6.4 Запалювання горючих систем електричними розрядами

Однією з поширених причин виникнення процесів горіння є теплові прояви електричної енергії, а саме:

• електричний розряд статичної електрики;

• електричний розряд атмосферної електрики (прямий та опосередкований вплив блискавки);

• електричні іскри, що виникають внаслідок короткого замикання, (дуга та краплі металу);

• нагрів поверхні ламп накалювання та електричних дротів і контактів при виникненні перевантажень.

Запалення горючого середовища електричними розрядами статичної і атмосферної електрики або електричними іскрами короткого замикання є однією із найбільш поширених причин виникнення пожежі.

Приклад пожежі в гуртожитку Університету Дружби народів (м. Москва) Загинуло 37 осіб , постраждало 135 осіб. Причина виникнення пожежі – несправність електронагрівальних приладів.

За статистичним даними на Україні від 15 до 25 % від загальної кількості пожеж виникає через порушення правил монтажу та експлуатації електрообладнання.

Розряди статичної електрики – це імпульс ініціювання горіння, який найбільш важко контролюється і тому є найбільш небезпечним. При терті, подрібненні або швидкому рушенні тіл, які заряджаються, на них може накопичуватися електричний заряд. Сприятливим середовищем для виникнення і накопичення зарядів є діелектричні рідини і сипучі матеріали. У газах значні заряди не з'являються, однак часто виникають в димах і туманах, тобто на твердих і рідких частках, завислих в газах. Реальну небезпеку представляє "контактна" електризація людей, працюючих з рухомим діелектричним матеріалом або обладнанням. При зіткненні людини з обладнанням, що заземлено, виникають іскри з енергією від 2,5 до 7,5 мДж.

За статистичними даними на промислових підприємствах США 2% пожеж викликалися розрядами статичної електрики. Вибухи від розрядів статичної електрики відбуваються при наповненні цистерн, резервуарів, паливних баків. Так в 70-х роках було відмічено цілий ряд вибухів гігантських танкерів під час промивки танків за допомогою брандспойтів. Причиною цих вибухів вважають розряди статичної електрики, що виникали внаслідок дроблення струменя і утворення в танку, що промивається, зарядженої хмари, яка складається з крапель води і нафти. Крім того, розряди статичної електрики явилися причиною 10% всіх пожеж в резервуарних парках нафтоперегінних заводів. Відмічено випадок, коли резервуар місткістю 220 тисяч л, заповнений до моменту виникнення пожежі на 190 тисяч л, перелетів над шосе і залізницею. Подібні випадки відбуваються і при пожежах залізничних цистерн.

Основний спосіб запобігання накопиченню електричних зарядів – заземлення апаратури, яка проводить електрику, однак це тільки знижує імовірність електризації, але не запобігає появі розрядів повністю.

Небезпека розряду атмосферної електрики обумовлена тим, що при прямих ударах блискавки температура в каналі блискавки досягає 30 000^оС-1 при силі току 200 000 А і часом впливу біля 100 мкс, а при опосередкованому впливі блискавки виникають іскрові розряди з енергією 100 Дж і більше. Такий вплив приводить до виникнення горіння будь-яких горючих речовин.

При короткому замиканні електропроводки або при проведенні електрозварювальних робіт утворюються краплі розплавленого металу. Пожежна небезпека їх обумовлена досить високою температурою, яка значно перевищує температуру запалення будь-якої горючої речовини. Так початкова температура іскор, які утворюються при електрозварювальних роботах приймається 4000^оС, при короткому замиканні електропроводки – 2500^оС. Запалення такими електричними іскрами можна розглядати як запалення нагрітим тілом.

Приклад пожежі в Благовіщенському соборі.

При електричному розряді відбувається виділення значної кількості енергії в дуже малому об’ємі, це викликає локальний нагрів деякого сферичного об’єму газової суміші до значної температури (десятки тисяч градусів) безпосередньо в зоні його дії. Час цього впливу такий малий (тисячні долі секунди), що не можливо вважати розряд фізичним тілом навіть умовно і з цієї причини теорія запалення нагрітим тілом тут маловживана. Проте час теплової релаксації системи достатньо великий, при цьому температура нагрітого об’єму суміші швидко зменшується внаслідок втрат тепла випромінюванням і теплопередачею в навколишню холодну суміш. Тому запалення електричними іскрами можна розглядати з позиції термодинамічної рівноваги при миттєвому виділенні тепла і більш повільним поширенням тепла в навколишній простір.

Крім того, дія електричного розряду викликає інтенсивне збудження молекул та іонізацію простору, в якому відбувається розряд, при цьому утворюються активні молекули і радикали, які здатні стати активними центрами в ланцюгових реакціях і тим самим ініціювати виникнення процесу горіння.

Таким чином існує дві концепції іскрового запалювання: теплова і іонна.

Теплова теорія запалювання електричними розрядами

Розглянемо механізм вимушеного запалювання газових сумішей електричним розрядом з позиції теплової теорії запалювання, запропонованої Я.Б. Зельдовичем. При пропущені через газ електричного розряду максимальна температура в його каналі значно більше температури горіння (порядку 20 000 К), після чого його дія припиняється. Для спрощення приймають, що енергія розряду звільняється одним миттєвим імпульсом в межах малого об'єму, тобто розряд крапковий, який в момент часу τ = 0 виділяє деяку кількість тепла, рівну Е, Дж. Подальші процеси протікають тільки в газовому об'ємі, нагрітому розрядом до високої температури, і хід процесу буде залежати від фізичних і хімічних властивостей саме газової суміші.

Порівняємо закономірності нагрівання електричним розрядом з енергією Е інертного газу і горючого газового середовища з однаковими теплофізичними властивостями.

На рис. 6.9 для інертного газу представлені криві просторового розподілу температури Т(r), де r - відстань від точки подачі імпульсу, для послідовних моментів часу τ ₀ = 0,      τ ₁ > 0, τ ₂ > τ ₁ і т. п.

Рис. 6.9

В момент τ ₀ початкове газове середовище в межах малого об'ємунавколо розряду розігріто до температури Т_ел >> Т_гор. При цьому виникає теплова хвиля: тепло теплопровідністю передається навколишнім шарам, внаслідок чого температура в початковому об’ємі зменшується, а в навколишніх шарах збільшується. Енергія поступово розподіляється по всьому об'єму системи. По мірі зростання радіуса розігрітої області температура при заданому rзнижується, а також знижується максимальна температура в центрі зони розігрівання Т (r = 0). При досить великих τ або rтемператури газу, що розігрівається, і навколишнього простору стануть рівними,   T (r, τ =∞ ) = T_o.

Рівняння нестаціонарної теплопровідності для нейтрального середовища з постійним коефіцієнтом температуропроводності має вид:

Перетворюючи дане рівняння в сферичну систему координат, для граничних умов r = ∞ , T = T_о, dT/dr = 0 отримаємо рішення рівняння про розподіл температури навколо крапкового джерела тепла в будь-якій точці суміші у часі:

де T_о - початкова температура газової суміші, К;

с_р - середня теплоємність суміші, кДж/(кг К);

ρ - густина газової суміші, кг/м^з;

а_t - температуропровідність, м/с;

r - радіус сфери, при початковій густині суміші, м.

Q_ел - кількість тепла, що виділяється при електричному розряді, Дж.

Розряд в горючому середовищі викликає протікання хімічної реакції з виділенням тепла. Інтенсивність тепловиділення визначається вже відомим співвідношенням:

q(+) = V_гс Q_н w_хр

Це тепло додається до енергії початкового імпульсу. При цьому розподіл температури в газовому середовищі зміниться (малюнок 2).

Рис. 6.10

Якщо енергія електричного розряду недостатня, температура нагрітого об’єму буде зменшуватися так швидко за рахунок тепловіддачі в холодну вихідну суміш, що за цей час хімічне перетворення не зможе забезпечити достатню кількість тепла для виникнення горіння, вимушеного запалення не відбудеться.

При дії електричного розряду більшої потужності розширення зони нагріву, в основному, буде відбуватися за рахунок розширення зони хімічної реакції. По мірі зростання радіуса нагрітої сфери все більше зростають сумарна кількість тепла, яка виділилася, і частка в ній енергії хімічної реакції. В зв'язку з цим подальше пониження температури сповільнюється. Тепло, що випромінюється і відводиться теплопровідністю в навколишнє середовище, компенсується тепловиділенням при реакції. Якщо енергія початкового імпульсу достатня для відповідного нагрівання деякого критичного об’єму горючого середовища 

інтенсивність тепловиділення при протіканні хімічної реакції q(+) стає рівною інтенсивності тепловіддачі q(-), температура стабілізується (залишається постійною). Встановлюється стаціонарний режим.

Якщо тепловиділення при реакції перевищить тепловтрати, виникає горіння, з’являється сферичний фронт полум'я. Можливість самовільного поширення полум'я залежить від розміру зони, охопленої горінням протягом часу, за який температура “ядра полум'я” зменшується до величини температури горіння. При подальшому поширенні полум'я початковий імпульс виявляється малим, а тепло, що виділилося при реакції, істотно перевищить початкову енергію розряду.

Отже, для виникнення і самовільного поширення горіння необхідним є створення критичного елементу полум'я з температурою горіння. Значення критичного об'єму сфери отримують з наступних міркувань. Якщо час охолодження τ_охол нагрітого об'єму суміші від температури горіння Т_гор до критичної температури Т_гор – Θ (де Θ = RT_г²/Е_акт – характеристичний інтервал температур, на якому швидкість хімічної реакції зменшується в е раз), більше або дорівнює часу протікання хімічної реакції окислення, то запалювання горючої суміші відбудеться.