6.5 Підпалення фрикційними іскрами, краплями розплавленого металу

При ударі по металах або їх стиранні можливе іскроутворення. Такі іскри називають фрикційними.

Фрикційні іскри - шматочки металу, в основному розміром 0,1 0,5 мм, відірвані і нагріті при механічному впливі, частково окислені.

Звичайно тертя та співударяння деталей відбувається при атмосферному тиску і кімнатній температурі. В таких умовах початкова температура фрикційних іскор дорівнює температурі плавлення більш легкоплавкого металу.

Температура фрикційних іскор під час утворення значно вище за температуру запалювання багатьох речовин, тому іскри є потенційним ініціатором горіння. Запалювальна здатність іскор залежить від хімічного складу матеріалів, що беруть участь в терті, і від режиму їх механічної взаємодії.

Шматочки металу при контакті з повітрям вступають у взаємодію з киснем, починається реакція окислення з виділенням тепла, яке витрачається на нагрів самої частки і навколишнього газу. Якщо інтенсивність тепловиділення перевищує інтенсивність тепловіддачі, відбувається збільшення температури іскри. Для певних видів металу значний тепловий ефект реакції окислення приводить до розігріву шматочку металу до температури кипіння. Якщо повітря, в якому відбувається фрикційне іскроутворення, збагатити киснем, то температура іскор зростає. Добавка 10% O₂ підвищує температуру іскри приблизно на 200°С, а заміна всього повітря чистим киснем - на 500°С. При стиранні металу у відновній або інертній атмосфері свічення його часток припиняється.

Первинне розігрівання фрикційних іскор обумовлюється механічним впливом, тому запалювальна здатність іскор зростає при збільшенні енергії зіткнення або швидкості ковзання, оскільки при цьому збільшується початкова температура часток, що утворюються. Це приводить до збільшення швидкості окислення і більш швидкого досягнення критичних умов запалення.

Здатність заліза горіти в кисні - його специфічна особливість. Зіткнення алюмінієвих і магнієвих сплавів зі сталлю приводить до утворення фрикційних іскор великої запалювальної здатності. Навіть при порівняно невисоких енергіях зіткнення (порядку 100-200 Дж) підпалюються метано - повітряні суміші. Сплави міді і алюмінію цим не відрізняються, тому частки, що утворюються при їх стиранні, значно не розігріваються.-1

Встановлено, що з поширених в техніці горючих газів і парів тільки п'ять утворюють з повітрям суміші, що підпалюються фрикційними іскрами: Н₂, С₂Н₂, С₂Н₄, CS₂, СО.-2 Суміші насичених і ароматичних вуглеводнів, пропилена, спиртів, альдегідів, кетонів, ефіру іскробезпечні.

Виходячи з досить великих початкових температур фрикційних іскор або крапель розплавленого металу можна було б припустити, що вони можуть запалити будь-які горючі системи, але на практиці це відбувається не завжди, а тільки в тих випадках, коли іскра, що утворилася, володіє достатнім запасом енергії.

Тому рішення задачі по визначенню імовірності запалення розжареними тілами зводиться до визначення кількості тепла, що віддається іскрою для нагріву горючої речовини до температури самоспалахування, часу її вихолонення до цієї температури.

Кількість тепла, те, що віддається розжареним тілом визначається з рівняння:

Q = V_іск ρ _іск c_{p іск} (T_іск - T_{сс г.р.})

де c_pіск - питома теплоємність матеріалу при температурі Т _позов

V_іск - об'єм іскри (для краплі V=4/3π r³),

ρ _іск - густина матеріалу іскри,

T_{сс г.р.} - температура самоспалахування горючої речовини,

T_іск – температура, з якою іскра потрапить в горюче середовище.

Запас енергії залежить від маси іскри, тобто від її розміру. На практиці геометричні розміри розжарених крапель визначаються дослідним шляхом або при розслідуванні по речових доказах, вилучених в ході слідства. При неможливості практичного визначення розмірів крапель допускається приймати їх в наступному порядку:

1. При електрозварювальних роботах - 5 мм;

2. При короткому замиканні електропроводки і плавленні нитки розжарювання електроламп - 3 мм;

3. Для іскор з топок і вихлопних труб двигунів - 3 мм

4. Для іскор механічного походження – 0,5 мм;

Перше ніж потрапити в вихідну горючу суміш, іскра буде остигати при проходженні через холодне навколишнє середовище. Якщо прийняти, що в момент утворення іскри метал знаходиться в розплавленому стані, то під час польоту будуть проходити процеси охолодження до температури кристалізації, а потім ще деякий час буде відбуватися процес фазового переходу – кристалізації.

Час, який іскра знаходиться в розплавленому стані, можна визначити за формулою:

Час, за який відбудеться кристалізація, дорівнює:

В залежності від часу польоту іскри можна визначити її кінцеву температуру, з якою іскра потрапить в горючу суміш:

Якщо енергія іскри буде перевищувати мінімальну енергію запалювання для даної горючої речовини вважається, що горюча система може бути запалена і іскра є джерелом запалювання.

При попаданні іскор з пічних труб, котельних, вихлопних труб тепловозів і двигунів внутрішнього згоряння потрібно враховувати, що пожежонебезпечними вважаються іскри, якщо при діаметрі 2 мм їх температура становить 1000 С, 3мм - 800 С, 5мм - 600 С.

Граничні параметри запалення горючих систем

При проведенні експертизи пожеж часто доводиться давати висновок про можливість запалення тих або інших матеріалів тепловим проявом різних видів енергії з урахуванням всіх чинників, що впливають на їх запалювальну здатність.

Джерелом запалювання буде тільки такий тепловий прояв, який має запас енергії достатній для виникнення горіння речовин. Якщо ці умови не виконуються, то тепловий прояв не може запалити даний матеріал або горюче середовище і не буде вважатися джерелом запалювання. Виходячи з цього до безумовних джерел запалювання можна віднести: прямі удари блискавок, які запалюють всі горючі матеріали, електричні дуги при зварюванні і різанні металів, полум'я газових пальників, сірника і деякі інші прояви енергії.

Так при експлуатації енергоустаткування виникають розряди в газі, зумовлені індуктивністю ланцюгів або накопиченням статичної електрики. Різниця потенціалів між обладнанням і землею вимірюється приладом в реальних умовах. Якщо вона більше, ніж мінімальна енергія запалювання, то іскра статичної електрики може служити джерелом запалювання. Крім того, мінімальна енергія запалювання може значно зменшуватися при змінені умов в горючій суміші. Тому при використанні такого обладнання у вибухонебезпечних приміщеннях енергія розрядів повинна бути меншою, ніж 0,4Е_min найбільш небезпечної суміші, яка потенційно може утворитися в цьому виробничому приміщенні. Крім того, час існування такого імпульсу повинен бути не менше періоду індукції для даної горючої системи.

Збільшення часу контакту горючої суміші з джерелом запалювання приводить до зниження температури, яка необхідна для запалювання. Чим більше час контакту, тим при більш низькій температурі джерела запалювання система може отримати ту кількість тепла, яка необхідна для формування осередку горіння при даних умовах тепловіддачі. Тому хоч при розгляді умов запалення нагрітим тілом ми і казали, що його температура повинна бути більшою за температуру самоспалахування, горіння все ж таки може виникнути при тривалому контакті горючої суміші з нагрітою поверхнею, температура якої дорівнює температурі самоспалахування. Так як температура самоспалахування залежить від багатьох факторів і при їх зміні може зменшуватися, то безпечною вважається температура нагріву поверхні менше ніж 80% від температури самоспалахування.

Так, наприклад, поверхня лампи розжарювання потужністю 25 Вт через 10 хвилин нагрівається до 50^оС, а при потужності 500 Вт – до 500^оС.

При запаленні горючих систем відкритим полум’ям можна говорити про існування теплового і індукційного механізму запалення, тобто запалювальна здатність відкритого полум'я обумовлюється його температурою і часом впливу на горючу речовину.

Температура полум’я при горінні деревини, горючих рідин, природного газу знаходиться в межах від 880 до 1200^оС, що значно перевищує температуру самоспалахування більшості горючих речовин, тому при безпосередньому контакті відкритого полум’я з горючим середовищем виникне горіння. Час теплового впливу полум'я при цьому обмежений лише наявністю самої речовини, що горить.

Крім того відкрите полум'я передає зі своєї поверхні в навколишній простір значну кількість тепла за рахунок випромінювання-2. Променистий тепловий потік впливає на горючі речовини, які знаходяться поруч з відкритим вогнем, і якщо його потужності вистачить для розігрівання горючої системи до температури самоспалахування, то виникне горіння. Критичний потік тепла визначається співвідношенням:

Чисельні значення критичного потоку залежать від виду речовини, що запалюється, і часу теплового впливу (табл.6.1).

Таблиця 7.1 - Критичне значення променистого теплового потоку, що приведе до виникнення горіння

горюча речовина	3 хвилини	5 хвилин
гума	22,6	19,2
пластик	19,4	18,6
деревина	18,8	16,9
бавовна	11,0	9,7

Якщо джерелом відкритого вогню виступають сірник, що горить, то температура полум'я може досягти 650^оС, а час впливу складе біля 20 с, тліюча цигарка - температура знаходиться в межі 320 - 410^оС, час впливу 2 – 2,5 хвилини, тліюча сигарета - температура – 420 - 460^оС, час впливу до 25 хвилин.

ВИСНОВОК: Теплова теорія вимушеного запалення горючих систем є основою для розуміння процесів, що приводять до появи полум'яного горіння, допоможуть вам в практичній діяльності при організації і проведенні профілактики пожеж. при визначенні можливості запалення горючих матеріалів різними тепловими виявами при проведенні експертизи пожеж.

ЛЕКЦІЯ 7. ДЕФЛАГРАЦІЙНЕ ГОРІННЯ ГАЗО- ПАРОПОВІТРЯНИХ І ПИЛОПОВІТРЯНИХ СУМІШЕЙ. ТЕПЛОВА Й ДИФУЗІЙНА ТЕОРІЇ ПОШИРЕННЯ ПОЛУМ'Я. НОРМАЛЬНА ШВИДКІСТЬ ГОРІННЯ

Питання для розгляду на лекції:

7.1 Загальні закономірності горіння газових сумішей

7.2 Закономірності поширення кінетичного горіння в газових сумішах.