Un foc fără flacără Vântul bătea, zăpada cădea, trecătorii își grăbeau pasul. Dar șase sau șapte băieți țipau dezinteresat, înghesuindu-se pe trotuar lângă o casă mică de piatră: „Cât ai dat pentru asta?” „Trei ruble!” Era încântare și tandrețe în vocea băiatului roșu și cu chipul mare; El

Frontul spiritual al imperiului Frontul spiritual al imperiului Despre romanul lui Alexander Prokhanov „Omul stelelor” Mihail Kildyashov 25.07.2012

Față fără flancuri Față fără flancuri Yuri Kotenok 26.09.2012

În timpul unui proces de ardere staționară, poziția frontului de flăcări în flux rămâne neschimbată. Să luăm în considerare o reprezentare schematică a unei torțe cu flacără într-un flux amestec combustibil. Dacă viteza W ar fi zero, atunci am avea o flacără sferică răspândită cu o sursă punctiformă în centru. Cu toate acestea, fluxul sufla flacăra în direcția mișcării ei și, în același timp, flacăra se deplasează spre fluxul de amestec combustibil proaspăt cu o viteză U n.

Fig.3.4. Schema unui front de flacără staționar

Ca urmare, apare un echilibru în care frontul de flacără ia o poziție staționară, iar fluxul aduce porțiuni proaspete ale amestecului combustibil în zona de ardere.

Luați în considerare elementul frontului de flăcări. Viteza curgerii W poate fi descompusă în componente normale și tangenţiale W n şi W τ , care tind să măture frontul de ardere. În direcția normalului n - n, viteza este echilibrată de viteza normală de propagare a flăcării +U n.

Evident, dacă viteza W se modifică, atunci frontul de flăcări va lua o nouă poziție și se va stabili la un unghi α la care proiecția vitezei pe normala n - n va deveni egală cu viteza normală de ardere U n. În acest caz, viteza U n în sine pentru un amestec dat, desigur, este o valoare constantă (Fig. 3.5). Astfel, obținem prima condiție pentru existența unui front de flacără staționar

│ U n │=│W│cos α (3.2)

Această expresie a fost stabilită în 1890 de către fizicianul rus V.A. Michelson și se numește „legea lui Michelson” sau „legea cosinusului”. Conform acestei legi, proiecția vitezei curgerii care se apropie pe normala la suprafața unui front de flăcări staționare este întotdeauna egală cu viteza normală de ardere.

W">W W">W α">α

Fig.3.5. Poziția unui front de flacără staționar în fluxuri cu viteze diferite

Având în vedere secțiunea frontală adiacentă sursei de aprindere, devine clar că altele noi nu vor veni să înlocuiască particulele de ardere care sunt transportate dacă sursa nu mai funcționează. Compensarea antrenării flăcării în direcția tangențială este realizată de o sursă de aprindere care funcționează constant a unui front de flăcări staționare.

Astfel, există două condiții necesare și suficiente pentru existența unui front de flacără staționar într-un flux de amestec combustibil:

1. Egalitatea proiecției vitezei de propagare a flăcării pe componenta normală și normală față de frontul flăcării față de viteza
curgere.

2. Disponibilitatea unei surse permanente de aprindere
cu suficientă intensitate.

Evident, dacă W τ = 0, atunci frontul de flăcări este perpendicular pe flux și a doua condiție dispare.

O ilustrare bună a locației unui front de flăcări laminare într-un flux este flacăra unui arzător Bunsen. Designul arzătorului asigură amestecarea preliminară a combustibilului și a oxidantului, adică a combustibilului cu aer. Când amestecul este aprins, flacăra, răspândindu-se prin el, tinde să intre în arzător, dar acest lucru este împiedicat de fluxul care vine din sens opus. Ca urmare, se stabilește un echilibru dinamic stabil, iar frontul staționar de flăcări ia o formă în care în fiecare punct componenta vitezei normală față de front este egală cu viteza de propagare a flăcării într-un amestec dintr-o compoziție dată în condiții date.

Unul dintre primii cercetători ai acestei probleme, Mallard și Le Chatalier au numit zona de ardere un „con albastru”, pe suprafața căruia legea lui Michelson este îndeplinită în fiecare punct.

Mecanismul de stabilizare a flăcării într-un arzător Bunsen este ilustrat în Fig. 3.6.

Fig.3.6. Diagrama formării frontului flăcării într-un arzător Bunsen

Amplasarea geometrică a punctelor de stabilizare C formează un inel situat la o anumită distanță de ieșirea duzei arzătorului. Într-un amestec staționar, după aprindere, flacăra din punctele C va începe să se extindă sferic și fronturile de flacără se vor închide în punctul B pe axa curgerii.

Pe măsură ce amestecul se mișcă, fiecare punct al frontului de flacără este purtat de flux simultan cu expansiunea sferelor și, ca urmare, se formează un front de flacără conic cu vârful său în punctul B de contact al sferelor.

La valori constante ale vitezei în secțiunea de evacuare a arzătorului și U n, frontul de flacără trebuie să aibă forma conică corectă. Totuși, datorită creșterii U n la vârful flăcării datorită încălzirii amestecului și scăderii acestuia în apropierea pereților reci de la baza conului, flacăra are o rotunjire. Dacă amestecul combustibil are α ≤1, atunci nu există suficient oxigen în amestec pentru arderea sa completă, iar combustibilul rămas arde într-un front secundar de flacără de difuzie în aerul înconjurător. Frontul de difuzie a flăcării are o culoare galbenă caracteristică.

Metoda arzătoarelor Bunsen este una dintre cele mai comune pentru determinarea ratei normale de ardere.

O modificare a formei flăcării afectează în mod semnificativ natura arderii, deoarece este asociată cu o modificare a suprafeței frontale. Dimensiunea suprafeței flăcării este principalul factor care determină viteza de ardere a unui sistem cu o anumită compoziție. Aceasta rezultă din faptul că toate secțiunile flăcării, indiferent de forma lor, sunt echivalente cu condiția ca raza de curbură a flăcării să fie mult mai mare decât lățimea frontului acesteia, adică. în toate cazurile practic importante. Odată cu creșterea suprafeței flăcării, procesul de ardere se intensifică, iar cantitatea totală de substanță arsă pe unitatea de timp crește. O modificare a formei flăcării este de obicei asociată cu deplasarea gazului în apropierea zonei de ardere, turbulizarea acesteia; în acest caz, frontul de flacără se sparge într-un număr de focare mici și suprafața sa totală crește. Această caracteristică este utilizată, de exemplu, pentru a intensifica procesul de ardere prin turbulizarea artificială a gazului ars.

Să luăm în considerare ce formă capătă spontan o flacără atunci când se răspândește printr-un mediu inflamabil staționar în absența forțelor externe care acționează asupra ei - perturbări. Deoarece mediul este omogen, toate direcțiile sunt egale și viteza flăcării de-a lungul lor este aceeași. În acest caz, frontul de flăcări care se propagă dintr-o sursă punctiformă va avea forma unei suprafețe sferice cu rază în continuă creștere. Când o flacără sferică se propagă, expansiunea gazului duce la faptul că mediul original nearse va fi împins la periferie. Cu toate acestea, gazul nu se turbulizează, vitezele de mișcare atât a gazului, cât și a flăcării sunt aceleași în toate direcțiile, forma flăcării, iar la presiune constantă, viteza acesteia rămâne neschimbată.

Un alt mod caracteristic de propagare a unei flăcări netulburate apare atunci când un mediu inflamabil este aprins printr-un impuls punct similar la capătul deschis al unei conducte lungi. Flacăra rezultată va fi inițial sferică până când atinge pereții țevii (Fig. 1.1).

Deoarece propagarea flăcării se oprește în apropierea pereților, flacăra ia forma suprafeței exterioare a unui segment sferic, limitat de secțiunea transversală a conductei. Pe măsură ce flacăra se îndepărtează de punctul de aprindere și raza ei de curbură crește, ea devine din ce în ce mai plată, coincidând la limita cu secțiunea transversală a țevii.

Orez. 1.1.

Considerațiile de mai sus au făcut posibil să se stabilească că atunci când o flacără se propagă în absența perturbațiilor externe, două forme de flacără sunt stabile: sferică pentru un spațiu nelimitat (problema tridimensională) și plană pentru o țeavă infinită (problema unidimensională) . Forma oricărei flăcări, oricare ar fi ea la început, se va apropia de aceste două tipuri în limită.

Arderea normală

În absența perturbărilor procesului de ardere, forma pe care o ia frontul de flăcări în timpul propagării sale poate fi determinată pe baza următoarelor considerații. Fiecare punct de pe suprafața flăcării poate fi considerat un impuls independent de aprindere, în jurul căruia se creează un nou front elementar de flacără. După o anumită perioadă scurtă de timp, ca urmare a suprapunerii unor astfel de fronturi elementare, se formează un nou front total de flacără, care coincide cu anvelopa tuturor fronturilor sferice elementare generate de-a lungul frontului inițial.

Vom presupune că secțiunea de flacără luată în considerare este plană AB(Fig. 1.2); cu o formă de flacără arbitrară, orice porțiune suficient de mică a acesteia poate fi, de asemenea, considerată plată. Aplicarea principiului de construcție descris conduce la concluzia că noua poziție a flăcării A"B" va fi paralel cu cel original. Extinzând același principiu la mișcarea unui front de flăcări de formă arbitrară, ajungem la concluzia că mișcarea unei flăcări netulburate are loc în fiecare punct al frontului de-a lungul normalului la suprafața sa. Prin urmare, o astfel de ardere se numește normală (sau deflagrație). Viteza unei flăcări care se deplasează printr-un mediu inflamabil staționar de-a lungul normalului la suprafața sa se numește viteza normală a flăcării. U n.

Orez. 1.2.

Magnitudinea U n este principala caracteristică a unui mediu inflamabil. Aceasta este viteza minimă la care o flacără se poate răspândi printr-un mediu dat; corespunde formei plate a flăcării. Magnitudinea U n, caracterizează nu numai viteza de ardere liniară, ci și volumetrică, determinând volumul mediului inflamabil transformat în produși de reacție pe unitatea de timp pe unitatea de suprafață a flăcării. În consecință, dimensiunea U n, poate fi exprimat ca cm/s sau cm3/(cm2-s).

Magnitudinea U n, depinde puternic de compoziția mediului inflamabil. Pe lângă specificul chimic al componentelor care reacţionează, viteza flăcării este influenţată semnificativ de raportul dintre conţinutul de combustibil şi de oxidant şi de concentraţia componentelor inerte. Modificările temperaturii inițiale ale mediului inflamabil și ale presiunii totale au un efect mai slab. Mai jos sunt valorile maxime U n din unele amestecuri inflamabile în condiții normale (în m/s):

• С2Н2 + O2 – 15,4;
• H2 + O2; - 13;
• H2 + C12 – 2,2;
• CO + O2 + 3,3% H2O- 1,1;
• H2 + aer – 2,7;
• CO + aer + 2,5% H2O – 0,45;
• hidrocarburi saturate + aer – 0,32–0,40.

Expansiunea gazului atunci când este încălzit în timpul procesului de ardere duce la faptul că mișcarea gazului are loc întotdeauna în apropierea frontului de flăcări, chiar dacă inițial a fost staționar. Următoarele considerații explică modul în care afectează căldura

expansiunea gazului și turbulizarea acestuia prin perturbații externe pe parcursul arderii adiabatice. Când gazul arde în interiorul unei țevi lungi deschise, o flacără plată care coincide cu secțiunea transversală a țevii va rămâne nemișcată dacă mediul inflamabil este suflat în țeavă la o viteză în secțiune transversală constantă egală cu U n. Produsele de ardere curg din celălalt capăt al conductei.

Să notăm cu p densitatea gazului, cu indicele 0 valorile care caracterizează mediul inflamabil inițial și cu indicele b– produse de ardere. Deoarece gazul se extinde în timpul arderii, viteza produșilor de reacție care părăsesc flacăra U b , >U n. Pentru fiecare 1 cm2 de suprafață a flăcării fluxul aduce în fiecare secundă U n cm3 de mediu inflamabil, a cărui masă este egală cu U n r o. Volumul produselor de reacție care se îndepărtează de aceeași zonă a flăcării este egal cu Ub, iar masa este Ubrb. Masele gazului inițial și ale produselor de reacție sunt egale, ceea ce înseamnă că

Unro=Ubrb. (1*1)

Ecuația (1.1) exprimă legea conservării materiei pentru procesul de ardere.

Am stabilit că chiar și cu o formă de față plată, flacăra poate avea diferite viteze: Un sau U b în funcție de ce mediu este staționar. Rapoartele de viteză în gazul de ardere sunt ilustrate de diagrama prezentată în Fig. 1.3.

Orez. 13.

U n – viteza normală a flăcării; U b este viteza produșilor de reacție care părăsesc flacăra; T 0 – temperatura initiala a mediului initial; T b – temperatura produșilor de reacție; r0, rb – densitățile gazului inițial și ale produșilor de reacție

Într-o situație 1 flacăra este nemișcată; mediul inflamabil care curge în conductă se deplasează spre dreapta cu o viteză U n ; în aceeași direcție, dar cu viteză U b produsele de ardere se deplasează. Dacă mediul inflamabil este nemișcat (situația 2), ceea ce are loc în timpul arderii într-o țeavă închisă la un capăt, atunci flacăra se deplasează de-a lungul acesteia cu o viteză U n, iar produșii de reacție curg în direcția opusă cu o viteză U b – U n. Într-o situație 3 atunci când sunt aprinse la capătul închis al conductei, produsele de ardere sunt nemișcate. În acest caz, flacăra se mișcă cu o viteză U b în raport cu pereții conductei (și gazul ars); în aceeași direcție cu viteză U b -U n gazul de ardere se deplasează, deplasat din conductă de produșii de reacție în expansiune. Viteza flăcării în raport cu produsele de ardere este mult mai mare decât în ​​raport cu gazul sursă - r0/rb ori.

Magnitudinea G=U r, numită viteza de ardere a masei, determină masa substanței arsă pe unitatea de timp pe o unitate de suprafață a flăcării. Desigur, este același lucru atât pentru mediul inițial, cât și pentru cel final, precum și în toate zonele intermediare.

Să luăm în considerare condițiile de ardere într-un front de flacără de formă arbitrară situat nemișcat în fluxul de gaz de ardere (într-o conductă).

Flacăra este nemișcată în cazul în care cantitatea de gaz care arde este exact compensată de cantitatea de gaz care intră. Dacă suprafaţa flăcării este F, atunci volumul total de gaz ars pe unitatea de timp este egal cu U T F. Aceeași viteză volumetrică poate fi definită în alt mod: ca produs W.S. Unde W – medie (pe secțiunea transversală a curgerii) viteza liniară gaz; S– secțiunea transversală a fluxului. Din egalitatea ambelor măreții rezultă:

Acest rezultat este valabil și pentru un mediu inflamabil staționar, deci w– viteza de deplasare a unei flăcări curbe de-a lungul acesteia. Această viteză este de atâtea ori mai mare decât viteza normală a flăcării, de câte ori suprafața flăcării este mai mare secțiune transversală curgere. Pe măsură ce o flacără plată se îndoaie și suprafața ei crește, viteza flăcării crește în consecință. Ecuația (1.2), numită de obicei legea zonelor, exprimă o trăsătură fundamentală a procesului de ardere: odată cu creșterea suprafeței flăcării, arderea se intensifică, iar limita unei astfel de intensificări este cauzată doar de caracteristicile gazodinamice descrise mai jos.

Curbura suprafeței flăcării este o consecință a turbulizării gazului de ardere, spontană sau forțată.

Dacă gazul de ardere este puternic turbulizat și mici zone elementare ale mediului rece inflamabil sunt în mare parte amestecate cu produse fierbinți de ardere, atunci flacăra nu mai poate fi considerată ca o suprafață care separă cele două medii. Apare o zonă difuză turbulentă în care rata totală de transformare chimică este mare, ceea ce se datorează suprafeței extrem de dezvoltate a flăcării.

Modurile de ardere cu flagrație pentru un mediu cu o compoziție dată diferă numai prin viteza de propagare a flăcării la diferite grade de dezvoltare a suprafeței sale. Această împrejurare este esențială pentru clarificarea convențiilor terminologiei utilizate frecvent. Conceptul de „explozie” în legătură cu propagarea flăcării nu poate fi caracterizat altfel decât o ardere destul de rapidă într-un mediu foarte turbulent, cu o viteză a flăcării de ordinul a zece până la o sută de metri pe secundă. Arderea „lentă” diferă de „explozie” doar prin gradul de dezvoltare a suprafeței flăcării. Alte tipuri de propagare a flăcării, de exemplu, caracterizate prin termenii „flash” și „clap”, nu se pot distinge în mod fundamental de cei descriși. Numai când viteza flăcării se apropie de viteza sunetului într-un mediu inflamabil, procesul de ardere capătă un caracter nou, calitativ special.

Perturbații care îndoaie o flacără plată sau sferică apar întotdeauna, chiar și în absența mișcării forțate a gazului; sunt cauzate de gravitație și frecare. Primul duce la apariția fluxurilor convective cauzate de diferențele de densități ale mediului combustibil și ale produselor de ardere, al doilea se manifestă atunci când gazul care arde în conductă se mișcă și este încetinit de pereți. Este convenabil să urmăriți efectul perturbărilor asupra legilor arderii într-o țeavă lungă plasată vertical, deschisă la un capăt. Dacă aprindeți un mediu inflamabil la capătul inferior, deschis al țevii (Fig. 1.4, A), atunci se creează condiții favorabile desfășurării fluxurilor convective, întrucât gazul sursă nears, care are o densitate mare, este situat deasupra produselor ușoare de ardere. Flacăra tinde să se întindă de-a lungul axei țevii. Când este aprinsă la capătul superior, închis al țevii (Fig. 1.4, b), nu apar fluxuri convective, dar zona de ardere este intens turbulizată de forțele de frecare. Gazul care arde și se extinde curge din conductă. Debitul mediului inflamabil, sub influența vâscozității, se modifică de-a lungul secțiunii transversale a conductei, este maxim de-a lungul axei și egal cu zero la pereți (Fig. 1.5).

Orez. 1.4.

Fața flăcării se îndoaie în consecință. La aprindere, capătul superior deschis este aspru (Fig. 1.4, V) posibilitatea de turbulizare a zonei de ardere este minimă: produsele de ardere se află deasupra gazului de ardere, iar gazul rece este nemișcat. Cu toate acestea, pe măsură ce flacăra se îndepărtează de marginea țevii, forța de frecare crește, iar turbulența se răspândește la gazul care arde.

Dacă arderea nu este însoțită de pierderi de căldură, de ex. decurge adiabatic, rezerva de energie chimică a sistemului combustibil este complet transformată în energie termică a produselor de reacție. Deoarece temperatura flăcării este ridicată, vitezele reacțiilor care au loc în ea sunt mari și se poate stabili rapid o stare de echilibru termodinamic. Temperatura produselor de ardere adiabatică nu depinde de vitezele de reacție în flacără, ci depinde doar de efectul termic total și de capacitățile termice ale produselor finite. Această temperatură se numește temperatura de ardere termodinamică T b. Magnitudinea T b – cea mai importantă caracteristică a unui mediu inflamabil; pentru mediile inflamabile comune, are valori de 1500–3000 K. În cele ce urmează, luăm în considerare în detaliu în ce măsură ipotezele făcute corespund realității și ce semnificație are regimul de ardere termică pentru problemele tehnologiei de siguranță la explozie. Într-un proces adiabatic și starea de echilibru a produselor de ardere T b – temperatura maximă atinsă în flacără. Temperatura reală a produșilor de reacție de echilibru este mai scăzută atunci când apar pierderi de căldură din gazul de ardere. Problema pierderilor de căldură, după cum se poate observa din cele ce urmează, este de o importanță decisivă pentru rezolvarea problemelor de asigurare a siguranței la explozie. În timpul propagării staționare a flăcării, are loc un transfer intens de căldură prin conducție în mediul combustibil inițial rece. Cu toate acestea, acest proces nu este asociat cu pierderile de căldură din zona de ardere. Îndepărtarea căldurii din fiecare strat de gaz ardent către cel adiacent, care încă nu a reacționat, este compensată exact de furnizarea echivalentă de căldură către același strat în etapa anterioară, când el însuși era rece. Încălzirea nestaționară, necompensată are loc în momentul inițial când mediul inflamabil este aprins de impulsul inițial. Cu toate acestea, pe măsură ce flacăra se îndepărtează de punctul de aprindere, această cantitate suplimentară de căldură este distribuită într-o cantitate din ce în ce mai mare de produse de ardere, iar rolul ei în încălzirea suplimentară scade continuu.

Orez. 1.5.

Din cele de mai sus rezultă că în timpul arderii este posibilă pierderea de căldură ca urmare a radiației gazului încălzit și atunci când acesta vine în contact cu o suprafață solidă. Rolul eliminării căldurii prin radiație este discutat în discuția următoare, dar deocamdată vom presupune că astfel de pierderi sunt neglijabile pentru zona al cărei regim termic determină viteza flăcării. Răcirea prin conducerea produselor de ardere atunci când aceștia vin în contact cu pereții vaselor și aparatelor are loc foarte intens, ceea ce se datorează diferenței mari de temperatură dintre pereți și gaz. Prin urmare, după ce arderea este finalizată în vase de dimensiuni comune, răcirea semnificativă a produselor de ardere din acestea este finalizată în mai puțin de 1 s.

Răcirea gazului care arde de pereți este, de asemenea, esențială pentru sarcinile noastre. Deoarece disiparea căldurii în pereți începe numai după ce sunt atinși de flacără, astfel de pierderi depind puternic de forma și dimensiunea vasului în care are loc reacția și de poziția punctului de aprindere. În timpul arderii într-un vas sferic și aprinderii centrale, pierderile de căldură prin conducție apar numai după terminarea arderii.

Temperatura de ardere este determinată de legea conservării energiei în timpul tranziției adiabatice a energiei chimice a mediului combustibil în energia termică a produselor de ardere. Este evident că componentele amestecului combustibil nu sunt echivalente. Rezerva de energie chimică este determinată de conținutul de componentă lipsă conform rapoartelor stoichiometrice, care se consumă complet în timpul reacției. O parte din cealaltă componentă, excesul, rămâne nereacționată în timpul interacțiunii. Este egal cu diferența dintre conținutul inițial al componentului în exces și cantitatea necesară pentru a lega complet componenta lipsă. Dacă creșteți conținutul de componentă lipsă datorită conținutului unei componente inerte care nu participă la reacție, atunci rezerva molară de energie chimică a amestecului combustibil va crește. O astfel de înlocuire a componentei în exces lasă energia chimică neschimbată.

Să explicăm aproximativ cum este implementată legea conservării energiei în timpul arderii. Rezerva de energie chimică a sistemului combustibil va fi considerată egală cu π1Q), unde π1 este concentrația componentului lipsă; Q– efectul termic al arderii acestuia. Căldura de reacție este cheltuită pentru încălzirea tuturor componentelor amestecului: produsele de reacție rezultate, componentele în exces și inerte. Dacă CU este capacitatea termică medie a cantității de produse de ardere care s-a format din 1 mol din amestecul inițial, apoi creșterea rezervei fizice de căldură este egală cu CU(T b – T 0), unde T 0 – temperatura initiala a mediului inflamabil. După condiţia adiabacităţii

Calculul precis al stării produselor de ardere adiabatică este mult mai dificil.

În arderea adiabatică, temperatura de ardere determină densitatea produselor finite și, prin urmare, relația dintre vitezele flăcării U n și U b. Este necesar să se țină cont de faptul că în urma reacției numărul de molecule pe unitatea de masă s-a modificat cu P o singura data. Conform legilor gazelor ideale

Sens Pîn procesele de ardere este în mare parte aproape de unitate. Astfel, în timpul transformării amestecului stoechiometric 2CO + O2 (combustie în 2CO2) P= 2/3, pentru un amestec similar de CH4 + 2O2 (combustie la CO2 + 2H2O) n = 1, etc. În timpul arderii amestecurilor cu compoziție nestoichiometrică și amestecurilor care conțin componente inerte, numărul total de molecule (ținând cont de conținutul componentelor care nu participă la reacție) se modifică și mai puțin.

În timpul arderii adiabatice, temperatura gazului crește de 5-10 ori. Dacă în timpul arderii presiunea rămâne constantă și gazul se extinde liber și n= 1, atunci densitatea sa se modifică cu aceeași cantitate și același raport U b la viteza normală a flăcării. Dacă arderea adiabatică are loc fără expansiune a gazului, într-un vas închis, atunci presiunea crește aproximativ în aceeași măsură. Aceasta determină efectul distructiv al arderii rapide într-un vas închis.

Conceptul de „combustie” nu poate fi formulat fără ambiguitate. Vom numi arderea o transformare chimică rapidă auto-accelerată, însoțită de eliberare intensă de căldură și emisie de lumină. În consecință, vom numi o flacără (fierbinte) un mediu gazos în care o reacție chimică intensă duce la strălucire, generare de căldură și auto-încălzire semnificativă.

Astfel de definiții sunt convenabile, dar nu complet clare și universale. Este dificil de identificat exact ce reacție este suficient de rapidă pentru a fi considerată ardere. Conceptul de explozie este și mai puțin clar. În viitor, ne vom familiariza cu existența flăcărilor reci, în care o reacție chimică este însoțită de o strălucire, dar se desfășoară cu o viteză moderată și fără încălzire vizibilă.

Potrivit lui D.L. Frank-Kamenetsky, „combustia este apariția unei reacții chimice în condiții de auto-accelerare progresivă asociată cu acumularea de căldură sau de produse de reacție de catalizare în sistem”. Aici este evidentă dorința de a acoperi fenomenele de dezvoltare atât termică, cât și autocatalitică a reacției. Totuși, o astfel de generalizare duce la faptul că această definiție include fenomene care nu pot fi în niciun fel clasificate drept procese de ardere. Acestea vor include reacții fără flacără în fazele gazoase și lichide, însoțite de autoaccelerare limitată, dar care nu se transformă într-o explozie termică sau explozivă atunci când viteza de reacție atinge un maxim moderat sau are loc stropirea componentelor unui mediu inflamabil eterogen.

Ar fi inacceptabil să se limiteze procesele de ardere la condiția completă a reacției, deoarece în multe procese cu siguranță explozive reacția rămâne incompletă.

Dificultățile în definirea arderii sunt recunoscute de B. Lewis și G. Elbe: „Conceptele de ardere, flacără și explozie, deși destul de flexibile, sunt încă folosite oarecum arbitrar”.

Complicațiile în determinarea arderii reflectă lipsa granițelor ascuțite în complexul de fenomene fizico-chimice specifice arderii. Autoaccelerarea reacției, autoîncălzirea, acumularea de produși activi, radiațiile de diferite intensități și lungimi de undă există atât în ​​procese legate, cât și fără legătură cu categoria de ardere; diferența se dovedește a fi doar cantitativă. Din acest motiv, orice definiție a arderii va fi inexactă sau incompletă.

Ideile dezvoltate sugerează că pentru a avea loc un proces de tip combustie trebuie îndeplinite doar două condiții: această reacție trebuie să fie exotermă și trebuie să accelereze odată cu creșterea temperaturii. Acesta din urmă este tipic pentru majoritatea procese chimice, prin urmare, s-ar părea că orice reacție exotermă se poate dezvolta în modul de ardere. Din cele ce urmează rezultă că pentru existența unei arderi stabile este necesar să se îndeplinească unul mai important condiție suplimentară asociat cu propagarea frontului de flacara intr-o conducta orizontala.

Unele caracteristici ale cursului unei reacții exoterme diferă atunci când aceasta are loc într-o țeavă. Când un mediu inflamabil este aprins de la capătul deschis, flacăra capătă o formă specifică, alungită și înclinată înainte (Fig. 1.6).

Orez. 1.6.

1 – limita de contact a flăcării; 2 – limita frontală a imaginii flăcării (intersecția frontului și planul de simetrie); M– punctul de viteza maximă a gazului

Pe o anumită porțiune a traseului după inițiere, arderea continuă staționară, cu viteza constanta. Pe măsură ce raportul crește h/d, Unde h– înălțimea coloanei de produse de ardere, în limita – lungimea conductei; d– diametrul țevii, forțele de frecare ale gazului față de pereți cresc atât de mult încât provoacă turbulizarea progresivă a gazului în zona de ardere și accelerarea instabilă a flăcării în conformitate cu legea zonelor.

Forma oblică a flăcării într-o țeavă orizontală se datorează diferenței mari de densități ale mediului sursă și ale produselor de ardere. Frontul de flacără este interfața dintre aceste două medii. Pentru a explica consecințele diferențelor în densitățile lor, folosim următoarea analogie. Într-o țeavă orizontală (Fig. 1.7, A) există două lichide nemiscibile de densități diferite, de exemplu, mercur (dreapta) și apă (stânga), separate printr-un compartiment vertical. Dacă partiția este îndepărtată, diferența de densitate provoacă mișcarea lichidelor: mercurul greu va curge în stânga și în jos, apa va fi situată deasupra mercurului, deplasându-se spre dreapta și în sus. Interfața va fi înclinată înainte, suprafața sa crește continuu (Fig. 1.7, b). Fluxuri similare apar în timpul arderii gazului, dar transformarea unui mediu inflamabil greu în produse de reacție ușoare împiedică creșterea nelimitată a suprafeței flăcării, a cărei dimensiune și formă devin staționare. Abaterea secțiunii superioare a frontului de flăcări către produsele de ardere se datorează decelerării gazului din apropierea peretelui sub influența frecării.

Orez. 1.7.

A– înainte de îndepărtarea septului; b– după îndepărtarea septului

Forma unei flăcări staționare (într-o zonă de propagare uniformă) este determinată de relația dintre viteza normală a flăcării și viteza de mișcare a gazului în secțiunile corespunzătoare ale frontului. Să luăm în considerare aceste relații pentru punctul cel mai avansat al frontului M(vezi fig. 1.6), unde flacăra este normală cu axa conductei și, prin urmare, cu direcția de mișcare a întregului front. Viteza totală a flăcării de-a lungul axei conductei U f la punct M constă și în viteza flăcării în raport cu gazul U n și componenta vitezei de deplasare a gazului însuși în aceeași direcție W M :

Pentru orice secțiune mică de flacără înclinată AB(Fig. 1.8), formând un unghi cu axa conductei, flacăra se deplasează prin gaz de-a lungul normalului spre AB cu viteza U n (la poziție A"B") este în mod evident asociat cu deplasarea elementului de flacără de-a lungul axei conductei la o viteză U n / sinβ. Viteza totală de mișcare a elementului de flacără de-a lungul axei țevii este aceeași cu cea a punctului M, constă din viteza de ardere însăși în această direcție și componenta vitezei de curgere a gazului W. Deoarece forma flăcării este staționară, aceasta înseamnă că vitezele tuturor elementelor sale sunt egale:

(1.6)

În fiecare punct al flăcării, panta acesteia este determinată de valoarea locală a componentei vitezei curgerii gazului de-a lungul axei. Deoarece U n/sinβ > U n ,W M >W, viteza gazului este maximă într-un punct M. Magnitudinea W scade lângă pereți și chiar devine negativ (unde mediul inflamabil „se scurge” sub stratul de produse de ardere). Suprafața flăcării AB, deplasarea la fundul conductei, este înlocuită cu una nouă generată la punctul de aprindere M.

Orez. 1.8.

CU Prin creșterea diametrului conductei, convecția gazului care arde crește, în timp ce viteza totală a flăcării crește aproximativ proporțional cu rădăcina pătrată a d. Pe măsură ce viteza normală a flăcării crește, la fel crește U gras d= const), mai lent decât U n. La o anumită valoare U n există o tranziție bruscă a formei flăcării de la oblică la semisferică.

Un mod de ardere staționar într-un flux este adesea întâlnit atunci când se utilizează un arzător Bunsen. Acest dispozitiv aparent cel mai simplu este un tub prin care este alimentat continuu un mediu inflamabil. Când este aprins, la ieșirea arzătorului se formează o flacără staționară - o flacără Bunsen, a cărei formă este aproape conică. Legile care caracterizează flacăra Bunsen au fost stabilite prin munca unuia dintre fondatorii teoriei arderii, V. A. Mikhelson.

Arderea staționară într-o flacără Bunsen este posibilă la debite diferite. Când această viteză se schimbă, forma conului Bunsen se schimbă în consecință și, odată cu aceasta, suprafața sa - conform legii zonelor. În acest caz, baza conului rămâne neschimbată, coincizând aproximativ cu secțiunea de ieșire a arzătorului, iar înălțimea crește într-un flux rapid și scade într-un flux lent. Arderea stabilă, în care are loc o astfel de autoreglare a formei flăcării, este posibilă într-o gamă largă de viteze de curgere a gazului. Numai la o viteză foarte mare a gazului, flacăra se stinge și se stinge. Dacă viteza gazului devine suficient de mică, în medie aproape de U n, flacăra se extinde spre flux, intrând în interiorul arzătorului - are loc o „pătrugere” a flăcării.

Orez. 1.9.

Arderea într-o flacără Bunsen este complicată de interacțiunea secundară a produselor de ardere incomplete cu aerul atmosferic dacă amestecul de ardere conține un exces de combustibil. În acest caz, pe lângă cel principal, intern, se formează un secundar, așa-numitul con de flacără Bunsen extern. Pentru a preveni formarea conului extern, flacăra arzătorului este uneori înconjurată de un mediu de gaz inert.

Legile care determină forma unei flăcări Bunsen pot fi stabilite luând în considerare comportamentul unei secțiuni plate (mice) a unei flăcări staționare L Vîn fluxul de gaz de ardere (Fig. 1.9).

Dacă gazul ar fi staționat, atunci flacăra s-ar deplasa de-a lungul normalului AB cu viteza U n, iar de-a lungul fluxului - cu viteza U n/sin β, unde β este unghiul dintre AB iar axa conductei. Această componentă a vitezei de ardere este egală cu debitul local W, deoarece flacăra este nemișcată:

Ecuația (1.7), obținută de V. A. Mikhelson, este un caz special al ecuației (1.6) - pentru o flacără staționară ( U f = 0); sens negativ viteza gazului arată că direcțiile gazului și viteza flăcării sunt opuse. Ecuația (1.7) determină pentru fiecare punct al suprafeței flăcării valoarea unghiului β și, prin urmare, forma staționară a întregii flăcări în ansamblu. Dacă în orice punct al conului Bunsen componenta vitezei de curgere a gazului normală la flacără se dovedește a fi mai mare decât viteza normală a flăcării, atunci fluxul de gaz va duce acest element de flacără departe de gura arzătorului. În acest caz, înclinația elementului de flacără față de axa curgerii crește (deoarece baza conului este fixă), iar unghiul β va scădea până când componenta vitezei curgerii este egală. U n. Schimbările inverse vor avea loc când Wsin β< U n.

Dacă viteza gazului ar fi constantă pe întreaga secțiune transversală a fluxului, atunci flacăra nu ar avea nicio îndoire și conul Bunsen ar fi drept. Cu fluxul laminar de gaz într-o țeavă, distribuția vitezei pe secțiunea transversală este parabolică, este determinată de legea lui Poiseuille

(1.8)

Unde W(r) – viteza curgerii la distanta r din axa conductei; R 0 – raza conductei; W 0 = W(r= 0) – viteza maximă de curgere.

Debit mediu W, egal cu debitul de gaz pe unitate de secțiune a conductei, calculăm prin medie:

(1.9)

acestea. W jumătate din câte W 0. Trebuie avut în vedere că după ce gazul părăsește arzătorul, distribuția vitezelor în flux se va modifica oarecum. În cazul distribuției vitezelor gazului conform legii lui Poiseuille la egalitate W Conurile de flacără pentru toate arzătoarele sunt similare din punct de vedere geometric.

Am văzut deja că existența unei flăcări Bunsen într-o gamă largă de debite de gaz de ardere se datorează stabilității bazei conului și fixării flăcării la inelul de întrerupere a arzătorului. Această stabilizare se datorează caracteristicilor de ardere din această zonă. Experiența arată că există un mic spațiu între baza flăcării și tăierea arzătorului, iar arderea începe la o anumită distanță de marginea țevii. Acest lucru se datorează faptului că arderea este imposibilă la suprafață, deoarece temperatura staționară a gazului în această zonă este prea scăzută. Din același motiv, este imposibil ca flacăra să pătrundă în conducta de-a lungul pereților, unde viteza de curgere a gazului este mai mică. U n.

În zona inelului de stabilizare la o anumită distanță de marginea arzătorului, arderea devine posibilă, dar viteza flăcării în această zonă este mai mică U n din cauza pierderilor de căldură. Pe măsură ce vă îndepărtați de marginea arzătorului și fluxul nu mai este încetinit de perete, viteza gazului de-a lungul inelului crește. r = R 0. La o anumită înălțime se compară cu viteza flăcării.

În aceste puncte flacăra este stabil fixă: mai aproape de marginea arzătorului arderea este imposibilă, la o distanță mai mare viteza flăcării este mai mare decât viteza gazului și flacăra se va apropia de arzător până când ambele turații sunt egale. Prin același mecanism, flacăra poate fi stabilizată în curgerea unui mediu inflamabil în apropierea diferitelor obstacole staționare, de exemplu, lângă un inel de sârmă plasat deasupra arzătorului, sau la capătul unei tije situate în interiorul arzătorului. În acest din urmă caz, se formează un așa-numit con Bunsen inversat, răsturnat și stabilizat într-un punct fix - la vârful său.

După cum arată analiza regim termic ardere, când există o flacără staționară în interiorul conductei, căldura este îndepărtată de la gaz către perete, iar flacăra este îndreptată convex către gazul nearse, adică. are forma unui menisc. La intensitate mare de îndepărtare a căldurii, de ex. la perete în sine, nu poate exista deloc și se rupe la o oarecare distanță de el, la fel ca atunci când se află în afara conductei, deasupra gurii arzătorului. Vedem că arderea într-o flacără Bunsen, în ciuda simplității acestui dispozitiv, este un proces foarte complex, care se distinge prin multe caracteristici specifice.

Arderea unui amestec de gaze în conducte închise generează un ecou, ​​care duce la o restructurare completă a frontului de flăcări. Detaliile acestui fenomen au fost reproduse pentru prima dată în simulări numerice.

O flacără care interacționează cu o undă sonoră puternică poate produce structuri spațiale interesante (vezi, de exemplu, un videoclip impresionant cu o „vizualizare a focului” a undelor sonore). În acest caz, unda sonoră nu trebuie neapărat să fie externă: arderea intensă a unui amestec gazos de combustibil și oxidant într-un volum închis, de exemplu în conducte, generează un ecou care poate distorsiona frontul de flăcări și poate schimba modul reacție de ardere.

Distorsiunea flăcării în timpul arderii în tuburi este cunoscută de mai bine de un secol, dar abia după experimentele clasice ale lui Geoffrey Searby din 1992 acest proces a fost studiat sistematic. În special, Sirby a observat turbulizarea flăcării sub influența propriului ecou. Acest fenomen în sine nu pare surprinzător, dar încă nu a fost propusă o descriere teoretică a acestui proces. Întrebările care au cerut răspunsuri au fost: „Cum are loc exact tranziția la turbulență?”, „Care vibrații ale flăcării se balansează mai întâi?” etc. Toate acestea, la rândul lor, au înlăturat mâinile cercetătorilor care căutau oportunități aplicație practică acest efect în tehnologie (în general vorbind, turbulența flăcării are mare importanță pentru industria rachetelor).

O lucrare recentă a echipei de cercetare ruso-suedeze A. Petchenko și colab., Physical Review Letters, 97, 164501 (19 octombrie 2006), a făcut primul pas către construirea unei astfel de teorii. Autorii acestei lucrări au efectuat o simulare numerică detaliată a procesului de ardere a unui amestec de gaze într-o țeavă lungă și foarte îngustă, închisă la un capăt (amestecul a fost aprins de la capătul deschis, iar flacăra s-a răspândit adânc în țeavă) . Pentru simplitatea calculelor, a fost rezolvată o problemă bidimensională mai degrabă decât tridimensională, amestecul de gaze a fost considerat un gaz ideal, iar procesul de ardere a fost modelat printr-o reacție chimică ipotetică într-o singură etapă și ireversibilă cu o anumită eliberare și activare de căldură. energie. Dar toate gazele și termodinamica - compresia și expansiunea, fluxurile de gaz, transferul de căldură, structura frontului flăcării - au fost pe deplin luate în considerare.

Rezultatele simulării au demonstrat în mod clar că atunci când se apropie de capătul închis, frontul de flăcări a început să „tremure”. Acest tremur a generat un ecou sonor de aceeași frecvență, care a „legănat” și mai mult flacăra. În imediata apropiere a capătului țevii, oscilațiile flăcării au devenit atât de puternice încât frontul de flăcări s-a pliat literalmente într-un acordeon. În fiecare perioadă a acestor oscilații, frontul de flăcări s-a destabilizat brusc, eliberând un flux îngust și foarte lung de gaz rece în zona ocupată de produsele fierbinți de ardere. Jetul s-a stins rapid, frontul de flacără s-a transformat într-un vârtej și apoi s-a nivelat din nou. Viteza curenților generați de aceste oscilații este de zeci de ori a depășit viteza „normală” de propagare a flăcării în spațiu deschis.

Oscilațiile puternice și vârtejurile generate de acestea sunt de obicei prima etapă în tranziția la turbulență. Autorii articolului, însă, nu se grăbesc să anunțe descoperirea mecanismului de turbulizare a flăcării. Faptul este că puterea de calcul disponibilă astăzi face posibilă realizarea unei astfel de modelări detaliate numai în conducte extrem de înguste, cel mai probabil chiar și în capilare. Modul în care acest proces se va schimba în conductele largi, pentru care s-au obținut date experimentale și în care influența pereților asupra debitelor este semnificativ mai slabă, rămâne de studiat. Va fi, de asemenea, interesant de verificat dacă distorsiunile flăcării detectate în simulare sunt aceeași „flacără de lalele” care a fost observată cu mult timp în urmă, dar încă rămâne neexplicată (vezi C. Clanet și G. Searby. Despre „Tulip Flame” Fenomen (PDF, 1,3 MB) // Arderea și flacăra, 1996. V. 105. P. 225-238).