2.5. Температура самовоспламенения

Согласно тепловой теории, под температурой самовоспламенения понимают самую низкую температуру вещества (материала, смеси), при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, заканчивающихся возникновением пламенного горения. На рис. 2.3 такой температурой является температура Тс, соответствующая точке В, в которой линия теплоотвода q2 касается линии тепловыделения .

Измерение температуры Тс практически очень затруднено, что обусловлено большими скоростями изменения температуры смеси при ее самонагревании. Поэтому за температуру самовоспламенения принимают ту наименьшую температуру стенки сосуда или окружающей среды, при которой в данных условиях происходит самовоспламенение вещества, т.е. Т0. Это не влечет за собой слишком большой ошибки.

Время с момента установления в горючем веществе температуры Т0 до достижения температуры Тс называется периодом индукции или временем запаздывания самовоспламенения. Период индукции для одного и того же вещества неодинаков и сильно зависит от состава горючей смеси, температуры и давления. Чем ниже температура нагрева горючего вещества при самовоспламенении, тем больше период индукции. По

этому часто за температуру самовоспламенения принимают ту температуру окружающей среды или стенок сосуда, при которой период индукции самый большой.

Ниже показано изменение периода индукции смесей метана с воздухом в зависимости от их состава и температуры сосуда:

Содержание метана в смеси с воздухом, % ……………

6

8

10

Период индукции, с

при 775 0С ……………………………………………

1,08

1,23

1,40

при 825 0С ……………………………………………

0,58

0,62

0,68

при 875 0С ……………………………………………

0,35

0,37

0,41

При определении температуры самовоспламенения невозможно измерить период индукции, поэтому за период индукции принимают время с момента нагрева вещества до появления пламени. период индукции имеет практическое значение при действии на горючее вещество маломощных источников воспламенения (искры). При попадании искры в горючую смесь паров или газов с воздухом некоторый объем смеси нагревается и в то же время охлаждается искра. Воспламенение смеси в этом случае зависит от соотношения периода индукции смеси и времени охлаждения искры. Если период индукции больше времени охлаждения искры до температуры, которая ниже температуры самовоспламенения, то воспламенение смеси не происходит. Если же период индукции меньше времени охлаждения искры, смесь воспламеняется. Таким образом, искра небольшой мощности может воспламенить смесь с малым периодом индукции и может не воспламенить смесь с большим периодом индукции.

Период индукции твердых веществ отличается от периода индукции газовых и пылевых смесей. Если период индукции для газовых смесей составляет десятки и сотни секунд, то период индукции для твердых горючих веществ может составлять часы, дни и месяцы. При температуре самовоспламенения вещества горение еще не возникает. Оно возникает и развивается при температуре горения (пламени), значительно превышающей температуру самовоспламенения. Например, температура самовоспламенения бензина 260 0С, а температура его пламени  1200 – 1300 0С. Скачок в подъеме температуры с 260 до 1200 0С – результат самонагревания смеси паров бензина с воздухом.

Температура самовоспламенения горючего вещества не является постоянной величиной. Согласно тепловой теории самовоспламенения, эта температура зависит от скорости тепловыделения и скорости теплоотвода, которые, в свою очередь, зависят от объема горючего вещества, его концентрации, давления и других факторов.

В опытах по определению температуры самовоспламенения установлено, что она изменяется не только с изменением объема горючего вещества, но и от формы сосуда (тары), в котором вещество находится. Объясняется это тем, что с изменением формы или размера сосуда изменяется удельная поверхность теплоотвода S/V. В одинаковых по форме сосудах она тем меньше, чем больше объем сосуда. Следовательно, с увеличением объема сосуда скорость теплоотвода уменьшается и в соответствии с этим температура самовоспламенения должна понижаться. Приведенные ниже температуры самовоспламенения паров жидкостей в сосудах различного объема подтверждают это предположение:

Объем сосуда, л ………………..

    0,008        0,035

0,2

1

12

Температура самовоспламе-

нения, К

    ацетона ………………………

949

853

792

764

740

    бензола ………………………

941

792

852

832

-

    бензина ………………………

-

556

521

516

497

    диэтилового эфира …………..

485

470

453

443

433

    керосина …………………….

556

521

506

500

483

    метилового спирта …………..

771

746

714

701

659

    сероуглерода ………………..

424

400

393

383

363

    толуола ………………………

922

857

811

792

755

температура самовоспламенения при увеличении объема снижается до тех пор, пока объем не достигнет некоторого значения (форма сосуда не изменяется); при дальнейшем увеличении объема температура самовоспламенения остается постоянной. Так, эксперимент показывает, что при объеме более 12 л температура самовоспламенения горючей смеси изменяется незначительно. Объясняется это тем, что в больших объемах горючая смесь самовоспламеняется не во всем объеме одновременно, а в части его, в которой создались наиболее оптимальные условия. Поэтому в малом объеме горючего вещества изменение теплоотвода через наружные поверхности влияет на изменение температуры самовоспламенения, а в большом объеме – нет.

Повышение температуры самовоспламенения горючего вещества при уменьшении объема также не бесконечно. При очень малом объеме удельная поверхность теплоотвода становится такой большой, что скорость выделения тепла за счет окисления горючей смеси даже при очень высоких температурах не может превысить скорость теплоотвода, и самовоспламенения не происходит. На этом принципе сконструированы и работают многие устройства, предназначенные для предотвращения распространения горения по газовым смесям (огнепреградители).

Простейшим огнепреградителем является защитная сетка, помещаемая в горючую газовую смесь, которая разбивается сеткой на мелкие объемы. При этом самовоспламенение произойти не может. Защитную сетку применяют в шахтерских лампах, а также в трубопроводах небольшого диаметра, по которым транспортируется смесь воздуха с парами нефтепродуктов. Защитную сетку нельзя применять для смесей воздуха с водородом, ацетиленом, парами сероуглерода, спиртами, эфирами и другими веществами, имеющими либо низкую температуру самовоспламенения, либо высокую теплоту сгорания. В таких условиях горящая смесь при прохождении через горящую сетку не     охлаждается ниже температуры самовоспламенения и продолжает гореть за сеткой.

Большую удельную поверхность теплоотвода можно получить не только в результате уменьшения объема сосуда, но и приданием ему соответствующей формы. На    рис. 2.4 изображены сосуды разной формы, которые вмещают одинаковые количества горючей смеси.

Рис. 2.4. Сосуды одинаковой емкости с разной скоростью теплоотвода

В первом сосуде (куб) (рис. 2.4, а) при нагреве происходит самовоспламенение смеси, во втором, представляющем собой тонкую щель (рис. 2.4, б), смесь не самовоспламеняется. Объясняется это тем, что второй сосуд имеет в несколько раз большую поверхность теплоотвода, чем первый.