Лекция 9. ЗАЖИГАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИСКРОЙ

5 600

Рис.4. Зависимость критической температуры зажигания от площади поверхности металлического шарика

Нагретой поверхностью

Критическая температура зажигания всегда выше температуры самовоспламенения смеси. Причиной этому является теплоотвод из приповерхностного слоя, в котором начинаются реакции окисления: теплоотвод в стенку и в газовую смесь. Чтобы смесь воспламенилась, необходимо выделение большого количества теплоты реакции. Это возможно только при достаточных размерах поверхности металлического шарика, массы и площади поверхности источника зажигания для прогрева необходимого объема горючей смеси. Чем больше запасено источником теплоты, тем ниже температура зажигания (рис.4).

Данное обстоятельство однозначно подтверждается экспериментами. Так, критическая температура зажигания от металлического шарика снижается с увеличением его диаметра: Диаметр шарика d, мм Т_заж, °С

2 1000 3 800

В реальных условиях при нагревании газопаровоздушной смеси каким-либо "горячим телом" часть горючего в пристенном слое окисляется и концентрация его быстро снижается. При этом, естественно, снижается и скорость реакции, а значит и скорость тепловыделения. Поэтому для достижения критической температуры зажигания необходима компенсация

теплопотерь, которая может быть достигнута повышением температуры

й

нагретого тела.1 Но здесь существенную роль может играть каталитическая активность поверхности источника зажигания. Если на его стенке происходит ингибирование реакции окисления (дезактивация активных центров), то Т_заж повышается. Если же процесс катализируется, то происходит ускорение реакции окисления, и поэтому следовало бы ожидать снижения температуры зажигания. Но наблюдается неожиданное, на первый

взгляд, явление. Например, для зажигания платиной, которая каталитически активна, необходима более высокая температура, чем в случае инертного материала. Причем максимум ее приходится на стехиометрический состав горючей смеси. Причиной этого парадокса является интенсивный расход реагирующих компонентов вблизи каталитической поверхности (рис.5).

 

Рис.5. Влияние природы металла на температуру зажигания метано-воздушной смеси

Приведенные на рисунке данные для метана показывают, что наибольшей каталитической активностью среди этих металлов обладает платина, наименьшей - сталь. Однако температура самовоспламенения, измеренная в платиновом сосуде, будет ниже, чем в таком же стеклянном. Именно этим принципиально отличается физико-химия явлений зажигания и самовоспламенения газов и паров. До сих пор теорию процесса зажигания мы рассматривали в стационарных условиях, т.е. при установившемся, стационарном процессе теплопередачи (все его параметры постоянны). В реальных условиях процесс нестационарный и гораздо сложнее. Источник
зажигания в горючей среде появляется внезапно. В этом случае распределение температуры или ее градиент будет иметь графический вид, приведенный на рис. Зв. За короткий промежуток времени в газе прогреется только слой 8. Остальной объем газовой смеси останется практически холодным. Уравнение теплового потока в этом случае будет иметь следующий вид:

(12)

Тепловой поток будет значителен только в слое 8, а в остальной части горючей смеси - невелик.

(13)

На практике очень часто приходится иметь дело с подвижными горючими смесями. В этом случае у границы поверхности источника зажигания возникает неподвижный слой. Для расчета критических условий зажигания толщины неподвижного и тепловыделяющего пограничных слоев принимаются равными друг другу, а вместо выражения (1) используется формула Ньютона для конвективной теплопередачи:

q = а-(Т_ст -Т₀),

где а - коэффициент теплоотдачи от стенки в подвижную газовую среду. Критическим условиям зажигания соответствует равенство процессов теплоотвода и тепловыделения в слое 8, которое описывается уравнением теплового баланса.

Из него можно вывести выражение, которое позволяет оценить определяющий размер нагретого тела, способного вызвать воспламенение движущегося потока горючей смеси с заданными физико-химическими свойствами.