Қазақстан Республикасы іім төтенше жағдайлар комитеті Көкшетау техникалық институты

Сұйықтың негізгі қасиеті булануға қабілеттілігі болып табылады. Жылулық қозғалыс нәтижесінде молекулалардың бір бөлігі, сұйықтың беттігінен созылу күшін игеріп, газ аймағына өтеді, ЖТС және ЖС бетінде бу ауалы қоспаны түзеді. Броундық қозғалыстан газ аймағында қайтымды процесс – конденсация бар. Егер сұйық бетіндегі көлем тұйық болса, онда сұйықтықтың кез-келген температурасында, булану және конденсанция процесстерінің арасында динамикалық тепе-теңдік орнатылады.

Осылайша, сұйық бетінде бу ауалы қоспа бар, ол тепе-теңдік күйінде сұйықтықтың қаныққан бу қысымымен немесе олардың концентрациясымен сипатталады. Қаныққан бу қысымының температурасы Клайперон-Клазиус теңдеуіне сәйкес өседі:

(2.1)

мұндағы: P_қан.бу – қаныққын бу қысымы, Па;

(2.1) формуласынан шығатыны, сұйықтық температурасы өсуімен қаныққан бу қысымы экспоненциальды өседі (сур.2.1). Бұл жағдайда кез-келген сұйықтық үшін қаныққан бу концентрациясы тұтану облысында болатын температура интервалы бар, яғни ТКТШ ≤ φ_бу ≥ ЖКТШ. ТКТШ булары жануы үшін, сұйық бетін НТПВ температурасына дейін қыздырған жеткілікті, сұйықтың барлық массасын емес, тек оның беткі қабатын.

Мұндай жандыру көзінің бар болуы кезінде, бұндай қоспа тұтануға қабілетті болады. Практикада жарқ ету температурасы және тұтану температурасы түсінігі жиі кездеседі.

Жарқ ету температурасы сұйықтың ең кіші температурасы, арнайы тәжірибиелерді өткізу кезінде оның беттігінде сұйықтың бу концентрациясы түзіледі, жандыру көзінен тұтануға қабілетті, бірақ түзілу жылдамдығы келесі жану үшін жеткіліксіз. Бұл жағдайда, жарқ ету температурасы сияқты төменгі концентрациялық тұтану шегі кезінде де сұйық бетінде «төменгі концентрациялық тұтану шегі» түзіледі, бірақ соңғы жағдайда ТКТШ қаныққан бумен түзіледі. Сондықтан жарқ ету температурасы ЖКТШ қарағанда жоғары болады (сур. 2.1). Жарқ ету температурасы кезінде, қысқа уақытта, ауада сұйықтың тұрақты жануына айнала алмайтын будың тұтану орны бар, бірақ анықталған жағдай кезінде, сұйық буының жарқ етуі, өрт пайда болуына қабілетті бола алады.

Жарқ ету температурасы сұйықтардың жеңіл тұтанғыш (ЖТС) және жанғыш сұйықтықтар (ЖС) негізінде қабылданған. ЖТС жабық ыдыста 61 ⁰С және төмен немесе 66 ⁰С (ашық тигльде) жарқ ету температурасы бар сұйықтықтар жатады, жанғыштарға жататыны – жарқ ету температурасы 61 ⁰С (жабық тигльде) немесе 66 ⁰С (ашық тигльде).

Халықаралық ұсынысқа сәйкес жеңіл тұтанғыш сұйықтықтар үш дәрежелі болып бөлінеді:

2.1 сур. - Сұйықтық бетінде бу концентрациясының оның температурасынан тәуелділігі:

1 – қаныққан бу концентрациясы;

2 – қанықпаған бу концентрациясы
I дәреже — өте қауіпті ЖТС, оларға жеңіл тұтанғыш сұйықтықтар жатады, жарқ ету температурасы минус 18°С және төмен жабық тигльде немесе минус 13°С және төмен ашық тигльде;

II дәреже — тұрақты қауіпті ЖТС, оларға жеңіл тұтанғыш сұйықтықтар жатады, жарқ ету температурасы минус 18°С-тан 23°С дейін және төмен жабық тигльде немесе минус 13°С-ден 27°С дейін ашық тигльде;

III дәреже — ауаның жоғарғы температурасы кезіндегі қауіпті ЖТС, оларға жеңіл тұтанғыш сұйықтықтар жатады, жарқ ету температурасы 23-тен 61 ⁰C дейін төмен жабық тигльде немесе 27-ден 66 °С дейін ашық тигльде;

Жарқ ету температурасына байланысты сақтаудың қауіпсіз әдістерін, транспорттау және түрлі мақсаттар үшін сұйықтықтардың қолданылуын орнатады.

Жарқ ету температурасынан басқа тұтану температурасы бар. Бұл бу тұтануынан кейін жандыру көзінен стационарлы жану пайда болатын сұйықтың ең кіші температурасы.

Жарқ ету температурасын, эксперименталды түрде ашық және жабық типты құрылғылардан анықтайды. Жабық типты ыдыстарда жарқ ету температурасы ашықтан қарағанда төмен, өйткені бұл жағдайда сұйықтық буы атмосфераға диффузияланады және жанғыш концентрацияны құру үшін, беттікке өте жоғары температура қажет етіледі.

Кесте 2.1

2.1 кестесінде ашық және жабық типты құрылғылармен анықталған кейбір сұйықтардың жарқ ету температурасының мәндері келтірілген.

Жеңіл тұтанғыш сұйықтардағы тұтану температурасы жарқ ету температурасына қарағанда 1 ÷ 5 ⁰С жоғары. Жарқ ету температурасы төмен болған сайын, тұтану және жарқ ету температуралары арасындағы айырмашылық кіші болады.

Жоғары жарқ ету температурасы бар сұйықтықтарда, бұл температуралар арасы 25 ÷ 35 ⁰С дейін жетеді.

Тұтану және жарқ ету температураларының эксперимент жағдайына тәуелділігі, олардың шамаларын есептеу әдісі кезінде көптеген қиындықтарды тудырады. Бұның бірі В.И.Блинов ұсынған, жартылай эмпириялық әдіс болып табылады:

(2.2)

мұндағы Т_жарқ - жарқ ету температурасы (тұтану), К;

Жану процессі таралуының қозғалтушы күші не болып табылады және оның механизмы қандай?

Жалынның сұйықтың бетімен таралуы сәулеленудің жылу беруі, конвекция және жалын аймағынан сұйықтың бетіне дейінгі жылу өткізгіштігі нәтижесінде болады.

Қазіргі уақытта ең басты рольді жалыннан жылулық сәулеленуі ойнайды. Бізге белгілі болғандай, жоғары температураға ие жалын (1000 °С), жылулық энергияны сәулелендіруге қабілетті. Стефан-Больцман заңына сәйкес, қыздырылған денемен берілетін жылулық сәулелік ағынның интенсивтілігі, мына қатынаспен анықталады:

мұндағы: — жылулық сәулелік ағынның интенсивтілігі, кВт/м²;

Жылу барлық жаққа сәулеленіп, сұйық бетінің жанбайтын аймақтарына жиі түседі, соңғысын қыздырып. Беттік қабаттың температурасы жоғарылауынан, қыздырылған аймақтан газ ауалы қоспа түзіледі және сұйықтың булану процессі интенсивтенеді. Жанғыш газ ауалы қоспа түзілгенде, яғни сұйықтың бу концентрациясы төменгі концентрациялық шектен асып кеткенде, оның жалыннан жандырылуы өтеді. Бұл сұйықтың беттік аймағына өткен соң, жалын, сұйық беттігінің келесі аймағын интенсивті қыздырады.

Бұл түрде, сұйық бойынша жалын таралу жылдамдығы, яғни бірлік уақытта жалынмен өтілген жол, сұйық бетін қыздырумен анықталады, жалыннан жылулық сәулелік ағынның әсерінен, яғни сұйық бетінде газ ауалы қоспаның түзілу жылдамдығымен.

Жану процесінің жылдамдығына жанғыш сұйық табиғатының әсер етуін және оның бастапқы температурасын қарастырамыз.

Жалынның таралу жылдамдығына сұйықтың булану жылуы, оның жарқ ету температурасы және жылулық ағынның интенсивтілігі әсер етеді.

Сұйықтың диффузионды жануы кезінде жалын температурасы және жіңішке шектерде өзгереді, онда жалын таралу жылдамдығына негізгі әсерін жарқ ету температурасы және оның булану температурасы тигізеді. Осы немесе басқа да сұйықтарда олардың температурасы жоғары болған сайын, газ ауалы қоспа түзілгенге дейін оны қыздыру үшін, ұзақ уақыт қажет, жалын таралу жылдамдығы төмен. Бір гомологиялық қатар шегінде заттың молекулярлық массасы ұлғаюымен булардың серпімділік қысымы төмендейді, бізге белгілі болғандай жарқ ету температурасы және булану жылуы өседі және оған сәйкес жалын таралу жылдамдығы төмендейді.

Сұйықтың бастапқы температурасы жалын таралу жылдамдығын жоғарылатады, өйткені жану аймағының алдында жарқ ету температурасына дейінгі сұйықты қыздыруға қажетті уақыт қысқарады (сур. 2.2). Сұйықтың бастапқы температурасы жарқ ету температурасына жеткенде, жалын таралу жылдамдығы тез өседі, өйткені сұйық бетінде жылулық сәулелік ағынының әсерінсіз жануға қабілетті қоспа түзіледі. Жарқ ету температурасынан бастап, сұйық бойынша жалын таралу жылдамдығы, физикалық мағынасы бойынша, ТКТШ жақын газ ауалы қоспамен жалын таралу жылдамдығының құрамы сияқты болады, яғни 4 ÷ 5 см/с. Сұйықтың бастапқы температурасын жарқ ету температурасынан жоғары жоғарлатқан кезде, жалын таралу жылдамдығы жанғыш қоспа құрамына байланысты өзгереді. Шынында да, сұйық температурасын оның жарқ ету температурасынан жоғары жоғарлатқан кезде сұйық бетінен газ ауалы қоспаның концентрациясы төменгі концентрациялы тұтану шегінен 100% дейін өседі, қайнау температурасы болғанға дейін.

Сұйықтың Т₂ температурасы кезінде бұл концентрация биіктігінде болады, ал Т₂ үлкен Т₃ температурасы кезінде - қашықтықта болады. Сұйықтың тұтану температурасына жақын Т₁ температурасы кезінде жалын беттік бойынша таралады.

Осылайша, ашық ыдыстағы кең диапазонда сұйықтың бастапқы температурасының қайнау температурасына дейін өзгеруі кезінде жалын таралу жылдамдығы бірнеше мм∙с^-1-ден 3 ÷ 4 м∙с^-1дейін өзгереді.

Жалын максималды жылдамдығымен қоспа бойынша таралады, стехиометриялыққа жақын. Т_ст жоғары сұйық температурасының ұлғаюымен тек қана Н_ст қашықтығын ұлғаяды, мұнда ол стехиометриялық концентрацияға жетеді, ал жалын таралу жылдамдығы тұрақты болып қалады (сур. 2.4). Бұл жағдайды өрт сөндіру, профилактикалық жұмыстарды ұйымдастыру кезінде әрқашанда ескеру қажет, мысалы, жабық ыдысқа ауаның қауіптілігі туған кезде оның разгерметизациялануы.

Сұйықтықтардың жану процессі бу-ауалы қоспаның тұтануынан басталады.

Бірақ та қалыпты жағдайларда барлық сұйықтықтардың бетінің үстінде будың қажетті концентрациясы және тұтанудан кейін жану процессі орнығатындай олардың түзілу жылдамға бола бермейді. Жанудың тұрақты процессі сұйықтықтың белгілі температурасы кезінде ғана орнығады, бірақ төмен температурада да сұйықтықтар өртке қауіпті болуы мүмкін, өйткені олардың бетінің үстіне будың жарылғыш концентрациясы түзілуі мүмкін.

Сұйықтықтардың жануы бір-бірімен байланысты құбылыстармен, булануымен және беттің үстіндегі бу-ауалы қоспаның жануымен сипатталады.

Жарқ ету температурасына байланысты әр түрлі мақсатта қолданылатын сұйықтықтардың тасымалдау және сақтаудың қауіпсіз тәсілдерін орнықтырады. Бір топқа жататын сұйықтықтардың жарқ ету температурасы гомологтық қатарда заттың физикалық қасиетінің өзгеруімен заңды түрде өзгереді.

Кестенің берілгенінен көргеніміздей, молекулалық масса, қайнау температурасы мен тығыздық артқан сайын жарқ ету температурасы да жоғарылайды. Гомологтық қатардағы бұл заңдылықтар жарқ ету температурасы заттың физикалық параметрі болатынын көрсетеді. Гомологтық қатардағы жарқ ету температурасының өзгеру заңдылығы органикалық қосылыстардың әр түрлі тобына жататын сұйықтықтарға тарлмайтындығын ескеру қажет.

Жалынның биіктігі, шырақ сәулеленуінің тығыздығы сұйық жануының меншікті массалық жылдамдығына тікелей байланысты, яғни жану аймағына жанармайдың түсу қарқындылығына тәуелді. Жанудың меншікті массалық жылдамдығы деп уақыт бірлігінде сұйықтың бетінің аудан бірлігінен жанып шығатын зат мөлшерін атайды. Сызықтық жылдамдық деп уақыт бірлігінде сұйықтықтың бет деңгейінің жану салдарынан орын ауыстыру арақашықтығын атайды.

Жанудың массалық жылдамдығы масса берудің диффузиялық коэффициентімен және сұйықтықтың фазалық өту жылуымен, сонымен қатар сұйықтық бетіне жалынның сәулелену қарқындылығымен анықталады. Жалынның жылулық тепе-теңдігінің құрылымы (қоршаған ортаға сәулелену, сұйықтық бетіне сәулелену, бөлінген жану өнімдерімен шығатын жылу) көбіне гидродинамикалық факторларға, яғни жану аймағына ауаның келу шартына және жанармай буынынң толық жануына (күйенің түзілу шартына) байланысты болғандықтан, жану жылдамдығы жану процессіндегі жалпы жылулық және гидродинамикалық жағдайдың қосылған функциясы болып табылады.

Келтірілген мәліметтердің маңызды ерекшелігі мына жағдай болып табылады: спирт жалынының сәуелік температурасы жалын ішіндегі күйе бөлшектерінен шағылысатындықтан жылудың көп бөлігін жоғалтатын көмірсулар жалынының температурасынан әлдеқайда жоғары. Берілген жылу мөлшерінің есептік мәндері бақылаудағы жану жылдамдығы үшін қажетті жылу берудің қарқындылығымен салыстырылады. Бұл есептеулердің нәтижелері 2.3 кестесінде көрсетілген.
Кесте 2.3

Кертірілген мәліметтер көрсеткендей, спирт бетіне түсетін сәулелік ағыс бу ағысын қолдау үшін жеткіліксіз. Жылу энергиясының жетіспейтін бөлігі конвенциямен толықтырылуы мүмкін: бұл қорытынды жалын пішіні туралы (сур. 2.5) байқаумен сәйкес келеді. 2.5, а көрсетілгендей спирт оған түсетін бетке жақын ақшыл-көкшіл жалынмен жанады.

Басқа жанғыш заттар жанғанда сұйықтықтың тікелей үстінде ажыратылатын бу аймағы түзіледі. Бұл жанармайға тән, ол жанған кезде сур. 2.5, г және д көрсетілгендей біраз уақыттан кейін жалынның сол пішінін түзеді.


а б в г д

2.5 сур. - Жанып жатқан бетке тікелей жақын аралықтағы жалын пішіні
Мынаны ұсыну мүмкін, көмірсутекті сұйық жанғыш заттардың үстіндегі бу аймағы сәулелену арқылы бетке келетін жылу тасымалын арттырады. Бұл жағдаймен сәулелік жылу ағысы мен жанудың ұшқыш өнімдерініңағысы үшін қажетті жылу ағысы арасындағы айырымды түсіндіруге болады. Бірақ бұл әлі де қиын. Сонда да жанармай, мотор жанармайы және керосин үшін бу аймағының қалындығы (сур. 2.5,в х мәнімен анықталады) 50, 40 ÷ 50 және 25 ÷ 30 мм құрайды.

Резервуардағы сұйықтықтың бүкіл беті бойынша жану жылдамдығы тұрақты шама болып табылмайтындығына кәу бар. Кіші резервуардағы жанып жатқан өрт периметрінде булану қарқындылығы ортасына қарағанда жоғары болатындығы анықталады, бұл эффект жоғары келтірілген бақылауларда көрсетілгендей метанолда жақсы көрінеді, бірақ үлкен ошақтар мен қатты сәулелегіш жалындарда бұл құбылыс қарама-қарсы сипатта болуы мүмкін (сур. 2.5, г).

Сұйық жанғыш заты бар резервуарларда тұрақты жану кезінде тек қана беттік қабаттар қызады. Біраз уақыттан кейін сұйықтық бетінің астында температураның таралуы орнығады.

Резервуардағы сұйықтықтың жану шамасы және сұйықтық тереңдігінің төмендеуіне байланысты жылулық жоғалту байқалатындай кезең келеді. Егер осы жылулық жоғалту шамасы үлкен болса, жану жылдамдығы төмендейді және егер жылу жоғалтудың мәні температураны тұтану температурасынан төмен түсірсе, жану тоқтайды. Мұндай жағдаймен су бетінде қалқып жүретін мұнай қабатын жандырғанда кездесеміз. Мұнай қабатының бір бөлігі буланғандықтан немесе одан жеңіл фракциялардың ұшып кетуінен (мысалы, жанған кезде) қалған бөлігі тұтанатын болса да, егер де ол қабаттың қалыңдығы бірнеше миллиметрден аз болса жана алмайды.

Ерікті түрде жанып жатқан сұйықтық температурасы оның қайнау температурасына жақын немесе кішкене төмен болады. Бензин, керосин және дизельді жанармай сияқты сұйықтық қоспаларының тұрақты қайнау температурасы болмайды және осы қоспалардың жеңіл ұшқыш өнімдері бірінші болып жанады. Сондықтан беттің температурасы қоспаның қалған сұйық фазасының ұшпайтын шамасына байланысты артады. Көмірсутекті жанғыш қоспалардың кейбіреулерімен байланысты қауіптілік (негізінен шикі мұнайда) қыздырылған қабаттың түзілуі болып табылады.

Осының орнына жанғыш сұйықтыққа қыздырылған қабат жанудың сызықтық жылдамдығынан әлдеқайда артық жылдамдықпен енеді. Бұл құбылыс сур. 2.6 бейнеленген. Осындай қоспаларды сақтауға арналған үлкен резервуарлардағы өрт кезінде қауіптілік пайда болады. Егер де қызған қабат резервуардың төменгі бөлігне өтсе және су қабатына жетсе (ол жерде су әрқашан болады), онда мұндай жағдайда тез арада су буланып кетеді, ал бұл жанып жатқан мұнайдың төгілуіне әкеледі. Осы құбылыстан кейін мүмкін болатын салдар туралы білу қиын емес.

Қыздырылған қабат түзілуінің тура механизмі орнамағандықтан, бірақ бұл құбылыс тікелей жанғыш қоспаларға жатқандықтан, мүмкін ол жеңіл фракциялардың булануының селективті сипатына байланысты.


2.6 сур. - Жанғышы бар резервуардағы өрт кезінде жанғыш аймақтың

таралу және түзілуінің үш кезеңі
Бұл құбылыстың бірнеше мүмкін механизмдерін қарастырады, бірақ олардың біреуіне де таңдауынды беруге болмайды. Ьірінші механизм бойынша жеңіл фракциялардың сұйықтық бетіне үздіксіз миграциясы жүреді, бұл дистилляциямен қатар орындалады. Екінші механизм бойынша ұшқыш фракциялар қызған қабат пен суық сұйықтықтың шекарасында бөлінеді, одан кейін сұйықтық бетіне көтеріледі. Соңғы нүктеде ол сұйықтықпен конвективті араласады, сонымен қатар бұл процесс резервуар қабырғасы арқылы берілетін жылумен қандырылады. Олай болса, қыздырылған қабаттың түзілуі резервуардың диаметріне тәуелді болу керек, ал ондай тәуелдік байқалмайды.

Жанудың массалық жылдамдығын анықтау қиын тапсырма болып табылады. Оның шамасы өрт ошағының өлшемімен резервуардағы сұйықтық деңгейінің биіктігі, жел жылдамығы, атмосферадағы оттегі концентрациясы, сұйықтық ылғалдығы және оның табиғаты сияқты басқа да параметрлерге тәуелді. Бұл параметрлердің әсерін тіркеу туралы инженерлік әдістемелер жоқ. Сондықтан практикалық есептеулерде анықтама әдебиеттерінде табылатын берілген шаманың кестелік мәнін қолдану қажет.