Вопрос 3. Минимальная энергия зажигания, зависимость ее от некоторых параметров, практическое применение
Искрой
Вопрос 2. Элементы тепловой теории зажигания электрической
Электрическая искра - один из наиболее распространенных способов зажигания в технике, она является частой причиной возникновения пожаров и взрывов. И если другие виды источников зажигания образуются, как правило, в результате аварий, их в известной степени можно предвидеть, то явление зажигания электрической искрой меньше всего поддается контролю, возникает неожиданно и в качестве причины пожара не всегда доказуемо. Само явление электрического разряда недостаточно изучено. Электрический разряд - это сложное физико-химическое явление, в результате которого в диэлектрике в зоне проскока (пробоя) искры образуется канал разряда, в котором происходит возбуждение и ионизация молекул газа с выделением большого количества теплоты. Образуется и плазма. Схема искрового разряда представлена на рис.2.
гтлсгт
В зоне электрического разряда происходит мгновенное развитие химических реакций горения, при этом период индукции практически отсутствует. Выделенная в разрядном канале теплота приводит к сгоранию горючей смеси, но количества ее может не хватить для образования и распространения устойчивого фронта пламени. Поэтому для каждого вида горючего в зависимости от соотношения его с окислителем существует наименьшее, критическое значение мощности электрической искры. Минимальная мощность разряда есть функция состава горючей смеси, давления, температуры и т.д.
Екр — f(Cr0p/C0io Р> Т). (2)
Теория теплового механизма зажигания электрической искрой разработана академиком Я.Б.Зельдовичем. Рассмотрим некоторые элементы этой теории. Представим горючую смесь, в центре которой расположен точечный источник зажигания в виде электрической искры .
Рис.3. Схема тепловых потоков при искровом зажигании
|
За время ti >0 источником ИЗ выделяется AQ Дж теплоты. К ней будет добавляться теплота химической реакции Qrop. Часть выделяющейся теплоты будет передаваться теплопроводностью в холодную горючую смесь. Если мощность искры мала, то нагреваемого объема недостаточно для поддержания в начальный момент реакции горения. Поэтому смесь охлаждается и воспламенения не происходит (рис.4, сплошные линии Ti > т2 > т3). При увеличении мощности искры нагреваемая ею часть объема смеси будет больше. В этом случае выделяемой теплоты реакции уже достаточно для компенсации теплоотвода в холодную смесь. Возникает устойчивый фронт горения, пламя распространяется по всему объему смеси (пунктирные линии т4> т5).
Рис.4. Температурное поле вокруг ИЗ (г - расстояние в разное время т)
|
Представленные на рис.4 зависимости изменения температуры описываются следующим уравнением:
Т = Т0+------------- —(3)
ср -р-(4т1-а-т)
где Т0 - начальная температура горючей смеси. К; ср - средняя теплоемкость смеси, кДж/кг-К; а - температуропроводность, м /с; р - плотность свежей смеси, кг/м3;
г - радиус смеси, приведенный к ее начальной плотности, м.
Максимальная температура в точке г = 0 нагретой зоны изменяется во времени по гиперболическому закону (рис.5):
| (4) |
| 3/2 ' |
Q
Тщах — Т0 +
с -р-(47г-а-т)
itri
Рис.5. Изменение Тмах во времени
|
Если искра нагревает некоторый объем горючей смеси до температуры горения Тг (точка 1), и если время охлаждения объема смеси до температуры Тг - 9 (точка 2) больше или равно времени реакций тхр в зоне нагрева, то воспламенение возможно:
| АТохл > т. |
| (5) |
| хр? |
(тХр «Ю-4 с)
Здесь 9 = RT /Е - характеристический интервал температуры, который означает, что при снижении температуры в зоне горения от Тг до Тг - 9 скорость реакции снижается в е раз, причем при температуре Тг - 9 горение становится невозможным.
.Произведя математические преобразования (3) и подставив далее в него теплофизические параметры газовой смеси, можно получить численные значения критического радиуса эквивалентной сферы разогретых газов, которая способна зажечь горючую смесь данного вида и состава:
гэкв >3,7 5ф, (6)
где 5ф - толщина фронта пламени.
Для большинства горючих газовых смесей 5ф « 0,1 мм, т.е. гэкв = 0,4 - 0,5 мм. В табл.1 приведены расчетные критические радиусы эквивалентной сферы для некоторых стехиометрических смесей горючих газов и паров с воздухом.
| Вещество | Гкр, ММ |
| Метан | 1,03 |
| Этан | 0,90 |
| Пропан | 0,92 |
| Бутан | 0,95 |
| Расчетные критические радиусы смесей стехиометрического состава газов и паров |
| Таблица 1
|
Для создания очага минимального критического размера к горючей смеси необходимо локально подвести некоторое минимальное количество энергии. Приблизительно ее величина определяется следующим выражением:
п А,3Г • TQ • (Тг - Т0)
Vmin з 2 —2 ' ^
uH-Po-cp
где ин - нормальная скорость распространения пламени, м/с; Ро - начальное давление смеси, Па.
Таким образом, для зажигания электрической искрой также существуют критические условия, определяемые минимальной энергией зажигания, необходимой для создания элемента пламени, способного к распространению.