Лекция 8. Теория теплового воспламенения газовых смесей

химических реакций в горючих газовых смесях мала, и заметного реагирования

не наблюдается.
При высоких температурах (≥10000С) реакции так ускоряются, что происходит быстрое реагирование с бурным выделением теплоты и образованием пламени.

Лекция 8

Переход горючей смеси от состояния медленных реакций к быстрому реагированию называется воспламенением.

это процесс самопроизвольного реагирования во всем объеме горючей смеси с

прогрессирующим превышением скорости тепловыделения над скоростью теплоотвода от реагирующей смеси в окружающую среду, что приводит ко всё более резкому росту температуры и завершается бурным выделением теплоты и взрывом.
Взрыв – процесс высвобождения большого количества энергии в ограниченном объёме за короткий промежуток времени.

Лекция 8

горения должен быть непрерывным и устойчивым, метод самовоспламенения не применяется.
Вынужденное

воспламенение (зажигание) отличается от самовоспламенения тем, что смесь доводят до состояния воспламенения не во всём объёме одновременно, а только в малой его части, откуда волна реакции (процесс горения) может распространиться на весь объём.
При зажигании смеси необходимо в зоне воспламенения создать намного более высокую температуру, чем при самовоспламенении, т.к. из этой зоны теплота интенсивно отводится к холодной смеси.

раскалёнными продуктами сгорания.
В последнем случае зажигание называют стабилизацией горения.
Тепловая

мощность источников зажигания должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить воспламенение прилегающих к источнику слоёв смеси и дальнейшее распространение зоны реакции.

Лекция 8

газы, создает узкую зону быстрой химической реакции, которая в результате

переноса теплоты и активных радикалов распространяется от одного слоя смеси к другому.
Т. обр., процесс распространения зоны реакции представляет собой ряд последовательно идущих непрерывных процессов зажигания. Эта зона быстрой химической реакции и больших градиентов температуры и концентраций называется фронтом пламени.

Лекция 8

возможного (критического) стационарного теплового состояния (Т = Ткр), при котором

незначительное повышение температуры приводит к её лавинообразному росту, вызванному экспоненциальным ростом скорости реакции горения.

постоянного объёма. В начальный момент времени температура смеси равна температуре

стенок сосуда и равномерна по его объёму, так же, как и концентрация топлива в смеси.
Пусть температура окружающей сосуд среды постепенно повышается, тогда вместе с ней будет повышаться и температура горючей смеси. Согласно закону Аррениуса, с ростом температуры возрастает скорость реакции горения.
При некоторой температуре смеси скорость реакции становится заметной и далее все более увеличивается. Соответственно увеличивается количество выделяющейся в сосуде теплоты реакции, что приводит к дальнейшему резкому саморазогреву смеси.

Лекция 8

интенсивного турбулентного перемешивания. Это означает, что температура смеси и концентрация

в ней топлива равномерно распределены по объёму сосуда.
Полагаем также, что температура стенок сосуда равна температуре окружающей среды, т.е. теплота отводится от смеси к идеально теплопроводным стенкам, а основное термическое сопротивление теплоотдачи сосредоточено в узком пограничном слое смеси, прилегающем к стенкам.

Лекция 8

теплоты реакции, и возникает разность температур между смесью и окружающей

средой.
Под действием этой разности температур происходят тепловые потери – поток теплоты из реакционного объема в окружающую среду. С ростом температуры смеси эти потери увеличиваются. Для упрощения пренебрегаем тепловым излучением газа и принимаем теплообмен чисто конвективным.
Дальнейшее протекание процесса зависит от соотношения между теплотой, выделяемой в результате реакции (тепловыделением) Qр и тепловыми потерями QТ.

Лекция 8

 – к-т теплоотдачи,  – плотность смеси, сv –

изохорная уд. теплоёмкость, n – порядок реакции.

Соотношение между плотностями потоков выделяющегося в сосуде и отводимого тепла

стационарная температура, несколько превышающая температуру окружающей среды.
При Qр >QТ всё

большее повышение температуры приводит к самопроизвольному прогрессивному (лавинообразному) росту скорости реакции, бурному выделению теплоты, т.е. к самовоспламенению горючей смеси.

Лекция 8

температуры. Критические условия самовоспламенения

(Т) и QТ = (Т).
При температуре окружающей среды То (теплопотери

QтI) возможны два стационарных режима: нижний (т.1) и верхний (т.2).
При Т < Т1 смесь разогревается (Qт < Qр). Разогрев длится до тех пор, пока смесь не достигнет Т1 (Qт,1 = Qр), после чего разогрев прекратится, т.к. при Т > Т1 Qт > Qр.
Если по каким-либо причинам в т.1 температура смеси отклонится в большую сторону, равновесие восстановится из-за высоких теплопотерь.
Следовательно, нижний стационарный режим является устойчивым; в смеси протекает квазистационарная реакция медленного горения с малым тепловыделением при относительно низких температурах.

результате начнётся прогрессирующий разогрев, приводящий к самовоспламенению.
Попасть из точки 1

в т.2 путём саморазогрева смеси невозможно. Таким образом, верхний стационарный режим практически нереализуем.

Лекция 8

прямой QТ параллельно вправо, при некотором значении Т0к кривые Qр

и QТ будут иметь только одну общую точку (К).
Это состояние устойчиво по отношению к понижению температуры и неустойчиво к ее повышению.
Точка К является критической: ниже температуры Тк – стационарный режим, однако незначительное превышение температуры окружающей среды над ТОК (кривая QтII) вызывает лавинообразный саморазогрев смеси, приводящий к самовоспламенению

Лекция 8

ТК или более доступную измерению температуру ТОК.
Разогрев горючей смеси на

ТК = ТК – ТОК происходит за счет самопроизвольного реагирования и называется предвзрывным разогревом, а время i, необходимое для этого – периодом индукции.
Температура самовоспламенения зависит не только от природы и свойств горючей смеси, но и от условий протекания процесса, определяющих теплоотдачу реагирующей смеси, поэтому не является физико-химической константой, а представляет характеристику процесса.

в точке касания К (при ТО = ТОК)
– потоков тепловыделения

и теплопотерь
– и их первых производных по температуре

Qр = Qт

Лекция 8

систему, придём к квадратному уравнению относительно Тк


откуда



Решение со знаком "плюс"

перед радикалом отброшено, так как дает значение для температуры самовоспламенения ~ 10000 0С и выше, что не соответствует реальности.

Лекция 8

критерий Семёнова


если ΔТ < ΔТК , то самовоспламенение невозможно; в

противном случае оно может наступить при предоставлении времени, необходимого для такого самопроизвольного разогрева.

Лекция 8

которой в данных условиях самопроизвольный разогрев достигает критической величины

.

Величина зависит от энергии активации и температуры, и для реакций горения, как правило, не превышает нескольких десятков градусов.

Лекция 8

за значительный период времени, или очень быстро, мгновенно.
Примером первого

случая может быть самовоспламенение в штабеле твердого топлива, второго – самовоспламенение со взрывом преимущественно при срыве факела в топках, особенно пылеугольных.

Лекция 8