Вопрос 3. Особенности зажигания газопаровоздушных смесей

Ст

Вопрос 2. Элементы тепловой теории зажигания

Температура зажигания - это критическая, минимальная температура источника зажигания, выше которой всегда происходит воспламенение от него горючей смеси.

Критические условия при вынужденном воспламенении связаны со свойствами источника зажигания и условиями распространения пламени. С того момента, когда температура стенки источника зажигания становится равной критической, источник более не участвует в процессе теплообмена с газом. Здесь определяющими становятся процессы, протекающие в прилегающем к источнику слое газа.

Тепловая теория зажигания, получившая всемирное признание, разработана академиком Я.Б.Зельдовичем и профессором Д.А.Франк- Каменецким. Поместим горючую смесь между двумя параллельными стенками, отстоящими друг от друга на расстоянии L (рис. За). Пластины расположены горизонтально, причем нагрета только верхняя, что позволяет исключить конвекцию в газовой смеси. Нижняя поверхность имеет температуру газа Т₀. Пусть верхняя пластина нагревается до температуры Т^ст. Начиная от некоторой температуры Т₂^ст, линейный характер теплоотвода будет меняться за счет начинающихся процессов окисления (рис.3). При температуре Т₂^СГ наступает баланс тепловыделения и теплоотвода, т.е. на поверхности стенки, где х = 0, градиент температуры (dT/dx) = 0. Значит, и для стенки можно записать (dT/dx)_CT = 0. При малейшем увеличении температуры пластины

Т

2 за счет выделения теплоты реакции окисления, и градиент температуры меняет свой знак. Это означает, что если стенка раньше отдавала теплоту в смесь, то теперь, наоборот, она ее воспринимает от газа.

По теории Я.Б. Зельдовича, условие (dT/dx)_CT=0 является критическим

условием воспламенения, а распределение температуры, т.е. ее градиент в горючей смеси, определяется уравнением теплопроводности, которое для данного случая имеет вид:

2'

^tt ^{+ (}W^w(^t) = O, (3)

dx ^

где X - коэффициент теплопроводности смеси; Q_rop - тепловой эффект реакции горения; W(T) - скорость реакции горения. Представим это уравнение в виде:

Se£P._W(_T). ₍₄₎

dx² X

Имея в виду, что скорость реакции равна

W(T) = ko-Cropⁿ-C₀K^P-exp(- E/RT), (5)

путем математического преобразования экспоненты по методу Франк- Каменецкого и интегрирования уравнения теплопроводности при начальных условиях х = 0, (dT/dx) = 0 и Т = Т_сх приходим к выражению:

' 2Q гор.ym RTCT

vdxy

кр ^

W(T)------ —. (6)

частичек сажи в пламени теплоту излучают также молекулы трехатомных газов - С0₂, Н₂0 и др. Лучистый и конвективный тепловые потоки в сумме составляют единый процесс теплообмена очага горения с окружающей средой.

Таким образом, горение характеризуется следующими особенностями:

1. Наличием горючего вещества (твердого, жидкого, газообразного) и окислителя (в большинстве случаев - кислорода воздуха).

2. Наличием пламени, в котором протекают большинство подготовительных процессов, а также высокоскоростные и высокотемпературные (до 2000°С) процессы окисления.

3. Выделением в зоне пламени лучистой теплоты и конвективным потоком теплоты и газов.

4. Протеканием предпламенных подготовительных процессов, в результате чего процесс горения является самоподдерживающимся.

Необходимым и достаточным условием для возникновения горения является наличие трех компонентов: горючее вещество + окислитель (для пожаров, как правило, кислород воздуха) + источник воспламенения. После возникновения горения источником воспламенения далее является само пламя. Графическим изображением этого условия является классический «треугольник горения» (рис.1.1.). Исключение какой-либо вершины этого треугольника разрушает его, т.е. горение становится просто невозможным. Это используется на практике для предотвращения и тушения пожаров. Горючее вещество окислитель

источник воспламенения

Рис.1.1. Классический «треугольник горения»

' В) ⁸ 6) "

Рис. 3. Схема зажигания горючей смеси от нагретого тела

по Я.Б. Зельдовичу

Так как скорость W(T) сильно зависит от температуры, то можно считать, что реакция окисления идет практически только в узком слое 8, прилегающем к нагретой пластине, т.е. L» 8. Тогда теплоотвод из зоны реакции в смесь можно количественно выразить законом Фурье:

q = X— «1^Тст"^Т°. (7)

dx L ^V

Далее, подставляя сюда dT/dx из полученного выше выражения (6),

Т.. Тл L

приходим к уравнению:

^2Qrop ЩТ_ст)-^= (8)

и после несложных преобразований получаем основное уравнение процесса

зажигания:

L = I ^^Тст~^то)²-Е ₍₉₎

" 2Q_ropW(T_CT) • RT²_T

а

Основное уравнение процесса зажигания связывает геометрические размеры горючей смеси с температурой стенки и физико-химическими свойствами

горючей смеси при воспламенении. Анализ его позволяет, например, предсказать пределы воспламенения горючих веществ, максимально допустимые, пожаровзрывобезопасные размеры и температуру источников зажигания и т.д. Например, для раскаленного шарика (искры сварки и т.п.) его критический диаметр будет равен

₌,J(tI?LL. ₍₁₀₎

^Q^WCT^.RT^ Для раскаленной проволочки в цилиндрической трубе с горючей смесью

, R ЦТ_ст-Т₀)²-Е

г-1п-= -------- ^-------- ^------- —, 11)

Г у 2Q_ropW(T_CT) -RT²_cr

где R - радиус трубы, м;

г - радиус проволочки, м. Таким образом, уравнение (9) позволяет рассчитывать основные параметры и условия процесса зажигания от нагретой поверхности.