Тепловое самовоспламенение (тепловой взрыв)

Количество тепла, отводимое от поверхности сосуда в единицу времени выражается линейною зависимостью:

(6.3)

где: α – коэффициент теплоотдачи;

S – площадь поверхности стенок сосуда.

Тогда изменение подвода и отвода тепла в зависимости от температуры можно проиллюстрировать следующим образом (рис. 22):

Рис. 22. Соотношение теп-ловыделения и теплоотво-да при тепловом взрыве.

Три линии q ₂ соответствуют трем значениям начальной температуры смеси Т_о, Т_к и Т_о’.

Решающим условием возникновения процесса горения является пре-вышение или равенство скорости выделения тепла реакции над скоростью отдачи тепла реагирующей системой в окружающую среду, например, стенкам реакционного сосуда.

При установившимся состоянии системы q ₁= q ₂ и температура в сосуде определяется как абсцисса точек пересечения линии q ₁ с линиями q ₂. Из ри-сунка видно, что линии прихода и отвода могут пересекаться в двух точках (точки a и b )либо в одной точке (точка с ), либо не пересекаться.

!!!!!1).Рассмотрим первый случай: а).нагрев смеси, имеющей начальную температуру Т_о. б).При T=T_о скорость теплоотвода по условиям равна нулю и хотя q₁ невелико, реагирующий газ начинает нагреваться. с).С повышением температуры и q₁ и q₂ возрастают. Пока температура газа лежит в интервале между Т₀ и Т₁ он продолжает нагреваться. При достижении Т₁ величины q₁ и q₂ сравниваются и температура газа становится постоянной. Состояние системы в этой точке является устойчивым. Если в результате случайных причин температура газа превысит Т₁ то теплоотвод скажется больше тепловыделения и система сама вернется в прежнее состояние. Если мы искус ственно охладим газ, то он нагреется сам за счет реакции до T₁. Режим медленной реакции, протекающий с практически постоянной скоростью при Т=T₁ сохраняется длительное время.

II. Вторая точка пересечения кривых ( b ) находится в области больших высоких температур, и режим тепловой реакции в этом случае будет неустойчивым. При отклонении от равновесного состояния в точке b система в него уже не возвращается.

III. Повышение начальной температуры стенок сосуда Т_о до Т_о' приводит к смещению вправо линии теплоотвода q₂. Значение стационарной температуры Т₁ будет при этом плавно расти (точка а'), и при температуре стенки Т_к линии подвода и отвода тепла будут касаться одна другой в точке С, которая является граничной точкой существования стационарного режима, небольшое повышение температуры стенки выше Т_к будет сопровождаться превышением теплоприхода над теплоотводом, что вызовет повышение температуры смеси и соответственно, резкое ускорение реакции.

Этот процесс перехода от медленно протекающей реакций к прогрессивно ускоряющемуся возгоранию смеси, является процессом самовоспламенения. А температура, откладываемая на оси абсцисс от точки С – температура самовоспламенения Т_св.

Минимальную температуру стенок сосуда Т_к, при которой смещение достигнет равенства q₁ = q₂^” – называют критической температурой воспламенения.

При повышении температуры сосуда до Т_о" условия тепловыделения по-прежнему описываются кривой q₁, тогда как прямая теплоотвода q₂^''' пере- местится вправо параллельно самой себе. При температуре Т_о" сосуда тепло-приход больше теплоотвода при любой температуре газа, и тем­пература газа, а с нею и скорость реакции, будут прогрессивно расти.

Температура сосуда, для которой прямая теплоотвода q₂ ^” касательна к кривой тепловыделения, является предельной для перехода от режима мед­ленной реакции к взрыву. При T_о>T_к скорость реакции и температура газа неограниченно увеличиваются и происходит тепловой взрыв. При T_о< T_к ус­танавливается стационарный режим, при котором скорость реакции мала.

Время, в течение которого в реагирующей системе достигается разо-грев от Т_кр до Т_св, называется периодом индукции самовоспламенения.

Теория теплового самовоспламенения хорошо объясняет зависимость между давлением и температурой самовоспламенения горючей смеси. До-пустим, что сосуд, в который вводится смесь, имеет постоян­ную температуру Т_о. При малых давлениях количество выделяю­щегося тепла не превышает количества отводимого тепла, и реакция протекает при посто­янной темпера-туре, близкой к температуре сосуда.

При увеличении давления и соответственно, массы вещества выделяет-ся больше тепла, чем отводится, температура газов повышается и происходит их самовоспламенение. Наглядно зависимость теплоприхода и теплоотвода (где τ – время), от температуры при различных давлениях показана на ри сунке 23:

Рис. 23. Соотношение теплопри- хода и теплоотвода при различном давлении газовой смеси: q₁' < q₁" < q₁'''

Тут показывают тепловыделение при давлениях соответствен-но Р₁<Р₂<Р₃ при одинаковом составе смеси. Количество отводимого от зоны горения тепла характеризуется прямой q ₂ . Критические условия самовоспла-менения реализуются при давлении Р₂ (кривая ).

Условия самовоспламенения предельного состава горючей смеси пока-зана на кривых и . В общем, условие теплового самовоспламенения сво-дится к тому, что начальный саморазогрев горючей смеси в результате реак-ции окисления должен превысить некоторое критическое значение , называемое характеристическим интервалом температуры. Вывод этого показателя изложен в § 9.3.

Зависимость температуры самовоспламенения от состава горючей смеси показана на рисунке 24. Минимальная Т_св характерна для стехиометрических смесей.

Рис. 24. Область самовоспламенения горючих смесей.