4.3. Механизм горения жидкости

При зажигании насыщенных паров, возникающих при испарении над жидкостью, внешним источником возникает вспышка – сгорание образовавшейся паровоздушной смеси с выделением значительного количества тепла.

Часть этого тепла расходуется на дополнительное испарение горючей жидкости, и, таким образом, горение поддерживается непрерывным процесс испарения горючего с поверхности за счет тепла, подводимого от пламени.

Поскольку пламя имеет значительно более высокую температуру, чем начальная температура среды, после начальной вспышки скорость испарения увеличивается и возникшее пламя самоподдерживается.

В установившемся состоянии горение паровоздушной смеси характеризуется двумя взаимосвязанными процессами: испарением горючей жидкости за счет тепла, выделяемого в зоне пламени, и сгоранием поступающих в зону горения паров. В установившемся режиме скорости этих процессов должны быть равными.

В практически важных случаях сгорание образующихся паров происходит очень быстро, сразу после их поступления в зону горе­ния и смешения с окружающим воздухом. Поэтому скорость выгорания определяется скоростью испарения, как наиболее медленным процессом.

Таким образом, горение жидкости есть химический процесс сгора­ния ее паров, регулируемый скоростью испарения жидкости, зависящий от количества и условий подводимого к жидкости тепла, т. е. от усло­вий теплообмена между пламенем и поверхностью жидкости.

Механизм горения жидкости проиллюстрируем примером горения ее свободной поверхности, например, в резервуаре (рис. 4.3). При достаточной концен­трации паров в момент зажигания над поверхностью жидкости возникает пламя, а уровень жидкости начинает опускаться. Достаточно быстро после воз­никновения горения устанавливается стационарный режим, характеризую­щийся постоянной скоростью выгорания.

Рис. 4.3. Схема диффузионного горения жидкости: 1 – зона горения; 2 – зона догорания; 3 – пары жидкости; 4 – конвективные токи воздуха; 5 – зона подогрева жидкости; 6 – жидкость в резервуаре

Под скоростью выгорания понимается скорость процесса уменьшения массы жид­кости в процессе горения. Различают линейную скорость горения (мм/мин), харак­теризующую скорость снижения уровня жидкости при ее горении в резервуаре, и массовую (кг/м²час), характеризующую убыль массы жидкости в процессе горения с единицы поверхности в единицу времени.

Сгорание в факеле пламе­ни происходит за счет диффузионного смешения паров горючей жидкости и воздуха. Поверхность жидкости нагревается до температуры кипения. В процессе выгорания происходит прогрев жидкости в глубину.

Подвод тепла к жидкости в процессе диффузионного горения осуществляется главным образом теплопередачей излучения от факела пламени.

Скорость выгорания определяется величиной теплоты испарения жидкости и количеством тепла, подведенного к поверхности жидкости от факела пламени (см. табл. 4.3).

Форма и размеры диффузионного пламени жидкостей существенно зависят от диаметра горелки или ре­зервуара, в которых происходит горение.

Пламя в горелках диаметром 10-15 мм имеет резко очерченную ко­ническую форму, которая практически не меняется в течение всего про­цесса горения. Увеличение диаметра горелки приводит к появлению пульсаций в пламени, дроблению его на отдельные фрагменты, колеба­нию высоты. При диаметрах резервуаров более 15 см процесс диффузи­онного горения приобретает турбулентный характер.

Эксперименты и наблюдения процессов горения при реальных по­жарах показывают, что высота диффузионного пламени повышается с увеличением диаметра резервуаров.

Структура и форма пламени жидкостей при горении в резервуарах различного диаметра свидетельствуют о переходе ламинарного режима горения при малых диаметрах к турбулентному – при больших.

Зона пламени представляет собой очень тонкий слой, в котором происходит окисление горючего. В зоне пламени сгорает стехиометрическая смесь горючего и окислителя. В направлении к границам зоны пла­мени концентрации реагирующих компонентов убывают.

Таблица 4.3.

Скорость выгорания жидкостей