Каталог

Помощь

Корзина

Вынужденное воспламенение горючих систем, его сущность. Лекция 8

Оригинальный документ?

ЛЕКЦИЯ 8.

Вынужденное воспламенение горючих систем,

его сущность

Рассмотренные процессы воспламенения на практике встречают­ся очень редко. Но, несмотря на это, изучение этого процесса очень важно с точки зрения предотвращения возможности непроизвольного самовоспламенения и самовозгорания горючих веществ и материалов, которые могут при­вести к взрыву и пожару.

Чаще всего пожары происходят в результате вынужденного воспламе­нения горючих веществ и материалов от источника зажигания.

Вынужденным воспламенением (зажиганием) называется возникновение горения под воздействием источника зажигания.

По своей физической сущности зажигание или вынужденное воспла­менение не отличается от процесса самовоспламенения, так как условия са­моускорения реакции окисления у них одни и те же, т.е. взаимодействие го­рючего вещества и окислителя наступает после повышения температуры системы выше определенного значения.

Первое (основное) отличие между этими процессами заключается в том, что при самовоспламенении вся смесь разогревается равномерно и до­водится постепенно до температуры самовоспламенения. В результате этого реакция окисления протекает во всем объеме газовой смеси. Процесс горения может возникнуть равномерно в любой точке рассматриваемого пространст­ва или во всем объеме одновременно.

В случае зажигания вся горючая смесь может оставаться сравнительно холодной, до температуры воспламенения достаточно нагревания только ее незначительной части.

Второе отличие состоит в том, что при самовоспламенении процесс самоускорения химической реакции нарастает сравнительно медленно, т.е. велик период индукции, а при зажигании процесс воспламенения происходит значительно быстрее, так как разогрев смеси от внешнего источника тепла производится локально, но значительно быстрее и до более высокой температуры. Поэтому индукционный период почти отсутствует или очень мал.

Под источником зажигания понимают горячее или накаленное тело, а также электрический разряд с запасом энергии и температуры, достаточных для возникновения горения других веществ.

В зависимости от внешнего источника тепла и его особенностей различают разные способы или виды зажигания. Источником зажигания может быть разогретое постороннее тело или локально разогретая стенка сосуда с горючей газовой смесью, электрическая искра, постороннее пламя, адиабатическое сжатие или ударная волна и т.д.

 

Зажигание от различных источников зажигания

Зажигание от нагретой поверхности. Рассмотрим механизм воспламене­ния для этого случая. Предположим, что температура поверхности тела повы­силась до некоторого значения Т1 (рис. 18.6). Если с этой поверхностью соприкасается среда, не способная к реакции окисления, то распределение температуры в ней изобразится кривой Т1А1

При соприкосновении горючей смеси с поверхностью кривая температура становится иной, что обусловлено дополнительным выделением тепла в резуль­тате реакции окисления (кривая T1AФормула 1). Если повысить температуру тела до Т2, то в инертной среде это вызовет распределение температуры по кривой Т2А2, но с более резким спадом, чем в предыдущем случае. 

В горючей же смеси в результате увеличения скорости выделения тепла с повышением температуры кривая температур будет опускаться медленнее, чем кривая Т2А2. Повышая температуру тела, можно найти такую температуру Т2, при которой температура смеси понижаться не будет, и кривая температур при­мет вид Т2АФормула 2. Если еще повысить температуру, то температура горючей смеси вследствие большой скорости выделения тепла не сможет быть постоянной и начнет быстро возрастать (по мере удаления от источника тепла) до тех пор, пока не произойдет воспламенение (кривая Т3А3). Таким образом, тем­пература Т2 является для этих условий предельной, т.е. температурой вос­пламенения.

Зажигание электрической искрой. Зажигание горючих газовых смесей электрической искрой - один из распространенных видов вынужденного воспламенения, особенно в двигателях и теплосиловых установках. Меха­низм этого процесса значительно сложнее, чем рассмотренный выше тепло­вой механизм поджигания нагретым телом уже потому, что сам электриче­ский заряд в газовом пространстве - сложное физическое явление.

В зоне разряда возникает интенсивное возбуждение молекул газа и их ионизация. Это объясняется тем, что в очень малом по объему "канале" про­скока термодинамическая температура газа возрастает мгновенно до несколь­ких тысяч градусов. Время действия разряда - тысячные доли секунды, но время тепловой релаксации системы достаточно невелико. И поэтому можно рассматривать поджигающую искру как своеобразное разогретое газообраз­ное тело. В соответствии с этим существует две концепции искрового зажи­гания:

- ионная теория зажигания;

- тепловая теория зажигания.

Согласно ионной теории, рассматривающей механизм зажигания с чис­то химической точки зрения, эффективность зажигания газовых смесей должно зависеть от силы тока в сети перед ее размыканием, т.е. должна быть прямо пропорциональна силе тока в первой степени.

В случае теплового механизма зажигания зажигающая способность должна быть пропорциональна квадрату силы тока, так как из курса физики известно, что количество тепла, выделяемого в электрической сети пропор-ционально квадрату силы тока В случае теплового механизма зажигания зажигающая способность должна быть пропорциональна квадрату силы тока, так как из. Однако опыт показывает, что за­жигающая способность электрической искры пропорциональна первой сте­пени силы тока, что подтверждает ионную теорию зажигания. При искровом зажигании для каждого вида горючего, каждого состава смеси газов сущест­вует некоторое предельное наименьшее значение мощности электрического разряда, начиная с которого смесь способна воспламеняться, т.е. возникает фронт пламени и происходит его дальнейшее распространение за пределы зоны зажигания.

Наименьшее значение мощности электрической искры способно под­жечь горючую смесь данного вида и состава, называется критической энер­гией зажигания.

С позиций тепловой теории воспламенения, предложенной академиком Зельдовичем, электрическая искра заменяется точечным источником тепла, выделяющим в момент времени Формула 4 = 0 некоторое количество тепла, равное Q Дж, способное поджечь критический объем смеси, который может дальше поддерживать горение. Решив уравнение нестационарной теплопроводности для нейтральной среды с постоянным коэффициентом температуропровод­ности a в декартовой системе координат, получим количество тепла, необходимое для нагрева смеси от Т0 до ТФормула 5 некоторого объема, который способен воспламенить всю смесь:

С позиций тепловой теории воспламенения, предложенной академиком Зельдовичем, электрическая искра заменяется точечным источником тепла, выделяющим в

Это выражение позволяет проанализировать влияние различных физико-химических факторов и параметров горючей газовой смеси на энергию вынужденного зажигания, если принять Езаж.~Q. Количественно энергия вынужденного зажигания Езаж. горючих газовых систем ничтожно малая величина, и колеблется от десятых долей до нескольких миллиджоулей. Минималъное значение критической энергии вынужденного зажигания наиболее распространенных горючих газовоздушных смесей Екр составляет 0.2-0.3 мДж.

Зная величину критического радиуса зажигающего объема газовой смеси и минимальную температуру вынужденного зажигания газовоздушных смесей, критическую энергию зажигания можно определить аналитически:

Зная величину критического радиуса зажигающего объема газовой смеси и минимальную температуру вынужденного зажигания газовоздушных смесей, критическую

где RKp- критический радиус объема смеси, которая может воспламениться (экспериментально установлено, что Rкр.» 0.5 мм); Ср - средняя теплоемкость газовой смеси; ТФормула 8 - температура вынужденного зажигания (или температура воспламенения).

Температура воспламенения - наименьшая температура, при которой в ус­ловиях специальных испытаний вещество выделяет горючие пары и газы с такой скоростью, что после их зажигания возникает устойчивое пламенное горение.

Тогда можно записать QкpФормула 9 0.5.10-9Cр ТФормула 10.

Если принять, что ТФормула 11 для большинства углеводородов равна ~300°С, средняя теплоемкость при этой температуре равна Ср ≈ 1,4 кДж/(м3.с), то получим, что QKp.≈ 0.21.10-6 кДж, т.е. Qкp.≈ Екр ≈ 0.2 мДж.

Если учесть, что у некоторых углеводородов значение критической энергии Екр меньше и по соображениям техники безопасности следует ввести поправочный коэффици­ент запаса,  критическую  энергию  зажигания  горючих и взрывоопасных углеводородных смесей с воздухом условно можно принять равной Екр. » 0.1 мДж. Критическая энергия зажигания зависит от различных факторов:

а). от состава горючей смеси (рис. 18.7);

б). от скорости газовоздушной смеси (рис. 8.8);

в). от давления (рис. 1 8.9).

Концентрационные пределы распространения пламени (воспламенения) и влияющие на них факторы

Для возникновения и распространения процесса горения необходимо, как отмечалось ранее, наличие горючего, окислителя и высокотемператур­ного источника зажигания.

В химическую реакцию окисления могут вступать лишь молекулы горючего и окислителя, энергия которых в момент соударений превышает энергию активации. Для этого нужно, чтобы молекулы горючего и окислителя встретились в системе, и произошло их соударение. При этом возможны три вида соударений:

- окислитель - окислитель;

- горючее - горючее;

- окислитель - горючее.

Только в третьем случае вид соударений является эффективным, так как протекает с выделением тепла. Но для того, чтобы выделившееся тепло было достаточно для дальнейшего развития химической реакции, необходимо определенное соотношение концентраций горючего и окислителя.

Самые благоприятные условия для развития химической реакции будут тогда, когда соотношение горючего и окислителя будет соответствовать стехиометрической концентрации. Будут существовать также и такие концентрации горючего и окислителя (больше или меньше стехиометрии), когда протекание химической реакции невозможно, так как процесс горения не будет развиваться.

Нижний концентрационный предел распространения пламени (воспламенения) НКПВ - минимальное содержание горючего в смеси (горючее вещество - окислительная среда), при котором возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания.

Верхний концентрационный предел распространения пламени (воспламенения) ВКПВ - максимальное содержание горючего в смеси (горючее вещество - окислительная среда), при котором возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания.

Рассмотрим процесс воспламенения газовоздушной смеси в пределах концентраций горючего от 0 до 100 %, то увидим, что смесь является взрывопожароопасной не при всех концентрациях (рис. 1 8.10). Все смеси горючего с концентрациями от 0 до НКПВ не способны воспламеняться даже от мощного источника зажигания это область безопасных концентраций. В пределах от НКПВ до ВКПВ смесь горючего с воздухом способна воспламеняться и сгорать со скоростью взрыва, при этом пламя распространяется на весь объем горючей смеси - это область воспламенения. Область концентраций выше ВКПВ, вплоть до 100 % назы­вается пожароопасной.

Значение НКПВ используется при определении категорий производств по пожаровзрывоопасности. Значения НКПВ и ВКПВ следует применять при расчете взрывобезопасных концентраций газов, паров и пылей внутри технологического обо­рудования трубопроводов, при проектировании вентиляционных систем, а также при расчете предельно допустимых концентраций газов, паров, пылей в воздухе рабочей зоны с потенциальным источником зажигания.

Существуют экспериментальные методы определения КПВ, заключа­ющиеся в зажигании газа-паро-пыле-воздушных смесей заданной концентрации исследуемого вещества в объеме реакционного сосуда и установлении факта наличия или отсутствия распространения пламени. Изменяя концентрацию горючего в смеси, устанавливают ее минимальное и максимальное значения, при которых происходит распространение пламени.

НКПВ газа- и паровоздушных смесей рассчитывают по предельной теплоте сгорания. Установлено, что количество тепла, выделяющееся при горении смесей на НКПВ, представляет собой почти для всех горючих веществ примерно постоянную величину, равную ~1830 кДж/м3

Из    выражения    для    определения    предельной    теплоты    горения Из выражения для определения предельной теплоты горения можно определить нижний концентрационный предел можно определить нижний концентрационный предел:

об %НКПВ и ВКПВ можно определить и по аппроксимированной формуле об %

НКПВ и ВКПВ можно определить и по аппроксимированной формуле

Формула 14= 100/an + b),

где n - число молекул кислорода, необходимое для полного окисления горючего; а и b константы, значения которых приведены в таблице.

 

Предел воспламенения

Значение констант

а

В

НКПВ

8.684

4.679

ВКПВ

n 7.5

n > 7.5

 

1.550

0.768

 

0.560

6.554

 

Для вычисления КПВ смеси веществ, состоящей из нескольких горючих компонентов, используют формулу Ле-Шателье:

        Для вычисления КПВ смеси веществ, состоящей из нескольких горючих компонентов, используют формулу Ле-Шателье

где jсм - КПВ смеси, об. %; ji - - КПВ  где jсм - КПВ смеси, об. %; ji - - КПВ - компонента, об.%; -- компонента, об.%;  где jсм - КПВ смеси, об. %; ji - - КПВ - компонента, об.%; - - мольная доля i-компонента. Для горючей смеси  где jсм - КПВ смеси, об. %; ji - - КПВ - компонента, об.%; - = 1.

По давлению насыщенного пара можно также определить концентрационные пределы воспламенения:

По давлению насыщенного пара можно также определить концентрационные пределы воспламененияоб %  об %   

Влияние различных факторов на КПВ.

При уменьшении объема сосуда уменьшается его диаметр, увеличива­ется площадь теплоотдачи, приходящаяся на единицу объема смеси. Для ка­ждой газовой смеси существует минимальный объем и диаметр, ниже кото­рых при любом составе смеси зажигание и распространение пламени невоз­можно.