WarmFires.ru

Концентрация молекул горючих газов и кислорода в оболочке пламени (в «топке»), конечно же, не равна нулю, поскольку в противном случае не было бы самих участников химической реакции. Но эта концентрация исходных продуктов в «топке» очень мала. Но и этого достаточно для быстрой конверсии реагентов при высокой температуре. Скорость подачи реагентов в «топку» равна градиенту концентрации по обе стороны оболочки. Поэтому для пламени абсолютно необходимо наличие высокой концентрации кислорода вокруг оболочки факела, но не просто «для потребления», а для создания самой причины возникновения диффузионного потока кислорода. Такой режим горения называется диффузионным (поскольку скорость горения ограничивается скоростью диффузии) в отличие от кинетического режима, когда скорость процесса ограничивается скоростью химического взаимодействия (реакции), как, например, при тлении или при биологическом окислении (гниении). Иными словами, если мы видим факел, то это значит, что горючий газ и воздух разделены оболочкой, и в эту оболочку факела кислород из воздуха поступает ограниченно (со скоростью диффузии). Все факторы, способствующие поступлению кислорода в оболочку факела (повышенная температура, микротурбулентность и т. п.) будут работать на увеличение скорости реакции горения (И.Н. Зверев, H.H. Смирнов, Газодинамика горения, М.: МГУ, 1987 г.). Ламинарный же, например, обдув факела хоть и изменяет его форму (сдувает), но не изменяет сильно скорость горения. Это, в частности, означает, что если в топливнике факел ламинарно «закрутить» даже в спираль или дугу, то по-существу мы ничего не изменяем в плане горения (но можем изменить теплоотдачу в те или иные элементы топливника).

Рис. 140. Пространственное распределение концентраций горючих газовых составляющих (газа), кислорода, углекислого газа и паров воды в пламени (факеле) над закладкой дров. 1 -раскалённые угли на решётке, 2 - закладка дров, 3 - контуры пламени («язык»).

Сумма парциальных давлений всех газовых компонентов (включая содержание азота) всюду во всех точках внутри и вне факела равна 1 атм.

Продолжая рассуждения, вспоминаем, что плотность диффузионного потока реагентов в зону горения (в оболочку факела) и из зоны горения равна DdC/dr, где D - коэффициент диффузии компонента реакции, С -концентрация реагента, d/dr - производная (градиент) по радиусу. Значит, тепловую мощность факела можно оценить по качественному соотношению Q=Ai-Si-Ci/8i, где Ai - коэффициент пропорциональности, Q -концентрация i-того компонента (О2, СО2, Н2О и др) реакции вдали от факела в топливнике (для горючих компонентов на оси факела) 5i - толщина диффузного слоя для i-того компонента, S - площадь поверхности (оболочки) факела (языка пламени). Понятие толщины диффузионного слоя здесь аналогично понятию толщины ламинарного пограничного слоя (рис. 130). Высокотемпературная оболочка 3 факела (контур пламени) является высоковязкой зоной, а высокая вязкость означает высокую скорость диффузии и высокую теплопроводность (рис. 140). Конвектив ные явления в оболочках пламен не характерны. Напротив, вне пламени на некотором расстоянии от оболочки господствуют конвективные процессы массотеплообмена: низковязкий холодный воздух обдувает пламя, уменьшая толщину диффузионного слоя (при характерных скоростях 1-2 м/сек весьма незначительно). То есть потоки воздуха (как и на рис. 130) у оболочки пламени замедляются из-за вязкости, и процессы непосредственно у оболочки происходят диффузионно в неподвижном (относительно оболочки) газе. Характерные расстояния перепадов концентраций, равные толщинам диффузионного слоя, в пламенах малы (не более миллиметров), что также обеспечивает превосходство диффузных явлений над конвективными.