Глава 2. Механизмы процессов горения
2.1. Тепловое самовоспламенение
Под самовоспламенением понимают равновесный нагрев смеси до температуры, выше которой смесь самостоятельно, без дальнейшего внешнего нагрева, воспламеняется.
Пусть Q+ − скорость тепловыделения в сосуде:
Q+ ~ qke–E/RT, (2.1)
где q – тепловой эффект реакции;
k – предэкспоненциальный множитель;
E – энергия активности;
R – газовая постоянная;
T – температура.
Q– − скорость теплопотерь за счёт теплообмена газа со стенкой сосуда:
Q–
= α
,
(2.2)
где α − коэффициент теплоотдачи от газа к стенке, S − общая площадь стенки сосуда, V – объём газа в сосуде, T0 – температура стенок сосуда.
Пусть некоторый объём газа V заключён в сосуд, стенки которого поддерживаются при постоянной температуре Т0. Предположим, что при возникновении химической реакции температура Т0 горючей смеси внутри сосуда везде растет одинаково. Весь объём горючей смеси реагирует одинаково во всех точках, так как концентрация реагирующих веществ в любой точке сосуда одна и та же.
Температура самовоспламенения зависит от многих факторов:
химического состава;
его физических свойств (теплоёмкость, теплопроводность);
времени индукции;
давления в сосуде;
материала стенок сосуда;
начальной температуры стенок;
метода определения температуры самовоспламенения.
Существует целый ряд экспериментальных методов определения температуры самовоспламенения газовых смесей. Основными из них являются:
метод впуска заранее заготовленной холодной смеси в эвакуированный нагретый сосуд;
метод нагревания компонентов смеси раздельно и затем смешивание в потоке нагретого сосуда (метод концентрических трубок);
● метод адиабатического сжатия заранее заготовленной смеси.
Обычно в опытах состав смеси и давление задаются заранее, а меняется температура стенок. Для этого случая представлена другая диаграмма (рис. 2.1.).
Рис. 2.1. Тs − температура стенки
При постоянном повышении температуры стенки ТS соответствующая прямая теплоотдачи (Q–) перемещается вправо параллельно самой себе. До тех пор пока прямая теплоотвода пересекает кривую тепловых делений (Q+), разогрев системы стационарен. Выше температуры ТS теплоприход превышает теплоотвод: система прогрессивно разогревается, реагирует, происходит воспламенение. ТS является нижней границей температуры самовоспламенения. Температура, при которой тепловыделение равно теплоотводу ТВ, называется температурой воспламенения (касание линий). Таким образом, критическое условие возникновения теплового самовоспламенения определяется касанием линий и выражается критерием Н.Н. Семенова:
(2.3)
где Токр. – температура окружающей среды.
При Se < 1/e – тепловое самовоспламенение не происходит;
Se > 1/е – реакция протекает с самоускорением;
Se = 1/е – критическое значение для возникновения теплового самовоспламенения.