Горение в закрытом сосуде

Горение в закрытых сосудах сопровождается повышением давления. Если в открытом пространстве нагреваемый при горении газ имеет возможность свободно расширяться и на работу расширения идет часть выделившегося в хим реакции тепла, то в закрытых сосудах стенки препятствуют расширению газа и все тепло хим реакции идет только на увелич внутр энергии газа. Вследствие повышения давления в закрытых сосудах горение происходит с более сильным возрастанием температуры при выгорании той же массы горючего вещества и того же состава в открытом пространстве, при постоянном давлении. Если реакция с выделением тепла прошла до полного своего завершения равномерно по всему объему сосуда, и через стенки сосуда тепло не отводилось (или теплопотери малы), то температуру в продуктах горения в постоянном объеме Tbv  можно рассчитать, приравнивая начальную полную внутр энергию горючей газовой смеси внутренней энергии продуктов горения. Tbv = T 0 + Qa 0 / cv. Где Q-тепловой эффект реакции, а0-концентрация горючего в-ва, к которому отнесен тепловой эффект реакции, Т0 – исходная температура, сv- теплоемкость при пост объеме. Если по сосуду от источника поджигания распространяется пламя, то скорость выгорания определяется скоростью распространения пламени, и давление в каждый момент времени успевает выравниваться по всему сосуду, поскольку скорость пламени значительно меньше скорости звука. Можно сказать, что горение в каждый момент идет в тонком слое: фронт пламени имеет конечную толщину. Реагирует один слой за другим. В отличие от хим реакции, протекающей во всем объеме одинаково в каждый момент времени, такое горение можно назвать послойным. Из-за послойного горения в закрытых сосудах возникает неоднородное состояние продуктов горения. Явление это связано с тем, что конечная (после горения) величина температуры элементарного объема, заполненного продуктами горения, зависит не только от конечного давления в сосуде, но и от того давления, при котором произошло сгорание данного объема. Температура газа меняется в силу двух причин: из-за тепловыделения при хим превращении и из-за адиабатического сжатия в силу общего роста давления. В общем случае произвольных объем газа, сгорающий в какой-то промежуточный момент времени (между нач и концом процесса) сперва сжимается до реакции, затем реагирует и нагревается и далее снова сжимается (уже находясь в состоянии продуктов горения) в ходе дальнейшего повышения давления. Элемент объема газа, который сгорел в начале процесса недалеко от источника поджигания, принимает температуру продуктов горения при том давлении, при котором он сгорел, а затем его температура растет из-за поджатия соседними элементами газа, причем сжатие осуществляется от давления сгорания до конечного давления, достигаемого после полного завершения горения. Напротив, элемент объема газа, сгоревший к концу процесса, сначала сжимался, но после горения не испытывает дополнительного сжатия и не изменяет свою температуру; поэтому его темп определяется только теплотой горения и исходным состояние горючего газа. В результате выгорания всей горючей смеси в закрытом сосуде разные объемы газа имеют различную температуру: более высокую – сгоревшие первыми и затем адиабатически сжатые до конечной температуры и низкую – сгоревшие последними после предварительного поджатия. Эффект неравномерности носит название эффекта Махе.

23. ПРЕДЕЛЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ГОРЕНИЯ. ПРИЧИНЫ СУЩЕСТВОВАНИЯ ПРЕДЕЛОВ.

Из опыта известно, что в горючих смесях, сильно разбавленных инертными газами, пламя не распространяется. На первый взгляд кажется, что этот факт противоречит теории, в которой показывается, что Un ~ ехр (—E/2RTb), и поэтому разбавление смеси должно приводить только к уменьшению скорости пламени, но не к прекращению горения вообще. На опыте, однако, этого не наблюдается — горючие смеси горят лишь в том случае, если содержание горючего и окислителя достаточно для горения со скоростью не менее нескольких сантиметров в секунду.

По мере разбавления Un падает до некоторого минимального значения, и при дальнейшем разбавлении горение становится невозможным. Это обстоятельство использовалось в качестве одной из главных предпосылок в старых теориях горения, основанных на представлении о существовании фиксированной температуры воспламенения Ti. Концентрационные пределы распространения пламени в этих теориях казались очевидными: если в результате разбавления смеси температура горения Тb оказывается ниже Тi, то горение газа оказывается невозможным. Однако расчет скорости пламени по этим теориям приводит к выводу о том, что скорость пламени должна по мере разбавления, т. е. по мере понижения Тb, плавно уменьшаться, доходя до нуля при Тb=Тi что противоречит экспериментальным фактам.

Распределение температуры во фронте пламени при наличии теплопотерь в окружающую среду Пунктиром показано распределение температуры в отсутствие тепло – потерь

На самом деле пределы горения обусловлены тепловыми потерями в окружающую среду и на излучение. Часть тепла отдается теплопроводностью через стенки трубы. Теплопотери имеют место главным образом в зоне подогрева и в области продуктов горения. Охлаждение приводит к снижению температуры при удалении от зоны реакции и появлению соответствующего продольного (в направлении, обратном распространению пламени) потока тепла (рис. 1.32). Отвод тепла из зоны реакции к продуктам горения зависит от скорости их охлаждения.

По этим причинам температура пламени Т’b в реальных условиях сжигания горючей смеси, оказывается меньше адиабатической температуры горения Тb, вычисляемой по (4. 24), и соответственно скорость распространения пламени при наличии тепловых потерь U’n меньше нормальной скорости Un, отвечающей термодинамической температуре Тb.

Но тепловые потери теплопроводностью в стенки и потери излучением, правда, в меньшей степени, сами зависят от скорости распространения пламени.

распространение пламени возможно лишь в таких смесях, температура горения которых отличается от адиабатической на величину, меньшую, чем RTb/E. При разбавлении смеси, приводящем к Т’b, меньшим, чем Т’b„ распространение пламени невозможно.

Рекомендуемые страницы: