§ 5.1. Понятие источника зажигания

Элементы теории самовоспламенения и вынужденного зажигания излагаются в курсе «Физико-химические основы горения и тушения пожаров», в учебном пособии «Процессы горения» [6].

Источником зажигания может явиться такое нагретое тело (при вынужденном воспламенении) или такой экзотермический процесс (при самовоспламенении), которые способны нагреть некоторый объем горючей смеси до определенной температуры, когда скорость тепловыделения (за счет реакции в горючей смеси) равна или превышает скорость теплоотвода из зоны реакции, причем мощность и длительность теплового действия источника должны обеспечивать поддержание критических условий в течение времени, необходимого для развития реакции с формированием фронта пламени, способного к дальнейшему самопроизвольному распространению.

Следует отметить, что поджигающую способность точечного источника тепла оценивают упрощенно — путем сравнения температуры, теплосодержания и времени его теплового действия с соответствующими характеристиками горючей смеси. При этом считают, что источник тепла опасен как источник зажигания, если температура T_и превышает температуру самовоспламенения горючей среды Т_св; если теплосодержание q_и превышает минимальную энергию зажигания горючей среды q_мин, если время теплового действия; т_и превышает период индукции горючей среды τ_Инд.

Первые два параметра (Т_и и q_и) могут быть определены путем измерения или расчета. В определении третьего параметра (т_и) есть трудности, связанные с экспериментом, максимально приближенным к условиям производства.

Думается, что хотя бы для приближенной оценки пожарной опасности точечных источников тепла целесообразно учитывать и использовать имеющиеся теоретические разработки.

Область проявления неподвижного точечного источника тепла ограничена. Такой источник тепла может быть получен, например, в стационарном искровом промежутке при неподвижной горючей смеси. На практике в большинстве случаев искра является подвижной относительно среды. Так, достоверно установлено, что при ударах с трением поджигание происходит искрами во время их полета, причем при полете свечение фрикционных искр усиливается вследствие экзотермических реакций окисления искры в воздухе. Подвижными являются искры и в продуктах сгорания.

Если движение смеси относительно частицы (или наоборот) является ламинарным, условия поджигания подвижной и неподвижной искрой можно считать одинаковыми.

Из физических представлений следует, что количество тепла, необходимое для прогрева критического объема горючей смеси до температуры горения, — это и есть так называемая минимальная энергия зажигания конкретной горючей смеси. Тогда критическое условие зажигания искрой можно записать в виде

q_и≥q_мин, (5.1)

где q_и — фактическое количество тепла, отдаваемое искрой в критический объем горючей смеси; q_мин — минимальная энергия зажигания.

Вблизи неподвижной искры критический объем смеси имеет форму сферы. На траектории полета подвижной искры прогреваемый объем имеет примерно форму цилиндра. За критический объем можно принять часть цилиндра длиной, равной критическому диаметру (или двум критическим радиусам). Количество тепла Δq_мин отдаваемое искрой в критический объем, равно изменению теплосодержания искры при охлаждении ее в пределах критического объема:

Δq_и=V_иρ_ис_иΔТ_и, (5.2)

где V_и,ρ_и,с_и — объем, плотность и удельная теплоемкость искры; ΔТ — разность температур искры в начале и конце расчетного участка.

Эффективное тепловое воздействие подвижной искры ограничено временем пребывания ее в пределах одного критического объема. Изменение температуры искры за это время можно определить расчетом теплоотдачи от шарообразного тела в неограниченное пространство.

Диаметр прогретого летящей искрой (до температуры самовоспламенения) объема горючей среды d_пр можно приближенно определить исходя из известной задачи прогрева газа движущейся нагретой сферической частицей с температурой Т_и радиусом r_и и скоростью движения W_и (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Схема прогрева среды подвижной искрой: 1 — траектория движения искры; 2 - искра; 3 - граница зоны прогретой горючей смеси

Рис. 5.2. Распределение температуры в сечении, перпендикулярном траектории искры

Распределение температур в сечении, перпендикулярном траектории движения искры, принимаем совпадающим с распределением температуры перед искрой (рис. 5.2). Тогда уравнение стационар, ной теплопроводности вдоль траектории искры, летящей в непод­вижном газе, будет иметь вид:

, (5.3)

Его решение для граничных условий Т = Т_И при х=0 и Т=Т₀ при х=∞ имеет вид

, (5.4)

Отсюда толщина зоны, прогретой до температуры самовоспламенения, составит

, (5.5)

а величина соответствующего ей диаметра зоны прогрева будет равна

. (5 6)

Расчеты показали, что толщина прогретого слоя, определяемая формулой (5.5), мала по сравнению с размером искры, причем определяющим параметром является скорость движения искры. С увеличением скорости движения поджигающая способность искры снижается.

Производственные источники зажигания рассмотрим в следующей последовательности: открытый огонь, раскаленные продукты горения и нагретые ими поверхности; тепловое проявление механической энергии; тепловое проявление химических реакций (из этой группы в самостоятельную выделены открытый огонь и продукты горения); тепловое проявление электрической энергии.