Горение и электроустановки
Горение есть не что иное, как физико-химический процесс, в ходе которого компоненты горючего вещества взаимодействуют с кислородом воздуха. В процессе горения выделяется большое количество тепла и света. Встречаются и немного иные виды горения, где вместо кислорода участвуют пары брома или серы. Для протекания процесса горения требуется наличие ряда условий и факторов, а также присутствия горючего и вспомогательного вещества.
Для самого момента воспламенения требуется наличие источника энергии, роль которого может сыграть пламя, искра, трение или сильный механический удар. Также обязательным является условие, подразумевающее у источника достаточный запас энергии для передачи воспламеняемым веществам. После того, как процесс горения начался, постоянным источником энергии для продолжения процесса становится непосредственная зона горения. Такой вид горения называется тепловым. Подобный вид горения опасен тем, что он прогрессивно ускоряется из-за накапливаемого тепла. Для воспламенения горючего вещества требуется, чтобы в воздухе было достаточное количество кислорода. Горючими могут выступать абсолютно разные вещества, в том числе твердые (уголь, древесина или бумага) а также химически активные вещества, например, серы. Подвержены воспламенению и некоторые жидкости, в том числе бензин, керосин и иные горюче-смазочные материалы.
Такие твердые вещества, как сера и каучук, при горении имеют свойство испаряться. Пары, в свою очередь, вступают в реакцию с кислородом. Другие же твердые вещества, вроде древесины или бумаги, разлагаются на газообразные продукты и остатки горения в виде угля. Но существует категория веществ, которая не оставляет продуктов горения, т.е. не разлагается и не плавится. К этой категории принадлежат кокс и антрацит.
Получается, что при возникновении процесса горения большинство веществ переходит в газо- или парообразное состояние, таким образом, образуя горючую смесь. Также горючие смеси могут образовываться в процессе распыления жидких веществ, например, бензина или керосина; либо при распылении частиц твердых веществ вроде угольной пыли.
Вещество, находясь в газовой или парообразной смеси с воздухом, загорается от вспышки, которая представляет собой быстрое воспламенение горючего вещества от искры. Но для последующего горения энергии от искры недостаточно. При этом, остальное горючее вещество, незатронутое энергией от источника воспламенения, остается холодным.
Горючая смесь может считаться готовой к воспламенению только при достижении предельного содержания в ней паро- или газообразных продуктов. Температура смеси играет в деле воспламенения значительную роль. Смесь на основе горючего вещества и кислорода может быть неоднородной, когда между воздухом и горючим веществом имеется ярко выраженная линия раздела (струи газов, например). В ходе подобного горения свежий кислород поступает к горючему веществу сквозь продукты горения, и уже после этого вступает в химическую реакцию. Скорость такого горения мала. Этот вид горения называют диффузным. Если же горючее вещество сильно перемешивается с воздухом, и явной поверхности раздела нет, такая смесь является химически однородной. В таком случае скорость горения зависит только от скорости самой реакции – никакие другие факторы не влияют на скорость протекания реакции. Такой вид горения называется кинетическим. Визуально такие реакции выглядят как взрыв или детонация.
Но не всякая смесь способна воспламениться. Здесь становится важным такой параметр, как концентрация смеси, необходимой для воспламенения. Различают предельную и минимальную концентрацию. Выше или ниже этих пределов процессы воспламенения и горения невозможны. Минимальная, как видно из названия, определяет минимально необходимое количество горючего вещества, при наличии которого может произойти возгорание. Выше предельной концентрации в смеси наблюдается недостаток кислорода, что обуславливает невозможность воспламенения или горения. Если есть условия для возникновения взрыва, то предел концентрации в данном случае называется пределом взрываемости. Поэтому проектирование проводки освещения во взрывоопасных помещениях имеет особые нюансы.
Как обеспечить пожаробезопасность?
Возвращаясь к теме горения, стоит упомянуть еще одну особенность: газы, смеси газов или пыль горючего вещества могут образовывать горючие смеси в независимости от температуры. А жидкости или твердые горючие вещества (не пыль) способны на создание горючей смеси только находясь в определенных условиях, особенно это касается температуры.
Существует определенная категория жидкостей, твердых веществ и газов, которые встречаются при эксплуатации электроустановок. Газы и пары выделяются только в случае достижения этими веществами нижнего концентрационного предела, или если эти вещества нагреты до температуры вспышки. При этом образовавшаяся смесь сгорает, но горение оставшегося вещества невозможно в силу того, что энергии для выделения новой порции газов или паров недостаточно. В случаях, если температура выше и ее величины достаточно для воспламенения, количество газа или пара выделяется больше. Таким образом, концентрация становится выше, и превышается нижний концентрационный предел. Как результат, при наличии вспышки выделяется больше энергии, количество которой способно поддерживать горение.
Существуют случаи, когда для возгорания горючего вещества не требуется источник воспламенения. Это обычно происходит тогда, когда под действием высокой температуры в горючем веществе происходит процесс самоокисления. Если выделяемое тепло невозможно рассеять, горючее вещество сильно нагревается, и за счет накопленной энергии самовозгорается. Такой процесс называется самовоспламенением. И возможен этот процесс, опять же, только в тех случаях, когда накапливаемая энергия способна разогреть вещество до температуры воспламенения.
Иногда наблюдаются процессы самовозгорания, как это бывает с торфом или бурым углем. Эти вещества способны воспламеняться за счет происходящих в них биологических или химических процессов. Такой процесс называется самовозгоранием.
Из всего этого можно сделать вывод, что твердые горючие вещества, будучи в плотном состоянии, способны на возгорание за счет определенных условий. Чаще всего это высокие температуры, при которых в воздух выделяются газы или пары. Газы постепенно достигают нижнего концентрационного предела и воспламеняются. В свою очередь, твердые вещества, которые находятся в распыленном состоянии (к примеру, угольная пыль) способны воспламениться в независимости от температуры. Все что нужно – достаточная концентрация вещества в воздухе.
Жидкие горючие вещества загораются за счет воспламенения паров, которые образуются при повышении температуры над поверхностью горючего жидкого вещества. Наиболее удобным способом, по которому можно определить пожароопасность вещества – это анализ температуры вспышки. Существуют два температурных предела для воспламенения жидкости, они носят названия верхнего и нижнего предела воспламенения.
Нижний предел – это состоянии вещества, при котором температура достаточна для появления паро- или газовоздушной смеси, которые в свою очередь воспламеняются при контакте с источником воспламенения. Верхний предел – это температура, при которой сильно насыщенная смесь все еще способна воспламеняться. Если температура превышает этот предел, образуется излишне насыщенная смесь, которая из-за повышенной концентрации вещества и недостатка кислорода не может воспламениться. Существует планка, разделяющая легковоспламеняющиеся и горючие жидкости. Планка эта установлена по стандарту на 45 градусах Цельсия.
Как определить степень взрывоопасности?
Взрывы возникают в газо- паро- или пылевой среде. Что характерно, температура этой среды не имеет никакого значения. Первым, и самым значимым условием возникновения взрыва является концентрационный предел. В этом случае верхний и нижний пределы уже будут известны как пределы взрываемости. Вторым, не менее важным условием, является наличие достаточно мощного источника энергии (импульса). При наличии источника тепла процесс развития взрыва лавинообразен. Для возникновения взрыва вполне достаточно, чтобы источник энергии разогрел всего лишь малую часть вещества. Далее тепло, которое возникнет при локальном возгорании, приведет к воспламенению окружающего это место вещества. Нужно отметить, что паро- или газовоздушная смесь при одинаковых условиях и концентрации, может сгенерировать и просто горение, и мгновенный взрыв. Состояние не всегда стабильно и зависит от различных и трудно прослеживаемых факторов, таких, как характер смешения воздуха с веществом и характер воспламенения. При оценке тех или иных веществ на предмет их способности к воспламенению обязательно нужно учитывать не только пределы концентрации, но также и температуру вспышки. Эти параметры являются одними из наиболее главных при разработке проекта электроснабжения пожароопасных помещений.
При рассмотрении взрывоопасности паров и газов их можно разделить на легкие и тяжелые. Наиболее опасными являются газы и пары плотностью 1,5-2 по отношению к воздуху, а также имеющие нижний предел взрываемости около 2-3%. Очень важен тот факт, что такие газы имеют низкую температуру воспламенения, а пары легковоспламеняющихся жидкостей, в свою очередь, крайне низкую температуру вспышки, что делает их очень опасными. Безопаснее в этом отношении более легкие пары и газы с плотностью по отношению к воздуху 0,8 или ниже, а также имеющие предел взрываемости в диапазоне 5-15% и повышенную температуру воспламенения.
Токсичность паров и газов является немаловажным фактором. Когда уровень токсичной концентрации паров или газов ниже, чем предел взрываемости, то она является своего рода предупреждением о возможности появления критической концентрации. К этой категории можно отнести сероуглерод и аммиак. Дабы избежать критических концентраций, применяют искусственное вентилирование помещений.
Существует два состояния горючей пыли, в которых возможно воспламенение. Это аэрозоль и аэрогель. В первом случае пыль находится во взвешенном состоянии в воздухе, а во втором случае оседает на какой-либо поверхности. Так как эти оба состояния имеют различную концентрацию на единицу объема, то и температура их воспламенения разнится. Аэрозоль угольной пыли, к примеру, имеет очень разряженную структуру, и, как результат, температура его самовоспламенения равна 969 градусам Цельсия. А вот находясь уже в виде аэрогеля на поверхности, та же угольная пыль способна самовоспламениться уже при 260 градусах Цельсия. Также, самовоспламенение аэрозолей зависит не только от концентрации, но и от степени измельчения частиц горючего вещества. Чем эта степень меньше, тем взрывоопасней вещество. Наиболее взрывоопасные вещества имеют нижний предел взрываемости от 15 г на кубический метр. Сюда можно отнести серную и торфяную пыли.
В некоторых производствах используются электроустановки, в которых имеется опасность возникновения взрыва вследствие искрения либо перегрева токоведущих частей. Правила, по которым устроены электроустановки, предусматривают большой выбор оборудования, удовлетворяющий любым условиям и требованиям, которые диктуются взрыво- или пожароопасными помещениями. Специальные «Правила изготовления взрывозащищенного и рудничного электрооборудования» четко регламентируют способы взрывозащиты.
Устройства, защищающие оборудование от взрывов, используют эффект понижения температуры горючей смеси. Смесь выходит в атмосферу из оболочки или резервуара через узкую щель из-за разности давлений, так как снаружи оно обычно ниже. Горючие смеси имеют разные по величинам способности к передаче взрыва, зависящие от размера щели. Грубо говоря, их можно поделить на четыре категории. При частоте передачи взрыва в 50% и объеме оболочки 2,5л на мм, к первой категории относятся смеси, способные к передаче взрыва при размере щели более 1мм. Ко второй категории – при размере щели от 0,65 до 1мм. К третьей категории – при размерах 0,35 до 0,65мм, и, наконец, к четвертой категории, если размер щели составляет не более 0,35мм.
В зависимости от температуры воспламенения горючих смесей, их делят на пять групп. Если вещество способно к образованию с воздухом горючей смеси и самовоспламеняется при температурах выше 450 градусов Цельсия, такое вещество относится к группе Т1. Если температура самовоспламенения ниже, и находится в диапазоне от 300 до 450 градусов, то вещество находится в группе Т2. При температуре от 200 до 300 градусов — Т3, от 135 до 200 — Т4. А если вещество самовоспламеняется при температуре ниже 135 градусов, то оно относится к наиболее опасной группе веществ — Т5. В «Правилах изготовления взрывозащищенного и рудничного оборудования» четко обозначено распределение веществ по группам и категориям.
Заказывайте проектирование пожароопасных помещений и электроснабжения квартир, а также согласование электрики подобных объектов тем, кто владеет вопросом, это поможет обеспечть безопасность электроустановки.