11.doc

11. Charakterystyka płomieniowych źródeł ciepła : iskry elektrycznej i iskry mechanicznej. Mechanizm zapłonu substancji palnej od iskry elektr. tzn. wyjaśnić jakie po kolei zjawiska doprowadzają do zapłonu.

Iskra mech.- jest to oddzielona od podłoża cząstka masy, rozgrzana do takiej temp., że występują zjawiska świecenia i przemieszczająca się w środowisku z określoną prędkością. Dzielimy je na:

1. Iskry tarcicowe: powstają  w przypadku tarcia dwóch ciał mechanicznych, głównie metali dobrze przewodzących ciepło
2. Iskry udarowe: powstają podczas zderzenia się dwóch ciał metalicznych lub ciała metalicznego z ciałem niemetalicznym np. beton. W chwili zderzenia Ekin zamieniana jest na energ. odkształcenia sprężystego lub plastycznego, a w miejscu uderzenia w warstwie powierzchniowej o grubości ułamka mm wytwarza się wysoka temp. rzędu 1200K.

Ze względu na własności chemiczne iskry mechan. dzielimy na:

1. Iskry mechaniczne aktywne (czynne)- reagujące z otaczającym je środowiskiem.
2. Iskry mechanicznie bierne

Iskra elektr.- zjonizowany gaz ogrzany do temp. od 6000-20000 K. Temp. zależy od parametrów obwodu elektrycznego.

Mechanizm zapłonu od iskry elektr. polega na wytworzeniu się w mieszaninie odpowiedniego bilansu cieplnego. Po stronie dochodów ciepła jest ciepło, które dostarcza iskra oraz ciepło utleniania się tej mieszaniny zwane ciepłem reakcji. Po stronie strat jest ciepło wypromieniowane z mieszaniny do otoczenia. Jeśli straty ciepła przewyższą akumulację ciepła wtedy iskra nie ma wystarczającej zdolności zapłonowej, aby zapalić mieszaninę. W chwili, kiedy mieszanina palna osiągnie temp. samozapłonu wtedy straty ciepła są równoważone ciepłem reakcji. Taka temp. odpowiada krtytycznej wartości promienia mieszaniny palnej zapalonej przez iskrę. Problem zapłonu polega na tym, że iskra musi mieć pełną energię (MEZ), która jest wystarczająca do ogrzania mieszaniny do jej temp. samozapłonu.Aby zaistniały te warunki musi być odpowiedni stan cieplny mieszaniny. Stan cieplny mieszaniny zależy od objętości mieszaniny, która przyjmuje ciepło od iskry, od ilości ciepła, którą przekazuje iskra oraz od sposobu dystybucji tej energii cieplnej w przestrzeni międzyelektrodowej. Im mniejszej objętości mieszaniny jest oddawane ciepło. tym szybciej się ona zapala i ma wyższą temperaturę.

Zakładamy, że mamy stechiometryczną mieszaninę metanu z powietrzem, tzn. 8,8% CH4 a reszta powietrze. Temp. samozapłonu CH4 wynosi 6200C, temp. spalania tej mieszaniny wynosi 13000C. Jeśli ciepło iskry jest przekazywane np. objętości 1,24 mm3, to aby ją ogrzać do temp.7000C musimy dać strumień ciepła 3,7 kJ w czasie 3,4 ms, natomiast jeżeli w tych samych warunkach ten sam strumień ciepła będzie ogrzewał 0,98 mm3, to wzrost temp. do 13000C nastąpi po 2 ms. Czyli promień mieszaniny decyduje o transmisji ciepła i jego rozprzestrzenianiu się.

Warunkiem zapłonu mieszaniny od iskry elektrycznej jest relacja między temperaturą spalania tej mieszaniny, a jej temp. samozapłonu. Jeśli iskra przeskakuje przez mieszaninę –oddaje część ciepła, czyli ochładza się, a mieszanina nagrzewa. Warunkiem powstania zapłonu jest zrównoważenie bilansu cieplnego w objętości mieszaniny. Wówczas temp. iskry osiąga (wewnątrz mieszaniny) temp. zapłonu tej mieszaniny, straty ciepła są równoważone ciepłem redukcji(spalania). Warunkiem aby mieszanina w całej objętości nagrzała się do temp. samozapłonu jest, aby promień mieszaniny był równy lub większy od:  r ≥ 2 √δm   gdzie δm – grubość czoła płomienia ( cienka, zewn. warstewka płomienia mająca najwyższą temp. w płomieniu). Warunek ten jest spełniony jeżeli promień krytyczny mieszaniny jest dużo większy od 10-cio krotnej grubości czoła płomienia:  rkr >> 10 δm