Скорость горения и воспламенения газовоздушной смеси. Нижний и верхний пределы воспламенения газовоздушной смеси.
Скорость горения – это скорость химических реакций, которая определяется изменением во времени τ концентраций реагирующих веществ С в процессе горения. В общем виде скорость горения в соответствии с определением выражается следующим образом:
W=-dС/dτ . (6.7)
В формуле (6.7) знак «минус» свидетельствует об уменьшении концентрации реагирующего вещества. Согласно закону Аррениуса ,скорость реакции резко возрастает с увеличением температуры:
W=K0ƒ(C)/exp(E/RT), (6.8)
где К0 – константа, не зависящая от температуры; ƒ(C) – функция влияния концентрации веществ на скорость реакции; Е - энергия активации, характеризующая активность молекул веществ при реагировании между собой; R – газовая постоянная; Т- абсолютная температура (К).
При низких температурах скорость реакции ничтожна мала, но выделяющаяся в результате реакции теплота приводит к повышению температуры и скорости реакции.
Само тепловыделение зависит от температуры. Можно записать с учетом формулы (6.8):
Q=WqV=qVK0ƒ(C)/exp(E/RT) ,(6.9)
где q-тепловой эффект реакции; V- объем горючей смеси.
При высоких температурах 1200…13000С тепловыделение резко увеличивается и скорость реакции столь возрастает, что реакция протекает практически мгновенно. Такое горение является тепловым.
Воспламенение газовоздушной смеси. Для начала горения газовоздушную смесь надо воспламенить. Воспламенение возможно двумя способами. При первом способе смесь доводится до такой температуры, при которой она сама воспламеняется по всему объему. Температура самовоспламенение смеси зависит от условий теплообмена смеси с внешней средой. Минимальное значение температуры самовоспламенения природных газов с воздухом следующие : метан 6540С, этан и пропан 5300С , бутан 4900С.
Второй способ характеризуется тем, что холодную газовоздушную смесь поджигают в одном месте искрой, раскаленным телом, пламенем. Возникающее пламя распространяется по всему объему смеси с определенной скоростью, вовлекая в процесс горения все новые и новые массы смеси. Такой процесс называется вынужденным зажиганием и характеризуется тепловым горением.
В технике применяются оба способа воспламенения смесей. Однако, в газогорелочных и топочных устройствах чаще осуществляется второй способ- вынужденное зажигание.
Газовоздушную смесь можно зажечь только при определенных соотношениях газа и воздуха. Очень бедные и очень богатые газом смеси не горят. Наименьшая концентрация газа в смеси, при которой смесь зажигается, называется нижним пределом воспламенения. Наибольшая концентрация газа в смеси, при которой смесь еще может гореть, называется верхним пределом воспламенения. Если газовоздушная смесь предварительно нагрета, то указанные пределы расширяются.
Наличие пределов воспламенения газовых смесей объясняется тем, что бедным и богатым смесям соответствует низкая теоретическая температура горения, а потери теплоты в окружающую среду настолько снижают температуру, что смесь теряет способность к горению. Пределы воспламенения газавоздушных смесей используются при проектировании газового оборудования и решении вопросов по технике безопасности использования газа, где они являются пределами взрываемости.