5.3. Процесс горения жидкостей. Скорость выгорания
Горение жидкостей сопровождается не только химической реакцией, но и физическими явлениями, без которых горение невозможно. Взаимодействие горючих паров с кислородом воздуха происходит в зоне горения, в которую непрерывно должны поступать горючие пары и воздух. Это возможно, если жидкость будет получать определенное количество тепла, необходимое для испарения. Тепло из зоны горения к поверхности жидкости передается излучением. Передача тепла теплопроводностью невозможна, так как скорость движения паров от поверхности жидкости к зоне горения больше скорости передачи тепла по ним от зоны горения к жидкости. Передача тепла конвекцией также невозможна, так как поток паров в объеме пламени направлен от поверхности менее нагретой (жидкость) к поверхности более нагретой.
Количество тепла, излучаемое пламенем, зависит от его степени черноты и температуры. Степень черноты пламени определяется концентрацией углерода, выделяющегося в пламени жидкости при горении жидкости.
Количество тепла, поступающего от факела Qф в единицу времени на единицу поверхности жидкости, можно определить по формуле
Qф
=
где
— степень черноты;
—
постоянная Стефана-Больцмана, равная
2079·10-7
кДж/(м2·ч·К4);
Тф
—
температура пламени факела, К; Тж—
температура поверхности жидкости, К.
Это тепло расходуется на испарение жидкости q', ее нагревание от начальной температуры до температуры поверхности q", т. е. прогрев жидкости глубину
Qф = q' + q"
q'= r v q"= u(Tп+То)С
где r — теплота испарения, кДж/ч; — плотность, г/см3; v — линей-ная скорость горения, мм/ч; и — скорость прогрева жидкости в глубину, мм/ч; Тп — температура поверхности жидкости, К; То — начальная температура жидкости, К; с — удельная теплоемкость жидкости, Дж/(г·К).
Таким образом
Qф = r v + u (Тп – То) с =
В установившемся процессе горения (т.е. при постоянной температуре пламени) наблюдается равновесие между количеством сгоревшего в зоне горения (пламени) вещества и массой пара, поступающего в пламя.
Скорость горения жидкостей. Различают две скорости горения жидкостей — массовую и линейную. Массовой скоростью G называется масса жидкости (кг), выгорающей в единицу времени (ч, мин) с единицы поверхности. Под линейной скоростью v горения жидкости понимают высоту ее слоя (мм, см), выгорающего в единицу времени
G = v/1000 v=h/
где — плотность жидкости, кг/м3; h — высота слоя сгоревшей жид- кости, мм; — время горения.
Скорость горения жидкостей непостоянна и изменяется в зависимости от начальной температуры, диаметра резервуара, уровня жидкости в резервуаре, скорости ветра и других факторов. С увеличением диаметра скорость сгорания сначала уменьшается, а затем возрастает, пока не достигает определенного постоянного значения для данной жидкости. На скорость горения в малых горелках существенно влияют стенки, так как пламя, соприкасаясь с ними, нагревает верхнюю кромку до высокой температуры. От верхней кромки тепло теплопроводностью распространяется по всей стенке и передается жидкости. Этот дополнительный приток тепла со стороны стенки увеличивает скорость испарения жидкости. Увеличение скорости горения с увеличением диаметра связано с переходом от ламинарного режима горения к турбулентному. Этот переход сопровождается уменьшением полноты сгорания, а большое количество выделяющейся сажи способствует увеличению степени черноты пламени, что приводит к увеличению теплового потока от пламени. При турбулентном горении обеспечивается наиболее быстрый отвод паров от поверхности жидкости, увеличивается скорость испарения.
Скорость горения в больших резервуарах увеличивается с ростом диаметра незначительно. Считают, что скорость горения в резервуарах диаметром больше 2 м практически одинакова.
Сильный ветер способствует смешиванию паров с воздухом, повышению температуры пламени, в результате чего интенсивность горения увеличивается.
По мере снижения уровня жидкости в резервуаре увеличивается расстояние от пламени до поверхности жидкости, поэтому уменьшается приток тепла к жидкости. Скорость сгорания же постепенно уменьшается и при некотором критическом расстоянии поверхности жидкости от кромки борта может наступить самотушение. Это расстояние называется критической высотой; она увеличивается с увеличением диаметра резервуара.
Для больших резервуаров зависимость скорости горения от высоты свободного борта практического значения не имеет, так как высота стандартных резервуаров всегда, значительно меньше критической высоты. Так, расчет показывает, что самотушение в резервуаре диаметром 23 м может наступить при высоте его более 1 км. Действительная высота резервуара 12 м.