Машиностроение и механика

Воспламенение топлива, температура воспламенения

Окисление топлива и горение представляют собой один и тот же химический процесс, физическое проявление которого совершенно различно. Постепенное нарастание количественной стороны процесса окисления способствует возникновению качественно нового процесса - горения. Критический момент перехода от спокойного окисления к бурному горению называют воспламенением топлива. Часто бывает достаточным появления лишь искры, чтобы началась цепная реакция и произошло воспламенение всего горючего, переходящее в бурно развивающийся процесс горения топлива или даже взрыв.

Минимальная температура реагентов, при достижении которой происходит развитие бурного самоускоряющегося процесса горения, называется температурой воспламенения топлива.

Температура воспламенения топлива зависит от состава, физической структуры топлива и от условий, в которых происходит процесс зажигания. В основе процесса зажигания и воспламенение лежит повышение температуры топлива и кислорода. Источник тепла может быть внешним, когда топливо и воздух подогреваются извне, или внутренним, когда реагенты получают тепло вследствие медленно идущего процесса окисления горючего.

Повышение температуры реагентов ускоряет процесс окисления топлива, ход которого зависит от соотношения процессов прихода тепла в очаге реакции окисления топлива и расхода тепла из очага по условиям теплопередачи. С увеличением температуры интенсивность обоих процессов возрастает. Таким образом, изучение процессов воспламенения сводится к рассмотрению процессов окисления и теплопередачи в какой-то конкретной обстановке. Процесс окисления в адиабатических условиях (при абсолютной теплоизоляции) всегда приведет к самовоспламенению топлива. С другой стороны, если все тепло химической реакции окисления уходит из очага и температура реагентов не повышается, то воспламенение произойти не может.

Воспламенение топлива от внешнего источника надежно и более быстро обеспечивает подъем температуры реагентов хотя бы в каком-либо месте. Далее по закону цепных реакций воспламенение и горение может распространяться по всему объему, занятому топливом и кислородом.

Более полно изучено воспламенение газообразного топлива в виде смеси горючего газа с воздухом или кислородом. Когда концентрация горючего в смеси равна начальной и является самой высокой, то температура смеси является минимальной. По мере уменьшения концентрации горючего, вследствие реакции, температура системы реагентов повышается. Когда концентрация горючего будет равна нулю, температура поднимается до максимальной, равной калориметрической.

Адиабатный процесс самовоспламенения и горения рассматривается при условии постоянного давления или при условии постоянного объема.

В последнем случае отсутствует расширение газов при их нагревании. Работа расширения газов равна нулю и вся тепловая энергия, выделенная реакцией, идет только на повышение температуры газовой смеси. Теплоемкость при постоянном объеме С_v , меньше теплоемкости при постоянном давлении на величину С_р - С_v = R кдж/(кмоль×К); поэтому температура реагентов поднимается быстрее и конечная - максимальная - калориметрическая температура будет выше.

Вопрос о воспламенении горючей смеси усложняется, если рассматривать процесс при наличии тепловых потерь (q_п , кВт), когда часть тепла будет уходить из очага реакции и только остаток тепла пойдет на разогрев реагентов. Рассмотрим возможности воспламенения при наличии тепловых потерь. С повышением температуры ускоряется реакция, увеличивается приход тепла (q_р , кВт), но усиливается теплопередача (q_п , кВт). Таким образом, оба противоречивых процесса являются функцией температуры реагентов.

Скорость нагрева (охлаждения) газовой горючей смеси, находящейся в какой-то оболочке, через которую тепло теряется во внешнее пространство, согласно теории нагрева, можно записать так:

= ,

где Mc - теплоемкость смеси, кдж/К;

имеет смысл скорости нагрева смеси вследствие прихода тепла реакции, К/с;

имеет смысл скорости охлаждения смеси вследствие тепловых потерь, К/с.

Из этого дифференциального уравнения можно сделать следующие выводы:

1. Если q_п = 0, то мы имеем случай адиабатического процесса.

2. Если q_р > q_п , то > 0 - будет иметь место разогрев системы и подъем температуры, хотя более медленный, до полного исчезновения концентраций. Максимальная температура продуктов реакции Т_р будет ниже калориметрической из-за тепловых потерь.

3. Если q_р - q_п = const > 0 (dT/dt = const), то температура газов будет подниматься по закону прямой линии. Это будет возможным при предположении, что тепловые потери q_п и скорость реакции w_p развиваются во времени по аналогичному закону, что маловероятно, так как законы химической реакции и теплопередачи различные по характеру.

4. Если q_р - q_п = const = 0, тогда dT/dt = 0, T = const. Величину этой температуры можно изменять лишь путем внешнего воздействия. Такое температурное и тепловое равновесие можно представить в математическом описании, но физически и практически оно почти невыполнимо из-за трудности регулирования тепловых потерь. Данный случай является примером изотермических реакций.

5. Если q_p < q_n , то dT/dt < 0 - система будет охлаждаться и реакция постепенно замрет.

6. Теплопередача (потери тепла) пропорциональна температуре газов Т, чем выше тепловые потери, тем ниже конечная действительная максимальная температура Т_д . Чем интенсивнее теплопередача (k) и быстрее нарастают тепловые потери, тем позднее наступает воспламенение и тем выше температура воспламенения Т_в .

В действительных природных условиях самовоспламенение довольно редко случается, хотя вполне возможно. В технике топливо приходится зажигать принудительно, пользуясь посторонними источниками тепла или огня.

В газовой горючей смеси искра весьма быстро воспламеняет весь объем и вызывает взрыв. Это говорит о большой скорости распространения огня от одной точки по всему объему смеси согласно закону цепной реакции. Цепные реакции, возникшие в каком-либо месте пронизают весь объем горючей смеси за доли секунды.

При повышении давления молекулы реагирующих газов сближаются между собой, число столкновений в единицу времени между ними возрастает, воспламенение облегчается и температура воспламенения снижается. Температура воспламенения большинства горючих газов в кислороде ниже, чем в воздухе.