Τ охол 3 τ хр

Розрахунки показують, що нагріта до Т_гор. сфера, яка розташована в холодному горючому середовищі, набуває властивостей незгасаючого елемента полум'я в тому випадку, коли її розміри мають порядок ширини фронту полум’я.

r_min = 3,7δ _пл

Створення такого нагрітого об'єму дозволяє припустити, що сусідні шари суміші запалюються раніше, ніж нагрітий іскрою об'єм суміші охолоне до температури нижче, ніж критична температура запалювання (тобто на величину характеристичного інтервалу).

Тому E_min рівна теплоті нагрівання від Т_о до Т_гор. об'єму газу, радіус якого рівний r_min. Тоді кількість тепла, що необхідна для нагріву критичного об'єму суміші, прилеглої до зони впливу розряду, можна визначити як:

Виражене через параметри горючої газової суміші і швидкість нормального поширення полум'я, це рівняння дає співвідношення критичної кількості тепла, необхідної для підпалення суміші електричною іскрою:

Цей вираз дозволяє проаналізувати вплив різних фізико-хімічних параметрів горючої суміші на енергію вимушеного запалювання.

Не кожний розряд породжує в горючому середовищі стаціонарне полум'я. Досвід показує, що це відбувається тільки в тому випадку, якщо енергія розряду Е не менше деякого критичного значення Е_min. У іншому випадку не утвориться необхідний об'єм газового середовища, нагрітий до критичної температури, (r_нагр < r_min), тепловіддача перевищить тепловиділення, горюче середовище буде прогресивно охолоджуватися, і реакція, що почалася, припиниться. Стаціонарне полум'я не утвориться, виникаючий осередок горіння є нестійким і затухає.

Під мінімальною енергією запалювання газу, пари або аерозолю даної речовини в повітрі розуміють найменшу енергію конденсатора (Е_конд. = 0,5CU², де С – ємність конденсатора, Ф; U - напруга, В), при розряді якого через повітряний проміжок виникає іскра, що запалює стехіометричну суміш даної речовини і повітря з імовірністю 0,01.

Таким чином, при іскровому запалюванні за параметр, що характеризує пожежонебезпечні властивості системи, приймають граничне найменше значення енергії розряду, починаючи з якого суміш здатна запалитися з подальшим поширенням полум'я на весь об'єм.

Електричні розряди різної потужності і різної тривалості можуть бути рівноцінними при запаленні, якщо їх енергія однакова.

Мінімальна підпалююча енергія іскри є функцією

• виду горючої речовини,

• складу суміші,

• умов, в яких знаходиться система (тиск, температура, швидкість руху газового середовища).

Вид горючої речовини

Мінімальна енергія запалювання сильно змінюється в залежності від природи горючої речовини. Наприклад, для водню вона складає 0,017 мДж, для етану – 0,24 мДж, а для аміаку – 680 мДж. Мінімальне значення енергії запалювання найбільш поширених вуглеводневих газових сумішей відповідає Е_min = 0,2-0,3 мДж.

Мінімальна величина енергії запалення меншає при переході від парафінових вуглеводнів до етиленових і далі до ацетиленових. Для запалення ароматичних вуглеводнів потрібна енергія, мало відмінна від Е_min парафінових вуглеводнів, які містять однакове число атомів вуглецю.

Енергія запалювання залежить від агрегатного стану горючої речовини. Так, для підпалення конденсованих видів горючих речовин (рідин або твердих матеріалів) необхідний такий запас теплової енергії іскри або іншого 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 розвинутися і перейти у відкрите полум'яне горіння. Тому очевидно, що мінімальною енергією підпалення володіють горючі газоповітряні і пароповітряні суміші. Саме вони є найбільш пожежо- і вибухонебезпечними. Індукційний період запалювання конденсованих речовин буде складатися з часу фазового перетворення горючого, часу сумішоутворення і власне часу запалювання, і при цьому період індукції збільшується в сотні і тисячі разів.

Склад горючої суміші

Мінімальна енергія запалювання залежить від складу горючої суміші. В залежності від концентрації горючої речовини існують межі, до яких прагнуть кордони запалювання при збільшенні потужності запалювання. Іскру, при якій критичні умови запалювання виявляються такими, що не залежать від подальшого зростання її потужності, називають насичуючою іскрою (рис. 6.11).

Рис. 6.11

По мірі збільшення молекулярної ваги вуглеводню мінімальна енергія запалювання, яка відповідає оптимальному для запалення складу, зміщається у бік багатих сумішей. Це зміщення є слідством різних швидкостей дифузії кисню і горючої речовини до початкового “ядра” горіння. Для нормальних парафінових вуглеводнів концентрація пального в суміші з повітрям, при якій відбувається найлегше запалення, може бути визначена з співвідношення:

де φ _гр – об'ємна концентрація горючої речовини в суміші оптимального складу, %;

D – коефіцієнт дифузії горючої речовини в повітря, см²/с.

При збільшені вмісту кисню в окислювальному середовищі мінімальна енергія запалювання значно зменшується (рис. 6.12).

Рис. 6.12

Так, наприклад, метано-повітряна суміш стехіометричного складу має мінімальну енергію запалювання 0,42 мДж, а метано-киснева суміш – всього 0,004 мДж.

При збільшені вмісту негорючих компонентів в газовій суміші мінімальна енергія запалювання збільшується (рис. 6.13).

Рис. 6.13

Умови, в яких знаходиться горюча суміш.

При пониженні тиску та початкової температури горючої суміші енергія запалювання збільшується-2 (рис. 6.14).

Так, якщо при атмосферному тиску (100 кПа) мінімальна енергію запалювання стехіометричної суміші метану з повітрям становить 0,42 мДж, то при тиску 10 кПа вона складає відповідно 25 мДж.

Рис. 6.14

З збільшенням швидкості течії газової горючої суміші енергія запалювання росте (6.15).

Рис. 6.15

снування граничної енергії має вирішальне значення для забезпечення вибухобезпеки.

Розрахунок мінімальної енергії запалювання можливий на основі порівняльного методу з використанням такого параметра як нормальна швидкість горіння

де Е_{min 1}, Е_{min 2} – мінімальна енергія запалювання речовин 1 і 2;

u_н1, u_н2 – нормальна швидкість поширення горіння речовин 1 і 2.

Ця формула тим точніша, чим ближче по будові речовини, які порівнюються. Якщо в якості стандартної речовини використати нормальний бутан, у якого Е_min = 0,25 мДж, а u_н = 0,379 м/с, то мінімальну енергію запалювання інших газів і парів в повітрі при кімнатній температурі і атмосферному тиску можна розрахувати по перетвореній формулі:

Якщо швидкість поширення горіння u_н невідома, то мінімальну енергію запалювання потрібно визначати експериментально за допомогою досить складного обладнання.

Іонна теорія запалювання електричними розрядами

Теорія іонного або холодного запалювання сумішей засновується на припущенні, що при проходженні іскрового розряду відбувається поляризація суміші і утворення іонів з молекул її компонентів. Іони стають активними центрами ланцюгової реакції, при якій сам процес взаємодії як би постачає в суміш нові активні центри. При досягненні певної потужності розряду концентрація активних центрів, що утворюються в зоні впливу розряду, досягає такого критичного значення, вище за яке загальна кількість активних центрів реакції, що утворюються, перевищує кількість активних центрів, що гинуть. Виникає розгалужена ланцюгова реакція, яка приводить до появи горіння.

Існування критичної потужності розряду іонна теорія пояснює тим, що при недостатній потужності утворення активних центрів розгалуженої ланцюгової реакції не компенсує недостатнє розігрівання. Швидкість процесів розгалуження сильно залежить від температури і при охолоджуванні середовища швидкість розгалуження різко сповільнюється, імовірність обриву ланцюга починає перевищувати імовірність розгалуження, і активні центри гинуть.

Крім очевидних фактів потужної іонізації газів в зоні електричного розряду і утворення сильно збуджених молекул, які сприяють інтенсивній течії хімічної реакції, на користь іонної теорії кажуть експериментальні дані. Так, якщо запалювальну здатність електричних іскор зв'язувати тільки з тепловим впливом іскрового розряду, то можна чекати, що їх запалювальна здатність будепропорційна квадрату сили струму, оскільки відомо, що Q= I²Rτ . Однак дослідами встановлено, що запалювальна здатність електричної іскри пропорційна першому ступеню амперажу, що явно вказує на більший вплив іонного, а не теплового процесу в зоні впливу іскри.

ВИСНОВОК: Оскільки в процесі іскрового запалювання є наявність елементів теплового і іонного механізму, то можна вважати, що обидва вони істотні. Питання тільки в тому, який з них є домінуючим і при яких умовах. Це необхідне знати для запобігання мимовільному запаленню горючих газів з метою запобігання пожежам і вибухам парово-газоповітряних сумішей.

Такий параметр як мінімальна енергія запалювання є основним параметром, що характеризує пожежну небезпеку горючих речовин і матеріалів у всіх трьох агрегатних станах.