|
|
При достатньо сильному ударі деяких твердих тіл одне об одне висікаються іскри (іскри удару та тертя). Іскра в цьому випадку являє собою розпечену до світіння часточку металу або каменю. Розміри іскор удару і тертя залежать від крихкості матеріалу тіл, що ударяються, сили удару, і, як правило, не перевищують 0,1 - 0,5 мм. При ударі і стиранні металів в атмосфері, що не містить кисню, видимих іскор не утворюється. Отже, висока температура іскор тертя визначається не тільки якістю металу і силою удару, але й окислюванням його киснем повітря. Температура іскор нелегованих маловуглецевих сталей, як показали досліди, знаходиться в межах температури плавлення металу, тобто близько 1550ос. Температура трохи зростає зі збільшенням у сталі вмісту вуглецю і значно зменшується зі збільшенням легуючих добавок, особливо вольфраму. Залежність температури іскри удару і тертя від матеріалу тіл, що ударяються, і прикладеного зусилля показана на рис. 6.17.
Рисунок 6.17 - Залежність температури іскри від тиску та матеріалу тіл, що ударяються
1 – сталь Ст. 30 та абразивний камінь за лінійної швидкості 5,2 м/сек.; 2 – сталь Ст. 30 та металевий диск за лінійної швидкості 5,2 м/сек
Із наведених графіків видно, що температура іскри дійсно висока, причому вона зростає лінійно зі збільшенням навантаження і більш високу температуру мають іскри, що утворюються при ударі сталі об корунд, ніж ті, що утворюються при ударі стали об сталь. Незважаючи на високу температуру, іскри удару і тертя, охолоджуючись, можуть віддати невелику кількість тепла, тому що їх маса дуже мала. Це підтверджується наступним розрахунком. Кількість тепла q, що віддається іскрою максимальних розмірів, охолоджуючись від початкової температури до температури самозапалення горючого середовища, у яке вона потрапила, буде дорівнювати:
або
 (6.10)
де V - об’єм іскри (розжареної часточки кулястої форми);
g - питома вага матеріалу іскри;
сt - питома теплоємність матеріалу іскри (за середньої температури);
tп - початкова температура іскри;
tсз - температура самозапалення середовища, у яке потрапила іскра.
Відповідно до формули (6.10) одержимо, що сталева іскра максимальних розмірів (d = 0,5 мм), охолоджуючись від початкової температури 1500°С до температури самозапалення горючого середовища (у середньому 400°С), буде віддавати усього близько 0,1 кал тепла.
Падаючи, іскра увесь час стикається з новими і новими елементарними об’ємами горючого середовища і віддає їм своє тепло. Таким чином, контакт кожного елементарного об’єму горючого середовища з розпеченою іскрою обчислюється сотими, а може й тисячними частками секунди, при цьому температура іскри увесь час буде змінюватися. Буває так, що іскра потрапляє в горюче середовище не відразу після утворення, а тільки після того, як пролетить певну відстань і за цей час трохи охолоне. Отже, практичний інтерес представляє з'ясування закономірності зміни температури іскри під час її польоту. Величину температури іскри в кожен проміжок часу, а також тривалість охолодження іскри t від початкової температури tн до температури самозапалення горючого середовища, у якому вона знаходиться, можна визначити розрахунком, використовуючи залежність тепловіддачі від кулястого тіла в необмежений простір. Позначимо q - безрозмірне відношення температур:
 (6.11)
де tпов — температура повітря, град.
За умови, що температура повітря буде постійною, а охолодження іскри відбувається рівномірно, справедлива наступна залежність:
Q = f(Bi;Fo) (6.12)
де Bi – критерій Біо, який дорівнює:
 (6.13)
Fo – критерій Фур'є, який дорівнює:
 (6.14)
де a - коефіцієнт теплообміну між іскрою та середовищем;
d - діаметр іскри;
l і - коефіцієнт теплопровідності матеріалу іскри;
a - коефіцієнт температуропровідності матеріалу іскри;
cі - питома теплоємність матеріалу іскри;
g і - питома вага матеріалу іскри.
Якщо буде відома величина критерію Фур'є, то з формули (6.14) можна визначити тривалість остигання іскри від її початкової температури до температури запалення горючого середовища, у яке вона потрапила:
 (6.15)
Розкриття залежності (6.12) та аналітичне розв’язання задачі пов'язані з великими труднощами. Тому для практичних цілей використовують графоаналітичний метод, що дозволяє визначити значення критерію Фур'є за відповідною номограмою, якщо відомі величини q і критерію Bi. Номограма, що дає залежність критерію Fo від q і критерію Bi для часточок кулястої форми при обтіканні їх потоком газу, представлена на рис. 6.18. Для визначення величини критерію Bi, як видно з формули (6.13), необхідно знати коефіцієнт теплообміну. Як відомо, теплообмін між часточками кулястої форми і газовим середовищем за величини Re < 620 виражається наступною критеріальною залежністю:
 (6.16)
де St - критерій Стантона;
Pr - критерій Прандтля.
Критерій Стантона можна виразити через критерії Нуссельта, Прандтля і Рейнольдса:
 (6.17)
Підставляючи значення критерію Стантона в рівняння (6.16) та преутворивши його, одержимо:
 (6.18)
У паро- чи газоповітряній суміші концентрація горючої речовини невелика (не перевищує звичайно 2 - 5% об’ємн.), тому фізичні параметри при визначенні a можна брати для чистого повітря за температури самозапалення горючої суміші. Якщо температуру самозапалення горючої суміші прийняти рівною 500°С (для більшості горючих парів і газів вона знаходиться в межах 350 – 600 °С) та діаметр іскри 0,5 мм, то коефіцієнт теплообміну a буде залежати тільки від швидкості руху іскри. Підставляючи зазначені значення у формулу (6.18), одержимо:
 (6.19)
де a — коефіцієнт теплообміну, ккал/м2сек град;
w — швидкість руху іскри, м/сек.
Швидкість руху іскри можна умовно прийняти рівною швидкості падаючого тіла в момент удару або лінійній швидкості тіла, що обертається, для точки висічення іскри. Загальна послідовність дій при рішенні подібного роду задач помітна з наступного прикладу.
Рисунок 6.18 - Графіки для визначення величини критерію
Фур'є за значенням відносної надлишкової температури q
і величини критерію Біо.
Зазначена методика може бути використана для визначення температури іскри через будь-який проміжок часу після її утворення. При цьому, задаючись часом, знаходять Fо, обчислюють Ві і за графіком (рис. 6.18) визначають q . Знаючи q і початкову температуру іскри, знаходять її температуру в даний момент. Зі сказаного випливає, що іскри удару і тертя здатні запалити тільки такі суміші, що характерні для невеликих значень мінімальної енергії запалення і невеликих періодів індукції. Це підтверджується практикою експлуатації промислових підприємств і численними дослідженнями. Найбільш чутливими до впливу іскор удару і тертя є ацетилен, етилен, водень, окис вуглецю та сірковуглець.
Більш небезпечними є не летючі, а нерухомі іскри, тобто такі, котрі після висічення потрапили на яку-небудь поверхню (перешкоду). При цьому іскра повільніше охолоджується і віддає своє тепло самому об’єму навколишнього горючого середовища; таким чином, умови для запалення будуть більш сприятливими.
Іскра, що летить, не запалює пилоповітряні суміші, але, потрапивши на осілий пил чи на волокнисті речовини, викликає появу осередків тління.
З цього видно, що найбільша кількість спалахів і загорянь від механічних іскор виникає в таких машинах, де наявні волокнисті матеріали або відкладення дрібного горючого пилу. Так, у розмельних цехах млинів і крупозаводів, у сортувально-розпушувальних і чадних цехах текстильних фабрик, а також на бавовноочисних заводах більше 50% усіх загорянь і пожеж виникає від іскор, що висікаються при ударах твердих тіл.
Запалююча здатність іскор удару і тертя різко падає зі зменшенням вмісту кисню в суміші і, навпаки, збільшується за мірою збагачення повітря киснем.
Дуже небезпечні іскри утворюються при ударах алюмінієвих тіл о сталеву окислену поверхню. У цьому випадку між розігрітою алюмінієвою часточкою й окислами заліза відбувається хімічна взаємодія з виділенням значної кількості тепла, тобто
2 А1 + Fe2О3 = Аl2О3 + 2 Fе + 203 ккал. (6.20)
За рахунок додаткового тепла окислювально-відновної реакції збільшується тепломісткість і температура іскор.
Такі іскри здатні запалити навіть метано-повітряну суміш.
Небезпечні прояви іскор удару і тертя спостерігаються при використанні сталевих інструментів у вибухонебезпечних цехах, влученні сторонніх металевих тіл чи каменів у машини з обертовими механізмами або механізмами ударної дії, ударах обертових механізмів о нерухомі частини машини, а також під час аварій, пов'язаних з поломкою механізмів, що швидко рухаються, або розривом корпусу апаратів.
|