5.7 Умови, які необхідні для виникнення самозаймання.

Основною відмінною рисою самозаймання є обов'язкова умова акумуляції тепла. Які ж умови сприяють накопиченню тепла в системі? Оскільки підведення тепла до системи відсутнє, умови віддачі тепла при самозайманні мають визначальне значення.

Кількісний опис явища самозаймання засновується на тепловому балансі між тепловиділенням і різними видами втрати тепла. Тепловиділення відбувається внаслідок окислення матеріалу киснем повітря, що поступає в скупчення матеріалу. Оскільки спочатку здійснюється окислення поверхні конденсованого горючого матеріалу, то швидкість такої гетерогенної реакції буде залежати від швидкості адсорбції і концентрації кисню на поверхні матеріалу. Тоді кількість тепла, що виділяється при окисленні одиниці об'єму матеріалу dV, який самонагрівається, за час dτ можна виразити:

де Q - питома теплота реакції окислення;

k - константа швидкості адсорбції;

φ _ок - концентрація кисню.

S – питома реагуюча поверхня матеріалу , м²/м³;

Т – абсолютна температура, K, у крапці з координатами х, у, z у момент часу τ ;

Е – енергія активації процесу окислення, кДж/кмоль;

Поряд з хімічною реакцією окислюванням в матеріалі проходять і фізичні процеси, які також впливають на процес самозаймання. Тепло, що виділилося, піде на нагрів самого матеріалу, повітря, яке поступає, втрати тепла теплопровідністю від осередку самонагрівання в сусідні шари матеріалу, частина тепла буде відводитися в навколишнє середовище за рахунок коніекційного теплообміну, на випаровування вологи та т.п.

За цей же час повітрям буде винесене тепло:

За рахунок теплопровідності від осередку тепловиділення віддається тепло:

У результаті цього тепловміст в об’ємі dV зміниться на величину

 _м - щільність скупчення матеріалу;

Тепло, що відводитися в навколишнє середовище за рахунок конвекційного теплообміну:

S_o— питома поверхня накопичення, м²/м³;

Сумарні втраті тепла можна виразити формулою:

q(-) = q₁ + q₂ + q₃ + q₄ + W

Отже енергетичний баланс можна виразити:

Рівняння теплового балансу враховує всі основні процеси, що відбуваються у накопиченні матеріалу, що окисляється, і може бути використаним при визначенні небезпеки його самозаймання і розробці заходів щодо попередження самозаймання в умовах промислового зберігання.

Хімічні умови самонагрівання речовини визначаються концентраціями початкових і кінцевих речовин, енергією активації молекул і вільних радикалів, що утворюються, тепловим ефектом реакції, залежністю швидкості реакції від температури і т.п.

Фізичну основу процесу самонагрівання речовини складають теплофізичні параметри реагуючих речовин, стан навколишнього середовища і фізичні процеси, які протікають при цьому в системі.

Фізичний стан реагуючих речовин визначається такими чинниками, як величина і геометрична форма накопичення матеріалу, дисперсність і пористість часток, питома поверхня часток, величина повітряного простору в шарі матеріалу, вологість, густина та інші.

Стан навколишнього середовища визначається його складом, температурою і гідродинамічними умовами тепло- і масообміну на границі об'єму з навколишнім середовищем.

Аналізуючи рівняння енергетичного балансу процесу самозаймання, можна сказати, що на протікання процесу самонагрівання найбільшим чином будуть впливати такі фактори, як:

- теплотворна здатність екзотермічних процесів;

- швидкість реакції окислення;

- фізичні і теплофізичні характеристики матеріалу (його густина, теплоємність, теплопровідність);

- коефіцієнт тепловіддачі;

- початкова температура середовища;

- співвідношення об'єму системи і площі тепловіддачі.

Чим вище теплотворна здатність горючої речовини, тим більше тепла може виділитися при протіканні реакції окислення, і тим легше почнеться процес самонагрівання, що приводить до самозаймання.

Велике значення в процесі самозаймання має приток повітря. Виділення тепла внаслідок хімічної реакції окислення в середині горючого матеріалу пропорційне концентрації окислювача, тому схильність системи до самозаймання визначається доступом кисню повітря до поверхні пального. Однак, потік повітря w в скупчення матеріалу, що окислюється, впливає не тільки на генерацію тепла, але і на винесення тепла вихідним повітрям. Тому при збільшені швидкості потоку повітря збільшується також інтенсивність тепловіддачі за рахунок тепловтрат на нагрів повітря і конвекційної тепловіддачі. Чим вище значення коефіцієнта конвекційної тепловіддачі, тим менш сприятливі умови для накопичення тепла всередині системи, яке необхідне для виникнення самозаймання. При деякій швидкості потоку повітря замість самонагрівання в системі може виникнути охолодження матеріалу, що окислюється.

Звичайно процес самозаймання протікає при температурі навколишнього середовища не менше за 10^оС (при більш низьких температурах збільшується інтенсивність тепловіддачі так, що тепловиділення може бути недостатнім для виникнення горіння). Однак, чим менше розсіюється тепло (у разі великого скопичення горючого матеріалу), тим при більш низькій температурі навколишнього середовища починається самонагрівання речовини.

Аналіз рівняння теплового балансу показує, що самозаймається лише велике скопичення матеріалу. Як правило, самозаймання виникає в тому випадку, коли відношення зовнішньої поверхні штабелю матеріалу (площі тепловіддачі) до об'єму невелике, а площа поверхні реагування багато більше зовнішньої поверхні матеріалу. Зменшуючи висоту штабелю, можна досягти такого максимального відношення S/V, при якому за рахунок значного тепловідводу саморозігрів і самозаймання будуть неможливі. Ця безпечна висота штабелю матеріалу звичайно вказується в нормах зберігання (Протипожежні норми проектування складів).