6.3 Чинники, що впливають на процес запалювання

Розмір і термодинамічні параметри зони розігрівання горючої газової суміші (товщина шару суміші, її температура, швидкість прогрівання і інші) будуть залежати від розмірів, форми і температур запалюючого тіла, кількості запасеного тепла (запасу енергії) джерела запалювання і інших чинників.

Температура запалення (температура нагрітого тіла) повинна забезпечити необхідний початковий запас тепла в прогрітому шарі горючого газу.

На T_зап впливають фактори, які характеризують:

1) вид горючої речовини,

2) склад горючої суміші,

3) умови, в яких знаходиться горюча суміш,

4) властивості самого джерела запалення (нагрітого тіла).

Вид горючої речовини

- теплотворна здатність Q_н

- температура самоспалахування: T_сс 

- агрегатний стан:

найменша Tзап у горючих газів,

найбільша - у твердих горючих матеріалів.

Склад горючої суміші

- концентрація кисню в окислювальному середовищі

φ_О2 ­ 

- концентрація негорючих газів

φ_нг ­ 

- концентрація горючої речовини

φ_гр 

Умови, в яких знаходиться горюча суміш

- початкова температура горючого середовища Т₀

- тиск, під яким знаходиться горюча суміш: Р­ 

Температура запалювання знижується при підвищенні тиску в системі. Температура вимушеного запалювання горючих газових сумішей і повітряних сумішей парів горючих рідин при високому тиску монотонно знижується до 600-650°С для метано-повітряних сумішей при тиску 6 атм і до мінімальної температури запалення вуглеводнів порядку 200°С для суміші парів нафти з повітрям при тиску порядку 25-30 атм.

- швидкість руху газової суміші: v_{руху­ .}­

Якщо тіло або горюча суміш рухаються, тепловий потік передається не тільки теплопровідністью, але й конвекцією. При цьому запас тепла передається більшій кількості газу, а суміш буде нагріватися до меньшої температури. Тому для займання горючої суміші, що рухається, джерело запалювання повинно мати більший запас енергії (рис.6.6).

Рис. 6.6

Властивості джерела запалювання

Для забезпечення необхідного початкового запасу тепла в прогрітому шарі горючого газу температура нагрітого тіла повинна бути тим більше, чим менший розмір нагрітого тіла, власна теплоємність або поверхня контакту нагрітого тіла з газовим середовищем.

- теплоємність матеріалу с_р;

- розміри нагрітого тіла: d_ДЗ ­; 

- загальна площа поверхні нагрітих тіл: S_п­;

При достатньо великій площі підпалюючої поверхні (S_п > 200 см²) критична температура запалювання суміші природного газу з повітрям асимптотично наближається до свого мінімального значення ≈ 975^оС. При зменшенні діаметру підпалюючої кульки з 5 до 1 мм її температура збільшується на 250–400^оС в залежності від виду горючої речовини (рис. 6.7).

Рис. 6.7

Температура запалювання тим більша, чим більшими каталітичними властивостями володіє поверхня джерела запалювання.

Так, найбільша температура запалювальної поверхні у каталітично активної платини, трохи нижче у золота, ще нижче у нікелю і молібдену, а сама низька - у некаталітичної поверхні із звичайної сталі. Причому характерно, що температура запалювальної поверхні у каталітично активної платини тим вище, чим склад горючої суміші ближче до стехіометричного: вона на 200–300°С вище, ніж для суміші іншого складу, тобто для бідних і багатих сумішей (рис.6.8).

Рис. 6.8

Цей парадоксальний на перший погляд висновок зумовлений саме інтенсивною витратою компонентів горючої суміші поблизу каталітичної поверхні. У прикордонному шарі так інтенсивно витрачається пальне, що поширення хімічних реакцій окислення за межі прилеглої зони і виникнення процесу горіння у всій суміші стає неможливим при тих температурах, при яких воно виникає від некаталітичних металевих поверхонь. І чим склад суміші ближче до стехіометричного, тим більше швидкість хімічних реакцій взаємодії.

Незважаючи на те, що індукційний період при запалюванні виявляється найменшим, він все ж таки існує, і величина його залежить від температури джерела запалювання, виду горючої речовини і складу суміші. З пониженням температури запалювальної поверхні період затримки запалення зростає з 0,5 до 2–З сек.

Найбільшим він виходить, коли в нього включаються і фазові перетворення компонентів горючої суміші (частіше за все пального). Для підпалення конденсованих видів горючих речовин (рідини або тверді матеріали) необхідний такий запас теплової енергії зовнішнього джерела запалювання, щоб його вистачало на процес фазового переходу в самому матеріалі (процес розкладання або випаровування) і утворення газоповітряної суміші, або на створення малого осередку гетерогенного горіння – тління, яке при певних умовах може розвиватися і перейти у відкрите полум'яне горіння. Тому очевидно, що мінімальною температурою запалення володіють горючі газоповітряні і пароповітряні суміші. Саме вони є найбільш пожежо- і вибухонебезпечними. Індукційний період запалювання конденсованих речовин буде складатися з часу фазового перетворення горючої речовини, часу сумішоутворення і власне часу запалювання, і при цьому період індукції збільшується в сотні і тисячі разів. Наприклад, при визначенні температури запалювання ЛЗР, ГР тигельним методом період індукції, як при самоспалахуванні, зростає до 20–25 сек.

ВИСНОВОК: закономірності зміни допустимої (критичної) температури, близької до температури запалювання пожежонебезпечних газо- і пароповітряних сумішей, від вигляду горючого, складу суміші, тиску, розмірів запалювального тіла і інших параметрів запалення необхідно знати і з точки зору забезпечення пожежної безпеки технологічних процесів виробництва, і для науково обгрунтованої експертизи пожеж, і в ряді інших ситуацій, пов'язаних із забезпеченням пожежної безпеки об'єктів народного господарства.