что такое турбулентное горение
Турбулентное горение
Турбулентное горение – горение в турбулентных потоках смеси горючего с воздухом (кислородом), характеризующееся неупорядоченным, пульсирующим движением малых объёмов таких смесей. Смешение компонентов при турбулентном горении происходит более интенсивно, чем при ламинарном горении, вследствие чего скорость турбулентного горения превышает скорость ламинарного горения.
Турбулентное горение может быть вызвано автотурбулизацией пламени, заключающейся в том, что искривления фронта пламени самопроизвольно возрастают, плоская зона нормального горения перестаёт существовать, уступая место турбулентному пламени. Различают турбулентно диффузионное горение и турбулентное горение однородной горючей смеси. Первое – реализуется при сжигании предварительно неперемешенных газов в турбулентном потоке и широко используется в различных технических устройствах (промышленных печах, горелках, камерах сгорания газотурбинных двигателей и т.д.). Второе – реализуется при сжигании предварительно перемешенных газов или газовзвесей (смесей горючей пыли с газообразным окислителем) в турбулентном потоке и встречается в ряде технических устройств (двигателях внутреннего сгорания, форсажных камерах газотурбинных двигателей и т.д.).
Пожары в помещениях, зданиях и технологическом оборудовании, как правило, соответствуют турбулентному режиму горения.
Литература: Кузнецов В.Р., Сабельников В.А. Турбулентность и горение. М., 1986.
Туман – скопление продуктов с конденсацией в виде капель или кристаллов, взвешенных в воздухе непосредственно над поверхностью Земли, сопровождающееся значительным ухудшением видимости. Т. образуется в результате конденсации или сублимации водяного пара на аэрозольных (жидких или твёрдых) частицах, содержащихся в воздухе. Т. из водяных капель наблюдается, главным образом, при температурах воздуха выше – 20 °С.
Тушение газового фонтана – процесс организации подготовки и осуществления тушения факела газа над устьем скважины. Требует привлечения значительного количества сил и средств, поэтому все организационные и технические мероприятия по тушению и ликвидации фонтана осуществляются под руководством штаба в соответствии с Инструкцией по безопасному ведению работ при ликвидации открытых газовых и нефтяных фонтанов. Штаб по ликвидации пожара (аварии) создаётся приказом по объединению (управлению, министерству) и на него возлагается ответственность за состояние и результаты проведения работ. Ответственным руководителем этих работ (штаба) назначают представителя ведомства, на объекте которого произошёл пожар. Действия пожарных подразделений проводят с учётом решений штаба, в состав которого входит один из руководителей пожарной охраны территориального органа управления. Кроме пожарной создаются др. службы: транспортная, водоснабжения, строительная, медицинская, охраны места пожара, связи, подготовки, оборудования, снабжения и питания. Задачами пожарной службы являются: обеспечение водяной защиты людей, работающих на устье скважины, орошение фонтана и металлоконструкций, организация и тушение пожара. При организации тушения фонтанов большое значение придается проведению подготовительных работ, таких, как: создание расчётных запасов воды; расчистка места пожара от оборудования и металлоконструкций; развертывание средств тушения и подготовка площадок для боевых позиций сил и средств; осуществление мероприятий, связанных с отводом и сбором нефти после тушения, защита ближайших объектов, населённых пунктов и т.д. Если нет естественных или специальных водоисточников, создают искусственные водоёмы, запас воды которых должен обеспечивать бесперебойную работу подразделений в течение светлого времени суток с пополнением запаса воды. Как правило, общий объём воды составляет 2,5-5 тыс. м3. Поэтому для хранения данного запаса воды сооружаются специальные водоёмы. Они должны располагаться в безопасных местах, с двух противоположных сторон относительно устья скважины, перпендикулярно направлению господствующего ветра на расстоянии 150-200 м от устья, водоёмы должны иметь площадку на 10-15 автомобилей. Расчистка места пожара проводится в целях удаления из устья скважины конструкций и оборудования, препятствующих развёртыванию сил и средств. Кроме того, создаются безопасные условия ведения работ по ликвидации фонтана. Расчистка места пожара проводится под защитой водяных струй. При защите территории водяными струями выделяют 2 зоны: первая – территория и конструкции, на ней расположенные, контактируют с пламенем, а вторая – территория и конструкции, на ней расположенные, прилегают к первой зоне на расстоянии 10-15 м. Развёртывание сил и средств включает в себя устройство площадок для боевых позиций и пожарной техники, установку пожарной техники и прокладку рукавных линий к боевым позициям. Основными способами тушения фонтанов в зависимости от типа фонтана могут быть: закачка воды в скважину через устьевое оборудование; тушение струями автомобилей газоводяного тушения, водяными струями из лафетных стволов; взрывом заряда взрывчатых веществ, огнетушащими порошками, а также комбинированным способом.Литература: Рекомендации об особенностях ведения боевых действий и проведения первоочередных аварийно-спасательных работ, связанных с тушением пожаров на различных объектах. М., 2000; Повзик Я.С., Клюс П.П., Матвейкин А.М. Пожарная тактика. М., 1990.
ТУРБУЛЕНТНОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПЛАМЕНИ
Опыты показывают, что при переходе от нормального горения к турбулентному скорость распространения пламени и? резко увеличивается, соответственно увеличивается количество свежей смеси, реагирующей на единице осредненного фронта пламени в единицу времени.
Распространение ламинарного пламени в § 8-3 было представлено как непрерывный процесс прогрессирующего ускорения реакции при прохождении газа через узкую зону пламени в условиях параллельного переноса тепла теплопроводностью и диффузионного переноса продуктов горения, в том числе и активных центров, в свежую смесь и свежей смеси в зону горения.
В турбулентном пламени реакции развиваются в таких же условиях по температуре и составу реагирующего газа, как и в ламинарном пламени. Однако в турбулентном пламени химическая реакция ускоряется за счет турбулентной диффузии вещества и турбулентной теплопроводности. Кривые осредненных температур и концентраций имеют такой же характер, как и кривые температур и концентраций в ламинарном пламени. Так как процессы турбулентного переноса являются функцией числа Рейнольдса (Ие), то скорость турбулентного распространения пламени ((7Т) также зависит от величины Ие. Поэтому ит зависит от средней скорости потока в данной точке, она возрастает с увеличением скорости потока. Соответственно она также увеличивается при искусственном повышении степени турбулентности.
Фронт турбулентного пламени пульсирует (очерчен нерезко), сильно искривлен, имеет размытые контуры и значительную толщину, в результате чего его поверхность сильно развита.
Можно полагать, что размытый фронт турбулентного пламени образуется колебаниями различных точек более тонкой поверхности зоны воспламенения, перемещаемых вследствие пульсаций скорости.
Имеются две теории, объясняющие механизм турбулентного распространения пламени: теория фронтового или поверхностного горения и теория объемного горения.
Первая теория заключается в том, что под действием турбулентности фронт пламени искривляется, размывается, его поверхность сильно увеличивается, но структура зоны горения не нарушается, так как она очень тонка. Вследствие этого пламя распространяется с постоянной
Скоростью ламинарного горения по всей развитой поверхности, что предполагает следующую непосредственную связь между скоростями турбулентного и ламинарного горения. Скорость турбулентного распространения пламени относительно свежей смеси увеличивается пропорционально увеличению поверхности пламени, т. е.
Где /ч и /’л — собственно поверхность фронта турбулентного и ламинарного пламени.
Однако пользоваться соотношением (8-54) нельзя, так как определять Рт не представляется возможным.
Нормальное распространение пламени приводит к сокращению искривленной поверхности фронта пламени, а воздействие пульсации — к ее увеличению.
Механизм турбулентного распространения пламени и величина тт самовоспламенение в микрообъемах становится невозможным и в этих молях реакции затухают.
Таким образом, турбулентное горение представляет собой распространение пульсирующего самовоспламенения, т. е. взрывов микрообъемов, что и проявляется в характерном шуме турбулентного пламени.
Этот вывод подтвержден в опытах следующего рода.
Во-первых, в некоторых, например водородно-воздушных смесях, у которых с составом изменяется коэффициент молекулярного переноса, максимум ламинарной скорости соответствует составу смеси с избытком горючего, имеющему повышенную температуропроводность, тогда как максимальная скорость турбулентного горения соответствует смеси с максимальной температурой.
Во-вторых, установлено, что для различных метано-кислородных смесей с инертными (N2, Аг, Не) примесями, взятыми в таком количестве, чтобы обеспечить одинаковую температуру горения, турбулентная скорость остается одинаковой при значительном изменении ламинарной скорости.
Следовательно, изменение скорости турбулентного горения следует за изменением скорости реакции в пламени, определяемой главным образом температурой горения, а в разбавленных смесях и соотношением горючее — кислород, но никак не связано с изменением коэффициентов молекулярного переноса.
Опыты также показывают, что скорость турбулентного горения данной смеси растет линейно с интенсивностью турбулентности вплоть до пределов распространения пламени. Это означает, что при неизменном масштабе турбулентности скорость горения линейно зависит от коэффи-
10— 541 145
циента турбулентной диффузии £)т = /т^/, т. е. существенно отлична от зависимости (8-44). Отсюда следует, что по соображениям размерности для скорости турбулентного распространения пламени надо принять зависимость
Ит
ехр (—ЕЭ/ЯТГ) вместо зависимости для ламинарного пламени’
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:
ГОРЕНИЕ
ГОРЕНИЕ — совокупность одновременно протекающих физических процессов (плавление, испарение, ионизация) и химических реакций окисления горючего вещества и материала, сопровождающееся, как правило, световым и тепловым излучением и выделением дыма (см. ДЫМ ) [1].
ГОРЕНИЕ — сложный физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, характеризующийся самоускоряющимися превращениями исходных компонентов реакционноспособной смеси в продукты горения и сопровождающийся выделением большого количества тепла, дыма и света. Выделение тепла происходит непосредственно в зоне химической реакции превращения исходных компонентов горючей смеси в продукты горения [2].
Зона протекания химической реакции обычно локализована в сравнительно небольшой части пространства. Она может быть неподвижна, а может перемещаться в пространстве в зависимости от условий протекания процесса горения.
Горение происходит в два этапа:
1. Создание молекулярного контакта между молекулами горючего и окислителя (физический процесс).
2. Взаимодействие молекул с образованием продуктов реакции (химический процесс).
При этом второй этап наступает только при выполнении некоторых дополнительных условий. Молекулы должны находиться в особом энергетически или химически возбужденном состоянии и определенном количественном соотношении.
Горение является неравновесным процессом. При горении обязательно возникают неоднородности в составе молекул, их концентрации, неравномерности поля температур и скоростей потоков. В основе процесса горения лежат химические реакции окисления, то есть соединения исходных горючих веществ с кислородом.
При горении на пожарах (см. ПОЖАР) в качестве окислителя чаще всего выступает кислород воздуха, окружающий зону протекания химических реакций. В этом случае интенсивность горения определяется не скоростью протекания самих химических реакций, а скоростью поступления кислорода из окружающего пространства в зону горения, то есть непосредственно в зону протекания химических реакций.
Скорость протекания химических реакций горения значительно превосходит скорость таких физических процессов, как диффузия недостающих компонентов в зону реакции и передача тепла из зоны горения горючим веществам для подготовки их к химическому взаимодействию. Эти два процесса — диффузия и теплопередача — являются лимитирующими. Они определяют суммарную скорость горения, а, следовательно, и интенсивность процесса тепловыделения и образования продуктов горения. Поэтому считают, что процессы горения на пожаре развиваются в чисто диффузионной области и рассматривать их следует лишь с физической стороны.
ГЕТЕРОГЕННОЕ ГОРЕНИЕ — горение материалов в конденсированном (твердом или жидком) состоянии, когда реакции, определяющие развитие процесса горения, протекают в газовой фазе, а горючие компоненты поступают в эту фазу в результате испарения и разложения веществ и материалов.
ДИФФУЗИОННОЕ ГОРЕНИЕ — горение неперемешанных газо-, паровоздушных смесей с воздухом. Оно свойственно конденсированным горючим веществам — жидкостям и твердым материалам. Для диффузионного горения характерно наличие светящегося пламени. В зависимости от диаметра трубопровода, а также давления, при котором происходит истечение газов, диффузионное горение может быть ламинарным и турбулентным.
ЛАМИНАРНОЕ ГОРЕНИЕ — вид горения, характеризуемый газодинамически невозмущенным фронтом пламени, а также скоростью распространения пламени, не превышающей нескольких метров в секунду. Ламинарное горение зависит от теплообмена и других макрокинетических факторов. Процесс ламинарного горения заключается в передаче в свежую горючую смесь тепла и активных частиц, обеспечивающих распространение пламени. Скорость распространения пламени относительно свежей смеси, измеренная по нормали к фронту, называется нормальной скоростью распространения пламени [3].
ТУРБУЛЕНТНОЕ ГОРЕНИЕ — горение в турбулентных потоках смеси горючего с воздухом (кислородом), характеризующееся неупорядоченным, пульсирующим движением малых объемов таких смесей. Смешение компонентов при турбулентном горении происходит более интенсивно, чем при ламинарном горении, вследствие чего скорость турбулентного горения превышает скорость ламинарного горения.
Турбулентное горение, то есть горение смеси, течение которой является турбулентным, — это наиболее часто встречающийся в практических устройствах режим горения и одновременно наиболее сложный для изучения.
Турбулентное горение может быть вызвано автотурбулизацией пламени, заключающейся в том, что искривления фронта пламени самопроизвольно возрастают, плоская зона нормального горения перестает существовать, уступая место турбулентному пламени.
Различают турбулентнодиффузионное горение и турбулентное горение однородной горючей смеси. Первое — реализуется при сжигании предварительно не перемешанных газов в турбулентном потоке и широко используется в различных технически устройствах (промышленных печах, горелках, камерах сгорания газотурбинных двигателей и т. д.). Второе — реализуется при сжигании предварительно перемешанных газов или газовзвесей (смесей горючей пыли с газообразным окислителем) в турбулентном потоке и встречается в ряде технических устройств (двигателях внутреннего сгорания, форсажных камерах газотурбинных двигателей и т. д.) [4].
ВРЕМЯ ГОРЕНИЯ — длительность протекания процесса горения с момента зажигания горючего вещества (материала) до окончания пламенного горения или тления. Время горения регистрируется при испытаниях электрических изделий на пожарную опасность, служит в качестве показателя при определении предела огнестойкости строительных конструкций, а также критерием оценки допустимости изготовления различных изделий и их эксплуатации [5].
ВРЕМЯ ВЫГОРАНИЯ — время, в течение которого прекращается горение вещества (материала) в заданных условиях. Время выгорания зависит от:
— физико-химических свойств (теплоты сгорания, давления насыщенных паров, агрегатного состояния и пр.) вещества (материала) и его горючести;
— вида горения (гомогенного или гетерогенного) и скорости распространения пламени [5].
1. И.Н. Зверев, Н. Н. Смирнов. Газодинамика горения. — М.: Изд-во Моск. ун-та., 1987. — С. 165. — 307 с.
2. Теория горения и взрыва: конспект лекций / сост. П.П. Воднев. — Ульяновск: УВАУ ГА(И), 2010. — 180 с.
3. Теория горения и взрыва / Под ред. Ю.В. Фролова. М., 1981 г.
4. Баратов А.Н. Горение — Пожар — Взрыв — Безопасность. — М., 2003 г.
5. Кузнецов В.Р, Сабельников В.А. Турбулентность и горение. — М., 1986 г.