Элементы тепловой теории зажигания электрической искрой

Электрическая искра - один из наиболее распространенных способов зажигания в технике, она является частой причиной возникновения пожаров и взрывов. И если другие виды источников зажигания образуются, как правило, в результате аварий, их в известной степени можно предвидеть, то явление зажигания электрической искрой меньше всего поддается контролю, возникает неожиданно и в качестве причины пожара не всегда доказуемо. Само явление электрического разряда недостаточно изучено.

Электрический разряд - это сложное физико-химическое явление, в результате которого в диэлектрике в зоне проскока (пробоя) искры образуется канал разряда, в котором происходит возбуждение и ионизация молекул газа с выделением большого количества теплоты. Образуется и плазма. Схема искрового разряда представлена на рис.7.

Рис.7. Схема искрового электрического разряда

В зоне электрического разряда происходит мгновенное развитие химических реакций горения, при этом период индукции практически отсутствует. Выделенная в разрядном канале теплота приводит к сгоранию горючей смеси, но количества ее может не хватить для образования и распространения устойчивого фронта пламени. Поэтому для каждого вида горючего в зависимости от соотношения его с окислителем существует наименьшее, критическое значение мощности электрической искры. Минимальная мощность разряда есть функция состава горючей смеси, давления, температуры и т.д.

Е_кр = f(С_гор/С_ок, Р, Т). (15)

Теория теплового механизма зажигания электрической искрой разработана академиком Я.Б.Зельдовичем. Рассмотрим некоторые элементы этой теории. Представим горючую смесь, в центре которой расположен точечный источник зажигания в виде электрической искры.

Рис.8. Схема тепловых потоков при искровом зажигании

За время t₁ >0 источником ИЗ выделяется DQ Дж теплоты. К ней будет добавляться теплота химической реакции Q_гop. Часть выделяющейся теплоты будет передаваться теплопроводностью в холодную горючую смесь.

Если мощность искры мала, то нагреваемого ею объема недостаточно для поддержания в начальный момент реакции горения. Поэтому смесь охлаждается и воспламенения не происходит (рис.9, сплошные линии t₁ > t₂ > t₃). При увеличении мощности искры нагреваемая ею часть объема смеси будет больше. В этом случае выделяемой теплоты реакции уже достаточно для компенсации теплоотвода в холодную смесь. Возникает устойчивый фронт горения, пламя распространяется по всему объему смеси (пунктирные линии t₄> t₅).

Рис.9. Температурное поле вокруг

ИЗ (r – расстояние в разное время t)

Представленные на рис.9 зависимости изменения температуры описываются следующим уравнением:

(16)

где Т₀ - начальная температура горючей смеси. К;

с_р - средняя теплоемкость смеси, кДж/кг×К;

а - температуропроводность, м²/с;

r - плотность свежей смеси, кг/м³;

r - радиус смеси, приведенный к ее начальной плотности, м.

Максимальная температура в точке r = 0 нагретой зоны изменяется во времени по гиперболическому закону (рис.10):

(17)

Рис.10. Изменение Т_мах во времени

Если искра нагревает некоторый объем горючей смеси до температуры горения Т_г (точка 1), и если время охлаждения объема смеси до температуры Т_г - q (точка 2) больше или равно времени реакций t_хр в зоне нагрева, то воспламенение возможно:

Dt_охл ³ t_хр, (t_хр» 10^-4 с) (18)

Здесь q = RT²/E - характеристический интервал температуры, который означает, что при снижении температуры в зоне горения от Т_г до Т_г - q скорость реакции снижается в е раз, причем при температуре Т_г - q горение становится невозможным.

.Произведя математические преобразования (16) и подставив далее в него теплофизические параметры газовой смеси, можно получить численные значения критического радиуса эквивалентной сферы разогретых газов, которая способна зажечь горючую смесь данного вида и состава:

r_экв ³ 3,7 d_ф, (19)

где d_ф - толщина фронта пламени.

Для большинства горючих газовых смесей d_ф» 0,1 мм, т.е. r_экв = 0,4 - 0,5 мм.

Для создания очага минимального критического размера к горючей смеси необходимо локально подвести некоторое минимальное количество энергии. Приблизительно ее величина определяется следующим выражением:

(20)

где u_h - нормальная скорость распространения пламени, м/с;

р₀ - начальное давление смеси, Па.

Таким образом, для зажигания электрической искрой также существуют критические условия, определяемые минимальной энергией зажигания, необходимой для создания элемента пламени, способного к распространению.