Вынужденное воспламенение горючей системы и его виды.

Чаще всего пожары происходят в результате вынужденного воспламенения горючих веществ и материалов от источника зажигания.

Вынужденным воспламенением (зажиганием) называется возникновение горения под воздействием источника зажигания.

По своей физической сущности зажигание или вынужденное воспламенение не отличается от процесса самовоспламенения, т.к. условия самоускорения реакции окисления у них одни и те же, т.е. взаимодействие горючего вещества и окислителя наступает после повышения температуры системы выше определенного значения.

Первое (основное) различие между этими процессами заключается в том, что при самовоспламенении вся смесь разогревается равномерно и доводится постепенно до температуры самовоспламенения. В результате этого реакция окисления протекает во всем объеме газовой смеси. Процесс горения может возникнуть равновероятно в любой точке рассматриваемого пространства или во всем объеме одновременно. В случае зажигания вся горючая смесь может оставаться сравнительно холодной, до температуры воспламенения достаточно нагревания только ее незначительной части.

Второе отличие состоит в том, что при самовоспламенении процесс самоускорения химической реакции нарастает сравнительно медленно, т.е. велик период индукции, а при зажигании процесс воспламенения происходит значительно быстрее, т.к. разогрев смеси от внешнего источника тепла производится локально, но значительно быстрее и до более высокой температуры. Поэтому индукционный период почти отсутствует или очень мал.

Под источником зажигания понимают горячее или накаленное тело, а также электрический разряд с запасом энергии и температурой, достаточными для возникновения горения других веществ.

В зависимости от вида внешнего источника тепла и его особенностей различают разные способы или виды зажигания. Источником зажигания может быть разогретое постороннее тело или локально разогретая стенка сосуда с горючей газовой смесью, электрическая искра, постороннее пламя, адиабатическое сжатие или ударная волна и т.д.

Зажигание от нагретой поверхности.

Рассмотрим механизм воспламенения для этого случая.

Предположим, что температура поверхности тела повысилась до некоторого значения Т₁.

Если с этой поверхностью соприкасается среда, не способная к реакции окисления, то при соприкосновении горючей смеси с поверхностью температура становится иной, что обусловлено дополнительным выделением тепла в результате реакции окисления.

Если повысить температуру тела до Т₂ , то в инертной среде это вызовет распределение температуры, но с более резким спадом, чем в предыдущем случае.

В горючей же смеси в результате увеличения скорости выделения тепла с повышением температуры кривая температур будет опускаться медленнее.

Повышая температуру тела, можно найти такую температуру Т₂, при которой температура смеси понижаться не будет.

Если еще повысить температуру, то температура горючей смеси вследствие большой скорости выделения тепла не сможет быть постоянной и начнет быстро возрастать (по мере удаления от источника тепла) до тех пор, пока не произойдет воспламенение.

Таким образом, температура Т₂ является для этих условий предельной, т.е. температурой воспламенения.

Зажигание электрической искрой.

Зажигание горючих газовых смесей электрической искрой - один из наиболее распространенных видов вынужденного воспламенения, особенно в двигателях и теплосиловых установках. Механизм этого процесса значительно сложнее, чем рассмотренный выше тепловой механизм поджигания нагретым телом уже потому, что сам электрический разряд в газовом пространстве - сложное физическое явление.

В зоне разряда возникает очень интенсивное возбуждение молекул газа и их ионизация. Это объясняется тем, что в очень малом по объему «канале» проскока термодинамическая температура газа возрастает мгновенно до нескольких тысяч градусов. Время действия разряда - тысячные доли секунды, но время тепловой релаксации системы достаточно велико. И поэтому можно рассматривать поджигающую искру как своеобразное разогретое газообразное тело. В соответствии с этим существует две концепции искрового зажигания:

- ионная теория зажигания; - тепловая теория зажигания.

Согласно ионной теории, рассматривающей механизм зажигания с чисто химической точки зрения, эффективность зажигания газовых смесей должна зависеть от силы тока в сети перед ее размыканием, т.е. должна быть прямо пропорциональна силе тока в первой степени.

В случае теплового механизма зажигания зажигающая способность искры должна быть пропорциональна квадрату силы тока, так как из курса физики известно, что количество тепла, выделяющегося в электрической сети, пропорционально квадрату силы тока Q = I² Rt.

Обозначим количество теплоты буквой Q. Пользуясь законом Ома, можно количество теплоты, выделяемое проводником с током, выразить через силу тока, сопротивление участка цепи и время. Получим: Q = I·R·I·t, т. е. Q=I2·R·t Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени. Сформулированный выше вывод называется законом Джоуля - Ленца. Тепловое действие тока используется в электронагревательных приборах.

Наименьшее значение мощности электрической искры, способной поджечь горючую смесь данного вида и состава, называется критической энергией зажигания.

С позиции тепловой теории воспламенения, предложенной академиком Зельдовичем, электрическая искра заменяется точечным источником тепла, который в момент времени t=0 выделяет некоторое количество тепла, равное Q Дж, способное поджечь критический объем смеси, который может дальше поддерживать горение. Решив уравнение нестационарной теплопроводности для нейтральной среды с постоянным коэффициентом температуропроводности (альфа) a в декартовой системе координат, получим количество тепла, необходимое для нагрева смеси от Т₀ до Т_г некоторого объема, который способен воспламенить всю смесь.

Если принять Е_заж = Q , это позволяет проанализировать влияние различных физико-химических факторов и параметров горючей газовой смеси на энергию вынужденного зажигания. Количественно Е_заж горючих газовых систем ничтожно малая величина и колеблется от десятых долей до нескольких миллиджоулей. Минимальное значение критической энергии зажигания наиболее распространенных горючих газовоздушных смесей Е_кр составляет ~ 0,2-0,3 мДж.

Температура воспламенения - наименьшая температура, при которой в условиях специальных испытаний вещество выделяет горючие пары и газы с такой скоростью, что после их зажигания возникает устойчивое пламенное горение.

Если учесть, что у некоторых углеводородов значение Е_кр меньше и по соображениям техники безопасности следует ввести поправочный коэффициент запаса, критическую энергию зажигания горючих и взрывоопасных углеводородных смесей с воздухом условно можно принять равной Е_кр = 0,1 мДж.

Е_кр зависит от различных факторов: а) от состава горючей смеси; б) от скорости движения газовоздушной смеси; в) от давления.

9. Концентрационные пределы воспламенения паро - и газовоздушных смесей. Влияние различных факторов на концентрационные пределы воспламене­ния.

В химическую реакцию окисления могут вступать лишь молекулы горючего и окислителя, энергия которых в момент соударений превышает энергию активации. Для этого нужно, чтобы молекулы горючего и окислителя встретились в системе и произошло их соударение. При этом возможны три вида соударений молекул:

- окислитель - окислитель; - горючее - горючее; - окислитель - горючее.

Только в третьем случае вид соударений является эффективным, т.к. протекает с выделением тепла. Но для того, чтобы выделившегося тепла было достаточно для дальнейшего развития химической реакции, необходимо и определенное соотношение концентраций горючего и окислителя. Самые благоприятные условия для развития химической реакции будут тогда, когда соотношение горючего и окислителя будет соответствовать стехиометрической концентрации. Будут существовать также и такие концентрации горючего и окислителя (больше или меньше стехиометрической концентрации), когда протекание химической реакции невозможно, т.е. процесс горения не будет развиваться.

Нижний (верхний) концентрационный предел распространения пламени (воспламенения) - минимальное (максимальное) содержание горючего в смеси (горючее вещество - окислительная среда), при котором возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания.

Если рассмотрим процесс воспламенения газовоздушной смеси в пределах концентраций горючего от 0 до 100 %, то увидим, что смесь является взрывопожароопасной не при всех концентрациях.

Все смеси горючего с концентрациями от 0 до НКПВ не способны воспламеняться даже от мощного источника зажигания - это область безопасных концентраций. В пределах от НКПВ до ВКПВ смесь горючего с воздухом способна воспламеняться и сгорать со скоростью взрыва, при этом пламя распространяется на весь объем горючей смеси – это область воспламенения. Область концентраций выше ВКПВ, вплоть до 100 %, называется пожароопасной.

Значение НКПВ используют при определении категорий производств по пожаровзрывоопасности.

Значение НКПВ и ВКПВ следует применять при расчете взрывобезопасных концентраций газов, паров и пылей внутри технологического оборудования, трубопроводов, при проектировании вентиляционных систем, а также при расчете предельно допустимых взрывобезопасных концентраций газов, паров, пылей в воздухе рабочей зоны с потенциальным источником зажигания.

Существуют экспериментальные и расчетные методы определения КПВ.

Сущность метода экспериментального определения КПВ заключается в зажигании газо-паро-пылевоздушных смесей заданной концентрации исследуемого вещества в объеме реакционного сосуда и установлении факта наличия или отсутствия распространения пламени. Изменяя концентрацию горючего в смеси, устанавливают ее минимальное и максимальное значения, при которых происходит распространение пламени.

НКПВ паро- и газовоздушных смесей рассчитывают по предельной теплоте сгорания. Установлено, что количество тепла, выделяющееся при горении смесей на НКПВ, представляет собой почти для всех горючих веществ, примерно постоянную величину и равную в среднем 1830 кДж/м³.

Из выражения для определения предельной теплоты горения Q_пр = (Q_н j_н) /100 можно определить нижний концентрационный предел:

j_н = (Q_пр × 100)/Q_н , %

НКПВ и ВКПВ можно определить и по аппроксимационной формуле:

j_н(в) = 100/(an + b),

где n - число молекул кислорода, необходимое для полного окисления молекулы горючего; а, b – константы.

Для вычисления КПВ смеси веществ, состоящей из нескольких горючих компонентов, используют формулу Ле-Шателье:

j_см = ,

где j_см - КПВ смеси, % об.;

j_i - КПВ i-го компонента, % об.;

m_i (ми) - мольная доля i-го компонента.

Для горючей смеси всегда m_i = 1.

По давлению насыщенного пара можно также определить концентрационные пределы воспламенения:

j_н(в) = (Р_н(в) × 100)/ Р_о, %

Влияние различных факторов на КПВ:

а) мощности (температуры) источника воспламенения

б) начальной температуры смеси

в) давления смеси

г) нейтральных газов и ингибиторов

д) объема и диаметра сосуда

При уменьшении объема сосуда уменьшается его диаметр, увеличивается поверхность теплоотдачи, приходящаяся на единицу объема смеси. Для каждой газовой смеси существует минимальный объем и диаметр, ниже которых при любом составе смеси зажигание и распространение пламени невозможно.

Поиск по сайту: