🗊Презентация Теория теплового воспламенения газовых смесей

Лекция 8. Теория теплового воспламенения газовых смесей.

Способы воспламенения горючих смесей При низких температурах скорость 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.

Существует 2 способа воспламенения : Существует 2 способа воспламенения : самовоспламенение и вынужденное воспламенение. Самовоспламенение – 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.

В топочных устройствах и камерах сгорания, в которых процесс горения должен быть непрерывным и устойчивым, метод самовоспламенения не применяется. В топочных устройствах и камерах сгорания, в которых процесс 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.

Известны 3 способа зажигания горючей смеси: Известны 3 способа зажигания горючей смеси: раскалёнными телами электрическим разрядом (искрой) факелом или 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.

В топливно-воздушной смеси источник зажигания, например электрическая искра или рециркулирующие газы, создает узкую зону быстрой химической реакции, которая в результате переноса теплоты и активных радикалов распространяется от одного слоя смеси к другому. В топливно-воздушной смеси источник зажигания, например электрическая искра или рециркулирующие 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.

Стационарная тепловая теория самовоспламенения

Рассмотрим химическую реакцию в неподвижной горючей смеси, заключенной в сосуд 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. Рассмотрим химическую реакцию в неподвижной горючей смеси, заключенной в сосуд 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.

Принимаем коэффициенты теплопроводности и диффузии смеси бесконечно большими, например, вследствие интенсивного турбулентного перемешивания. Это означает, что температура смеси и концентрация в ней топлива равномерно распределены по объёму сосуда. Принимаем коэффициенты теплопроводности и диффузии смеси бесконечно большими, например, вследствие 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.

Модельное распределение Т и С в различные моменты времени

По мере протекания реакции горения смесь разогревается за счёт выделяющейся теплоты реакции, и возникает разность температур между смесью и окружающей средой. По мере протекания реакции горения смесь разогревается за счёт выделяющейся 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.

Соотношение между плотностями потоков выделяющегося в сосуде и отводимого тепла

При Qр =QТ наступает тепловое равновесие и в сосуде устанавливается 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.

Стационарным тепловым режимам соответствуют точки пересечения кривых Qр = (Т) и QТ = (Т). Стационарным тепловым режимам соответствуют точки пересечения кривых Qр = (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.

При температуре смеси выше Т2 (т.2), тепловыделение превысит теплопотери, в результате начнётся прогрессирующий разогрев, приводящий к самовоспламенению. При температуре смеси выше Т2 (т.2), тепловыделение превысит теплопотери, в 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.

Если повышать температуру окружающей среды Т0, что графически соответствует переносу прямой QТ параллельно вправо, при некотором значении Т0к кривые Qр и QТ будут иметь только одну общую точку (К). Если повышать температуру окружающей среды Т0, что графически соответствует переносу 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

В стационарной тепловой теории за температуру самовоспламенения принимают температуру ТК или более доступную измерению температуру ТОК. В стационарной тепловой теории за температуру самовоспламенения принимают температуру 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.

Академик Ник.Ник.Семёнов определил температуру самовоспламенения из условия равенства между собой в точке касания К (при ТО = ТОК) Академик Ник.Ник.Семёнов определил температуру самовоспламенения из условия равенства между собой в точке касания К (при ТО = ТОК) – потоков тепловыделения и теплопотерь – и их первых производных по температуре Qр = Qт

Подставляя выражения для Qр = Qт и решая совместно полученную систему, придём к квадратному уравнению относительно Тк Подставляя выражения для Qр = Qт и решая совместно полученную 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.

Искомое и отброшенное решения – точка перегиба

В результате получена величина самопроизвольного разогрева, ведущего к самовоспламенению: В результате получена величина самопроизвольного разогрева, ведущего к самовоспламенению: – критерий Семёнова если ΔТ < ΔТК , то самовоспламенение невозможно; в противном случае оно может наступить при предоставлении времени, необходимого для такого самопроизвольного разогрева.

Температура ТОК представляет собой значение начальной температуры горючей смеси, при которой в данных условиях самопроизвольный разогрев достигает критической величины . Температура ТОК представляет собой значение начальной температуры горючей смеси, при 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.

В зависимости от условий процесс самовоспламенения может развиваться очень медленно, за значительный период времени, или очень быстро, мгновенно. В зависимости от условий процесс самовоспламенения может развиваться очень медленно, 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.