Найчастіше пожежі відбуваються в результаті вимушеного займання горючих речовин і матеріалів від джерела запалювання.
Вимушеним займанням (запалюванням) називається виникнення горіння під впливом джерела запалювання.
По своїй фізичній суті запалювання або вимушене займання не відрізняється від процесу самозаймання.
Основна відмінність між цими процесами полягає в тому, що при самозаймання вся суміш розігрівається рівномірно і доводиться поступово до температури самозаймання. В результаті цього реакція окислення протікає у всьому обсязі газової суміші. Процес горіння може виникнути равновероятно в будь-якій точці розглянутого простору або в повному обсязі одночасно. У разі запалювання вся горюча суміш може залишатися порівняно холодної, до температури займання досить нагрівання тільки її незначної частини.
Друга відмінність полягає в тому, що при самозаймання процес самоускорения хімічної реакції наростає порівняно повільно, тобто великий період індукції, а при запаленні процес займання відбувається значно швидше, тому що розігрів суміші від зовнішнього джерела тепла виробляється локально, але значно швидше і до більш високої температури. Тому індукційний період майже відсутня або дуже малий.
Під джерелом запалювання розуміють гаряче або розжарене тіло, а також електричний розряд з запасом енергії і температурою, достатніми для виникнення горіння інших речовин.
Залежно від виду зовнішнього джерела тепла і його особливостей розрізняють різні способи або види запалювання. Джерелом запалювання може бути розігріте стороннє тіло або локально розігріта стінка судини з горючою газовою сумішшю, електрична іскра, стороннє полум'я, адіабатичне стиснення або ударна хвиля і т.д.
6.2. Запалювання від різних джерел запалювання
Запалювання від нагрітої поверхні
Механізм займання для цього випадку:
Припустимо, що температура поверхні тіла підвищилася до деякого значення Т2 при якій температура горючості суміші знижується не буде.
Якщо ще підвищити температуру, то температура горючої суміші внаслідок великої швидкості виділення тепла не зможе бути постійною і почне швидко зростати (в міру віддалення від джерела тепла) до тих пір, поки не відбудеться займання. Таким чином, температура Т2 є для цих умов граничної, тобто температурою займання.
Запалювання електричної іскрою
Запалювання горючих газових сумішей електричної іскрою - один з найбільш поширених видів вимушеного займання, особливо в двигунах і теплосилових установках.
Існує дві концепції іскрового запалювання:
- іонна теорія запалювання;
- теплова теорія запалювання.
Згідно іонної теорії, що розглядає механізм запалювання з чисто хімічної точки зору, ефективність запалювання газових сумішей повинна залежати від сили струму в мережі перед її розмиканням, тобто повинна бути прямо пропорційна силі струму в першого ступеня.
У разі теплового механізму запалювання запалює здатність іскри повинна бути пропорційна квадрату сили струму, так як з курсу фізики відомо, що кількість тепла, що виділяється в електричній мережі, пропорційно квадрату сили струму Q
I 2 Rt. Однак досвід показує, що запалює здатність електричної іскри пропорційна першого ступеня сили струму, що підтверджує іонну теорію іскрового запалювання. При искровом запалюванні для кожного виду пального, кожного складу суміші газів існує деяке граничне найменше значення потужності електричного розряду, починаючи з якого суміш здатна запалитися, тобто виникає фронт полум'я і відбувається його подальше поширення за межі зони запалювання.
Найменше значення потужності електричної іскри, здатної підпалити горючу суміш даного виду і складу, називається критичною енергією запалювання (Екр).
Якщо прийняти, що Кмин заж для більшості вуглеводнів дорівнює
300 ° С, середня теплоємність газової суміші при цій температурі дорівнює ср »1,4кДж / (м 3 × с), то отримаємо, що Qкр» 0,21 × 10 -6 кДж, тобто Qкр »Екр» 0,2 мДж.
Якщо врахувати, що у деяких вуглеводнів значення Екр менше і з міркувань техніки безпеки слід ввести поправочний коефіцієнт запасу, критичну енергію запалювання горючих і вибухонебезпечних вуглеводневих сумішей з повітрям умовно можна прийняти рівною Екр »0,1 мДж.
Екр залежить від різних чинників:
а) від складу горючої суміші
б) від швидкості руху газоповітряної суміші
6.3. Концентраційні межі поширення полум'я (запалення) і фактори, на них впливають
Раніше зазначалося, що для виникнення і поширення процесу горіння необхідна наявність пального, окислювача і високотемпературного джерела запалювання.
У хімічну реакцію окислення можуть вступати лише молекули пального і окислювача, енергія яких у момент зіткнень перевищує енергію активації. Для цього потрібно, щоб молекули пального і окислювача зустрілися в системі, і відбулося їх зіткнення. При цьому можливі три види зіткнень молекул:
- окислювач - окислювач;
- пальне - пальне;
- окислювач - пальне.
Тільки в третьому випадку вид зіткнень є ефективним, тому що протікає з виділенням тепла. Але для того, щоб виділився тепла було достатньо для подальшого розвитку хімічної реакції, необхідно і певне співвідношення концентрацій пального і окислювача. Найсприятливіші умови для розвитку хімічної реакції будуть тоді, коли співвідношення пального та окислювача буде відповідати стехиометрической концентрації. Існуватимуть також і такі концентрації пального і окислювача (більше або менше стехиометрической концентрації), коли протікання хімічної реакції неможливо, тобто процес горіння не розвиватиметься.
Якщо розглянемо процес займання газоповітряної суміші в межах концентрацій пального від 0 до 100%, то побачимо, що суміш є вибухопожежонебезпечного не при всіх концентраціях (рис. 18.10).
Мал. 6.1. Залежність тиску в системі пальне - окислювач від концентрації пального: I - область безпечних концентрацій; II - область займання (вибухопожежонебезпечна область); III - область пожежонебезпечних концентрацій
Всі суміші пального з концентраціями від 0 до НКМЗ не здатні займатися навіть від потужного джерела запалювання - це область безпечних концентрацій. У межах від НКМЗ до ВКМЗ суміш пального з повітрям здатна займатися і згоряти зі швидкістю вибуху, при цьому полум'я поширюється на весь обсяг горючої суміші - це область займання. Область концентрацій вище ВКМЗ, аж до 100%, називається пожежонебезпечної.
Значення НКМЗ і ВКМЗ слід застосовувати при розрахунку вибухобезпечних концентрацій газів, парів і пилу всередині технологічного обладнання, трубопроводів, при проектуванні вентиляційних систем, а також при розрахунку гранично допустимих вибухобезпечних концентрацій газів, парів, пилу в повітрі робочої зони з потенційним джерелом запалювання.
Існують експериментальні та розрахункові методи визначення КПВ.
НКМЗ паро- та газоповітряних сумішей розраховують по граничної теплоті згоряння. Встановлено, що кількість тепла, що виділяється при горінні сумішей на НКМЗ, являє собою майже для всіх горючих речовин приблизно постійну величину і рівну в середньому 1830 кДж / м 3.
З виразу для визначення граничної теплоти горіння
Qпр = (Qн Jн) / 100 можна визначити нижній концентраційний межа:
Вплив різних факторів на КПВ:
а) потужність (температура) джерела займання
б) початкова температура суміші
в) тиск суміші
г) нейтральні гази і інгібітори
д) обсяг і діаметр судини
При зменшенні обсягу судини зменшується його діаметр, збільшується поверхню тепловіддачі, яка припадає на одиницю об'єму суміші. Для кожної газової суміші існує мінімальний обсяг і діаметр, нижче яких при будь-якому складі суміші запалювання і поширення полум'я неможливо.
ВИНИКНЕННЯ ПРОЦЕСІВ ГОРІННЯ