3. Теория стационарного теплового воспламенения.

Предположим что в замкнутом объеме Vсодержится газ концентрациейC, температуройT, при этом температура стенок сосудаT₀, а коэффициент теплоотдачиα. Площадь поверхностиF. Q– тепловой эффект реакции.

С началом химической реакции начнется тепловыделение , а теплоотвод от смеси будет составлять. При тепловом равновесии, т.е. будет отсутствовать теплонакопление.

Если обратить внимание на рисунок то можно увидеть, что линияaпоказывает тепловыделение в результате окисления смеси, линииб, е, в иd – относятся к теплоотводу. Из уравнений теплоотвода и тепловыделения видно, что первый процесс линейный, а второй экспоненциальный.

В случае теплового равновесия, система будет находится в точках пересечения кривых. Рассмотрим возможные случаи их взаимного расположения. Кривые aибпересекаются в точках 1и 2, при этом точка 1 – соответствуетустойчивомуравновесию системы, а точка 2 –неустойчивому. Если относительно точки 1 увеличится температура смеси, при этом теплоотвод значительно превысит тепловыделения и система снова вернется в точку 1. При снижении температуры тепловыделение превысит теплоотвод и система тоже придет в точку 1. В точке 2 равновесие будет неустойчивым, т.к. при повышении температуры произойдет воспламенение смеси (отмечу что не самовоспламенение, потому что до этого предварительно систему надо будет разогреть), а при снижении температуры система перейдет в точку 1 т.к. теплоотвод станет значительнее тепловыделения. В случае увеличения температуры стенки может наступить такое состояние при котором криваяестанет касательной кaпри этом в точке 3 произойдет самовоспламенения смеси, и температураT_В будет соответствовать температуре самовоспламенения смеси. Установим качественные зависимости этой температуры отα,F иV. Приуменьшениизначениякоэффициентатеплоотдачииплощади поверхности, и приувеличенииобъема температура самовоспламенения смеси будетуменьшаться, что соответствует прямойd. А приувеличенииα иF, и приуменьшенииV температура самовоспламененияувеличится. Отсюда можно сделать вывод, что температура воспламенения не является физико-химической характеристикой газовоздушной смеси, она зависит от условий теплообмена.

4. Сжигание газа.

4.1. Пламя в неподвижной среде.

Фронт пламени – узкая область, в которой происходит реакция горения.

Нормальная скорость перемещения пламени – скорость распространения фронта в направлении нормальном к его поверхности относительно неподвижной горючей смеси.

При рассмотрении процесса распространения пламени нормальная скорость распространения будет меньшескорости отвода продуктовсгорания, это следует из соотношения, т.к. температура продуктов сгорания будет значительно больше те-ры исходной смеси, а их плотность будетменьшеплотности исходных компонентов.

Используя устройство, показанное на рисунке 3 определим некоторые соотношения горения неподвижной газовоздушной смеси.

При поджигании газа фронт пламени начинает распространятся в сторону от баллона 3 при этом он будет приобретать форму показанную на рис. 4. При изменении диаметра трубки можно достичь такого значения диаметраd_крпри значенияхменьшекоторого пламя распространятся не будет, т.е. охлаждение смеси будет гораздо значительнее чем тепловыделение. При этом скорость распространения пламени больше нормальной скорости в следствие того, что площадь фронта больше площади трубки. Так же это можно получить из закона площадей(закон площадей Михельсона), гдеS – площадь трубки, аF– площадь фронта пламени.

Закон косинуса будет выражен следующим соотношением . Если увеличивать скорость потокаW, то уголφбудет увеличиваться (угол между вектором скорости и вектором нормали к поверхости).

Для смеси газа и воздуха существует определенная концентрация соответствующая максимуму нормальной скорости распространения пламени, причем эта концентрация будет большестехиометрической. Также существует верхний и нижний пределы воспламенения, т.е это такие концентрации газа в воздухе при которых смесь гореть не будет.