ВЫНУЖДЕННОЕ ВОСПЛАМЕНЕНИЕ ГОРЮЧИХ СИСТЕМ

6.1. Сущность вынужденного воспламенения

Чаще всего пожары происходят в результате вынужденного воспламенения горючих веществ и материалов от источника зажигания.

Вынужденным воспламенением (зажиганием) называется возникновение горения под воздействием источника зажигания.

По своей физической сущности зажигание или вынужденное воспламенение не отличается от процесса самовоспламенения.

Основное различие между этими процессами заключается в том, что при самовоспламенении вся смесь разогревается равномерно и доводится постепенно до температуры самовоспламенения. В результате этого реакция окисления протекает во всем объеме газовой смеси. Процесс горения может возникнуть равновероятно в любой точке рассматриваемого пространства или во всем объеме одновременно. В случае зажигания вся горючая смесь может оставаться сравнительно холодной, до температуры воспламенения достаточно нагревания только ее незначительной части.

Второе отличие состоит в том, что при самовоспламенении процесс самоускорения химической реакции нарастает сравнительно медленно, т.е. велик период индукции, а при зажигании процесс воспламенения происходит значительно быстрее, т.к. разогрев смеси от внешнего источника тепла производится локально, но значительно быстрее и до более высокой температуры. Поэтому индукционный период почти отсутствует или очень мал.

Под источником зажигания понимают горячее или накаленное тело, а также электрический разряд с запасом энергии и температурой, достаточными для возникновения горения других веществ.

В зависимости от вида внешнего источника тепла и его особенностей различают разные способы или виды зажигания. Источником зажигания может быть разогретое постороннее тело или локально разогретая стенка сосуда с горючей газовой смесью, электрическая искра, постороннее пламя, адиабатическое сжатие или ударная волна и т.д.

6.2. Зажигание от различных источников зажигания

Зажигание от нагретой поверхности

Механизм воспламенения для этого случая:

Предположим, что температура поверхности тела повысилась до некоторого значения Т₂ при которой температура горючести смеси понижается не будет.

Если еще повысить температуру, то температура горючей смеси вследствие большой скорости выделения тепла не сможет быть постоянной и начнет быстро возрастать (по мере удаления от источника тепла) до тех пор, пока не произойдет воспламенение. Таким образом, температура Т₂ является для этих условий предельной, т.е. температурой воспламенения.

Зажигание электрической искрой

Зажигание горючих газовых смесей электрической искрой - один из наиболее распространенных видов вынужденного воспламенения, особенно в двигателях и теплосиловых установках.

Существует две концепции искрового зажигания:

- ионная теория зажигания;

- тепловая теория зажигания.

Согласно ионной теории, рассматривающей механизм зажигания с чисто химической точки зрения, эффективность зажигания газовых смесей должна зависеть от силы тока в сети перед ее размыканием, т.е. должна быть прямо пропорциональна силе тока в первой степени.

В случае теплового механизма зажигания зажигающая способность искры должна быть пропорциональна квадрату силы тока, так как из курса физики известно, что количество тепла, выделяющегося в электрической сети, пропорционально квадрату силы тока Q ~ I² Rt. Однако опыт показывает, что зажигающая способность электрической искры пропорциональна первой степени силы тока, что подтверждает ионную теорию искрового зажигания. При искровом зажигании для каждого вида горючего, каждого состава смеси газов существует некоторое предельное наименьшее значение мощности электрического разряда, начиная с которого смесь способна воспламениться, т.е. возникает фронт пламени и происходит его дальнейшее распространение за пределы зоны зажигания.

Наименьшее значение мощности электрической искры, способной поджечь горючую смесь данного вида и состава, называется критической энергией зажигания (Е_кр).

Q_кр » 0,5×10^-9 с_рТ_мин^заж

Если принять, что Т_мин^заж для большинства углеводородов равна ~ 300°С, средняя теплоемкость газовой смеси при этой температуре равна с_р»1,4кДж/(м³×с), то получим, что Q_кр » 0,21×10^-6 кДж, т.е. Q_кр » Е_кр » 0,2 мДж.

Если учесть, что у некоторых углеводородов значение Е_кр меньше и по соображениям техники безопасности следует ввести поправочный коэффициент запаса, критическую энергию зажигания горючих и взрывоопасных углеводородных смесей с воздухом условно можно принять равной Е_кр » 0,1 мДж.

Е_кр зависит от различных факторов:

а) от состава горючей смеси

б) от скорости движения газовоздушной смеси

в) от давления

6.3. Концентрационные пределы распространения пламени (воспламенения) и факторы, на них влияющие

Ранее отмечалось, что для возникновения и распространения процесса горения необходимо наличие горючего, окислителя и высокотемпературного источника зажигания.

В химическую реакцию окисления могут вступать лишь молекулы горючего и окислителя, энергия которых в момент соударений превышает энергию активации. Для этого нужно, чтобы молекулы горючего и окислителя встретились в системе, и произошло их соударение. При этом возможны три вида соударений молекул:

- окислитель - окислитель;

- горючее - горючее;

- окислитель - горючее.

Только в третьем случае вид соударений является эффективным, т.к. протекает с выделением тепла. Но для того, чтобы выделившегося тепла было достаточно для дальнейшего развития химической реакции, необходимо и определенное соотношение концентраций горючего и окислителя. Самые благоприятные условия для развития химической реакции будут тогда, когда соотношение горючего и окислителя будет соответствовать стехиометрической концентрации. Будут существовать также и такие концентрации горючего и окислителя (больше или меньше стехиометрической концентрации), когда протекание химической реакции невозможно, т.е. процесс горения не будет развиваться.

Нижний (верхний) концентрационный предел распространения пламени (воспламенения) - минимальное (максимальное) содержание горючего в смеси (горючее вещество - окислительная среда), при котором возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания.

Если рассмотрим процесс воспламенения газовоздушной смеси в пределах концентраций горючего от 0 до 100 %, то увидим, что смесь является взрывопожароопасной не при всех концентрациях (рис. 18.10).

Рис. 6.1. Зависимость давления в системе горючее – окислитель от концентрации горючего: I – область безопасных концентраций; II – область воспламенения (взрывопожароопасная область); III – область пожароопасных концентраций

Все смеси горючего с концентрациями от 0 до НКПВ не способны воспламеняться даже от мощного источника зажигания - это область безопасных концентраций. В пределах от НКПВ до ВКПВ смесь горючего с воздухом способна воспламеняться и сгорать со скоростью взрыва, при этом пламя распространяется на весь объем горючей смеси – это область воспламенения. Область концентраций выше ВКПВ, вплоть до 100 %, называется пожароопасной.

Значение НКПВ используют при определении категорий производств по пожаровзрывоопасности.

Значение НКПВ и ВКПВ следует применять при расчете взрывобезопасных концентраций газов, паров и пылей внутри технологического оборудования, трубопроводов, при проектировании вентиляционных систем, а также при расчете предельно допустимых взрывобезопасных концентраций газов, паров, пылей в воздухе рабочей зоны с потенциальным источником зажигания.

Существуют экспериментальные и расчетные методы определения КПВ.

НКПВ паро- и газовоздушных смесей рассчитывают по предельной теплоте сгорания. Установлено, что количество тепла, выделяющееся при горении смесей на НКПВ, представляет собой почти для всех горючих веществ примерно постоянную величину и равную в среднем 1830 кДж/м³.

Из выражения для определения предельной теплоты горения

Q_пр = (Q_н j_н) /100 можно определить нижний концентрационный предел:

j_н = (Q_пр × 100)/Q_н , % об.

Влияние различных факторов на КПВ:

а) мощность (температура) источника воспламенения

б) начальная температура смеси

в) давление смеси

г) нейтральные газы и ингибиторы

д) объем и диаметр сосуда

При уменьшении объема сосуда уменьшается его диаметр, увеличивается поверхность теплоотдачи, приходящаяся на единицу объема смеси. Для каждой газовой смеси существует минимальный объем и диаметр, ниже которых при любом составе смеси зажигание и распространение пламени невозможно.

Дата добавления: 2014-10-14; просмотров: 745; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!