Температура воспламенения и пределы воспламеняемости горючих газов. 6 страница

Көміртегі жануы үстіңгі қабатта өтіп, ол гетерогендік реакцияға жатады. Бұл үрдіске оттегі де қатысады да, көміртегіге үстіңгі қабаттан беріліп, онымен химиялық түрде байланысады. Оттегі турбуленттік ағым шартында диффузиямен қабылдау қабатна жақындатылады, бірақ қабатқа міндетті түрде қозғалмалы ламинарлық қабат үстеледі, молекулалық диффузия орындалатын қышқылдатқыш. (сур. 7-3).

Турбулентті диффузия арқасында ламинарды қабатқа уақыт бірлігінен қабат бірлігіне берілетін оттегі саны:

(7-5)

Молекулалық дифузиямен ламинарлық қабат арқылы оттегінің сонша саны да беріледі:

(7-6)

1 –көміртегі бөлігінің қабаты; 2 –ламинарлық шекаралық қабат; 3 – турбуленттік ядро.

Сур. 6. Көміртегі бөлігінің жану схемасы.

В (7-5) (7-6) -ағымдағы оттегі концетрациясы;

- желаминарлық шекара қабатында; - жежанармай қабатында ; -ламинарлық қабаттың қалындығы; -молекулалық диффузия коэффиценті; - турбулентті масса алмастыру коэффиценті

Ортақ шешу (7-5) және (7-6)теңдеуге әкеледі:

. (7-7)

Немесе

(7-7а)

мұнда -диффузия жылдамдығның тұрақтысы.

(7-7а) формуласынан оттегіні қатты жанармайдың қабылдағыш қабатына беру диффузия жылдамдығының тұрақтысымен және қабылдағыш қабаттағы оттегі концетрациясының айырмашылғымен анықталады. Осы ретте диффузия жылдамдығының тұрақтысы жанармайдың қатт бөлімнің ағымынан, олардың өлшемінен және ағымның физикалық тұрақтысынан тәуелді(кинематикалқ байламнан). Бөлшектердің өлшемі мен олардың ағымының қатысты жылдамдығы қанша аз болса, диффузия жылдамдығының тұрақтысы да сонша көп болады.

Анықталған жану үрдісінде, диффузиямен қабылдау қабатына берілетін оттегі көлемі бұл қабатпен қабылданған оттегі көлеміне тең. Осыдан, химиялық реакцияның жылдамдығы қабылдау қабатына оттегіні дифузиялық беру жылдамдығына тең деген қорытынды шығады:

(7-8)

Көміртегі жану реакциясының жылдамдығы:

(7-8а)

(7-8а) және(7-8) ортақ шешу нәтижесінде реакция жылдамдығының мәнін аламыз:

(7-9)

Немесе

(7-10)

мұнда -жану жылдамдығынң келтірілген тұрақтысы.

жану жылдамдығының тұрақтысына кері мән жану үрдісіне қарама- қайшылық тудырады. Ол химиялық керіліктен(кинетикалық) және физикалық керіліктен (диффузиялық) тұрады. Бұл керіліктердің қатынасы мен жану жыдамдығына әсерінен гетерогендік жану аймағында кинетикалық және дифузиялық түрлер ажыратылады.

Аррениус э заңына сәйкес, химиялық реакцияда жылдамдықты анықтайтын көрстекіш- үрдіс температурасы болып отыр. Қатысты жоғары емес температурада (800-10000С) қатты қабат жанындағы оттегі көптігіне қарамастан реакция баяу жүреді.Бұл жағдайда химиялық қарсылық үлкен және жану киентикалық реакциясымен тоқтатылады- бұл кинетикалық жану аймағы.Кинетикалық аймақта:

Немесе

,

Онда

(7-11)

Кинетикалық аймақта үрдістің баяу өтуі нәтижесінде диффузия арқылы берілетін оттегі толығымен жұмсалиайды, сондықтан оның концетрациясы қабылдау қабатында жүйеленеді. Онда кинетикалық жану жылдамдығы:

(7-12)

(7-12) үрдістегі белгіленген жағдайда жану жылдамдығына оттегі беруді үдетумен де аэродинамиканы жақсартумен де әсер етуге болмайды; үрдіс жылдамдығы кинетикалық фактолармен, ең бастысы температурамен анықталады.Бұл 7-4 суретте жақсы көрсетілген, онда кинетикалық жану жылдамдығы қисық сызықпен белгіленген 1, мұнда Аррениус заңына сәйкес, температра жоғарлауымен жану жылдамдығы өсуі аңғарылады. Жану жылдамдығының өсуі оттегі беруді керек етеді.Сонымен бірге оттегі беру диффузиямен анықталып, температура жоғарлауынан аз өзгереді. Температура жоғарлау нәтижесінде қабылдау қабаты жанындағы оттегі концетрациясы төмендейді және белгілі жағдайда химиялық реакция жылдамдығы оттегі беру жылдамдығына тең болады. Температураның одан әрі жоғарлауы жану жылдамдығның диффузия жылдамдығының жетіспеушілігімен немесе қаблдағыш қабатқа оттегіні беру мүмкіндігінің шектелуімен анықталуына әкеп соғады.үрдіс жылдадығы диффузиялық факторлардан тәуелділікті жанудың диффузиялық аймағы деп атайды.

Диффузиялық аймақта физикалық қарсылық үлкеннемесе, онда (7-13)

Ал диффузиялық жану жылдамдығы

(7-14)

Жанудың диффузиялық аймақта оттегінің берілуі қолданылу санынан кем болғандықтан, қабылдау қабатында ол нөлге тең. II диффузиялық аймақта(сур.7-4, қисық2-3) оттегі жетіспеуінен жану реакциясы теапература жоғарлаумен баяу жүреді.

Диффузиялқ және кинетикалық аймақты жанудың аралық аймағыIII бөледі(сызық1-2сур. 7-4),онда химиялық реакция жылдамдығы мен диффузиямен қышқылдату жылдамдығы тең, сондықтан олардың біреуін ғана ерекше деп қарастыруға болмайды. Бұл гетерогенді жану аймаққа бұл қатынас келеді:

Аррениус заңымен анықталатын, диффузиямен оттегі беру керекті отегіден аз, аралық және диффузиялық аймақта жану интенсификациясы оттегі беруді үдетумен қатар жанармайдың жанп жатқан бөліктерін қышқылдатқыш ағымымен үрлеу арқылы жүзеге асады. Ағмның жоғары жылдамдығында қалындық азайып, ламинарлық қабаттағы қарсылық азайып, қабатқа оттегі берілу күшейеді.Бұл жылдамдық қанша жоғары болса, оттегі мен жанармайдың араласуы да үлкен болады, жоғары температурада кинетикалық аймақтан аралық аймаққа, ал аралықтан диффузиялық аймаққа өту мүмкіндігі жоғары болады. (1'-2'-3', 1"-2"-3" сызықтар және т.б.сур. 7-4). Жану интенсифиациясы бөлімінде жанармай бөлшектерінің кішірейтумен алынады.Егер жану аралық немесе диффузиялық аймақтан өтсе, жанармай бөлшектерін кішірейтсе, үрдіс кинетикалық жану аймағына көшеді.

Температураның жоғарлауы диффузиялық аймаққа көшуді қамтамасыз етеді. Жанармайдың таза диффузиялық жану аймағы шектелген.Ол жоғары температуралық жануы бар ұйытқысы бар шырақта орналасады. Жану ұйтқысының шегі жану жылдамдығы температурадан тәелді кинетикалық не аралық аймақ болуы мүмкін.Жанудың кинетикалық және аралық аймақтары тозаңды әуелік ағымда алаулау аймағына көшуі мүмкін.

Газдық жанармайдан басқасын жағу үрдісі диффузиялық немесе аралық аймақта өтеді. Жанудың кинетикалық аймағында жану темпераутрасы мен жанармайдың реакциондық қасиетінен тәуелді химиялық реакция жылдамдығы басым роль атқарады.Жанудың бұл аймағында аэродинамикалық факторлардың әсері онша көп байқалмайды. Диффузиялық аймақта анықтаушы қоспа түзу факторы болып отыр(Ығысу бірдейлігі мен жанармай бөлшектерінің өлшемдері). Бұл аймақта температура және жанармайдың, қышқылдатқыштың қасиеттері сияқты анықтаушы рөлін жоғалтады.

Бақылау сұрақтары:

1. Қатты отынның жануы дегеніміз не?

2. Кинетикалық және диффузиялық түрлер

12 дәріс - Диффузиялық құбылыстар теориясының элементтері – 1 сағат

Жоспар:

1. Жану үрдістеріндегі диффузиялық құбылыстар.

2. Қозғалмайтын ортада орын ауыстыру құбылысы

3. Ағымдағы орын ауыстыру құбылысы.

4. Турбулентті диффузия

5. Бақылау сұрақтары

1. Жану үрдістеріндегі диффузиялық құбылыстар.

Шынайы техникалық үрдістерде жану үрдісінің ағым жылдамдығының қадағалаушы рөлі көбінесе, физикалық факторларға көшеді. Жану үрдісінің қалыптасқан аймақтарында үздіксіз жұмыс істейтін құрылғыларында (жаңғыштар, майшамдар) жану, қоспалардың үздіксіз айналымдарында және үстем ететін қышқылдатқыш айналымдарында қалыптасады.Газоауалық айналымда, жанудың қалыптасқан жағдайында химиялық реакция жылдамдығын арттыру не кеміту бойынша жұмыстар жүргізілмейді. Осындай құрылғыларда қалыптасатын жоғары температура немесе кноцентрациясында, жаңғыш компоненттер бөлшектерінің белсенділігінде химиялық реакцияның «конвейрде» өту жылдамдығы артады, ол физикалық сатыдағы қоспа түзу немесе газ алматыру қатты қабаттарында тежеледі.Дәл осы үрдістер жанудың жоңары температурада химиялық реакциядпан қалып, үрдісті түгелдей тежейді: химиялық реакция жылдамдығының жоғарлығында қоспа түзу үрдісі тежелген кезде қабылдағыш қабат жылдамдығықоспа түзу жылдамдығына тең болып, тек жаңғыш қоспа ғана түзіледі (жанармай+ қышқылдатқыш).

Жану үрдісіндегі мұндай ағым аймағы- диффузиялық деп аталады- ондай үрдісте жылдамдығына байланысты факторлар физикалық фактор болып отыр, мысалы, газоауалық ағымның ағу мінездемесі, жылдамдықтарды бөлу, ағымдағы температура мен концентрация, дене пішіні мен көлемі,(камера, жаңғыштар, стабилизатор), ағым турбуленттігінің мінездемесі, диффузиялар ( молекулалық, молярлық)қатынасы, ағым ішіндегі жылуды бөлу (жану аймағы) диабатикалық емес жүйемен тудырылған жылу алмасу т.б. Кинетикалық факторларды(алаулау аймағындағы бастапқы өнімдегі газофикация) ескермегенде де, үрдістегі физикалық жағы өте қиын, тіпті шешімдерін анықтаудын өзі қиынға түседі: шекаралық шетері анықталған тұйықталған дифференциалды теңдік құрылмайды, ондай теңдеу бола отыра, олардыинтеграциялау мүмкін емес, және ол қателіктермен шешіледі. Үрдістің тағы бір қиыншылығы тәжірибелік жұмыстар. Үрдістің өтуі тәжірибе жүзінде тексеру, оның нәтижесін алу қиындық туғызады. Бірақ, бұған математикалық физика көмекке келеді- ұқсастық теориясы. Ол толық математикалық шешуді талап етеді, негізгі және пішінсіз мінездемелер рарсындағы тәуелсіздікті анықтайды. Біртекті физикалық құбылстарды модельдеудегі шектерді сақтауды қарастырады.

Бір-бірінен масштаб бойынша ажыратылса физикалық құбылыс болады Өйткені масштабтың өзгеруі шектелмеген, бір-біріне ұқсас құбылыстар бола алады. Егер шыныда осы құбылыстар ұқсас болса, онда олар бір мәнмен, өлшемсіз ұқсастықты анықтайтын критерилар сандық параметрлермен белгіленеді.

Анықтауыш критерилердің біреуінің сандық мәні өзгерсе, ұқсастықтағ қателікті білдіреді, яғни осы топқа ұқсамайтын басқа топқа көшуді аңғартады.

Анықтауыш критерилермен қатар әрбір топтағы құбылыстар анықташы критерилерден тәуелді болғандықтан, өзінің мәндерін анықтаушы емес критерий жүйесінде де белгілейді. Осылай бір топтың екінші топқа функционалды тәуелділігін аңғартады. Бұл әдіс критериалдық теңдік түрінде өтетін тәжірибе қорытындыларына енгізіледі. Осындай амалмен алынған тәуелділіктер өзінің эмперикалық мінездемесін сақтай отырып, ұқсастық критерилерін анықтайтын сандық мәндерден ауытқылайды.Жоғарыда аталған шектеулерді сақтай отырып, бір тәуелділіктен бірнеше тәунелділікті анықтау- ұқсастық теориясының ерекшелігі болып отыр.

Сонымен бірге анықтаушы критерилер белгілі аймаққа бөлінетін топтаушы күшке ие, физикалық құбылыстарды, оларда анықталған факторлар, яғни тиісті критерий жүйесі маңызды роль атқармайды және олардың құбылысты суреттеудегі әсерін тежеуге болады. Бұл критериалдық тәуелділікті жеңілдетеді және жеке жағдайларда математикалық есептеуді эмпирикалық критериалдық тәуелділікті қолданбай аяғына дейін шешуге болады.

Ұқсстық қазіргі жаңа теориясы ұқсастық принципін де қолданады, ол әртекті физикалық құбылыстарда да пайдаланылады. Белгілі жағдайда шешімнің бір топтан екінші топқа көшуді қамтамасыз етеді. Бірақ алынған эмпиранттар сақталады, ал ұқсас топқа көгкен кезде анықтаушы мінездеме болады

Қазіргі кезде ұқсастық теориясы физика мен механиканың басқа салаларына да көшті: гидро-газодинамика, жылу алмасу, диффузиялық құбылыстар, физика-химиялық құбылыстар- жану үрдісі.

2. Қозғалмайтын ортада орын ауыстыру құбылысы

Физика саласында үш түрлі құбылыс бар: ішкі үйкеліс, қарым-қатынастық жылу алмасу диффузиясы, олар біркелкі математикалық мәндермен белгіленеді. Ньютон заңы бойынша, ішкі үйкеліс жылдамдыққа пропорционалды:

(7-1)

Мұнда –динамиалық үйкеліс коэфиценті ,

Молекулалаық диффузия заңы бойынша таралатын өнім концентрация градиентіне тура пропорционалды болады:

(7-2)

Мұнда –молекулалық диффузия коэфиценті,

Жыу өткізгіштік заңы (Фурье) бойынша, молекуладан молекулаға берілген жылу температура градиетіне тура пропорционал:

(7-3)

Мұнда –өнімнің жылу өткізгіштік коэфиценті,

Мұндай әдіспен ағым энергиясы мен жылу энергиясы газдық көлемде бірдей таралады. Диффузия болса, өнімнің өзі қозғалады.

Газдардың кинетикалық теориясынан аталған коэффиценттер арасындағы байланысты анықтауға болады. Бұл теорияға сәйкес:

(7-4)

Мұнда –Қарастырылатын газдағы молекулажолының ұзындығы , ал –молекула қозғалысының орташа жылдамдығы.

Бұл жағдайлардан шығатыны:

(7-5)

Нәтижесінде шығатыны:

. (7-6)

Қарастырылған үш физикалық құбылыс әртүрлі физикалық мәні бар бірдей тұрақтымен сипатталады. Дегенмен газдың қарапайым кинетикалық теориясынан мынадай теңдік шығады:

Немесе

и ,

Мұнда -кинематикалық үйкеліс,

-температура өткізу коэффиценті,

Шыныда ол газдарда жуық қана анықталады.

Мінездемелік қатынас и Прандтля критери атымен аталады, Сұйықтарда және газдарда физикалық қасиеттерді көрсетеді. Бу мен тамшы ағымы бар жылу алмасу немесе диффузия құбылыстарында анықтаушы критерий болса, газдарда бұл мәнді жоғалтып, тұрақтыларға айналады.

Бу мен тамшы сұйықтарына үйкеліс температура өткізу мен диффузияға үстемдік ететін үлкен мәндерді қабылдай алады. 7-1 кестесінде кейбір газдарға бұл мәндер мінездемесі келтірілген.

Кесте 7-1

Газ
Ауа Оттегі Сутегі Көміртегі Қышқылы Көмірқышқыл	18,1 18,9 129,0 17,5 10,4	13,7 13,5 94,7 13,3 7,0	18,8 18,6 136,0 18,1 8,9	0,73 0,73 0,7 0,74 0,79	0,76 0,71 0,73 0,76 0,67	0,96 1,03 0,95 0,98 1,18

Газдарды мінездейтін үш коэффиценттер: Диффузия, теапература өткізгіштік, кинетикалық үйкеліс- қысымға кері пропорционал.Олардың температурадан тәуелділігі бірдей болу керек.Ауа үшін жылу критериі 0-1000С дейін тұрақты және кең болуы керек. Бірақ кинетикалық үйкеліс пен температура өткізгіштікті Сезерленд формуласымен белгілеу қабылданған.

(7-7)

Мұнда и - және темпераутарларда кинематикалық үйкеліс пен температура өткізгіштік.Диффузия коэффицентін температурадан тәулділігіндәрежелік мәнмен белгілеу қабылданған:

. (7-8)

π, о г 1,5 - 2,0 шегіне дейін қарастырылады . Газдың кинетикалық теориясы негізінде мынадай π= 1,75 [Л. 81] мәнге әкеледі. Бұл жағдайдан екі коэффицентке де дәрежелік мән шығады. Бірақ диффузия коэффицентінің тәуелділігі температураның қысқа интервалында әділетті. Арнайы зерттеулер нәтижесі бойынша Сезерленд формуласы температураның үлкен интервалында диффузия коэффиценті температурадан тәуелділігін көрстетеді.Сонымен, Сезерленд ұсынған температураның тәуелділігі жалпыға ортақ болуы керек.Формулаға енетін тұрақты С әдетте мынадай: