1.5 Примусове займання горючих систем

В практиці горіння частіше виникає за способом первинності зовнішнього джерела запалювання, коли високоенергетичне джерело нагріває холодну горючу суміш у невеликій її частині. Основна частина об’єму при цьому лишається холодною. Примусове спалахування – це початок горіння під впливом джерела запалювання. Розкриваючи механізм примусового спалахування, визначити загальні та відмінні особливості процесів самоспалахування і запалювання (примусового спалахування).

Розібрати види джерел запалювання, механізм займання горючих систем джерелами запалювання, критичні умови примусового займання нагрітим тілом, електричною енергією.. Після внесення джерела запалювання температура у будь-якій точці горючої суміші залежить від початкової температури в цій точці, відстані точки до джерела запалювання і фізико-хімічних властивостей. Звернути увагу на те, що чим більша площа поверхні запалювання і більший тиск у суміші, тим при нижчій температурі дана поверхня здатна запалити дану суміш. У рухомих системах для нагріву горючої суміші до температури займання потрібні більш потужні джерела запалювання, ніж для систем нерухомих.

Вивчити мінімальну енергію запалювання, фактори, що впливають на температуру запалювання, мінімальну енергію запалювання. Запалювання іскрами різного походження відбувається за рахунок нагрітої поверхні іскри і наявності в зоні електричного розряду активних частинок – йонів та вільних радикалів. Розглядаючи питання запалювання іскрами різного походження, потрібно знати формулювання критичної енергії електричної іскри. Критична енергія запалювання суміші залежить від початкової температури і нормальної швидкості горіння, а також від фізико-хімічних властивостей суміші.

Відповіді на питання № 35, 36, повинні починатися з визначення величини, яка розглядається.

Поняття:

Примусовим спалахуванням, або просто спалахуванням, називається початок горіння під впливом джерела запалювання.

Запалюванням називається процес ініціювання початку горіння.

Найменше значення потужності електричної іскри називається критичною енергією запалювання даної суміші.

Під мінімальною енергією запалювання газу, пари або пилу даної речовини розуміють найменшу енергію конденсатора, при розряді якого крізь повітряний проміжок виникає іскра, що запалює суміш даної речовини, яка найбільш легко спалахує, і в повітря з вірогідністю, яка дорівнює 0,01

В результаті вивчення теми слухачі повинні

Знати :

• відмінні особливості процесів самоспалахування і запалювання (примусового спалахування);

• види джерел запалювання. Механізм займання горючих систем джерелами запалювання. Критичні умови примусового займання;

• запалювання іскрами різного походження.

Література:

5 Частина С. 99 – 115.

2. Розвиток процесів горіння

2.1. Горіння суміші газів, парів з повітрям

Для запобігання пожеж та вибухів на виробництві важливо знати концентрацію газів і пари легкозаймистих та горючих рідин в приміщеннях, технологічному обладнанні, резервуарах або сховищах.

Знаючи концентрацію пари, рідин або газів і порівнюючи її з концентраційними межами запалювання даної речовини, можна визначити небезпеку відносно вибуху.

Запалювання горючої речовини в суміші з окисниками відбувається тільки тоді, коли ця суміш утворена певними концентраціями. Такі концентрації горючої речовини в суміші з окисником при наявності джерела запалювання здатні займатися з розповсюдженням полум’я по всьому об’ємі горючої суміші. Граничні концентрації суміші горючої речовини з окисником носять назву концентраційних меж поширення полум’я (КМПП).

Розрізняють нижні та верхні концентраційні межі поширення полум’я.

Мінімальний вміст горючої речовини в однорідній суміші з окислювальним середовищем, при якому можливе поширення полум’я по суміші на будь-яку відстань від джерела запалювання, називається нижньою концентраційною межею поширення полум’я (НКМПП). Аналогічно максимальний вміст горючої речовини в однорідній суміші з окислювальним середовищем, при якому можливе поширення полум’я по суміші на будь-яку відстань від джерела запалювання, називається верхньою концентраційною межею поширення полум’я (ВКМПП).

В темі розглядається питання елементи дифузійної і теплової теорії поширення полум’я. Поняття про масову і нормальну швидкість поширення полум'я. Фронт полум’я, зони фронту полум’я, процеси, що відбуваються в підготовчій зоні та зоні горіння. Нормальна швидкість поширення полум’я. Фактори, що впливають на нормальну швидкість поширення горіння,: початкова температура, тиск, склад суміші, вид горючої речовини. Вибух, перехід кінетичного дефлаграційного горіння в детонацію, визначення максимального тиску при вибуху.

На початку вивчення матеріалу потрібно засвоїти основні положення теорії кінетичного горіння газо-пароповітряних сумішей, які сформовані Я.Б.Зельдовичем, такі як:

1. Поняття про утворення фронту полум’я і його основних характеристик (товщина, температура, час реакції).

2. Про швидкість поширення полум’я і основні фактори, які на неї впливають (склад суміші, наявність флегматизаторів і інгібіторів, початкова температура і тиск).

3. Про перехід кінетичного горіння в детонацію.

Теорія горіння газових сумішей встановлює зв'язок між швидкістю поширення полум’я по суміші з одного боку, і швидкістю хімічної реакції горіння та теплофізичними характеристиками горючої суміші – з іншого. Теорія поділяє горіння на детонаційне і дефлаграційне, останнє, у свою чергу,поділяється на кінетичне та дифузійне.

Потрібно глибоко вивчити види швидкості поширення поширення полум’я та її залежність фізико-хімічних властивостей горючої суміші, від концентрацій горючої речовини й окислювача, від наявності каталізаторів, активних і інертних домішок і від температури.

Необхідно вивчити питання про причини підвищення тиску внаслідок прискорення поширення фронту полум’я.

Тиск під час вибуху можна визначити за формулою:

де: Р₀ – початковий тиск суміші, кПа;

Т₀ – початкова температура суміші в Кельвінах;

∑β_п.г – сума молів продуктів горіння, кмоль;

∑β_ст.. – сума молів вихідної суміші, кмоль;

Т_виб – температура вибуху в Кельвінах.

Такий розрахунок дає величину тиску вибуху стехіометричної концентрації, цей тиск є максимальним. Звичайно тиск вибуху не перевищує 1 мПа, якщо початковий тиск суміші був нормальним.

Тиск під час вибуху – важливий фактор для розрахунку противибухового захисту апаратів і розрахунку послаблених і легкозкидаючих конструкцій споруд та будівель.

Слід дати визначання стехіометричної концентрації, показати порядок розв'язування задачі за визначенням процентної і масової стехіометричної концентрації за формулою:

, г/м³

, % : β_CТ = β_ГР + β₀₂ + β_N2

Показати пожежну вибухонебезпеку сумішей при стехіометричній концентрації. Розглядаючи вплив концентрації окисника, слід описати небезпеку підвищення концентрації кисню на реальних прикладах пожежної небезпеки технологічних процесів. Бажано підтвердити теоретич­ні положення виписками з правил пожежної небезпеки.

Необхідно пам’ятати, що порядок розрахунку температури вибуху при подвійному об’ємі аналогічний порядок розрахунку теоретичної температури горіння, але має ту особливість, що процес вибуху проходить в надзвичайно короткий період часу, тому виділяється енергія до початку розширення продуктів вибуху.

Температура вибуху газоповітряних сумішей при постійному об’ємі завжди вища, ніж при постійному тиску, так як в останньому випадку частина тепла, яка виділяється, витрачається на завершення роботи розширення продуктів горіння.

Далі слід розглянути методи визначення концентраційних меж поширення полум’я, навчитися визначати концентраційні межі за довідковою літературою і розрахунком при відсутності довідникових даних. Для цієї мети можна використати апроксимаційну формулу:

, % ; г/м³

де: а і в – коефіцієнти, які приймаються за цією таблицею:

Область застосування		а	в
для	φН	8,684	4,679
φв	при β02 ≤ 7,5	1,550	0,560
φв	при β02 >7,5	0,768	6,554

Для визначення меж поширення полум’я сумішей декількох горючих газів або парів застосовують формулу Ле – Шателье:

де: п - число горючих газів;

К_і - доля кожного компоненту у суміші.

φ_і - відповідна концентраційна межа кожного із газів суміші.

Необхідно знати, що концентраційні межі поширення полум’я не є постійними, а залежать від ряду факторів, які можна легко сформулювати, знаючи чинники які впливають на швидкість хімічної реакції. Розгляньте данні чинники, визначить механізм їх впливу на межі поширення полум’я, а потім застосуйте на практиці для пониження пожежної небезпеки технологічних процесів, які пов’язані з перетворенням горючих газів і рідин шляхом ведення певних процесів в атмосфері інертних газів, будовою систем пожежогасіння, зниження тиску, зниження потужності можливих джерел запалювання і т.д.

Вивчаючи вплив негорючих домішок необхідно теоретично обґрунтовувати їх вплив на швидкість реакції, для наочності можна відобразити їх вплив графічно. В цьому питанні доцільно розкрити дію флегматизаторів, мінімальні флегматизуючі концентрації для речовин і вплив мінімального вибухонебезпечного вмісту кисню (МВНК) в залежності від виду флегматизатора.

Важливе значення мають концентраційні межі поширення полум'я для визначення пожежо-вибухонебезпечності виробництва, запобігання пожеж та вибухів в нормальних умовах і в період проведення ремонтних робіт. Для цієї мети необхідно вміти розрахувати гранично допустиму вибухонебезпечну концентрацію (ГДВК).

Гранично допустима вибухонебезпечна концентрація визначається діленням нижньої концентраційної межі поширення полум’я газу або пари в повітрі на коефіцієнт безпеки для н ижньої концентраційної межі:

де: _н - нижня концентраційна межа поширення полум’я в повітрі при атмосферному тиску і температурі в %.;

К - коефіцієнт безпеки менший 1. Для виробничих приміщень К <0,1.

Для приміщень, у яких передбачається ведення вогневих робіт К <0,05.

Порівнюючи фактичну концентрацію парів і газів з ГДВК і концентраційні межі поширення полум’я можна зробити висновок, про небезпеку даної концентрації.

В залежності від густини газу або пари по відношенню до густини повітря () обґрунтовуються вимоги прокладання електрокомунікацій, установленні електро- і нагрівальні апаратури, встановленні вентиляції і т.д. Відносна густина за повітрям визначається відношенням молекулярної маси газу або пари /М/ до умовної молекулярної маси повітря (Мп = 29).

У відповідях на питання № 39, 40, необхідно дати визначення розглянутих параметрів, у відповідях на питання № 38, 41- привести конкретні приклади розрахунку.

Поняття:

Горіння на межі елементарного об’єму з середовищем називається фронтом полум’я.

Нормальна, або фундаментальна швидкість – це швидкість поширення фронту полум’я відносно свіжої суміші в напрямку по нормалі до поверхні фронту [перпендикуляр до дотичної поверхні фронту (U_н)].

Видима швидкість – це швидкість переміщення фронту полум’я відносно стінок труби (U_в)].

Масова швидкість – це кількість речовини, що прореагувала в одиницю часу на одиниці поверхні фронту полум’я (U_м)].

U_н = dn/dτ‚ м/с; U_в = dl /dτ‚ м/с; U_м = ρ₀• U_н‚ кг/м^2•с;

ρ₀ – питома маса суміші при початкових умовах.

Нормальна і видима швидкість пов’язані між собою співвідношенням що називається законом косинусу:

U_н = U_в •cos φ

φ– кут між векторами видимої і нормальної швидкості.

Та мінімальна (найменша) концентрація парів, газів або пилу в однорідній суміші з повітрям, при якій суміш уже може спалахувати від джерела запалювання і полум’я поширюється на весь об’єм горючої суміші, називається нижньою концентраційною межею поширення полум’я (НКМПП).

Та найвища концентрація горючих парів, газів або пилу в суміші з повітрям, при якій суміш ще здатна спалахувати (займатися) від джерела запалювання з поширенням полум’я на весь об’єм називається верхньою концентраційною межею поширення полум’я (ВКМПП).

НКМПП, ВКМПП – мінімальний, максимальний вміст горючої речовини в однорідній суміші з окислювальним середовищем, за якого можливе поширення полум'я по суміші на будь-яку відстань від джерела запалювання ,

Концентраційний інтервал газів або парів у повітрі між нижньою і верхньою концентраційними межами поширення полум’я називається зоною запалювання, або зоною спалахування

В результаті вивчення теми слухачі повинні

Знати :

• основні положення теорії горіння та детонації газів;

• концентраційні межі поширення полум’я , вплив чинників на зону спалахування;

• практичне значення концентраційних меж поширення полум’я.

Вміти:

• визначати розрахунковими методами концентраційні межі поширення полум’я для індивідуальних речовин і газових сумішей;

• визначати за допомогою формул тиск вибуху, стехіометричну концентрацію, гранично допустиму вибухонебезпечну концентрацію.

Література:

4 С. 86 – 107.

5 Частина С. 116 – 140.

2.2 Горіння рідин

Запалювання та горіння рідин пов’язане з температурою і концентрацією парів над її поверхнею.

Температура горючої речовини, при якій вона виділяє горючі гази і пари з такою швидкістю, що після спалахування їх від джерела запалювання виникає стійке горіння, називається температурою спалахування.

При будь-яких температурах, якщо ємність не закрита, над її поверхнею буде утворюватись ненасичена пара. Це пояснюється тим, що молекули рідини під час випаровування, виходять у навколишнє середовище.

Якщо ємність (резервуар , апарат і т.д.) закрита, тоді рідина також буде випаровуватись і утворювати повні концентрації.

Якщо процес випаровування в закритій ємності перебігає при постійній температурі, то між рідиною і парою встановлюється динамічна рівновага. Пара, яка знаходиться в рухомій рівновазі з рідиною, буде називатися насиченою парою.

Ця пара буде чинити на стінки закритої ємності тиск. Тоді тиск пари при даній температурі, з яким він чинить дію на стінки ємності, називається тиском насиченої пари.

Тому вивчення теми «Горіння рідин» необхідно почати з основи процесу випаровування. Знати, що випаровування є ендотермічний процес, і пов’язаний з витратами енергії. Кінетична енергія, молекул, які вириваються від поверхні рідини, приблизно в 10 раз більша середньої кінетичної енергії молекул речовини. Випаровування може відбуватися в нерухомому і рухомому середовищі, тобто бути стаціонарним і динамічним. Під час розливу рідин найчастіше відбувається динамічне випаровування. Необхідно показати, яка пожежна небезпека кожного виду випаровування.

Слід дати визначення насиченої пари і описати її властивості. Розкрити основні відмінності між насиченою і ненасиченою парою. Який вплив на тиск (пружність) насиченої пари має теплота випаровування Q_вип. і температура рідини. Потрібно розглянути методи визначення пружності насиченої пари розрахунком, за таблицями і номограмою,

Зі зміною температури змінюється і концентрація пари. Необхідно визначити дану залежність, її закономірності. Розглянути і вивчити методику визначення будь-якого параметру (пружності насиченої пари, концентрації і температури) за формулами:

, % , г/м³

Показати можливість визначення концентрації пари в ємностях і апаратах при будь-якій температурі, використовуючи вище приведену формулу, методику визначення тиску насиченої пари. Зробити висновок про можливість визначення пожежної небезпеки парів рідин в закритих апаратах. Цей матеріал можна підготувати, вивчивши відповідні розділи літератури.

Усвідомивши зв’язок між температурою рідини і концентрацією пари, необхідно охарактеризувати пожежну небезпеку рідини через температурні межі поширення полум’я і температуру спалаху. Необхідно дати визначення температурним межам поширення полум’я (ТМПП). Порядок розрахунку ТМПП аналогічний порядку визначення фактичної концентрації за таблицями тиску парів або номограмою.

В процесі збереження і перевезення рідин над їх поверхнею завжди знаходиться пара, концентрація якої залежить від температури рідини.

Так як кожному значенню температури рідини завжди відповідає визначена концентрація насиченої пари її в повітрі, то концентрація пари, яка відповідає нижнім і верхнім концентраційним межам поширення полум’я, також утворюється при визначених температурах рідини. Ці температури називаються температурними межами поширення полум’я.

Температурні межі поширення парів в повітрі використовуються для оцінки пожежної небезпеки речовин, а також під час розрахунку небезпечного температурного режиму роботи закритих технологічних апаратів, які працюють при атмосферному тиску, а також складських ємкостей з рідинами і летючими твердими речовинами.

Необхідно визначити умови небезпечної по відношенню можливості утворення вибухонебезпечних сумішей температури. Сформулювати дану умову і зробити висновок.

Є два способи визначення температурних меж поширення полум’я: а) розрахунковий або аналітичний; б) практичний.

Суть розрахункового способу визначення температурних меж поширення полум’я полягає в наступному, температурні межі поширення полум’я відповідають концентраційним межам поширення полум’я. А концентрація насиченої пари пропорційна тиску пари, тобто:

За цією формулою можна визначити тиск насиченої пари для нижньої і верхньої меж поширення полум’я. Так як тиск насиченої пари над поверхнею рідини залежить від її температури, визначивши Р_t номограмою або таблицею, можна знайти температуру, яка відповідає цьому тиску.

Показником, за яким визначається клас рідин, розряд, категорія виробництва, є температура спалаху.

Температурою спалаху називається найнижча (в умовах спеціального випробовування) температура горючої речовини, при якій над її поверхнею утворюються пари і гази, які здатні спалахувати на повітрі від джерела запалювання, але швидкість їх утворення ще недостатня для стійкого горіння. Необхідно вивчити практичне значення температури спалаху для класифікації рідин за їх пожежною небезпекою. Необхідно дати визначення, що називається легкозаймистими рідинами (ЛЗР) і показати, на які розряди вони поділяються. Дати визначення горючим рідинам (ГР).

Показати, як спираючись на температуру спалаху рідини, класифікуються виробництва за пожежною небезпекою відповідно до ДБН В. 1.1-7-2002 «Захист від пожежі. Пожежна безпека об'єктів будівництва»

Вимагається вивчити методику визначення температури спалаху розрахунковим шляхом. Найбільш просто вона визначається за формулою Елея:

t_спл = t_кип. - 18√ К , де

t_кип – температура кипіння рідин в⁰ С; К - коефіцієнт горючості для речовин.

К = 4 “С”+ 4“S” + “H” + “N” – 2 “О” – 2 “Cl” – 3 “F” – 5 “Br”

де: “С”, “S”, “Н”, “N”, “О”, “Cl”, “F”, “Br” – відповідне число атомів карбону, сульфуру, гідрогену, нітрогену, оксигену, флуору, брому в молекулі даної речовини.

Якщо коефіцієнт горючості (К) менший одиниці (К<1), тоді речовина негорюча. Якщо коефіцієнт горючості більший одиниці (К>1), тоді речовина є горючою.

Температура спалаху є експрес-параметром, орієнтовно показує температурні умови, при яких горюча речовина стає небезпечною у відкритій ємності або під час розливу.

Температуру спалаху горючих речовин враховують в класифікації виробництв, приміщень і будівель за степенем пожежної небезпеки у відповідності з діючими протипожежними нормами.

При розгляді механізму поширення полум’я по поверхні рідини необхідно звернути увагу на те, що полум’я поширюється з певною швидкістю, яка залежить від природи рідини і її початкової температури. Чим більш летюча рідина, чим меншу температуру спалаху і теплоту випаровування вона має і чим ближча початкова температура рідини або суміші до тієї, що забезпечує стехіометричність, тим із більшою швидкістю поширюється полум’я по поверхні цієї рідини або суміші рідин.

Розглядаючи горіння рідин, слід звернути увагу на питання вигорання рідини, відмінність масової і лінійної швидкості вигорання, а також вивчити фактори, які впливають на швидкість вигорання,

Слід вияснити температурний режим рідини під час її горіння, до якої температури нагрівається поверхневий шар і як розподіляється температура в глибину. Показати особливість температурного режиму для складних рідин.

Важливо розрізняти особливості прогрівання для рідин з низькою і високою температурою кипіння. Докладно розглянути питання прогрівання важких фракцій нафтопродуктів і нафти, які мають температуру кипіння більше 100⁰С з підвищеним вмістом вологи або з водою. Звернути особливу увагу на умови, які сприяють скипанню нафти, нафтопродукту або їх викидів в умовах затяжної пожежі. Показати небезпеку явища скипання і викиду, основні заходи профілактики і прогнозування цих явищ.

Теоретичний матеріал необхідно пов’язати з практикою профілактичної роботи і роботи по гасінню пожежі.

З метою поглиблення знань теоретичного матеріалу з питань визначення температурних меж поширення і температури спалаху, а також для підготовки до проведення лабораторних робіт рекомендується ознайомитись з положеннями ГОСТУ 12.1.044-89. «Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения».

Відповіді на питання № 42, 43, 45 необхідно починати з визначення параметру, який розглядається. У відповідях на 44, 45, 46, 47 необхідно привести конкретний приклад розрахунку.

Поняття:

Випаровування – це перехід рідини в пару з вільної поверхні при температурах нижче точки кипіння рідини.

Пара, яка перебуває в стані динамічної рівноваги називається насиченою.

Температура рідини, при якій над її поверхнею утворюється концентрація насиченої пари, яка дорівнює нижній концентраційній межі поширення полум’я, називається нижньою температурною межею поширення полум’я (НТМПП).

Температура рідини, при якій над її поверхнею утворюється концентрація насиченої пари, яка дорівнює верхній концентраційній межі поширення полум’я, називається верхньою температурною межею поширення полум’я (ВТМПП).

Температурою спалаху називається найнижча температура (в умовах спеціальних досліджень) речовини при якій над її поверхнею утворюються пари і гази, які здатні викликати спалах у повітрі від джерела запалення, але швидкість утворення їх ще недостатня для стійкого горіння.

До легкозаймистих відносяться рідини, що мають температуру спалаху в закритій посудині (закритому тиглі) 61ºС і нижче.

До горючих – рідини з температурою в закритому тиглі більше 61ºС.

Масовою швидкістю G називається маса рідини, що вигорає в одиницю часу з одиниці поверхні. Отже, ця швидкість вимірюється у кг/м²с.

G = m/s·

Лінійною швидкістю вигорання рідини  називається товщина її шару, який вигорає в одиницю часу. Розмірність цієї швидкості – м/с , = h/τ

В результаті вивчення теми слухачі повинні

Знати :

• значення випарування в процесі горіння рідин, поняття насичена пара і її властивості;

• температурні межі поширення полум’я , температуру спалаху їх практичне значення;

• лінійна швидкість поширення горіння по поверхні рідини та її залежність від чинників;

• швидкість вигорання рідин та її залежність від чинників.

Вміти:

• визначати розрахунковими методами температурні межі поширення полум’я, температуру спалаху для індивідуальних речовин;

• визначати за допомогою формул концентрацію насиченої пари.

Література:

4………С. 108 – 128.

5 частина 1 С. 141 – 164.