Лекция 3. Самовоспламенение и зажигание

Воспламенение является начальной стадией процесса горения. Различают два вида воспламенения горючей смеси: самовоспламенение, или воспламенение, и вынужденное воспламенение, или зажигание. Самовоспламенение протекает практически мгновенно, имеет характер взрыва и его называют тепловым взрывом горючей смеси. При вынужденном воспламенении, или зажигании, ненагретая горючая смесь поджигается посторонним высокотемпературным источником в одном месте, от которого горение распространяется по всему объему смеси.

Самовоспламенением называется явление быстрого нарастания скорости химической реакции, приводящее при определенных внешних условиях к воспламенению горючей смеси без соприкосновения с пламенем, электрической искрой или раскаленным телом.

На практике самовоспламенение возникает при самых различных условиях, в частности, при быстром подъеме температуры и давления, сжатии гомогенной газовой смеси или впрыскивании жидкого топлива в нагретый до высокой температуры сжатый воздух. Если в первых случаях происходит самовоспламенение гомогенной газовой смеси, то во вторых – самовоспламенение гетерогенной газовой смеси, образовавшейся благодаря испарению и смешению с окружающим воздухом капель аэрозоля горючего при впрыскивании.

При воспламенении твердого топлива различают два значения температур воспламенения – температуру воспламенения летучих веществ и температуру воспламенения кокса. Процесс горения частиц твердого топлива начинается с воспламенения летучих. Низшей температурой воспламенения обладают те топлива, которые имеют наибольший выход летучих и содержат в органической массе наибольшее количество кислорода и наименьшее количество углерода (таблица 3.1). Значения температур самовоспламенения некоторых паро- и газовоздушных смесей приведены в таблице 3.3.

Характерным для всех реальных процессов самовоспламенения является то, что между моментом создания определенных температуры и давления газовой смеси и моментом самовоспламенения проходит некоторое время, называемое временем задержки воспламенения (индукционным периодом). Время задержки самовоспламенения зависит от давления и температуры. С уменьшением температуры время задержки самовоспламенения быстро возрастает, а ниже некоторой температуры самовоспламенение практически отсутствует, поскольку в этих условиях химические реакции в газовой смеси не могут ускоряться.

Таблица 3.1

Температура воспламенения (самовоспламенения) некоторых твердых топлив в виде кусков в воздухе при атмосферном давлении

При впрыске жидкого горючего в нагретый до высокой температуры сжатый воздух в величину времени задержки самовоспламенения входит время, необходимое для таких физических процессов, предшествующих образованию газовой смеси, как распыление, теплопередача, испарение, диффузия, смешение. Поэтому эту составляющую времени задержки самовоспламенения называют временем физической задержки, а время, необходимое для химических процессов после образования газовой смеси, - временем химической задержки. Время физической задержки воспламенения твердых горючих веществ состоит из следующих физических процессов: испарение, диффузия, смешение. Четко разделить обе составляющих практически нельзя, поскольку периоды прохождения физических и химических процессов взаимно перекрываются.

Как отмечалось выше, возникновение и развитие горения возможны лишь для самоускоряющихся реакций. Известны два механизма ускорения химических превращений – тепловой и цепной. С их учетом созданы фундаментальные основы современных представлений о явлениях горения – теории теплового и цепного самовоспламенения и распространения пламени. Ведущая роль в создании и развитии этих теорий принадлежит российскому ученому Н.Н.Семенову.

Тепловая теория самовоспламенения, (называемая также теорией теплового взрыва) основана на сопоставлении скоростей процессов тепловыделения при экзотермическом окислении и теплоотвода от реагирующей смеси в окружающую среду. Сущность тепловой теории заключается в следующем. Теплота, выделяющаяся при медленном протекании экзотермической реакции, рассеивается в окружающее пространство. При некоторых условиях температуры, давления и теплоотвода теплота не успевает передаться в окружающее пространство, вследствие чего температура в зоне реакции прогрессивно повышается, С ростом температуры скорость реакции и скорость теплообразования увеличиваются, увеличивается также и скорость теплоотвода, однако медленнее, чем скорость реакции. Температура, начиная с которой выделяющаяся теплота больше отводимой, называется температурой самовоспламенения. Она зависит как от химического состава смеси, так и от условий теплоотдачи. Начиная с температуры самовоспламенения происходит прогрессивное саморазогревание смеси и самоускорение реакции, приводящее к тепловому самовоспламенению или взрыву. Теория теплового самовоспламенения позволяет вычислить температуру самовоспламенения, если известны тепловые характеристики горючей газовой смеси (тепловой эффект, теплопроводность) и кинетика реакций горения (константа скорости, энергия активации).

При цепном самовоспламенении нарастание концентрации активных центров, приводящее к взрыву горючей смеси, может происходить в предварительно подогретой смеси за счет энергии химических реакций (в период предварительного окисления), которая расходуется на реакции образования новых активных центров, т.е. снова преобразуется в химическую энергию.

Разветвление цепей происходит только в объеме горючей смеси, а обрыв – как в объеме, так и на стенках сосуда. При определенных внешних условиях скорость разветвления цепей становится больше скорости их обрыва. Вследствие этого медленно идущая реакция может перейти в самоускоряющуюся (подробно об этом написано выше в главе 2). Следует подчеркнуть, что температура смеси не имеет существенного значения и реакция будет идти, самоускоряясь, из-за разветвления цепей, если даже температура смеси поддерживается постоянной.

На практике наиболее распространенным типом самовоспламенения является комбинированное цепочно-тепловое.

Самовоспламенение горючей смеси используется в двигателях внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия воздуха (двигатели типа дизель). Вследствие высокой степени сжатия в цилиндре дизельного двигателя воздух нагревается до высокой температуры, обеспечивающей самовоспламенение паров жидкого топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания.

Самовоспламенение горючей смеси может произойти в установках с предварительным подогревом горючего и воздуха, например в газовых горелках печей, в сушилках и в системах пылеприготовления. В этом случае самовоспламенение горючей смеси может вызвать аварию - выход оборудования из строя. Поэтому при проектировании и эксплуатации огнетехнических установок необходимо учитывать условия, при которых происходит тепловое воспламенение горючей смеси.

В реальных топливосжигающих устройствах в подавляющем большинстве случаев воспламенение горючих смесей производится принудительно. Такой тип воспламенения называется вынужденным воспламенением или просто зажиганием. Зажигание ненагретых горючих смесей отличается от самовоспламенения тем, что смесь доводят до состояния воспламенения не во всем объеме одновременно, а только в малой части объема. За счет теплоты, выделившейся в этом объеме в результате протекания окислительных реакций, нагреваются и воспламеняются соседние участки смеси, которые также обеспечивают зажигание новых участков горючей смеси. Так возникшее пламя распространяется по всему объему горючей смеси. Распространение пламени, возникшего у источника зажигания, является определяющим признаком вынужденного воспламенения.

Известны три основных метода зажигания горючих смесей: накаленными телами, электрической искрой и факелом, в том числе раскаленными продуктами сгорания, В последнем случае зажигание обычно называют стабилизацией горения. Тепловая мощность источников зажигания должна быть такой, чтобы обеспечить воспламенение прилегающих слоев смеси и дальнейшее распространение волны реакции (горения) на весь объем.

Однако при зажигании может наблюдаться и кратковременное локальное распространение пламени, которое затем охлаждается и гаснет. Это случай неудачного зажигания, называемого отказом зажигания. Условия, определяющие характер зажигания от вспомогательного высокотемпературного источника, зависят от характеристик горючей смеси и этого источника зажигания. Для газовой смеси основными характеристиками являются ее состав, температура, давление, динамическое состояние смеси – покой или течение. Причем в случае течения горючей смеси определяющими для зажигания вспомогательным высокотемпературным источником являются параметры этого течения.

Что касается постороннего источника зажигания, то основной его характеристикой, обеспечивающей устойчивое зажигание горючей смеси и распространение пламени по объему сосуда, является его температура. Минимальная температура, при которой происходят воспламенение смеси и распространение пламени, называется температурой зажигания от постороннего источника. По физическому смыслу она аналогична температуре теплового самовоспламенения горючей смеси. Однако температура зажигания от внешнего источника значительно выше температуры самовоспламенения. Это объясняется отводом тепла от источника в газовую среду, температура которой перед воспламенением ниже температуры самовоспламенения, а также снижением концентрации горючего вблизи источника зажигания вследствие окислительных реакций.

Распространение пламени (горение) возможно не в любой горючей смеси, а только в такой, состав, давление и температура которой находятся в определенном интервале значений, Эти ограничения называются пределами воспламенения. В частности, при рассмотрении состава горючей смеси следует учитывать, что пламя не будет распространяться, когда соотношение компонентов смеси выходит за эти пределы, то есть больше или меньше определенных величин. Первая из этих величин называется верхним пределом воспламенения, а вторая – нижним. Пределы воспламенения обычно указываются в единицах концентрации, поскольку в этом случае их числовые значения слабо изменяются в зависимости от температуры и давления.

Таким образом, основной характеристикой процесса зажигания горючих смесей являются концентрационные границы зажигания (концентрационные пределы воспламенения). Объемную концентрацию горючего газа, %, в предельно бедной горючей смеси называют нижней концентрационной границей зажигания, а в предельно богатой горючей смеси – верхней концентрационной границей зажигания. Концентрационные границы зажигания выражаются также через значения коэффициентов расхода окислителя (кислорода или воздуха) в предельных горючих смесях:

α_н = (100 – φ_н) / φ_нV_ок^о;

α_в = (100 – φ_в) / φ_вV_ок^о;

где φ_н и φ_в – соответственно нижняя и верхняя объемные концентрационные границы зажигания, %;

α_н и α_в – коэффициенты расхода окислителя (коэффициент избытка воздуха) соответственно для предельно бедной и предельно богатой горючих смесей;

V_ок^о – теоретический расход окислителя, м³/м³.

Характер влияния давления на концентрационные границы зажигания показан на рисунке 3.1. Как видно, с понижением давления происходит сужение границ зажигания, и при некотором минимальном давлении зажигание данного горючего становится невозможным. С повышением давления границы зажигания стремятся к некоторым постоянным предельным значениям, называемым пределами воспламенения. У некоторых горючих смесей (например, у водородовоздушных) при давлениях выше атмосферного границы зажигания с давлением не изменяются.

С повышением начальной температуры смеси происходит расширение концентрационных границ зажигания. Концентрационные границы зажигания некоторых индивидуальных газов и паров в смеси с воздухом приведены в таблицах 3.2 и 3.3.

Рис.3.1 Зависимость концентрационных границ зажигания от давления для газовоздушных смесей (t_см = 20^оС)

Нижние концентрационные границы воспламенения большинства горючих пылей (аэрозолей) составляют 2,5 – 32 г/м³. Такая концентрация соответствует высокой запыленности воздуха, при которой предметы трудно различить на расстоянии 1 – 2 м. Верхние концентрационные границы воспламенения пыли весьма велики. Например, для пыли бурого угля верхний предел составляет 4200 г/м³. Такая запыленность возможна лишь в устройствах пневмотранспорта горючих пылей, в закрытых материалопроводах, размольных машинах и т.п.

Концентрационные границы зажигания незабалластированных сложных горючих газов вычисляются по правилу Ле-Шателье:

100 / φ = n₁ / φ₁ + n₂ / φ₂ + … + n_i / φ_i,

где φ – верхняя или нижняя объемная концентрационная граница зажигания смеси горючих газов, %;

n₁, n₂, …, n_i – объемные содержания отдельных горючих компонентов в сложном газе, %;

φ₁, φ₂, …, φ_{i –} верхняя или нижняя объемная концентрационная

граница зажигания для смеси отдельных горючих

Таблица 3.2

Концентрационные границы зажигания и температуры воспламенения газов и паров в смеси с воздухом (20^оС и атмосферное давление)

Для сложных горючих газов, содержащих балласт в количестве не более 10%, концентрационные границы зажигания определяются по формуле:

φ^б = φ^г100 [1 + Б / (100 – Б)] / [100 + φ^г Б / (100 – Б)],

где φ^б и φ^г – объемные концентрационные границы зажигания соответственно для сложного газа, содержащего балласт, и для горючей части этого газа (верхняя или нижняя), %;

Б – объемное содержание балласта в сложном газе, %.

Таблица 3.3

Концентрационные границы зажигания, температура вспышки и температура самовоспламенения газов и паров в смеси с воздухом

Если в газообразном топливе содержится более 10% балласта, то для

расчета используют экспериментальные данные, учитывающие влияние балласта на границы зажигания.

Зажигание горючей смеси как и ее самовоспламенение можно рассматривать в двух аспектах – в плане применения его в системах зажигания реальных топливосжигающих устройств либо в плане борьбы с ним, например с целью предотврашения пожаров или случайных взрывов горючих смесей.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение тепловому самовоспламенению горючей смеси.

2. Что такое температура самовоспламенения горючей смеси и от чего она зависит?

3. По каким признакам цепное самовоспламенение отличается от теплового?

4. Как протекает вынужденное воспламенение горючей смеси?

5. Какие имеются концентрационные пределы воспламенения горючей смеси и от чего они зависят?