Газоснабжение. Горение газов: Учебное пособие (Разделы 1-9. Газообразное топливо. Расчеты эффективности использования топлива), страница 21

Для сложных газообразных топлив содержание газа в смеси , % об., соответствующее максимальной скорости распространения пламени, определяется по правилу аддитивности. По этому же принципу определяется значение максимальной нормальной скорости распространения пламени , м/с, для газа, состоящего из нескольких компонентов:

,                       (5.2)

,         (5.3)

где  — содержание отдельных компонентов, % об., в составе газообразного топлива, при этом ;  — содержание отдельных компонентов с сложном газе, % об., соответствующее максимальному значению нормальной скорости распространения пламени (по табл. 5.1);  — максимальное значение нормальной скорости распространения пламени, м/с, для отдельных горючих компонентов сложного газа в смеси с воздухом (по табл. 5.1).

Выражения (5.2) и (5.3) строго справедливы в случае, если все компоненты, входящие в состав сложного газа, имеют одинаковую химическую природу (сюда относятся природные и сжиженные газы любого состава). Для смесей природных и искусственных газов они дают только приближенный результат.

Непригодны они также для газов, содержащих значительные количества балластных примесей (азота и двуокиси углерода), которые снижают скорость распространения пламени. Для забалластированных газов, при известном содержании N₂ и CO₂, % об., нормальную скорость распространения пламени , м/с, следует скорректировать по выражению

.                             (5.4)

Значительное влияние на скорость распространения пламени оказывает предварительный подогрев газовоздушной смеси. По экспериментальным данным значение нормальной скорости  при абсолютной температуре смеси  можно приблизительно определено по квадратичной зависимости

,                                             (5.5)

в которой значение нормальной скорости распространения пламени  для температуры 20 ºC принимается по табл. 5.1.

Поскольку при предварительном подогреве смеси ее плотность уменьшается обратно пропорционально абсолютное температуре, а скорость распространения пламени в соответствии с (5.5) растет пропорционально ее квадрату, то так называемая массовая скорость потока  растет пропорционально абсолютное температуре. Это обстоятельство необходимо учитывать при расчете газовых горелок, работающих на гомогенной смеси, особенно в тех случаях, когда огневые каналы расположены в нагретой кладке, где на них воздействует  излучение топки, шамотной горки, раскаленных газов и т.п.

5.1.3. Детонационное горение

Выше были рассмотрены закономерности равномерного (медленного) распространения пламени в условиях практически неизменного давления, близкого к атмосферному, когда трубка, в которой происходит горение, имеет небольшую длину (около 7 диаметров) и открыта с одного конца (соединена с неограниченным пространством или с сосудом большого объема, как минимум в 100 раз превышающего объем трубки). В этом случае воспламенение свежей смеси, то есть ее подогрев до температуры самовоспламенения, происходит за счет теплопроводности и медленной молекулярной диффузии. Образующаяся таким образом и передвигающаяся с дозвуковой скоростью волна (дефлаграция) одновременно является зоной горения.

Если длина трубки значительна или объем, с которым она соединена, ограничен, то процесс горения будет сопровождаться ростом давления. Для некоторых газовоздушных смесей это может привести сначала к вибрационному горению, а затем к детонационному, распространяющемуся со сверхзвуковой скоростью — 2000 м/с и более.

Передача энергии в случае детонации происходит за счет ударной волны сжатия газа. Как любая ударная волна, она нагревает газ, и если температура достигает температуры самовоспламенения, то возникает детонация. В отличие от дефлаграции экзотермическая реакция горения при детонации распространяется вслед за ударной волной.

Установлено, что детонация возникает преимущественно в смесях, обладающих сравнительно высокой равномерной скоростью распространения пламени. При этом детонация возможна только в определенных концентрационных пределах, которые обычно уже пределов воспламенения газов. Например, концентрационные пределы детонации газокислородных смесей составляют, % об.: для пропана — 3,2…3,7; изобутана — 2,8…3,1; ацетилена — 3,5…92; водорода — 15…90.