Электрическая искра - один из наиболее распространенных способов зажигания в технике, она является частой причиной возникновения пожаров и взрывов. И если другие виды источников зажигания образуются, как правило, в результате аварий, их в известной степени можно предвидеть, то явление зажигания электрической искрой меньше всего поддается контролю, возникает неожиданно и в качестве причины пожара не всегда доказуемо. Само явление электрического разряда недостаточно изучено.
Электрический разряд - это сложное физико-химическое явление, в результате которого в диэлектрике в зоне проскока (пробоя) искры образуется канал разряда, в котором происходит возбуждение и ионизация молекул газа с выделением большого количества теплоты. Образуется и плазма. Схема искрового разряда представлена на рис.10.
Рис.10. Схема искрового электрического разряда
В зоне электрического разряда происходит мгновенное развитие химических реакций горения, при этом период индукции практически отсутствует. Выделенная в разрядном канале теплота приводит к сгоранию горючей смеси, но количества ее может не хватить для образования и распространения устойчивого фронта пламени. Поэтому для каждого вида горючего в зависимости от соотношения его с окислителем существует наименьшее, критическое значение мощности электрической искры. Минимальная мощность разряда есть функция состава горючей смеси, давления, температуры и т.д.
Екр = f(Сгор/Сок, Р, Т). (14)
Теория теплового механизма зажигания электрической искрой разработана академиком Я.Б.Зельдовичем. Рассмотрим некоторые элементы этой теории. Представим горючую смесь, в центре которой расположен точечный источник зажигания в виде электрической искры (рис.11).
Рис.11 Схема тепловых потоков при искровом зажигании
За время t1 >0 источником ИЗ выделяется DQ Дж теплоты. К ней будет добавляться теплота химической реакции Qгop. Часть выделяющейся теплоты будет передаваться теплопроводностью в холодную горючую смесь.
Если мощность искры мала, то нагреваемого ею объема недостаточно для поддержания в начальный момент реакции горения. Поэтому смесь охлаждается и воспламенения не происходит (рис.12, сплошные линии t1 > t2 > t3). При увеличении мощности искры нагреваемая ею часть объема смеси будет больше. В этом случае выделяемой теплоты реакции уже достаточно для компенсации теплоотвода в холодную смесь. Возникает устойчивый фронт горения, пламя распространяется по всему объему смеси (пунктирные линии t4> t5).
Рис.12. Температурное поле вокруг ИЗ (r – расстояние в разное время t)
Представленные на рис.12 зависимости изменения температуры описываются следующим уравнением:
(15)
где Т0 - начальная температура горючей смеси. ºК;
ср - средняя теплоемкость смеси, кДж/кг×К;
а - температуропроводность, м2/с;
r - плотность свежей смеси, кг/м3;
r - радиус смеси, приведенный к ее начальной плотности, м.
Максимальная температура в точке r = 0 нагретой зоны изменяется во времени по гиперболическому закону (рис.13):
(16)
| T |
| τ |
| Tг |
| Tг-θ |
| τОХЛ1 |
| τОХЛ2 |
| ΔτОХЛ |
Рис.13. Изменение Тмах во времени
Если искра нагревает некоторый объем горючей смеси до температуры горения Тг (точка 1), и если время охлаждения объема смеси до температуры Тг - q (точка 2) больше или равно времени реакций tхр в зоне нагрева, то воспламенение возможно:
Dtохл ³ tхр, (tхр » 10-4 с) (17)
Здесь q = RT2/E - характеристический интервал температуры, который означает, что при снижении температуры в зоне горения от Тг до Тг - q скорость реакции снижается в е раз, причем при температуре Тг - q горение становится невозможным.
Произведя математические преобразования (15) и подставив далее в него теплофизические параметры газовой смеси, можно получить численные значения критического радиуса эквивалентной сферы разогретых газов, которая способна зажечь горючую смесь данного вида и состава:
(18)
где dф - толщина фронта пламени.
Для большинства горючих газовых смесей dф » 0,1 мм, т.е. rэкв = 0,4 - 0,5 мм. В табл.1 приведены расчетные критические радиусы эквивалентной сферы для некоторых стехиометрических смесей горючих газов и паров с воздухом.