5.8. Різні види самозаймання теплове самозаймання

Тепловим самозайманням називається явище виникнення горіння, викликане самонагріванням, що виникло при тривалому впливі зовнішнього нагріву речовини вище за температуру самонагрівання. Різке підвищення швидкості екзотермічних реакцій в об'ємі речовини пов'язане в основному із зростанням температури в зоні реакцій під впливом теплового імпульсу.

При цьому речовина нагрівається до температури, що забезпечує її термічне розкладання на газоподібні продукти і твердий вуглецевий залишок. Газоподібні продукти термічного розкладання вступають в екзотермічну реакцію окислення з киснем повітря. Тепло, що виділилося, не встигає розсіятися в довкілля, оскільки температура навколишнього середовища підвищена за рахунокзовнішнього підведення тепла. В результаті виникає самонагрівання, яке в свою чергу зумовлює підвищення температури матеріалу і прискорення процесів розкладання і окислення. Поступове підвищення температури матеріалу приводить до окислення твердого вуглецевого залишку, яке при сприятливих умовах акумуляції тепла може перейти в самозаймання спочатку у вигляді тління, а потім і з появою полум’яного горіння.

Самозаймання речовини спочатку відбувається в зоні максимальних температур (в "гарячій точці"), а потім горіння поширюється по всьому об'єму.

Оскільки теплове самозаймання відбувається при нагріві речовини в атмосфері повітря, воно не має різкої відмінності від хімічного самозаймання речовин при контакті їх з киснем повітря і від фізичного, викликаного адсорбцією.

Приклад пожежі в сауні, на комбікормовому заводі.

Таким чином, для виникнення теплового самозаймання необхідне дотримання наступних умов:

• температура навколишнього середовища підвищена за рахунок зовнішнього підведення тепла;

• є скупчення горючого матеріалу, яке перешкоджає вільній віддачі тепла, а отже в товщі матеріалу виникає процес самонагрівання,

• горючий матеріал легко розкладається, при цьому утворюється достатня кількість газоподібних продуктів розкладання, які активно вступають в реакцію окислення;

• матеріал є пористим або роздрібненим, але нещільно утрамбованим, для того щоб був доступ кисню повітря до продуктів розкладання для можливості протікання реакції окислення.

Тривалість самонагрівання матеріалу може бути дуже великою і залежить вона від різниці швидкостей виділення та розсіювання тепла, фізичних та хімічних властивостей матеріалу, його розмірів. Відомі випадки самонагрівання, наприклад тирси, які загорілися лише після року їх контактування з теплоносієм, який мав температуру 110-120^оС. Тому отримання залежності між температурою навколишнього середовища, розмірами матеріалу та часом до самозаймання (періодом індукції) становить велику практичну цінність.

Визначення схильності речовин до теплового самозаймання.

Для розробки і організації комплексу профілактичних заходів, що виключають виникнення теплового самозаймання, передусім потрібне знання характеристик (параметрів) матеріалів, що застосовуються.

Як перший показник можна виділити мінімальну температуру середовища, при якій можливе теплове самозаймання певного об'єму (маси) матеріалу. Такою температурою є температура самонагрівання речовини. Це та умовна температурна межа, вище за яку при сприятливих умовах можливий розвиток екзотермічного процесу самонагрівання, пов'язаний з термічним розкладанням речовин та окисленням продуктів розкладу.

Другим показником є період індукції - час з того моменту, коли температура всього осередку самозаймання в матеріалі стане рівною мінімальній температурі самонагрівання до моменту виникнення горіння в найбільш "гарячій" точці об'єму.

Третій показник, що визначає схильність матеріалу до теплового самозаймання, це питома поверхня матеріалу, яка в свою чергу визначається розмірами і формою скупчення матеріалу. Знаючи цей показник, можна в кожному конкретному випадку визначити безпечні розміри об'ємів матеріалу і їх геометричну форму для даної температури середовища.

Для розрахункового визначення температури самонагрівання і часу нагріву матеріалу до небезпечної температури С.И.Таубкіним були отримані емпіричні залежності, які враховують зміну температури самонагрівання від геометричних розмірів матеріал, що досліджується:

lg t_сн = A_p + n_plgS_пит

та період індукції від температури самонагрівання:

lg t_сн = A_b - n_blgτ _інд

де t_сн - температура теплового самонагрівання. С:

τ - час теплового впливу до самозаймання, години;

A_p, n_p, A_b, n_b - емпіричні коефіцієнти, які визначають по довідковим даним.

S_пит - питома поверхня зразка, 1/м, яка визначається як відношення повної поверхні тепловідводу до об'єму матеріалу, в якому відбуваються екзотермічні процеси, по формулі:

S _пит = S_повн /V

де S_повн - повна зовнішня поверхня зразка, м²;

V - об'єм зразка, м³.

Емпіричні константи A_p, n_p, A_b, n_b для цілого ряду речовин отримані експериментальним шляхом і є в довіднику Баратова і Корольченко "Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения".

Використовуючи дані рівняння, можна визначити як температуру самонагрівання, так і час протікання процесу.

Методика визначення температури самонагрівання і часу індукції

1. Визначається питома поверхня тепловіддачі матеріалу

2. Визначаються емпіричні константи A_p, n_p, A_b, n_b по довідкових посібниках.

3. Визначається температура самонагрівання:

lg t_сн = A_p + n_plgS_пит

t_сн = 10 ^(Ap + n_plgS_пит)

4. Визначається час нагріву матеріалу:

lgτ = (A_b - lg t_сн)/n_b

τ = 10^(Ab - lg tсн)/nb

Методика практичного визначення схильності речовин і матеріалів до самозаймання заснована на виявленні приросту температури всередині матеріалу при фіксованому нагріві випробуваної речовини в спеціальному термостаті.

Термостатом може бути як спеціальна термостатична камера, так і утворена водяна баня з природним повітрообміном (прилад Маккея). Зразок нагрівається до певної температури (для твердих речовин 200^оС, а для жирів і мастил - 100^оС) і проводиться контроль температури протягом певного часу. Якщо в матеріалі температура підіймається вище ніж в термостаті, значить всередині матеріалу протікають процеси, пов'язані з виділенням енергії і даний матеріал схилений до самозаймання. Більш детально методику дослідження схильності речовини до самозаймання ви розглянете при підготовці до лабораторної роботи.

ВИСНОВОК: Для розвитку процесу самонагрівання матеріалу і подальшого самозаймання необхідна наявність певного об'єму матеріалу, що самонагрівається, з розвиненою поверхнею окислення. Небезпека в багато разів збільшується, якщо речовина схильна до об'ємного або локального зовнішнього нагріву. Джерелами такого нагріву можуть бути: нагріта поверхня апарату, труби, потік нагрітого повітря, прямі сонячні промені та ін.