Расчет по оценке зажигательной способности искры

Оценку зажигательной способности искры, образованной при работе ударным инструментом, произведу в соответствии с ГОСТ [5]. Чтобы искра стала инициатором возникновения горения, в данном случае нефти, требуется выполнение следующих условий:

Температура нагретого тела должна быть больше температуры самовоспламенения горючей среды.

Время воздействия нагретого тела должна быть не менее периода индукции при зажигании:

	W > Wmin,	(3.23)
	где	Wmin	-	минимальная энергия возгорания, Дж.

Размеры искры удара представляющая собой раскаленную до свечения частичку металла, не превышают 0,5 мм, а их температура находится в пределах температуры плавления металла.

Количество тепла, отдаваемое искрой при охлаждении от начальной температуры t_н до температуры самовоспламенения t_св вычисляется по формуле:

W=Vк ρк Ск (Ткон+Тсв) К,

(3.24)

 

где	ρк	-	плотность металла, кг/м3, ρк = 7 800 кг/м3;
	Ск	-	теплоемкость расплава металла, Ск =482 Дж/(кг К);
	Ткон	-	Конечная температура капли, К;
	Тсв	-	температура самовоспламенения горючего материала, К;
	К	-	коэффициент, равный отношению тепла отданного горючему веществу к энергии запасенной искрой, К = 1;
	Vк	-	объем искры металла, м3.

Объём искры металла определяется по формуле:

(3.25)

= 0,524 (5 10^–4)³ = 6,55 10^{–11 м3}

Для нахождения конечной температуры капли t_кон необходимо соотнести время полета искры до остывания и время ее нахождения в расплавленном состоянии τ_р:

	τр = τ ост – τкр	(3.26)
	где	τкр	-	время кристаллизации капли металла, °С
		(3.27)
	где	to	-	температура окружающего воздуха°С, to =20 °С;
		tпл	-	температура плавления и температура искры, °С, tпл = tн =1580 °С;
		mк	-	масса частицы металла, кг.
		(3.28)

= 7800 6,55 10^–11 = 5,1 10^–7 кг.

Коэффициент теплоотдачи (a), Вт м^–2 К^–1, вычисляют по формуле:

		(3.29)
	где	Wи	-	Скорость полета искры, м с–1;

=188 4 = 752 Вт/м² К.

	,	(3.30)
	где	Sк	-	Площадь поверхности искры, м2.

S_k = 1,96 10^–7 м².

τ_кр= (5,1 10^–7 482)/[(752 1,96 10^–7 (1580 –20)]= 10^–4 с.

Время остывания определяется по формуле:

(3.31)

По значениям относительной избыточной температуры Q _п и критерия В_i определяют по графику критерий Фурье.

Критерий Био вычисляют по формуле:

		(3.32)
	где		-	коэффициент теплопроводности металла искры, = 86,5 (Вт/м) xК;

Отношение температур Q_п вычисляют по формуле:

	Qп =	(3.33)
	где	tсв	-	температура самовоспламенения нефти tсв = 280°С, или tсв = 553 К.

Подставляем значения в формулы, приведенные выше:

B_i = (752 ^×5 ^×10^–4) / 86,5 = 4,3 ^×10^–3;

Q_п = (1580 – 553) / (1580 – 20) = 0,64

Отсюда критерий F_o по номограмме равен F_o =140

Тогда время остывания капли равно:

τ_ост =(140 / 86,5) (5 10^–4) 482 7800 = 1,52 с.

Найдем разность:

τ_р = 1,52 – 0,01 = 1,51 с.

Так как 12/16 = 0,75 с – время падения искры с высоты 12 м, то конечную температуру капли в твердом состоянии определяем по формуле:

(3.34)

Определяем количество тепла, отдаваемое искрой при охлаждении от начальной температуры t_н до температуры самовоспламенения t_св:

W = 6,55 10^–11 7800 482 (1104 – 648) = 0,11 Дж.

По справочнику [19] W_min (минимальная энергия возгарания) нефти равна 0,0000046 Дж.

Проверим условия воспламенения горючей среды:

1) t > t_св; 2) W > W_min

1104 > 648 0,11 Дж > 0,0000046 Дж

Следовательно, искра, образованная при работе ударным инструментом на кровле резервуара с нефтью и упавшая на поверхность горючей паровоздушной смеси способна вызвать ее воспламенение и привести к пожару.

Поэтому проводить какие либо работы необходимо искробезопасным инструментом и, если это возможно, предварительно снизив горючую концентрацию паровоздушной смеси до безопасных значений в зоне ремонта.