5.6. Стационарная теория теплового самовоспламенения.

Скорость химической реакции с ростом температуры увеличивается прогрессивно соглас -но закону Аррениуса, поэтому тепловыделение в единицу объёма выражается экспоненциаль -ной кривой:

Q = k e C Q (1)

где: k e - константа скорости реакции;

С – концентрация горючего газа;

n – порядок реакции;

Q – теплота сгорания.

Теплоотдача, отнесенная к единице объёма, является линейной функцией от температуры:

Q = (2)

где: - коэффициент теплоотдачи;

F – поверхность сосуда;

V – объём сосуда, в котором находится горючая смесь.

Т – температура реагирующей смеси, принимая одинаковой во всём реакционном объёме.

Т - температура стенок сосуда, равная температуре окружающей среды.

Стационарными режимами являются точки пересечения кривых Q и Q , в которых тепловыделение равняется теплопотерям. На рис.1 изображена зависимость тепловыделения Q и теплопотерь Q от температуры. В зависимости от температуры возможны два стационарных режима: нижний 1 и верхний 2. До точки 1 тепловыделение больше, вследствие чего смесь будет разогреваться. Разогрев продлится до тех пор, пока температура смеси возрастает до Т 1. При этой температуре Q = Q . Дальше смесь не будет разогреваться, т.к. при температурах выше Т 1 Q > Q , и в случае, когда по какой-либо причине смесь перегревается выше Т , она вновь охладится до той же температу- ры. В этом случае реакция приводит к разогреву смеси до температур Т 1, которая несколько выше, чем температура стенок сосуда Т .

Значит, нижний стационарный режим является устойчивым и характеризуется слабым разогревом, малой скоростью реакции.

При разогреве смеси выше температуры, соответствующей т. 2, тепловыделение превышает теплопотери, в результате происходит прогрессивный разогрев, приводящий к самовоспламе -нению. При понижении температур тепловыделение Q становится меньше теплопотерь Q , поэтому система не может вернуться в начальное состояние, а переместится в т.1. Таким образом верхний режим неустойчив и практически не реализуем.

Будем теперь повышать температуру окружающей среды Т , что графически изобразится переносом прямой Q параллельно вправо. При некотором значении Т кривые Q и Q будут иметь одну общую точку К. Это состояние устойчиво по отношению к понижению температуры и неустойчиво к её повышению. Точка К является критической ниже соответству- ющей ей температуры Т мы имеем стационарный режим, напротив, незначительное превыше- ние температуры окружающей среды над Т вызывает прогрессирующий саморазогрев смеси, приводящий к самовоспламенению.

Данный метод исследования, в котором возможность наступления самовоспламенения рассматривается как достижение предельно возможного стационарного состояния, являющего- ся критическим, получил название стационарной тепловой теории самовоспламенения.

Разность температур называется – предвзрывным разогревом. Итак, температура самовоспламенения зависит не только от природы и свойств горючей смеси, но и от условий протекания процесса, определяющих теплоотдачу реагирующей смеси, и поэтому не является физико-химической константой, а представляет собой результативную характеристику процес- са. Таким образом, в стационарной тепловой теории определяется состояние смеси на пределе самовоспламенения, которое является возможным предельным стационарным состоянием.

Стационарная теория имеет большое значение для выявления физико-химической сущности процесса самовоспламенения, но она не предназначена для расчетов форсированных топливо -сжигающих устройств с весьма малым периодом индукции. В условиях сжигания топлив в камерных топках парогенераторов, в камерах сгорания газотурбинных установок (ГТУ) и в других форсированных устройствах период индукции ограничивается величиной порядка сотых долей секунды и поэтому в этих случаях следует пользоваться теорией теплового самовоспламенения.