6.1 Поняття і особливості процесу запалювання

Вимушеним запалюванням називається процес виникнення горіння внаслідок дії джерела запалення на невелику частку горючої системи, при цьому основна маса горючої системи залишається холодною.

Джерелом запалювання називається тіло, що горить, або розжарене тіло, а також електричний розряд, які мають енергію і температуру, достатні для виникнення горіння інших речовин.

В залежності від виду зовнішнього теплового імпульсу розрізнюють наступні види джерел запалювання:

- теплові прояви хімічної енергії;

- теплові прояви електричної енергії;

- теплові прояви механічної енергії;

- відкрите полум'я, розжарені продукти горіння або нагріте ними тіло. -2

Принципово вимушене запалювання не відрізняється по своїй фізичній суті від самоспалахування, оскільки умови появи горіння залишаються однаковими: згідно з теорією теплового вибуху це перевищення швидкості тепловиділення екзотермічної реакції окислення над швидкістю тепловіддачі від системи, або згідно з теорією ланцюгових реакцій перевищення швидкості утворення активних центрів над швидкістю їх загибелі. Виконання цих умов означає, що внаслідок підвищення температури системи вище певного критичного значення станеться різке самоприскорення екзотермічної реакції взаємодії горючої речовини і окислювача, що приводить до появи горіння.

Однак запалювання має і відмінності від самоспалахування, які полягають в наступному:

1. При самоспалахуванні вся суміш розігрівається рівномірно і її температура поступово підіймається до температури самоспалахування. Внаслідок цього реакція окислення виникає в усьому об'ємі відразу, з цієї причини процес переходу реакції окислення в полум'яне горіння може виникнути в будь-якій точці суміші або по всій суміші одночасно. При вимушеному запаленніпроцес нагріву горючої суміші до критичної температури відбувається локально, тобто в невеликому об'ємі, що примикає до джерела запалювання. Вся інша маса реакційноздатної суміші залишається відносно холодною. Полум'я ж поширюється із зони виникнення горіння на всю іншу суміш з певною швидкістю.

2. При самоспалахуванні критичною температурою, до якої розігрівається горюча суміш, є температура самоспалахування t_сс, а привимушеному запаленні критичною температурою, до якої розігрівається локальний об’єм горючої суміші, є температури запаленняt_зап.

3. При самоспалахуванні тепловіддача з точки ініціації горіння у бік всієї іншої горючої суміші мінімальний через мінімальний перепад температур, а основний перепад температур існує на межі “горюча суміш - навколишнє середовище". Отже, тепловтрати визначаються тільки конвекційною тепловіддачею від системи в навколишнє середовище. При запалюванні ж нагрів здійснюється тільки в невеликій частині об'єму, а інша горюча суміш залишається холодною, тому система характеризується значною інтенсивністю тепловідводу в саму початкову суміш. У цьому випадку тепловіддача буде визначатися в основному теплопровідністю, тобто q(-)= - λd²T/dх².

4. При запалюванні нагрівається малий об'єм горючої суміші, а вихідна система залишається холодною, внаслідок цього інтенсивність тепловіддачі при запаленні значно більша, ніж при СС.

5. Температура запалення горючої суміші більша ніж її температура самоспалахування. Це пояснюється тим, що для перевищення тепловиділення q(+) = V_гсQ_нw_хр(Т) над тепловіддачею q(-) необхідно, щоб швидкість хімічної реакції окислення була значною. Для цього потрібно насамперед збільшити температуру, до якої нагрівається частка холодної горючої суміші.

6. При самоспалахуванні процес самонагрівання відбувається повільніше, ніж при запалюванні, тобто період індукції відносно великий. При запалюванні потрібно швидко підвести значну кількість тепла до частки горючої суміші, для того щоб вона не встигла охолонути і розігрілася до температури запалення. Отже процес виникнення горіння при вимушеному запаленні відбувається значно швидше, оскільки розігрівання суміші від зовнішнього джерела тепла проводиться значно інтенсивніше і до більш високої температури. Період індукції при цьому є найменьшим.

7. Через високу інтенсивність тепловідводу при запалюванні температура зони горіння, що виникає внаслідок дії джереда запалювання, буде нижчою, ніж при самоспалахуванні.

8. При самоспалахуванні горіння, яке виникає, є гомогенним кінетичним, а при вимушеному запалюванні може виникати як полум’яне горіння, так і гетерогенне дифузійне (тління) при впливі джерела запалювання на деякі тверді горючі матеріали.

9. При самоспалахуванні тепловим імпульсом був зовнішній нагрів всієї системи через стінки судини. При вимушеному ж запалюванні зовнішнім джерелом тепла можуть бути відкрите полум'я, розігріте стороннє тіло, різні прояви електричної енергії, раптове адіабатичне стиснення. -2

Енергетичний баланс, що характеризує критичний стан системи при вимушеному запалюванні, виражається рівністю між тепловиділенням в тій частині горючої системі, на яку діє джерело запалення, і тепловіддачею від цієї частини системи в навколишню холодну горючу суміш.

q(+) = q(-);

V_гсQ_нw_хр(Т) = - λ d²T/dх².

де λ - коефіцієнт теплопровідності газової суміші.

Графічно критичну умову запалювання системи можна відобразити в наступному вигляді (рис. 6.1):

Рис. 6.1

Практично зручним критерієм наявності або відсутності запалювання є факт поширення полум'я від місця дії джерела запалювання на весь об'єм системи. Тому чинники, що визначають критичні умови у разі запалювання, пов'язані, з одного боку, з властивостями самого джерела і, з іншого – з умовами поширення полум'я в газовій суміші, які, в свою чергу, визначаються видом горючої суміші та її фізичними параметрами.

Розглянемо механізм запалення горючих сумішей деякими джерелами запалювання.