Презентация Теория теплового воспламенения газовых смесей онлайн

Содержание слайда: Лекция 8. Теория теплового воспламенения газовых смесей.

Содержание слайда: Способы воспламенения горючих смесей При низких температурах скорость химических реакций в горючих газовых смесях мала, и заметного реагирования не наблюдается. При высоких температурах (≥10000С) реакции так ускоряются, что происходит быстрое реагирование с бурным выделением теплоты и образованием пламени.

Содержание слайда: Существует 2 способа воспламенения : Существует 2 способа воспламенения : самовоспламенение и вынужденное воспламенение. Самовоспламенение – это процесс самопроизвольного реагирования во всем объеме горючей смеси с прогрессирующим превышением скорости тепловыделения над скоростью теплоотвода от реагирующей смеси в окружающую среду, что приводит ко всё более резкому росту температуры и завершается бурным выделением теплоты и взрывом. Взрыв – процесс высвобождения большого количества энергии в ограниченном объёме за короткий промежуток времени.

Содержание слайда: В топочных устройствах и камерах сгорания, в которых процесс горения должен быть непрерывным и устойчивым, метод самовоспламенения не применяется. В топочных устройствах и камерах сгорания, в которых процесс горения должен быть непрерывным и устойчивым, метод самовоспламенения не применяется. Вынужденное воспламенение (зажигание) отличается от самовоспламенения тем, что смесь доводят до состояния воспламенения не во всём объёме одновременно, а только в малой его части, откуда волна реакции (процесс горения) может распространиться на весь объём. При зажигании смеси необходимо в зоне воспламенения создать намного более высокую температуру, чем при самовоспламенении, т.к. из этой зоны теплота интенсивно отводится к холодной смеси.

Содержание слайда: Известны 3 способа зажигания горючей смеси: Известны 3 способа зажигания горючей смеси: раскалёнными телами электрическим разрядом (искрой) факелом или раскалёнными продуктами сгорания. В последнем случае зажигание называют стабилизацией горения. Тепловая мощность источников зажигания должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить воспламенение прилегающих к источнику слоёв смеси и дальнейшее распространение зоны реакции.

Содержание слайда: В топливно-воздушной смеси источник зажигания, например электрическая искра или рециркулирующие газы, создает узкую зону быстрой химической реакции, которая в результате переноса теплоты и активных радикалов распространяется от одного слоя смеси к другому. В топливно-воздушной смеси источник зажигания, например электрическая искра или рециркулирующие газы, создает узкую зону быстрой химической реакции, которая в результате переноса теплоты и активных радикалов распространяется от одного слоя смеси к другому. Т. обр., процесс распространения зоны реакции представляет собой ряд последовательно идущих непрерывных процессов зажигания. Эта зона быстрой химической реакции и больших градиентов температуры и концентраций называется фронтом пламени.

Содержание слайда: Стационарная тепловая теория самовоспламенения

Содержание слайда: Рассмотрим химическую реакцию в неподвижной горючей смеси, заключенной в сосуд постоянного объёма. В начальный момент времени температура смеси равна температуре стенок сосуда и равномерна по его объёму, так же, как и концентрация топлива в смеси. Рассмотрим химическую реакцию в неподвижной горючей смеси, заключенной в сосуд постоянного объёма. В начальный момент времени температура смеси равна температуре стенок сосуда и равномерна по его объёму, так же, как и концентрация топлива в смеси. Пусть температура окружающей сосуд среды постепенно повышается, тогда вместе с ней будет повышаться и температура горючей смеси. Согласно закону Аррениуса, с ростом температуры возрастает скорость реакции горения. При некоторой температуре смеси скорость реакции становится заметной и далее все более увеличивается. Соответственно увеличивается количество выделяющейся в сосуде теплоты реакции, что приводит к дальнейшему резкому саморазогреву смеси.

Содержание слайда: Принимаем коэффициенты теплопроводности и диффузии смеси бесконечно большими, например, вследствие интенсивного турбулентного перемешивания. Это означает, что температура смеси и концентрация в ней топлива равномерно распределены по объёму сосуда. Принимаем коэффициенты теплопроводности и диффузии смеси бесконечно большими, например, вследствие интенсивного турбулентного перемешивания. Это означает, что температура смеси и концентрация в ней топлива равномерно распределены по объёму сосуда. Полагаем также, что температура стенок сосуда равна температуре окружающей среды, т.е. теплота отводится от смеси к идеально теплопроводным стенкам, а основное термическое сопротивление теплоотдачи сосредоточено в узком пограничном слое смеси, прилегающем к стенкам.

Содержание слайда: Модельное распределение Т и С в различные моменты времени

Содержание слайда: По мере протекания реакции горения смесь разогревается за счёт выделяющейся теплоты реакции, и возникает разность температур между смесью и окружающей средой. По мере протекания реакции горения смесь разогревается за счёт выделяющейся теплоты реакции, и возникает разность температур между смесью и окружающей средой. Под действием этой разности температур происходят тепловые потери – поток теплоты из реакционного объема в окружающую среду. С ростом температуры смеси эти потери увеличиваются. Для упрощения пренебрегаем тепловым излучением газа и принимаем теплообмен чисто конвективным. Дальнейшее протекание процесса зависит от соотношения между теплотой, выделяемой в результате реакции (тепловыделением) Qр и тепловыми потерями QТ.

Содержание слайда: Соотношение между плотностями потоков выделяющегося в сосуде и отводимого тепла

Содержание слайда: При Qр =QТ наступает тепловое равновесие и в сосуде устанавливается стационарная температура, несколько превышающая температуру окружающей среды. При Qр >QТ всё большее повышение температуры приводит к самопроизвольному прогрессивному (лавинообразному) росту скорости реакции, бурному выделению теплоты, т.е. к самовоспламенению горючей смеси.

Содержание слайда:

Содержание слайда: Стационарным тепловым режимам соответствуют точки пересечения кривых Qр = (Т) и QТ = (Т). Стационарным тепловым режимам соответствуют точки пересечения кривых Qр = (Т) и QТ = (Т). При температуре окружающей среды То (теплопотери QтI) возможны два стационарных режима: нижний (т.1) и верхний (т.2). При Т < Т1 смесь разогревается (Qт < Qр). Разогрев длится до тех пор, пока смесь не достигнет Т1 (Qт,1 = Qр), после чего разогрев прекратится, т.к. при Т > Т1 Qт > Qр. Если по каким-либо причинам в т.1 температура смеси отклонится в большую сторону, равновесие восстановится из-за высоких теплопотерь. Следовательно, нижний стационарный режим является устойчивым; в смеси протекает квазистационарная реакция медленного горения с малым тепловыделением при относительно низких температурах.

Содержание слайда: При температуре смеси выше Т2 (т.2), тепловыделение превысит теплопотери, в результате начнётся прогрессирующий разогрев, приводящий к самовоспламенению. При температуре смеси выше Т2 (т.2), тепловыделение превысит теплопотери, в результате начнётся прогрессирующий разогрев, приводящий к самовоспламенению. Попасть из точки 1 в т.2 путём саморазогрева смеси невозможно. Таким образом, верхний стационарный режим практически нереализуем.

Содержание слайда: Если повышать температуру окружающей среды Т0, что графически соответствует переносу прямой QТ параллельно вправо, при некотором значении Т0к кривые Qр и QТ будут иметь только одну общую точку (К). Если повышать температуру окружающей среды Т0, что графически соответствует переносу прямой QТ параллельно вправо, при некотором значении Т0к кривые Qр и QТ будут иметь только одну общую точку (К). Это состояние устойчиво по отношению к понижению температуры и неустойчиво к ее повышению. Точка К является критической: ниже температуры Тк – стационарный режим, однако незначительное превышение температуры окружающей среды над ТОК (кривая QтII) вызывает лавинообразный саморазогрев смеси, приводящий к самовоспламенению

Содержание слайда:

Содержание слайда: В стационарной тепловой теории за температуру самовоспламенения принимают температуру ТК или более доступную измерению температуру ТОК. В стационарной тепловой теории за температуру самовоспламенения принимают температуру ТК или более доступную измерению температуру ТОК. Разогрев горючей смеси на ТК = ТК – ТОК происходит за счет самопроизвольного реагирования и называется предвзрывным разогревом, а время i, необходимое для этого – периодом индукции. Температура самовоспламенения зависит не только от природы и свойств горючей смеси, но и от условий протекания процесса, определяющих теплоотдачу реагирующей смеси, поэтому не является физико-химической константой, а представляет характеристику процесса.

Содержание слайда: Академик Ник.Ник.Семёнов определил температуру самовоспламенения из условия равенства между собой в точке касания К (при ТО = ТОК) Академик Ник.Ник.Семёнов определил температуру самовоспламенения из условия равенства между собой в точке касания К (при ТО = ТОК) – потоков тепловыделения и теплопотерь – и их первых производных по температуре Qр = Qт

Содержание слайда: Подставляя выражения для Qр = Qт и решая совместно полученную систему, придём к квадратному уравнению относительно Тк Подставляя выражения для Qр = Qт и решая совместно полученную систему, придём к квадратному уравнению относительно Тк откуда Решение со знаком "плюс" перед радикалом отброшено, так как дает значение для температуры самовоспламенения ~ 10000 0С и выше, что не соответствует реальности.

Содержание слайда: Искомое и отброшенное решения – точка перегиба

Содержание слайда: В результате получена величина самопроизвольного разогрева, ведущего к самовоспламенению: В результате получена величина самопроизвольного разогрева, ведущего к самовоспламенению: – критерий Семёнова если ΔТ < ΔТК , то самовоспламенение невозможно; в противном случае оно может наступить при предоставлении времени, необходимого для такого самопроизвольного разогрева.

Содержание слайда: Температура ТОК представляет собой значение начальной температуры горючей смеси, при которой в данных условиях самопроизвольный разогрев достигает критической величины . Температура ТОК представляет собой значение начальной температуры горючей смеси, при которой в данных условиях самопроизвольный разогрев достигает критической величины . Величина зависит от энергии активации и температуры, и для реакций горения, как правило, не превышает нескольких десятков градусов.

Содержание слайда: В зависимости от условий процесс самовоспламенения может развиваться очень медленно, за значительный период времени, или очень быстро, мгновенно. В зависимости от условий процесс самовоспламенения может развиваться очень медленно, за значительный период времени, или очень быстро, мгновенно. Примером первого случая может быть самовоспламенение в штабеле твердого топлива, второго – самовоспламенение со взрывом преимущественно при срыве факела в топках, особенно пылеугольных.