Механизмы воспламенения*
______________
* Информация, приведенная в настоящем приложении, взята из [17].
Потенциальная опасность, связанная с оптическим излучением в инфракрасной области спектра и видимом спектре электромагнитных волн, зависит от следующих факторов:
длины волны лазера (свойства поглощения);
поглощающего материала (инертный, реактивный);
топлива;
давления;
облучаемой площади;
времени облучения.
Существует огромное число сочетаний этих факторов, которые влияют на опасность воспламенения от оптики во взрывоопасной среде и, по меньшей мере, на механизм воспламенения. Наиболее неблагоприятные условия возникают в присутствии поглотителя. Когда размеры зоны облучения или поглотителя снижаются до значения менее расстояния гашения взрывоопасного газа, воспламенение может рассматриваться как точечное. Однако излучение от конца волоконно-оптического кабеля быстро рассеивается и облучаемый участок может достигать площади нескольких квадратных сантиметров. Условия воспламенения можно охарактеризовать с точки зрения основных параметров энергии, площади и времени.
Площадь стремится к | Время стремится к | Критерий воспламенения: | |||
(1) нулю | бесконечности | минимальная мощность | |||
(2) бесконечности | бесконечности | минимальная энергетическая освещенность | |||
(3) нулю | нулю | минимальная энергия | |||
(4) бесконечности | нулю | энергетическая экспозиция |
Бесконечное время означает непрерывное излучение. Результаты исследований для малых и больших площадей приведены в таблице В.1, на рисунках В.1 и В.2. В обоих режимах воспламенение происходит от горячей поверхности, при попадании пучка оптического излучения на поглотитель. Чем меньше поверхность, тем выше воспламеняющая энергетическая освещенность. Это означает, что поверхность меньшей площади необходимо нагреть до более высокой температуры, чтобы произошло воспламенение. Воспламенение не происходит при мощности оптического излучения менее 50 мВт ни для одной из смесей газ/пар (кроме сероуглерода). Это подтверждает, что максимально допустимое значение мощности составляет 35 мВт плюс коэффициент безопасности, который должен также учитывать абсорбцию неидеальным серым телом инертного поглотителя. Эксперименты с реактивными поглотителями (уголь, сажа и тонер) показали, что хотя они и имеют более высокое поглощение, однако менее эффективны как источники воспламенения. N-алканы не вызывают воспламенения при мощности ниже 200 мВт (150 мВт, включая коэффициент безопасности). Для больших площадей облучения допустимое значение - 5 мВт/мм более целесообразно, чем критерий ограничивающей мощности.
Таблица В.1 - ТСВ (температура самовоспламенения), БЭМЗ (безопасный экспериментальный максимальный зазор) и измеренные значения воспламеняющей мощности выбранных горючих веществ для инертных поглотителей в качестве облучаемого материала (, )
Группа, см. МЭК 60079-0 | Горючее вещество (повышенная температура смеси) | ТСВ, °С | БЭМЗ, мм | Концент- | Мини- | Мини- | Концен- | Мини- | Мини- | Мини- |
IIA | Метан | 595 | 1,14 | 5,0 | 304 | 1125 | 6,0 | 960 | 1650 | 5000 |
Ацетон | 535 | 1,04 | - | - | - | 8 | 830 | - | - | |
2-пропанол | 425 | 0,99 | 4,5 | 273 | 660 | - | - | - | - | |
n-пентан | 260 | 0,93 | 3,0 | 315 | 847 | 3,0 | 720 | 1100 | 3590 | |
Бутан | 410 | - | - | - | 4,6 | 680 | - | - | ||
(365) | (0,98) | |||||||||
Пропан | 470 | 0,92 | 5,0 | 250 | 842 | 4,0 | 690 | 1200 | 3600 | |
Неэтилированный бензин | 300 | >0,9 | - | - | - | 4,3 | 720 | - | 3650 | |
(350) | ||||||||||
n-гептан (110 °С) | 220 | 0,91 | 3,0 | - | 502 | - | - | - | - | |
Метан/водород | 595 | 0,90 | 6,0 | 259 | 848 | - | - | - | ||
IIВ | Диэтиловый эфир/n-гептан (110 °С) | 200 | 0,90 | 4,0 | - | 658 | - | - | - | - |
Тетрагидрофуран | 230 | 0,87 | 6,0 | 267 | - | - | - | - | - | |
Диэтиловый эфир | 175 | 0,87 | 12,0 | 89 | 127 | 23,0 | 110 | 180 | 380 | |
Пропанол (110 °С) | 190 | 0,84 | 2,0 | - | 617 | - | - | - | - | |
Диметиловый эфир | 240 | 0,84 | 8 | 280 | - | - | - | - | - | |
Этилен | 425 | 0,65 | 7,0 | 202 | 494 | 7,5 | 530 | - | 2007 | |
Метан/водород | 565 | 0,50 | 7,0 | 163 | 401 | - | - | - | - | |
IIC | Сероуглерод | 95 | 0,37 | 1,5 | 50/24*** | 149 | - | - | - | - |
Ацетилен | 305 | 0,37 | 25,0 | 110 | 167 | - | - | - | - | |
Водород | 560 | 0,29 | 10,0 | 140 | 331 | 8,0 | 340 | 500 | 1620 | |
* Концентрация горючего вещества. ** HSL - Health and Safety Laboratory of the Health and Safety Executive (UK) $, PTB = Physikalisch-Technische Bundesanstalt (Germany) $. *** Значение 24 мВт было получено для горючего облучаемого вещества (угля). Примечание - ТСВ и БЭМЗ взяты из публикации [25] списка литературы. |
Рисунок В.1 - Минимальная воспламеняющая мощность излучения с инертным поглотителем
в качестве облучаемого материала (, )
при непрерывном облучении в волновом диапазоне 1064 нм
Примечание 1 - Данные взяты из [17], [23].
Примечание 2 - Приведенные значения даны для каждого горючего вещества в его наиболее легко воспламеняемой смеси.
Рисунок В.2 - Минимальная воспламеняющая мощность излучения с инертным поглотителем
в качестве облучаемого материала (, ) при непрерывном облучении
(РТВ: 1064 нм, HSL: 805 нм, [24]: 803 нм) для некоторых n-алканов
На небольшой площади в кратковременном режиме лазерный импульс может создавать источник воспламенения, подобный электрической искре, за счет пробоя в воздухе. Такая искра [26] с энергией, приближающейся к минимальной энергии воспламенения (МЭВ), способна воспламенить взрывоопасную смесь в оптимальных условиях (микросекундные и наносекундные импульсы).
Эффективность процесса воспламенения зависит от следующих факторов:
- длины импульса и скорости повторения;
- длины волны;