4.3. Взрывы пылей

Пыли являются разновидностью аэрозолей - дисперсных систем, состоящих из мелких частиц, взвешенных в воздухе. К пылям принято относить системы с размерами твердых частиц от 10 до 250 мкм. Осо­бенностью пылей является их способность к оседанию под действием сил тяжести.

В общем случае свойства пылей определяются природой вещества, из которого состоят частицы, свойствами газовой среды, концентрацией частиц, их размерами и формой.

Взрывоопасными являются пыли различной природы: пыли метал­лов (пыль алюминия - одна из самых взрывоопасных пылей), угольные пыли, пыли пластмасс, лекарственных препаратов и др.

Механизмы горения пылей различной природы существенно разли­чаются. В настоящем разделе мы ограничимся рассмотрением горения пылей во взвешенном состоянии, частицы которых образованы органиче­скими веществами. Их отличительной особенностью применительно к рассматриваемому процессу является низкая (по сравнению с температу­рой пламени) температура кипения или разложения.

К числу основных особенностей двухфазных систем, определяющих специфику их горения, относятся:

• неоднородность взвеси из-за дискретного распределения в про­странстве твердых частиц;

• неизотропность взвеси из-за возможности относительного дви­жения твердой и газовой фаз;

• турбулентность и нестационарность пылевоздушной смеси, как следствие условий образования и оседания.

Несмотря на существенное различие физических явлений, имеющих при горении гомогенных и аэродисперсных систем, между этими

процессами имеется и много общего, в том числе - внешнее сходство пламен, движущихся по горючей среде.

С учетом особенностей горения пылевоздушных смесей в данном разделе приняты следующие обозначения физических величин, характе­ризующих состояние рассматриваемых в моделях аэродисперсных систем. Символами w,u,p,ρ обозначены: векторная скорость фазы, ее состав­ляющая по осям X и У, плотность фазы на единицу объема аэровзвеси, давление газовой фазы; % и V - соответственно температуропроводность и кинематическая вязкость газовой фазы; индексами 1, 2,1, 5* и отмечены величины, относящиеся соответственно к воздуху, продуктам горения, фронту пламени и конденсированной фазе (частицам). d_s,p_s - соответст­венно диаметр (предполагается сферическая форма пылинок) и плотность частиц пыли. Под фронтом пламени в аэровзвеси понимается область зна­чительных градиентов физических параметров, характеризующих горя­щую аэродисперсную систему (зону предпламенного разогрева, зону хи­мических превращений и зону релаксации мелкомасштабных - по длине порядка расстояний между частицами - неоднородностей параметров).

4.5. Горение твердых материалов

Механизм горения. Горение конденсированных систем, к которым относятся твердые материалы, в отличие от газов характеризуется наличием стадии разложения и газификации твердой фазы. Горение твердых материалов в среде воздуха происходит в результате воспламенения лету­чих продуктов пиролиза. Его можно рассматривать как диффузионное квазигетерогенное, поскольку оно протекает не на границе раздела фаз, а в основном в газовой фазе³.

При распространении волны горения по твердым материалам выде­ляются следующие зоны (рис. 4.31):

• Зона без реакции - зона прогрева конденсированной фазы. У термопластичных материалов эта зона ограничивается слоем расплава. Толщина зоны прогрева зависит от соотношения коэффициента темпера­туропроводности и скорости горения. Для многих материалов толщина этой зоны составляет около 3 мм.

• Зона пиролиза - реакционная зона в конденсированной фазе, в которой происходит разложение твердого материала на газообразные продукты.

• Предпламенная зона в газовой фазе, в которой низкомолекулярные продукты пиролиза дополнительно разлагаются. Здесь же начинается процесс воспламенения, который инициируется атомами водорода, диффундирующими в предпламенную зону из зоны пламени.

• Зона пламени или реакционная зона в газовой фазе. В этой зоне протекают основные реакции окисления, выделяется основная часть тепла

наблюдается максимальная температура.

• Зона продуктов сгорания.

Таким образом, характерной особенностью горения твердых материалов является многостадийный процесс их превращения в конечные продукты сгорания.

Этот процесс включает в себя следующие стадии:

• поглощение твердым материалом тепловой энергии от источника зажигания;

• разложение конденсированной фазы с образованием летучих продуктов и карбонизированного остатка;

• воспламенение газообразных продуктов пиролиза;

• горение газообразных продуктов пиролиза.

Концентрационные пределы воспламенения паров и газов в воздухе, отвечающие наименьшему и наибольшему значению концентрации пара или газа в воздухе, при которых эти пары и газы способны воспламеняться

- НКПВ – называется та наименьшая концентрация горючих газов или пыли в смеси с воздухом, при которой смесь «уже» может воспламениться от источника зажигания и пламя распространяется на весь объем горючей смеси

- ВКПК – называется на наибольшая концентрация горючих газов или пыли в смеси с воздухом при которой смесь «еще» способия воспламениться от источника зажигания с распространением пламени на весь обЪем.

1 Подобное горение зачастую называют кинетическим.

2 Этот термин адекватен термину «нормальная скорость горения».

3