причём глубина зоны горения составляет десятые доли миллиметра, основной же объём факела остаётся инертным.
4.Уравнение поверхности. Устойчивость пламени.
      Фронт пламени однородной смеси принимает устойчивое положение по конусообразной поверхности, в каждой точке которой нормальная к ней составляющая Wn скорости движения газа равняется нормальной скорости распространения пламени, т.е.
— уравнение фронта пламени
,где W – местная скорость потока.
φ – угол между направлением внешней нормали к фронту пламени и местной скоростью потока.
      Кроме области вблизи горелки или кромки стабилизатора W намного больше нормальной скорости распространения пламени.
      В открытом факеле при ламинарном горении однородной смеси с зажиганием по периферии устья круглой горелки фронт пламени принимает устойчивое положение по конусообразной поверхности.
      Метод сжигания однородной газо-воздушной смеси в ламинарном потоке не имеет промышленного распространения и применяется лишь в небольших нагревательных приборах.
5.Проскок и отрыв пламени.
   
Риc.3 Распределения скорости пламени и потока (по абсол.величине, без учета направления) в случае отрыва (а) и проскока (б).
6. Диффузионное ламинарное пламя.
Пламя, которое образуется при истечении топлива в среду окислителя, называется диффузионным.
Рис.4 Форма диффузионного пламени а) при избытке окислителя, б) при избытке горючего.
Ламинарное диффузионное пламя наблюдается при ламинарном истечении горючего и окислителя.
Ученые предложили следующую модель пламени рассматривали пламя как процесс изотермического смешения в однородном газе. Предположение Бурке и Шумана сводятся к следующему:
Пункты 4 и 5 означают, что горение протекает при = const
    
  ,где
— высота пламени при низкой скорости течения.
Ω – объем расхода газа через горелку.
Диффузионное и кинетическое горение
Гомогенное и гетерогенное горение.
Исходя из рассмотренных примеров, в зависимости от агрегатного со-стояния смеси горючего и окислителя, т.е. от количества фаз в смеси, разли-чают:
1. Гомогенное горение газов и паров горючих веществ в среде газооб-разного окислителя. Таким образом, реакция горения протекает в системе, состоящей из одной фазы (агрегатного состояния).
2. Гетерогенное горение твердых горючих веществ в среде газообраз-ного окислителя. В этом случае реакция протекает на поверхности раздела фаз, в то время как гомогенная реакция идет во всем объеме.
Это горение металлов, графита, т.е. практически нелетучих материалов. Многие газовые реакции имеют гомогенно-гетерогенную природу, когда возможность протекания гомогенной реакции обусловлена происхождением одновременно гетерогенной реакции.
Горение всех жидких и многих твердых веществ, из которых выделяя-ются пары или газы (летучие вещества) протекает в газовой фазе. Твердая и жидкая фазы играют роль резервуаров реагирующих продуктов.
Например, гетерогенная реакция самовозгорания угля переходит в го-могенную фазу горения летучих веществ. Коксовый остаток горит гетероген-но.
По степени подготовки горючей смеси различают диффузионное и ки-нетическое горение.
Рассмотренные виды горения (кроме взрывчатки) относятся к диффу-зионному горению. Пламя, т.е. зона горения смеси горючего с воздухом, для обеспечения устойчивости должна постоянно подпитываться горючим и ки-слородом воздуха. Поступление горючего газа зависит только от скорости его подачи в зону горения. Скорость поступления горючей жидкости зависит от интенсивности ее испарения, т.е. от давления паров над поверхностью жидкости, а, следовательно, от температуры жидкости. Температурой вос-пламенения называется наименьшая температура жидкости, при которой пламя над ее поверхностью не погаснет.
Горение твердых веществ отличается от горения газов наличием стадии разложения и газификации с последующим воспламенением летучих продук-тов пиролиза.
Пиролиз– это нагрев органических веществ до высоких температур без доступа воздуха. При этом происходит разложение, или расщепление, сложных соединений на более простые (коксование угля, крекинг нефти, су-хая перегонка дерева). Поэтому сгорание твердого горючего вещества в про-дукт горения не сосредоточено только в зоне пламени, а имеет многостадий-ный характер.
Нагрев твердой фазы вызывает разложение и выделение газов, которые воспламеняются и сгорают. Тепло от факела нагревает твердую фазу, вызы-вая ее газификацию и процесс повторяется, таким образом поддерживая го-рение.
Модель горения твердого вещества предполагает наличие следующих фаз (рис. 17):
Рис. 17. Модель горения
— прогрева твердой фазы. У плавящихся веществ в этой зоне происхо-дит плавление. Толщина зоны зависит от температуры проводности вещест-ва;
— пиролиза, или реакционной зоны в твердой фазе, в которой образу-ются газообразные горючие вещества;
— предпламенной в газовой фазе, в которой образуется смесь с окисли-телем;
— пламени, или реакционной зоны в газовой фазе, в которой превраще-ние продуктов пиролиза в газообразные продукты горения;
Скорость подачи кислорода в зону горения зависит от его диффузии через продукт горения.
В общем, поскольку скорость химической реакции в зоне горения в рассматриваемых видах горения зависти от скорости поступления реаги-рующих компонентов и поверхности пламени путем молекулярной или кине-тической диффузии, этот вид горения и называют диффузионным.
Структура пламени диффузионного горения состоит из трех зон (рис.18):
В 1 зоне находятся газы или пары. Горение в этой зоне не происходит. Температура не превышает 500 0 С. Происходит разложение, пиролиз летучих и нагрев до температуры самовоспламенения.
Рис. 18. Структура пламени.
Во 2 зоне образуется смесь паров (газов) с кислородом воздуха и про-исходит неполное сгорание до СО с частичным восстановлением до углерода (мало кислорода):
В 3 внешней зоне происходит полное сгорание продуктов второй зоны и наблюдается максимальная температура пламени:
Высота пламени пропорциональна коэффициенту диффузии и скорости потока газов и обратно пропорциональна плотности газа.
Все виды диффузионного горения присущи пожарам.
Кинетическимгорением называется горение заранее перемешанных горючего газа, пара или пыли с окислителем. В этом случае скорость горения зависит только от физико-химических свойств горючей смеси (теплопровод-ности, теплоемкости, турбулентности, концентрации веществ, давления и т.п.). Поэтому скорость горения резко возрастает. Такой вид горения присущ взрывам.
В данном случае при поджигании горючей смеси в какой-либо точке фронт пламени движется от продуктов сгорания в свежую смесь. Таким об-разом, пламя при кинетическом горении чаще всего нестационарно (рис. 19).
Хотя, если предварительно перемешать горючий газ с воздухом и подать в горелку, то при поджигании образуется стационарное пламя, при условии, что скорость подачи смеси будет равна скорости распространения пламени.
Если скорость подачи газов увеличить, то пламя отрывается от горелки и может погаснуть. А если скорость уменьшить, то пламя втянется во внутрь горелки с возможным взрывом.
По степени сгорания, т.е. полноты протекания реакции горения до ко-нечных продуктов, горение бывает полным и неполным.
Так в зоне 2 (рис.18) горение неполное, т.к. недостаточно поступает ки-слород, который частично расходуется в 3 зоне, и образуются промежуточ-ные продукты. Последние догорают в 3 зоне, где кислорода больше, до пол-ного сгорания. Наличие сажи в дыму говорит о неполном горении.
Другой пример: при недостатке кислорода углерод сгорает до угарного газа:
Если добавить O, то реакция идет до конца:
Скорость горения зависит от характера движения газов. Поэтому раз-личают ламинарное и турбулентное горение.
Так, примером ламинарного горения может служить пламя свечи в не-подвижном воздухе. При ламинарном горении слои газов текут параллель-но, не завихряясь.
Турбулентное горение – вихревое движение газов, при котором интен-сивно перемешиваются сгорающие газы, и фронт пламени размывается. Гра-ницей между этими видами служит критерий Рейнольдса, который характе-ризует соотношение между силами инерции и силами трения в потоке:
, (4.1)
l – характерный линейный размер.
Число Рейнольдса, при котором происходит переход ламинарного по-граничного слоя в турбулентный называется критическим Reкр, Reкр
Турбулентность увеличивает скорость горения из-за более интенсивной передачи тепла от продуктов горения в свежую смесь.
Диффузионное и кинетическое горение.
По степени подготовки горючей смеси различают диффузионное и ки-нетическое горение.
Рассмотренные виды горения (кроме взрывчатки) относятся к диффу-зионному горению. Пламя, т.е. зона горения смеси горючего с воздухом, для обеспечения устойчивости должна постоянно подпитываться горючим и ки-слородом воздуха. Поступление горючего газа зависит только от скорости его подачи в зону горения. Скорость поступления горючей жидкости зависит от интенсивности ее испарения, т.е. от давления паров над поверхностью жидкости, а, следовательно, от температуры жидкости. Температурой вос-пламенения называется наименьшая температура жидкости, при которой пламя над ее поверхностью не погаснет.
Горение твердых веществ отличается от горения газов наличием стадии разложения и газификации с последующим воспламенением летучих продук-тов пиролиза.
Пиролиз– это нагрев органических веществ до высоких температур без доступа воздуха. При этом происходит разложение, или расщепление, сложных соединений на более простые (коксование угля, крекинг нефти, су-хая перегонка дерева). Поэтому сгорание твердого горючего вещества в про-дукт горения не сосредоточено только в зоне пламени, а имеет многостадий-ный характер.
Нагрев твердой фазы вызывает разложение и выделение газов, которые воспламеняются и сгорают. Тепло от факела нагревает твердую фазу, вызы-вая ее газификацию и процесс повторяется, таким образом поддерживая го-рение.
Модель горения твердого вещества предполагает наличие следующих фаз (рис. 17):
Рис. 17. Модель горения
— прогрева твердой фазы. У плавящихся веществ в этой зоне происхо-дит плавление. Толщина зоны зависит от температуры проводности вещест-ва;
— пиролиза, или реакционной зоны в твердой фазе, в которой образу-ются газообразные горючие вещества;
— предпламенной в газовой фазе, в которой образуется смесь с окисли-телем;
— пламени, или реакционной зоны в газовой фазе, в которой превраще-ние продуктов пиролиза в газообразные продукты горения;
Скорость подачи кислорода в зону горения зависит от его диффузии через продукт горения.
В общем, поскольку скорость химической реакции в зоне горения в рассматриваемых видах горения зависит от скорости поступления реаги-рующих компонентов и поверхности пламени путем молекулярной или кине-тической диффузии, этот вид горения и называют диффузионным.
Структура пламени диффузионного горения состоит из трех зон (рис.18):
В 1 зоне находятся газы или пары. Горение в этой зоне не происходит. Температура не превышает 500 0 С. Происходит разложение, пиролиз летучих и нагрев до температуры самовоспламенения.
Рис. 18. Структура пламени.
Во 2 зоне образуется смесь паров (газов) с кислородом воздуха и про-исходит неполное сгорание до СО с частичным восстановлением до углерода (мало кислорода):
В 3 внешней зоне происходит полное сгорание продуктов второй зоны и наблюдается максимальная температура пламени:
Высота пламени пропорциональна коэффициенту диффузии и скорости потока газов и обратно пропорциональна плотности газа.
Все виды диффузионного горения присущи пожарам.
Кинетическимгорением называется горение заранее перемешанных горючего газа, пара или пыли с окислителем. В этом случае скорость горения зависит только от физико-химических свойств горючей смеси (теплопровод-ности, теплоемкости, турбулентности, концентрации веществ, давления и т.п.). Поэтому скорость горения резко возрастает. Такой вид горения присущ взрывам.
В данном случае при поджигании горючей смеси в какой-либо точке фронт пламени движется от продуктов сгорания в свежую смесь. Таким об-разом, пламя при кинетическом горении чаще всего нестационарно (рис. 19).
Хотя, если предварительно перемешать горючий газ с воздухом и подать в горелку, то при поджигании образуется стационарное пламя, при условии, что скорость подачи смеси будет равна скорости распространения пламени.
Если скорость подачи газов увеличить, то пламя отрывается от горелки и может погаснуть. А если скорость уменьшить, то пламя втянется во внутрь горелки с возможным взрывом.
По степени сгорания, т.е. полноты протекания реакции горения до ко-нечных продуктов, горение бывает полным и неполным.
Так в зоне 2 (рис.18) горение неполное, т.к. недостаточно поступает ки-слород, который частично расходуется в 3 зоне, и образуются промежуточ-ные продукты. Последние догорают в 3 зоне, где кислорода больше, до пол-ного сгорания. Наличие сажи в дыму говорит о неполном горении.
Другой пример: при недостатке кислорода углерод сгорает до угарного газа:
Если добавить O, то реакция идет до конца:
Скорость горения зависит от характера движения газов. Поэтому раз-личают ламинарное и турбулентное горение.
Так, примером ламинарного горения может служить пламя свечи в не-подвижном воздухе. При ламинарном горении слои газов текут параллель-но, не завихряясь.
Турбулентное горение – вихревое движение газов, при котором интен-сивно перемешиваются сгорающие газы, и фронт пламени размывается. Гра-ницей между этими видами служит критерий Рейнольдса, который характе-ризует соотношение между силами инерции и силами трения в потоке:
, (4.1)
l – характерный линейный размер.
Число Рейнольдса, при котором происходит переход ламинарного по-граничного слоя в турбулентный называется критическим
Турбулентность увеличивает скорость горения из-за более интенсивной передачи тепла от продуктов горения в свежую смесь.
Диффузионное и кинетическое горение.
.Диффузионное горение – это горение неоднородной смеси, когда горючее и окислитель предварительно не перемешаны, т.е. неоднородной.
Диффузионное горение- горение не перемешанных газо-, паровоздушных смесей с воздухом. Оно свойственно конденсированным горючим веществам жидкостям и твёрдым материалам. Для диффузионного горения характерно наличие светящегося пламени. Различают диффузионное горение следующего вида:Гомогенное горение-это такое горение когда и горючие вещества и окислители находятся в одном агрегатном состоянии.Гетерогенное горение- когда компоненты смеси находятся в разных агрегатных состояниях например(тв.горючее вещество и газообразный распылитель)Диффузионное горение сопровождается, как правило, саже образованием, что характерно для турбулентных факелов, образуемых при горении нефтепродуктов в резервуарах. К диффузионному горению относятся различные очаги пожаров.
Основными видами горения являются гомогенное и гетерогенное В гомогенном горении выделяют два режима: кинетическое и диффузионное горение
.Кинетическое горение – это горение предварительно перемешанной горючей смеси, т.е. однородной смеси. Скорость горения определяется только кинетикой окислительно-восстановительной реакции.
Диффузионное горение – это горение неоднородной смеси, когда горючее и окислитель предварительно не перемешаны, т.е. неоднородной. В этом случае, смешивание горючего и окислителя происходит во фронте пламени за счет диффузии. Для неорганизованного горения характерен именно диффузионный режим горения, большинство горючих материалов на пожаре могут гореть только в этом режиме. Однородные смеси, конечно, могут образовываться и при реальном пожаре, однако их образование скорее предшествует пожару или обеспечивает начальную стадию развития.Принципиальным отличием этих видов горения заключается в том, что в однородной смеси молекулы горючего и окислителя уже находятся в непосредственной близости и готовы вступить в химическое взаимодействие, при диффузионном же горении эти молекулы сначала должны приблизится друг к другу за счет диффузии, и только после этого вступить во взаимодействие.Этим обуславливается различие в скорости протекания процесса горения.Полное время горения tг, складывается из длительности физических и химических процессов:tг= tф + tх.
Кинетический режим горения характеризуется длительностью только химических процессов, т.е. tг » tх, поскольку в этом случае физических процессов подготовки (перемешивания) не требуется, т.е. tф » 0
.Диффузионный режим горения, наоборот, зависит в основном от скорости подготовки однородной горючей смеси (грубо говоря сближения молекул), В этом случае tф >> tх, и поэтому последним можно пренебречь, т.е. длительность его определяется в основном скоростью протекания физических процессов.Если tф » tх, т.е. они соизмеримы, то горение протекает в так
называемой промежуточной области.
Для примера, представьте себе две газовые горелки(рис. 1.1): в одной из них в сопле имеются отверстия для доступа воздуха (а), в другой их нет (б). В первом случае воздух будет засасываться инжекцией в сопло, где он перемешивается в горючим газом, таким образом, образуется однородная горючая смесь, которая сгорает на выходе из сопла в кинетическом режиме. Во втором случае (б), воздух перемешивается с горючим газом в процессе горения за счет диффузии, в этом случае – горение диффузионное.
Рис. 1.1 Пример кинетического (а) и диффузионного (б) горения
Визуальное отличие этих режимов – наличие пламени.Гомогенное горение может протекать в двух режимах: диффузионном и кинетическом. Визуально, их отличие заключается в скорости горения.Следует отметить, что выделяют еще один вид горения – горение взрывчатых веществ. Взрывчатые вещества включают в свой состав горючее и окислитель в твердой фазе. Поскольку и горючее и окислитель находятся в одинаковом агрегатном состоянии, такое горение – гомогенное.На реальных пожарах, в основном, происходит пламенное горение. Пламя, как известно, выделяют как один из опасных факторов пожара. Что же такое пламя и какие процессы в нем протекают?
5. Температурные пределы воспламенения жидкости. Температура
Температурные пределы воспламенения паров в воздухе определяются температурами вещества, при которых его насыщенные пары образуют концентрации,соответствующие нижнему и верхнему концентрационным пределам воспламенения.Категории помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности
Методы определения температуры вспышкиТемпературу вспышки экспериментально определяют в приборах закрытого (з.т.) и открытого (о.т.) типов.Для определения температуры вспышки заданную массу горючего вещества нагревают с заданной скоростью, периодически зажигая выделяющиеся пары и визуально оценивая результаты зажигания.Температура вспышки (tвсп.), измеренная в приборе открытого типа, как правило выше; для жидкостей с температурой кипения до 100 0 С на 1-3 0 С, до 250 0 С на 10-15 0 С. В таблице приведены значения температур вспышки некоторых жидкостей, определенных приборами закрытого и открытого типов
| Жидкость | Температура вспышки, К |
| Прибор закрытого типа (з.т.) | Прибор открытого типа (о.т.) |
| Нефть | |
| Мазут | |
| Масло цилиндровое |
Низкокипящие горючие жидкости имеют обычно низкую tвсп. Температуру, например: для этилового эфира 43 0 С, для ацетилена 18 0 С. Высококипящие жидкости имеют высокие tвсп., например: глицерин 198 0 С, дециловый спирт 107 0 С.
6. Определить температуру вспышки смеси, состоящей из 90% турбинного масла (tвсп = 184 0 С) и 10% бензина (tвсп = 34 0 С).