Вынужденное воспламенение (зажигание) как вид возникновения горения

 

Основными причинами возникновения пожаров является вынужденное воспламенение (зажигание). Воспламенением называется возгорание, которое сопровождается появлением пламени. Возгоранием называется возникновение горения под воздействием источника зажигания (ИЗ). Воспламенение хотя и является част­ным случаем возгорания, однако в практике имеет наи­большее распространение.

Принципиально, по своей физической сущности, зажигание, или вынужденное воспламенение, не отличается от процесса самовоспламенения, так как условие самоускорения реакции взаимодействия горючего вещества и окислителя наступает одинаково, т, е. после повышения температуры смеси выше определённого значения. Разница заключается в условиях возникновения и механизмах протекания этих процессов и сводится к следующему.

Во-первых, при самовоспламенении вся смесь разогревается равномерно и доводится постепенно до температуры самовоспламенения. В результате этого реакции окисления возникают и ускоряются по всему объёму газовой смеси и процесс горения может возникнуть равновероятно в любой точке рассматриваемого пространства или во всём объёме одновременно. А в случае вынужденного воспламенения вся масса реакционноспособной горючей смеси может оставаться относительно холодной, до температуры воспламенения достаточно быстро нагревается только незначительная её часть.

Во-вторых, при процессе самовоспламенения самоускорение реакции горения нарастает сравнительно медленно, т. е. период индукции достаточно велик. А при вынужденном зажигании процесс воспламенения происходит значительно быстрее, так как разогрев смеси от внешнего источника тепла происходит локально, но значительно быстрее и до более высокой температуры. Поэтому индукционный период зажигания почти отсутствует или очень мал. Возникшее при этом пламя, распространяется из зоны своего зарождения на всю остальную реакционноспособную смесь с определённой скоростью. Схематично вынужденное воспламенение можно представить так (рис. 2.3):

Рис. 2.3. Схема процесса возгорания твердых веществ и материалов

 

В зависимости от вида внешнего источника тепла и его особенностей различают разные способы или виды зажигания. Согласно ГОСТ 12.1.004-91* ССБТ Пожарная безопасность. Общие требования, источник зажигания – это средство энергетического воздействия, инициирующее возникновение горения. Источником зажигания может быть разогретое постороннее тело или локально разогретая стенка сосуда с горючим веществом, постороннее пламя, электрическая искра, внезапное адиабатическое сжатие газо-паровоздушной смеси или ударная волна. Таким образом, под источником зажигания понимается горящее или накаленное тело, а также электрический разряд с запасом энергии и температурой, достаточными для возникновения горения других веществ. Условно источники зажигания можно классифицировать следующим образом:

1. открытый огонь – тепловое проявление лучистой энергии;

2. тепловые проявления механической энергии;

3. тепловые проявления электрической энергии;

4. тепловые проявления химических реакций.

К источникам зажигания типа открытый огонь относят: пламя; искры, образующиеся при сжигании горючих веществ и материалов в качестве топлива или в процессе утилизации, а также искры, образующиеся при проведении газо-электросварочных работ и т. д.

Источник зажигания типа тепловые проявления механической энергии – это: тепло, выделяемое в результате трения в различных узлах машин и механизмов, искры фрикционного происхождения. Примером такого явления служат случаи возникновения горения при работе хлопкопрядильного оборудования. Хлопок может попадать и накручиваться на вращающиеся части машин, выделяемое при трении тепло способно воспламенить хлопок. То же самое происходит при уборке зерновых культур, когда солома наматывается на вращающиеся механизмы комбайна. Искры фрикционного происхождения образуются в результате трения или ударов твердых искрообразующих материалов друг о друга. Например, заточка стального инструмента при помощи абразивных кругов, фрезерование, сверление металла, удары камней друг о друга или об металл и т. д. Искры, образующиеся в результате трения стали о сталь, способны воспламенить смесь воздуха с водородом, сероуглеродом, ацетиленом. Из твёрдых горючих веществ наиболее подвержены воспламенению от искр механического происхождения мелкораздробленные волокнистые материалы: хлопок, войлок, шерсть, сено, солома и др. Все эти вещества имеют малую теплопроводность и большую поверхность, что способствует сохранению тепловой энергии искры в небольшом объёме горючего вещества и быстрому его локальному нагреву, а это может привести к пламенному горению. Иногда горение может произойти сразу же после попадания искры в горючий волокнистый материал, а иногда оно может носить характер тления, и пламенное горение возникает через достаточно длительный период.

Разновидностью ИЗ тепловых проявлений механической энергии может быть адиабатическое сжатие или ударная волна. При адиабатическом сжатии горючей смеси вынужденное зажигание по своему механизму несколько отличается от других случаев. При этом вся смесь одновременно и равномерно разогревается до высокой температуры, при которой и происходит ее одновременное воспламенение во всем объеме. Этот процесс происходит значительно быстрее, чем медленный квазистационарный подогрев газовой смеси при самовоспламенении, а температура зажигания при адиабатическом сжатии значительно выше, чем при самовоспламенении, и поэтому при адиабатическом сжатии индукционный период воспламенения так же, как при других видах зажигания, сокращен до минимума.

Источник зажигания типа тепловые проявления электрической энергии – один из наиболее распространенных видов вынужденного воспламенения. Из курса электротехники известно, что количество тепла, выделяющегося в электрической сети, пропорционально квадрату силы тока (Q = I2Rt). Отсюда ясно, что чем больше сопротивление проводника, тем сильнее он греется, следовательно, в результате этого явления возможно воспламенение изоляции проводников или горючих материалов, находящихся в непосредственной близости к ним. ИЗ также могут быть электрические искры, возникающие в результате: короткого замыкания, разрядов статического электричества, искры электрической дуги при разрыве контактов, нормально искрящих частей контактов электрических генераторов и двигателей. Механизм этого процесса значительно сложнее, чем рассмотренный тепловой механизм зажигания нагретым телом потому, что сам электрический разряд в газовоздушной смеси – сложное физическое явление. Это объясняется тем, что в зоне проскока электрической искры возникает очень интенсивное возбуждение молекул газа и их ионизация. В очень малом по объёму «канале» проскока термодинамическая температура газа возрастает мгновенно до нескольких тысяч (и даже десятков тысяч) градусов. Время действия искры может быть ничтожно малым (тысячные доли секунды), но, время тепловой релаксации системы достаточно велико что позволяет рассматривать его с позиций термодинамического равновесия при мгновенном выделении тепла и более медленном распространении тепла от первоначально нагретого газа в окружающее пространство. Говоря иными словами, рассматривать воспламеняющую электрическую искру как своеобразное разогретое газообразное тело. В соответствии с этим существуют две концепции искрового зажигания: ионная и тепловая, которые оба являются существенными, хотя одна из них может быть доминирующей. При искровом зажигании для каждого вида горючего, каждого состава горючей смеси газов существует некоторое предельное наименьшее значение мощности электрического разряда, начиная с которого смесь способна воспламеняться. Наименьшее из значений мощности электрической искры, способной поджечь горючую смесь определённого вида и состава, называется минимальной энергией зажигания (МЭЗ).

Одним из опаснейших явлений с точки зрения возникновения пожаров будет и атмосферное электричество, т. е. грозовые разряды. Наиболее подробно этот источник зажигания будет рассмотрен в курсе «Пожарная безопасность электроустановок».

Источник зажигания тепловые проявления химических реакций характерен для экзотермических процессов. Некоторые химические соединения склонны к самонагреванию в результате контакта друг с другом, с кислородом воздуха и другими окислителями, а также с водой. Выделение тепла в результате химического превращения может потенциально привести к самовоспламенению продуктов реакции или инициировать воспламенение горючих веществ и материалов, находящихся в непосредственном контакте с зоной реакции.