2.5. Тепловой взрыв в динамических условиях /4/

Рассмотренное случая соответствуют постоянству температуры стенки, равной начальной температуре смеси Тс = То=const. В работах А.Г. Мержанова с сотрудниками развита теория теплового взрыва в условиях линейного изменения To (нагрев и охлаждение), основанная на решении системы уравнений- (1.23)-(1.25), дополненных законом изменения температуры окружающей среда:

:, (2.39)

где - скорость изменения температуры.

При нагреве (при To<<T*, где Т* - критическая температура теплового взрыва в статических условиях) система ведет себя сначала как инертное вещество, и температура в ней стационарно запаздывает по сравнению с Тс. В дальнейшем начинает проявляться тепловыделение от реакции, и запаздывание исчеза­ет, а температура в системе обгоняет температуру в окружающей среде. Для реакции нулевого порядка тепловой взрыв неизбежен, В реальных системах из-за выгорания вещества существует критическое значение скорости нагрева (при ) реакция протекает спокойно с небольшим перегревом, при реакция завершается тепловым взрывом). Вблизи существует область квазистационарного протекания химической реакции, характеризующиеся большими глубинами предвзрывного превращения вещества к вырождением самого теплового взрыва (рис.2.5).

В динамических режимах вместо То удобно использовать критическую температуру Т*. Основным параметром динамической задачи является отношение характерных времен изменения температуры и химической реакции U :

(2.40)

и представляет собой по существу динамический аналог критериев Н.Н. Семенова и Д.А. Франк - Каменецкого.

Рис. 2.5. Зависимость T ( Ts ) при различных значащих параметра U

2.6. Вынужденное воспламенение (зажигание)

Под вынужденным воспламенением (зажиганием) понимают случаи воспламенения, когда основная масса горючей среды остается холодной, а нагревание производится только в одном небольшом по объему участке среды, газа в частности. Это может быть осуществлено разнообразными способами: введением в среду накаленного тела, небольшим пламенем, электрической искрой того или иного тала и так далее. С точки зрения физической сущности процесса вынужденного зажигания, нет принципиальных отличий от процесса самовоспламенения, поскольку условия самоускорения реакций в данном случае также существенны, но их действие пространственно ограничивается лишь частью объема горючей смеси. С точки зрения расчета, явление это более сложно, чем самовоспламенение.

Видимым и практически удобным критерием зажигания является факт распространения пламени от местного источника воспламенения на весь объем среды. Поэтому факторы, определяющие критические условия в случае зажигания, должны быть связаны, с одной стороны, со свойствами источника зажигания и, с другой- с условиями распространения горения, распространения пламени.

Для того, чтобы представить себе механизм зажигания от накаленного тела, рассмотрим высказанные в связи с этим соображения В. Вант-Гоффа.. Процессом диффузии пренебрегаем, считая, что концентрация реагирующих веществ везде одинакова и равна начальной. Предположим, что на поверхности тела произошло повышение температуры до некоторой величины Т_1. В сpeде инертной, неспособной к реакции, распределение температура изобразится кривой T₁А₁ „ Для аналогичного процесса в реакционноспособной среде кривая температур должна быть уже несколько иной в силу дополнительного выделения тепла реакция ,и ее можно изобразить примерно в вида пунктирной линии . Повысим теперь начальную температуру тела до Т₂, .В инертной среде это поведет к возникновению распределения температуры Т₂А₂ подобного предыдущему с более резким ее спадом. В реагирующей среде; напротив; в силу увеличивающегося с повышением температуры выделения тепла, кривая температур будет падать медленнее, чем кривая и можно предвидеть, что найдется такая температура Т₂, при которой понижение температуры, по крайней мере вблизи источника, не произойдет, и кривая температур примет вид . Если после этого повысить начальную температуру источника, то стационарное состояние станет невозможным, так как температура в окружающей среде начнет прогрессивно возрастать по мере удаления от источника до тех пор, пока не произойдет воспламенения (Т₃- -В) (рис.2.6). Температура Т₂ является для этих условий критической предельной температурой, т.е. температурой зажигания, и по своему смыслу аналогична температуре воспламенения в случае процессов самовоспламенения.

Рис. 2.5. Распределение температуры в процессе зажигания