1.5. Горение жидкостей

Для понимания механизма горения жидкостей необходимо иметь в виду, что их температура самовоспламенения (табл. 1.2) всегда значительно выше температуры кипения, поэтому горение жидкостей всегда происходит в паровой фазе.

Таблица 1.2

Сопоставление температур кипения и самовоспламенения

горючих жидкостей

Над поверхностью жидкости постоянно присутствует паровоздушная смесь, состоящая из паров жидкости и молекул воздуха. Концентрация паров характеризуется давлением насыщенных паров, которое существенно зависит от температуры жидкости. Эта зависимость описывается уравнением Клайперона-Клаузиуса:

, (1.6)

где − давление насыщенных паров жидкости при температуре Т; − теплота испарения.

Из уравнения (1.6) следует, что давление насыщенных паров (и соответственно их концентрация) с увеличением температуры жидкости возрастают экспоненциально. Поэтому при некоторой температуре над поверхностью жидкости создается концентрация паров, равная нижнему концентрационному пределу распространения пламени. При зажигании этих паров 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 процессом испарения горючего с поверхности за счёт тепла, подводимого от пламени. Поскольку пламя имеет значительно более высокую температуру, чем начальная температура среды, после начальной вспышки скорость испарения увеличивается, и возникшее пламя само поддерживается.

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 равны. В практически важных случаях сгорание образующихся паров происходит практически мгновенно, сразу после их поступления в зону горения и смешивания 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 со свободной поверхности, например, в резервуаре. При достаточной концентрации паров и их зажигании над поверхностью жидкости возникает пламя, а уровень жидкости начинает опускаться. Достаточно быстро после возникновения горения устанавливается стационарный режим, характеризующийся постоянной скоростью выгорания. Схематически горение жидкости со свободной поверхности показано на рисунке 1.3. 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.

Рис. 1.3. Схема диффузионного горения жидкости:

1 – зона горения; 2 – зона догорания; 3 – пары жидкости;

4 – конвективные точки воздуха; 5 – зона подогрева жидкости;

6 – жидкость в резервуаре

Подвод тепла к жидкости в процессе диффузионного горения осуществляется главным образом теплопередачей излучением от факела пламени. Скорость выгорания определяется величиной теплоты испарения жидкости и количеством тепла, подведенного к поверхности жидкости от факела пламени. Значения скоростей выгорания некоторых жидкостей приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3

Скорость выгорания жидкостей

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.