Зажигание, как и самовоспламенение, характеризует условия воз­никновения горения. Эти явления имеют одинаковую природу, описыва­ются одними и теми же дифференциальными уравнениями.

В случае самовоспламенения подводимое к реагирующей системе тепло распределяется по всему объему этой системы. Реакция горения при самовоспламенении протекает практически одновременно во всем объеме системы, а начальный очаг горения возникает в ее центре, где потери теп­ла минимальны. Одним из наиболее важных параметров при самовоспла­менении является объем реагирующей смеси, поскольку от этого пара­метра существенно зависит отвод тепла в окружающее пространство.

При зажигании* в отличие от самовоспламенения нагревается не­большой объем горючей смеси. Зажигание, т. е. инициирование горения может быть осуществлено накаленным телом, пламенем или электриче­ской искрой. Механизм процесса зажигания близок к механизму самовос­пламенения, но более сложен. Критические условия зажигания зависят от свойств горючей смеси, от свойств источника зажигания и от начальных условий распространения пламени.

Основной отличительной особенностью зажигания является проте­кание реакции окисления, инициируемое локальным источником тепла, а не путем накопления тепла в системе за счет реализации химической ре­акции. Для процесса зажигания определяющим является наличие большой разности температур между горючей системой и источником зажигания. Размеры системы играют второстепенную роль.

Для выяснения механизма зажигания рассмотрим схему, предло­женную Вант-Гоффом (рис. 3.3). Зависимости, представленные на этом

* В теории горения процесс зажигания горючей смеси часто обозначается терми­Нами «вынужденное зажигание» и «вынужденное воспламенение».

53

Корольченко А. Я. Процессы горения и взрыва

Рисунке, характеризуют изменение температуры среды при попадании в нее накаленного шарика. Линии А1, а2 И А3 Отражают изменение темпера­туры инертной среды, линии B1, B2И bЗ — горючей.

Рис. 5J. Изменение температуры смеси

В зависимости от температуры

Поверхности шарика

Вначале, темпе­ратура Т1 Поверхности шарика, играющего роль источника зажи­гания, выше темпера­туры газовой смеси, но ниже той темпера­туры, при которой происходит воспламе­нение смеси. В этом случае распределение температуры T вблизи поверхности шарика изобразится кривой a1 (для инертной среды) и кривой b1- для го­рючей. Кривая b1 рас­полагается несколько выше a1 за счет тепло­выделения в горючей среде.

Если повысить температуру шарика Т2 > T1, то в инертной среде она будет пони­жаться быстрее, чем в предыдущем случае. Ее снижение характе­ризует кривая A2_. В реагирующей смеси, благодаря возраста­нию скорости реакции с повышением темпе-

54

Глава 3. Возникновение процессов горения

Ратуры, кривая T(Z) Вблизи поверхности шарика будет снижаться медлен­нее, чем в предыдущем случае. Но величина этой температуры еще не достаточна для возбуждения реакции горения. Температура Т2 Является критической температурой, аналогичной температуре самовоспламене­ния. При повышении температуры поверхности шарика выше критиче­ской, например до температуры Т3, В горючей смеси инициируется горе­ние. При этом поверхность уже не участвует в процессе, а определяющи­ми становятся свойства горючей смеси.

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что критиче­ская температура при зажигании выше, чем при самовоспламенении. Это связано с быстрым падением температуры газовой смеси по мере удале­ния от поверхности нагретого тела. При этом концентрация горючего компонента вблизи поверхности вследствие протекания химической реак­ции оказывается ниже, чем в остальном объеме. В экспериментах наблю­даются ситуации, когда около нагретого тела реакция протекает, но далее пламя не распространяется.

Математическое описание процесса зажигания выполнено академи­ком Я. Б. Зельдовичем. Для этого использована следующая модель: горю­чая газовая смесь заключена между двумя бесконечными плоскими па­раллельными стенками. Одна стенка имеет температуру Ts, А вторая — Т0 (при этом TS>T0) Стационарное распределение температуры в газовой смеси устанавливается только в том случае, когда температура нагретой стенки не превышает критическую величину и около нее не происходит химическая реакция. При критических условиях, по аналогии с процессом самовоспламенения

(3.12)

Где Z — расстояние от нагретой стенки; индекс «СТ» Указывает на то, что градиент температуры относится к слою газа у поверхности стенки.

Распределение температуры в газе описывается уравнением тепло­проводности, которое для рассматриваемого случая имеет вид:

(3.13)

Где — коэффициент теплопроводности газовой смеси, Q — Тепловой эф­фект, — скорость реакции.

55

Корольченко А. Я. Процессы горения и взрыва

Скорость реакции зависит от температуры по закону Аррениуса:

(3-14)

Введем новую переменную

И уравнение (3.13) запишем так:

(3.15)

Интегрируя (3.15), получим:

(3.16)

Отсюда следует, что поток тепла в газовой смеси отвечает соотно­шению:

(3-17)

Поскольку скорость реакции зависит от температуры, то реакция в газовой смеси между стенками будет в основном протекать в узком слое , прилегающем к нагретой стенке. Внутри этого слоя величина Ts — Г при условиях, близких к критическим, будет мала по сравнению с Т.

Поэтому, можно принять:

И что

(3.18)

(3.19)

56

Глава 3. Возникновение процессов горения

Подставляя (3.19) в (3.15), интегрируя и принимая во внимание, что

(DT -п При критических условиях зажигания выполняется условие ~Rz ст — и s

Получим:

(3.20)

Эксперимент показывает, что величина

При изменении Ts— T На десятки градусов меняется в узких пределах: от 1 до 0,4. Следовательно, значение У Вне зоны Незначительно отличается от величины

Таким образом, тепловой поток из зоны реакции будет равен:

(3.21)

Величину этого теплового потока при установившемся состоянии можно представить в упрощенном виде:

(3.22)

Отсюда следует, что при стационарном режиме выполняется сле­дующее равенство:

(3.23)

57

Корольченко А. Я. Процессы горения и взрыва

Соотношение (3.23) устанавливает зависимость критических ве­личин и условий, при которых реализуется Зажигание, От Размеров Со­суда.

Зажигание искрой горючей смеси представляет собой более слож­ное явление, чем зажигание нагретым телом. В искре происходит интен­сивное местное возбуждение молекул и их ионизация. Одновременно искра в зоне своего действия вызывает сильное повышение температуры газа. В упрощенном виде искру можно представить как накаленное газо­образное тело.

При зажигании искрой для каждой горючей смеси существует неко­торая минимальная мощность искры, при которой смесь воспламеняется. Эта мощность зависит от состава смеси, давления и температуры. Харак­тер этой зависимости от состава смеси показан На рис. 3.4. Он одинаков для всех горючих газов и паров. Наименьшая величина энергии требуется для зажигания смесей стехиометрического состава. Эта величина называ­ется минимальной энергией зажигания. Значения минимальной энергии зажигания для некоторых газов Приведены В Табл. 3.1.

Рис. 3.4. Зависимость энергии зажигания от состава смеси Cстех — Стехиометрический состав; Емин — минимальная энергия зажигания

Глава 3. Возникновение процессов горения

Таблица 3.1 Минимальная энергия зажигания