ЗАПАЛЮВАННЯ НАГРІТИМ ТІЛОМ ТА ЕЛЕКТРИЧНИМ РОЗРЯДОМ

План лекції
1. Поняття та особливості процесу запалювання.
2. Запалювання нагрітою поверхнею.
3. Запалювання горючих систем електрич-ними розрядами.
4. Запалювання променистим потоком тепла.

1. ПОНЯТТЯ І ОСОБЛИВОСТІ ПРОЦЕСУ ЗАПАЛЮВАННЯ
Вимушене запалювання - виникнення горіння внаслідок дії джерела запалювання на невелику частку відносно холодної горючої системи.
Джерело запалювання - тіло, що горить, або розжарене тіло, а також електричний розряд, які мають енергію і температуру, достатні для виникнення горіння інших речовин.
Залежно від природи теплового впливу розрізняють види (групи) джерел запалювання:
- теплові прояви хімічної енергії;
- теплові прояви електричної енергії;
- теплові прояви механічної енергії;
- теплові прояви ядерної енергії, енергія сонячних променів;
- відкрите полум'я, розжарені продукти горіння або нагріте ними тіло.

Відмінності запалювання від самоспалахування
1. Горіння виникає не в усій системі, як при СС, а тільки в частині ГС, яка примикає до ДЗ, інша маса ГС залишається відносно холодною.
2. При СС тепловіддача визначається конвек-цією від системи в навколишнє середовище. При ВЗ тепловіддача визначається теплопровідністю всередині самої ГС.
q(-) = - λ d2T/dх2.
3. При ВЗ інтенсивність тепловіддачі більша, ніж при СС, через те що вихідна ГС залишається холодною.
q(-)зап > q(-)сс.

4. Для перевищення q(+) над q(-) необхідно при ВЗ збільшити температуру, до якої нагрівається частка холодної ГС. Отже, при ВЗ відбувається локальний нагрів ГС до критичної температури - температури запалювання tзап, більшої, ніж tсс
tзап > tсс
5. При СС горіння є гомогенним кінетичним, а при ВЗ може виникати як полум’яне горіння, так і гетерогенне дифузійне (тління) при впливі ДЗ на деякі тверді горючі матеріали.
6. Величина періоду індукції τінд при ВЗ залежить від агрегатного стану горючої речовини і потужності ДЗ.

7. Через високу інтенсивність тепловіддачі при ВЗ температура горіння буде нижчою, ніж при самоспалахуванні.
tгор(зап) < tгор(сс)
q(+) = q(-)
VгсQнωхр = - λ d2T/dх2

2. ЗАПАЛЮВАННЯ РОЗЖАРЕНИМ ТІЛОМ
При температурі стінки Т3 суміш у пристінному шарі реагує з виділенням тепла, так що q(+) = q(-), встановлюється стаціонарний стан.
При температурі стінки більшій, ніж Т3, суміш у пристінному шарі реагує з більшою швидкістю, так що q(+) > q(-), внаслідок чого температура суміші підніметься вище за температуру поверхні.

Температура запалювання - найменша температура нагрітого тіла, при якій виділення тепла в пристінному шарі горючої суміші компенсує тепловіддачу від цього шару в вихідну холодну горючу суміш.

Критичною умовою запалювання є:
(dT/dx)х<δ = 0
Рівняння теплового балансу в пристінному шарі товщиною δ :
VгсQнωхр = - λ d2T/dх2
Мінімальний розмір нагрітого тіла, при якому відбудеться запалювання:

ЧИННИКИ, ЩО ВПЛИВАЮТЬ НА ПРОЦЕС ЗАПАЛЮВАННЯ:
1) вид горючої речовини,
2) склад горючої суміші,
3) умови, в яких знаходиться горюча суміш,
4) властивості самого джерела запалювання (нагрітого тіла).
Вид горючої речовини
- теплотворна здатність: Qн ↑ q(+) ↑ Tзап ↓
- агрегатний стан:
найменша Tзап у горючих газів, найбільша - у твердих горючих матеріалів.

Склад горючої суміші
- концентрація кисню в окислювальному середовищі
φО2 ↑ ωхр↑ q(+) ↑ Tзап ↓
- концентрація негорючих газів
φнг ↑ ω хр ↓ q(+) ↓ Tзап ↑
- концентрація горючої речовини
φгр = φстм Tзап = min

Умови, в яких знаходиться горюча суміш
- початкова температура горючого середовища Т0
T0 ↑ q(-) ↓ Tзап ↓
- тиск, під яким знаходиться горюча суміш
Р ↑ Wхр↑ q(+) ↑ Tзап ↓
- час контакту ДЗ з горючою сумішшю
τконт↑ Tзап ↓
- швидкість руху газової суміші
vруху↑ α ↑ q(-) ↑ Tзап ↑

Властивості джерела запалювання
- теплоємність матеріалу ср
ср ↓ Tзап ↑
- розміри нагрітого тіла
dДЗ ↑ Tзап ↓
- загальна площа поверхні розжарених тіл
S↓ Tзап ↑

Фрикційні іскри - шматочки металу, відірвані і нагріті при механічному впливі, частково окислені.
Кількість тепла, що віддається розжареною іскрою:
Q = mіск cp іск (Tіск - Tсс гр.)
де cp іск - питома теплоємність матеріалу іскри;
mіск – маса іскри;
Tсс - температура самоспалахування горючої речовини,
Tіск - кінцева температура іскри.
Якщо енергія іскри буде перевищувати мінімальну енергію запалювання даної горючої речовини, іскра є джерелом запалювання.

Вихідні параметри іскор різного походження

Розподіл температури іскри з часом

3. ЗАПАЛЮВАННЯ ГОРЮЧИХ СИСТЕМ ЕЛЕКТРИЧНИМИ РОЗРЯДАМИ
Теплові прояви електричної енергії:
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.

Розподіл температури при електричному розряді
в інертному середовищі в ГС
q(+) > q(-) q(+)=VгсQнωхр

Emin - мінімальна енергія електричного розряду, яка забезпечує нагрівання від То до Тгор об'єму газу, радіус якого рівний rmin.
Мінімальна енергія запалювання газу, пари або аерозолю речовини в повітрі - найменша енергію конденсатора, при розряді якого через повітряний проміжок виникає іскра, яка запалює стехіометричну суміш даної речовини і повітря з імовірністю 0,01.
Безпечним є розряд електрики з енергією:
Ебез.< 0,4 Emin

Мінімальна підпалююча енергія іскри залежить від:
виду горючої речовини,
складу горючої суміші,
умов, в яких знаходиться система (тиск, температура, швидкість руху газового середовища),
часу впливу на горючу суміш.

Вид горючої речовини
природа горючої речовини
Emin водню = 0,017 мДж,
Emin етану = 0,24 мДж,
Emin аміаку = 680 мДж.
Emin парафінових вуглеводнів > Emin етиленових > Emin ацетиленових вуглеводнів
агрегатний стан горючої речовини
Emin твердих ГР > Emin рідин > Emin газів

Склад горючої суміші.
EДЗ = Emin при ϕгр = ϕстм
Emin метан - повітря = 0,42 мДж,
Emin метан - кисень = 0,004 мДж

Умови, в яких знаходиться горюча суміш
Emin метан - повітря (Р = 100 кПа) = 0,42 мДж,
Emin метан - повітря (Р = 10 кПа) = 25 мДж

Час впливу розряду на горючу суміш
Emin↓ τвпливу ↑
Електричні розряди різної потужності і різної тривалості можуть бути рівноцінними при запаленні, якщо їх енергія однакова.

Розрахунок мінімальної енергії запалювання:
де Еmin1, Еmin2 – мінімальна енергія запалювання речовин 1 і 2;
uн1, uн2 – нормальна швидкість поширення горіння речовин 1 і 2.
Стандартна речовина - нормальний бутан
Еmin = 0,25 мДж, а uн = 0,379 м/с.
Мінімальна енергія запалювання інших речовин в повітрі за стандартних умов:

4. Підпалювання горючих речовин променистим потоком від полум’я.

Критична густина теплового потоку qкр залежно від часу опромінення для різних речовин