Орение в горючих смесях может возникнуть в результате их само­воспламенения, зажигания внешним источником или самовозгора­ния. Если процессы самовоспламенения и зажигания характерны для ве­ществ, находящихся в газообразном, жидком или твердом состоянии, то самовозгорание характерно для твердых материалов (особенно находя­щихся в мелкораздробленном состоянии) или высококипящих жидкостей, распределенных на материалах с развитой поверхностью.

3.1. Самовоспламенение. Стационарная теория

Стационарная теория самовоспламенения (теория теплового взрыва) объясняет наличие критических условий самовоспламенения. В этой тео­рии рассматривается стационарное в тепловом отношении состоящие реа­гирующей системы «горючее вещество — окислитель», при котором теп-лоотвод от системы равен тепловыделению. Теория позволяет определить условия достижения критического состояния. При этом для решения за­дачи используется модель реакции нулевого порядка, характеризующаяся отсутствием расходования в процессе реагирования исходных продуктов.

Тепловая теория самовоспламенения разработана академиком Н. Н. Семеновым. Она заключается в следующем. Предположим, в сосуде объ­емом V Находится горючая смесь. Температура стенок сосуда поддержи­вается постоянной и равна Т0. При температуре смеси Т В ней будет про­текать химическая реакция со скоростью , подчиняющаяся закону Арре-ниуса:

(3.1)

Где С — концентрация кислорода, П — порядок реакции, R — универсальная газовая постоянная, Е — Энергия активации.

При величине теплового эффекта реакции равным Q Скорость выде­ления тепла Qi Реагирующей со смесью составит:

48

Глава 3. Возникновение процессов горения

(3.2)

Часть выделившегося тепла пойдет на нагревание смеси, а остальное тепло будет отводиться в окружающую среду. Количество отводимого тепла Q2 Равно:

(3.3)

Где — коэффициент теплоотвода, S — Поверхность стенок сосуда, в ко­тором заключена смесь.

Для выяснения условий самовоспламенения рассмотрим Рис 3.1. На этом графике по горизонтальной оси отложена температура смеси, а по вертикальной — количество тепла, выделяющегося и отводимого в едини-цу времени. Три наклонных прямых Соответствуют трем значениям

Начальной температуры.

Рис. 3.1. Тепловыделение Qi И теплоотвод Q 2 при химической реакции Смеси в сосуде объемом V

При установившемся состоянии реагирующей смеси тепловыделе-ние от реакции Q1 Будет равно теплоотводу Q2. Соответствующая этому встоянию температура будет равна абсциссе точек пересечения кривых q1(T) и Q2(T). Из Рис. 3.1 Видно, что кривые тепловыделения и теплоотвода иногда пересекаются в двух точках, а иногда — в одной.

Рассмотрим первый случай — пересечение в двух точках. Смесь с начальной температурой Т0 За счет теплоты реакции будет нагреваться до

49

Корольченко А. Я. Процессы горения и взрыва

Равновесного состояния, отображаемого точкой С (при этом температура реагирующей смеси равна Та). Это состояние системы будет устойчивым, поскольку дальнейшее повышение температуры сопровождается превы­шением теплоотвода над тепловыделением. Вторая точка пересечения кривых В лежит в области более высоких температур и тепловой режим системы в этом случае будет неустойчивым. При отклонении от состоя­ния, отвечающего точке В, система в прежнее состояние уже не возвра­тится, а будет все более отклоняться от него.

При увеличении начальной температуры стенок сосуда Т0 Прямая, характеризующая теплоотвод, будет смещаться вправо, а температура реагирующей смеси Та Будет непрерывно и плавно возрастать. При неко­торой температуре Тсв Кривые Qi(T) И Q2(T) Соприкасаются (точка С), что физически означает равенство при этой температуре величин тепловыде­ления и теплоотвода. Точка С характеризует граничные условия сущест­вования стационарного режима. При незначительном повышении темпе­ратуры стенки сосуда по сравнению с Тсв Тепловыделение будет превы­шать теплоотвод и произойдет резкое увеличение температуры реаги­рующей смеси.

Явление, заключающееся в переходе от медленно протекающей ре­акции, сопровождающейся незначительным разогревом, к бурному про­грессивно ускоряющемуся выгоранию смеси, называется самовоспламе­нением. В научной литературе его часто называют явлением «теплового взрыва».

Рассмотрим количественные соотношения, характеризующие про­
цесс самовоспламенения газовых смесей. <

В точке касания кривых тепловыделения и теплоотвода величины Q
И q2, а также их производные по температуре равны. Таким образом, для
критического условия существования смеси можно записать: |

Глава 3. Возникновение процессов горения

Разделив левые и правые части уравнений, получим:

Или

(3.6)

Отсюда

(3.7)

(3.8)

Температуре самовоспламенения в формуле (3.8) соответствует знак минус перед значением квадратного корня.

Установлено, что . Поэтому подкоренное выражение в

Формуле (3.8) можно заменить разложением в ряд и с достаточной точно­стью ограничиться тремя первыми членами разложения. Тогда получаем:

(3.9)

И окончательно:

(3.10)

Многочисленными экспериментами установлено, что величина • не превышает нескольких процентов от значения То. Поэтому, не делая заметной ошибки, можно принять:

С учетом этого, формула (3.5) может быть представлена в виде:

(3.11)

Соотношение (3.11) устанавливает связь, между составом горючей смеси и величиной температуры самовоспламенения. Если принять поря-

51

Корольченко А. Я. Процессы горения и взрыва

Док реакции П = 2, то зависимость между С и Тсе Отражается кривой, по­казанной На Рис. 3.2 И ограничивающей область самовоспламеняющихся смесей.

Рис. 3.2. Зависимость температуры самовоспламенения От состава смеси при постоянном давлении

Теория, в полном согласии с экспериментом, показывает, что не лю­бая смесь горючего с окислителем может самовоспламениться. Самовос­пламеняются лишь смеси, состав которых находится В Пределах соответ­ствующих концентраций.

В настоящее время установлено, что при самовоспламенении могут преобладать тепловые, либо цепные процессы. При дальнейшем изложе­нии мы ограничимся рассмотрением вопросов, относящихся к тепловой теории.

Величина температуры самовоспламенения зависит от химического строения веществ и находится в области достаточно высоких температур:

Вещество Температура

Самовоспламенения, °С

Метан 535

Этан 515

Пропан 465

52

Глава 3. Возникновение процессов горения