1Wpływ ujarzmienia ognia przez człowieka na rozwój cywilizacyjny gatunku Homo sapiens. Przegląd historyczny
Umiejętność obchodzenia się z ogniem była jednym z pierwszych wielkich wynalazków człowieka. Używanie ognia stało się kryterium odróżniającym rozpoczynającego swój intelektualny rozwój człowieka od jego przodków. Przyjmuje się, że epoka kamienia związana z pojawieniem się człowieka na Ziemi i wytworzeniem przez niego pierwszych narzędzi z kamienia rozpoczęła się ok. 2,6 miliona lat temu na terenie Afryki Wschodniej, dzisiejsza Etiopia. Była to najdłuższa epoka związana z przedhistorycznym rozwojem człowieka. Wśród archeologów nie ma zgodności co do momentu, kiedy pojawiły się pierwsze próby wykorzystania ognia przez człowieka. Jedni twierdzą, że miało to miejsce ponad milion lat temu, inni że znacznie później, bo dopiero ok. 600 000 lat przed teraźniejszością [1.1]. Wiemy natomiast, że nasz praprzodek Homo erectus już ok. 460 000 lat temu potrafił podtrzymać ognisko. Od zarania dziejów istniały trzy naturalne źródła pozyskiwania ognia przez człowieka: czynne wulkany, wyładowania atmosferyczne oraz takie miejsca na ziemi, gdzie gaz ziemny wydobywał się samorzutnie na powierzchnię ze szczelin skalnych. W sprzyjających warunkach gaz ten ulegał zapłonowi, tworząc różnej wielkości pochodnie palące się na powierzchni ziemi. Takie miejsca istnieją do dnia dzisiejszego. Na przykład w miejscowości Chimera należącej obecnie do Turcji, na górskim zboczu opadającym ku morzu palą się w różnych miejscach wieczne ognie. O zjawisku tym pisano już w starożytności, kiedy ziemie te były skolonizowane przez Greków. Ognie te pełniły wówczas rolę latarni morskiej, wskazując płynącym w nocy żeglarzom bliską obecność lądu. Natomiast w stolicy Azerbejdżanu, Baku istnieje Świątynia Ognia, gdzie wciąż pali się wieczny ogień zasilany gazem ziemnym wydobywającym się w tym miejscu samorzutnie na powierzchnię ziemi. O ile wulkany występują tylko na ograniczonych terenach, to wyładowania atmosferyczne miały miejsce praktycznie na całym obszarze zasiedlonym przez ówczesnego człowieka. Lawa wydobywająca się z kraterów wulkanów wzniecała z pewnością wiele pożarów na powierzchni ziemi, a z kolei wyładowania atmosferyczne przy bezpośrednim oddziaływaniu zapalały drzewa lub wysokie trawy.
Przypuszcza się, że po raz pierwszy ogień wzniecono przypadkiem podczas obróbki narzędzi wykonywanych z krzemienia. Powstawały przy tym iskry, które w odpowiednich warunkach mogły zainicjować zapłon suchego mchu lub trawy. Jakiś czas temu uważano jeszcze, że stało to się ok. 30 000 lat temu, obecnie jednak naukowcy są skłonni przesunąć ten moment na znacznie wcześniejsze lata. Tak czy inaczej musiało jednak upłynąć kilkaset tysięcy lat, zanim człowiek obeznany już z ogniem nauczył się go wytwarzać. Po dokonaniu tego wynalazku zaczęto udoskonalać metodę wzniecania ognia. Pojawiła się metoda pocierania dwóch kawałków drewna, miękkiego i twardego. Z czasem zastosowano ruch obrotowy, wykorzystując kawałek drewna obracany za pomocą odpowiednio założonej cięciwy łuku. W wyniku tarcia z drugim kawałkiem drewna wywiązywała się temperatura umożliwiająca zapłon suchego próchna lub mchu. Metodę tę wykorzystują do dnia dzisiejszego niektóre plemiona Indian południowoamerykańskich. W starożytnym Egipcie stosowano już bardziej wyrafinowane metody, a mianowicie soczewki szklane skupiające promienie słoneczne. Metodę tę stosowano jeszcze w XVII i XVIII w. [1.2]. Ale najdłużej stosowaną metodą, wykorzystywaną powszechnie do momentu wynalezienia zapałek, pozostało zwykłe krzesiwo. Około 200 000 lat temu pojawił się na Ziemi pierwszy podgatunek człowieka rozumnego, a mianowicie Homo sapiens neanderthalensis, czyli człowiek neandertalski, którego nazwa wzięła się od doliny Neandertal w Niemczech, gdzie w 1856 roku znaleziono jego pierwszy szkielet. Człowiek ten od początku potrafił posługiwać się ogniem, ale jeszcze długo nie potrafił go wytwarzać. Prawdopodobnie potrafił już mówić. Około 40 000 lat temu do Europy i na Bliski Wschód dotarł z Afryki drugi podgatunek człowieka rozumnego Homo sapiens sapiens. Ponieważ człowiek ten reprezentował wyższy poziom rozwoju intelektualnego niż człowiek neandertalski, zaczął go szybko wypierać z jego dotychczasowych siedlisk. Z wykopalisk wiemy, że ok. 20 000 lat później człowiek neandertalski zniknął już prawie całkowicie z powierzchni Ziemi, nie wytrzymując konkurencji swojego młodszego i lepiej przystosowanego brata. Ale przez ok. 20 000 lat oba podgatunki człowieka rozumnego żyły obok siebie, a nawet się krzyżowały, czego dowodem jest fakt, że obecni mieszkańcy Ziemi posiadają ok. 5% genów człowieka neandertalskiego. I to właśnie Homo sapiens sapiens pierwszy nauczył się samodzielnie wytwarzać ogień ok. 10 000 lat po swoim pojawieniu się na Ziemi. Człowiek neandertalski już wtedy praktycznie wyginął.
Od samego początku ogień był wykorzystywany do celów grzewczych, przygotowywania pożywienia oraz do odstraszania dzikich zwierząt. Gotowanie i pieczenie potraw znacznie rozszerzyło asortyment produktów możliwych do spożycia i jednocześnie przyspieszyło rozwój centralnego układu nerwowego, a zatem i mózgu człowieka. Dotyczyło to przede wszystkim zawierającego dużo białka i tłuszczu mięsa. W efekcie nastąpił szybszy biologiczny i intelektualny rozwój człowieka oraz pojawiła się możliwość zasiedlenie nowych terenów dotychczas niedostępnych z uwagi na zbyt surowy klimat. Można zatem zaryzykować stwierdzenie, że wykorzystanie ognia znacznie przyspieszyło pojawienie się "homo sapiens" na planecie Ziemia. Z czasem udoskonaliła się technika budowy pieców grzewczych, co umożliwiło uzyskiwanie coraz wyższej temperatury. Doprowadziło to do kolejnego wielkiego odkrycia człowieka. Około 6 000 lat p.n.e. człowiek epoki kamiennej nauczył się wytapiać metaliczną miedź, a w jakiś czas później również metaliczną cynę. Rudy tych metali pozyskiwano początkowo w kopalniach odkrywkowych. Około 3400 lat p.n.e. człowiek połączył te dwa roztopione metale, uzyskując pierwszy stop metalowy w historii, który został nazwany brązem. Zaowocowało to narodzinami epoki brązu. Przyjmuje się, że epoka miedzi poprzedzająca epokę brązu trwała w przybliżeniu w latach 6000-3400 p.n.e. Nazwa epoki brązu pochodzi od narzędzi i innych przedmiotów wykonanych z nowego materiału - brązu, będącego stopem miedzi i cyny w stosunku 9:1. Brąz jest dużo twardszy niż miedź i cyna, dlatego też przedmioty wykonane z tego materiału miały znacznie większą wartość użytkową. Przykładem przedmiotów wykonanych z brązu są: siekiery, noże, dłuta, młoty, sierpy, ozdoby, miecze, topory, ostrza do włóczni, groty strzał, części pancerzy itp. Epoka brązu pojawiła się najwcześniej na najbardziej rozwiniętych cywilizacyjnie ziemiach ówczesnego świata, a mianowicie na południowym Kaukazie i w basenie Morza Egejskiego. Przyjmuje się, że w Egipcie i na Bliskim Wschodzie - Mezopotamia, nastąpiło to ok. 3400 lat p.n.e. Do Europy południowej epoka ta dotarła ok. 2800 lat p.n.e., a do Polski zachodniej dopiero ok. 2200 lat p.n.e. Datowania te potwierdza ostatnie ważne odkrycie, kiedy to 19.09.1991 w Tyrolu Południowym, na pograniczu Austrii i Włoch znaleziono ciało "człowieka z lodu" nazwanego Oe tzi, zamrożone w alpejskim lodowcu na wysokości 3210 metrów n.p.m. Oceniono, że człowiek ten zmarł ok. 5300 lat temu, czyli w przybliżeniu u schyłku epoki miedzi. Potwierdza to fakt, że znaleziony przy nim toporek miał ostrze wykonane z tego właśnie metalu, a należy pamiętać, że Alpy z pewnością nie należały wówczas do wiodących centrów cywilizacyjnych starożytnego świata. Ale jak widać, wyroby z czystej miedzi były już wtedy nawet tam dostępne.
Pojawienie się narzędzi z brązu, materiału dużo twardszego od miedzi, umożliwiło między innymi znacznie bardziej wydajną obróbkę bloków skalnych i w efekcie budowę wielu wspaniałych kamiennych budowli świata starożytnego, takich jak piramidy egipskie zbudowane w okresie Starego Państwa, w tym największa i najbardziej znana piramida Cheopsa, zwana Wielką Piramidą, usytuowana na płaskowyżu w Gizie - ok. 2560 p.n.e., obok niej Wielki Sfinks - ok. 2550 p.n.e. i dwie inne piramidy, Chefrena i Mykerinosa. Zbudowano również szereg monumentalnych świątyń w Egipcie, na Bliskim Wschodzie i na innych obszarach świata starożytnego o odpowiednio rozwiniętej cywilizacji. Piramidę Cheopsa budowano tylko ok. 20 lat, bo musiała być ukończona jeszcze za życia faraona, a ludzie żyli wówczas znacznie krócej niż obecnie, przeciętnie zaledwie trzydzieści parę lat. Fenomenem był tylko Ramzes II Wielki, który żył ok. 90 lat, a panował 66. Budowali ją ludzie wolni, nie niewolnicy. Przyjmuje się, że pracowało ok. 100 000 robotników, wykorzystując czas, kiedy na polach nie można było pracować z powodu wylewu Nilu. Na budowę zużyto ok. 2,3 mln bloków skalnych, z których każdy ważył ok. 2300 kg, a największe granitowe bloki przykrywające komorę królewską nawet 50 000 kg. W dodatku bloki skalne musiały być sprowadzane z odległych kamieniołomów. W momencie ukończenia piramida Cheopsa miała 146,59 m wysokości. Przez kolejnych kilka tysięcy lat była najwyższą budowlą stworzoną przez człowieka. Stanowiła niewiarygodne osiągnięcie techniczne, organizacyjne i logistyczne jej budowniczych, zrealizowane z niezwykłą precyzją za pomocą bardzo prostych narzędzi wykonanych głównie z brązu. Wszystkie zewnętrzne ściany piramidy wykończone były wygładzonymi, ściśle dopasowanymi blokami z białego wapienia i stanowiły olbrzymie gładkie powierzchnie odbijające światło słoneczne. Dawało to niesamowity efekt i między innymi dlatego piramida Cheopsa została uznana za pierwszy cud świata starożytnego, który dodatkowo jako jedyny z 7 cudów przetrwał w dobrym stanie do dnia dzisiejszego. Niestety wykładzina z wapienia nie przetrwała, na przestrzeni wieków została zużyta do budowy domów w ciągle rozrastającym się Kairze. Pozostały jedynie małe jej fragmenty u wierzchołka jednej z piramid w Gizie. Nie można też pominąć faktu wykorzystania brązu do wytwarzania bardziej zaawansowanych rodzajów broni.
Tak się składa, że od zarania dziejów po dzień dzisiejszy wszystkie ważniejsze wynalazki są sprawdzane w pierwszej kolejności pod względem możliwości wykorzystanie ich w sztuce wojennej. Kto dokonał tego pierwszy, ten uzyskiwał od razu przewagę na polu walki. I na ten cel władcy nigdy nie żałowali środków. Można zatem powiedzieć, że niestety, ale wojny były od wieków, w znacznej mierze, motorem postępu. Dalszy rozwój metalurgii polegający na budowie pieców umożliwiających uzyskiwanie jeszcze wyższej temperatury doprowadził do wytopu żelaza przez człowieka starożytnego. Niektóre źródła podają, że pierwsze przedmioty wykonane z tego metalu, głównie narzędzia, broń i ozdoby, pojawiły się już w XVIII wieku p.n.e. na terenie Babilonii i Egiptu, chociaż większość badaczy datuje koniec epoki brązu i początek epoki żelaza na okres znacznie późniejszy - ok. 1200 p.n.e. Pierwsi wytopili je prawdopodobnie Hetyci. Na ziemiach polskich żelazo pojawiło się dopiero ok. 750 lat p.n.e. Koniec epoki żelaza nie jest jednoznacznie określony. Jedni uważają, że pokrywa się on z końcem świata starożytnego, czyli z upadkiem Cesarstwa Zachodnio-Rzymskiego w 476 roku n.e., inni, że nastąpił w XIII wieku n.e., chociaż tak naprawdę można by uważać, że trwa ona do dnia dzisiejszego, ponieważ żelazo jest ciągle najważniejszym metalem wytapianym przez człowieka. Zaobserwowano, że w oparciu o coraz nowsze wyniki prac archeologicznych badacze przesuwają początki poszczególnych epok ku czasom coraz wcześniejszym. Należy również zwrócić uwagę na silny asynchronizm rozwojowy różnych obszarów na Ziemi, co skutkuje ogromnymi różnicami czasowymi w pojawieniu się tych samych epok na różnych kontynentach. I tak epoka żelaza w obu Amerykach zaczyna się po odkryciu tego kontynentu przez Krzysztofa Kolumba - 1492 rok, a w Australii jeszcze później, bo dopiero na przełomie XVIII i XIX wieku, kiedy kontynent ten został skolonizowany przez Anglików. Miejscowi Aborygeni nie nauczyli się wcześniej sztuki wytapiania metali z rudy.
Reasumując, gdyby człowiek nie opanował umiejętności wytwarzania i wykorzystywania ognia do swoich celów, nie byłoby epoki miedzi, epoki brązu, ani tym bardziej epoki żelaza i tego wszystkiego, co się później wydarzyło. Żylibyśmy dalej w epoce kamiennej i nie wiadomo, czy byłoby to lepiej, czy gorzej, ale na pewno inaczej. O tym, jak ważną rolę odgrywał ogień w życiu starożytnych społeczeństw, świadczy najlepiej fakt, że jest on ważnym elementem wszystkich wczesnych religii, na przykład w mitologii greckiej mit o Prometeuszu, w religii rzymskiej kult boga Hefajstosa, czy indoirański kult boga Mitry. Wtedy też powstały pierwsze próby odpowiedzi na pytanie: co to jest ogień? Pierwsza zapisana definicja procesu spalania, która przetrwała do naszych czasów, została podana w X wieku p.n.e. przez kapłanów egipskich. Mówi ona, że "ogień jest żywym zwierzęciem, które pochłania wszystko, czego dopadnie, nasycone zaś umiera wraz z tym, co pochłonęło". Człowiekiem, który pierwszy zajął się procesami spalania od strony naukowej był prawdopodobnie Heraklit z Efezu (540 p.n.e.-480 p.n.e.). Zaproponował on, aby uznać ogień za jeden z czterech żywiołów, z których zbudowany jest wszechświat - obok ziemi, wody i powietrza. Pogląd ten został zaakceptowany przez Arystotelesa (384 p.n.e.-322 p.n.e.) i głównie dzięki jego autorytetowi przetrwał aż do epoki Odrodzenia [1.1]. W tym czasie pojawili się uczeni tacy jak Galileusz (1564-1642), którzy uważali, że spekulacje myślowe powinny być zawsze potwierdzone eksperymentem. Pierwszym, który zaczął realizować tę ideę w odniesieniu do procesów spalania był Franciszek Bacon (1561-1626), który obserwował strukturę płomienia świecy. Badania w tym zakresie kontynuowali Robert Boyle (1627-1691) i Robert Hooke (1635-1703). Rozwój nauki o spalaniu został chwilowo zakłócony przez teorię flogistonu, ogłoszoną przez Johanna Bechera (1635-1682). Według tej teorii powstanie płomienia jest następstwem wypływu pewnej nieważkiej substancji (flogistonu) będącej składnikiem paliw, co ujawnia się podczas spalania. Teoria ta wprowadziła pewien zamęt w badaniach prowadzonych przez innych uczonych, ale została ostatecznie obalona przez wielkiego francuskiego chemika Antoniego Lavoisiera (1743-1794), który jako jeden z wielu padł ofiarą rewolucji francuskiej w wieku zaledwie 51 lat. Kolejnymi uczonymi, którzy położyli duże zasługi w badaniach procesu spalania, byli Benjamin Rumford (1753-1814) i Humphry Davy (1778-1829). Ten ostatni zajmował się wybuchami w kopalniach i skonstruował pierwszą bezpieczną lampę górniczą. Wykrył on, że jeżeli otoczymy płomień lampy gęstą siatką metalową, to płomień nie wydostanie się na zewnątrz lampy nawet wtedy, kiedy znajdzie się ona w atmosferze palnej mieszaniny gazowej. Później stwierdzono, że efekt ten występuje wtedy, kiedy odległość między kolejnymi drucikami siatki jest mniejsza od podwójnej grubości frontu płomienia charakterystycznego dla palnej mieszaniny gazowej otaczającej palącą się lampę. W tym wypadku chodziło oczywiście o mieszaninę metanowo-powietrzną. Jego uczeń Michał Faraday także zajmował się spalaniem i napisał książkę "The chemical history of candle", wydaną również w Polsce pod tytułem "Dzieje świecy". Następcą Faradaya był Robert Bunsen (1811-1899). Jest on konstruktorem palnika gazowego (palnik Bunsena), będącego w użyciu do dnia dzisiejszego w laboratoriach chemicznych. Był on również pierwszym, który w sposób naukowy studiował strukturę płomienia, badając rozkład temperatury i prędkości przepływu w płomieniu.
Skoro mówimy o wielu uczonych zasłużonych dla rozwoju nauki o spalaniu, nie sposób nie wspomnieć polskiego uczonego i wynalazcy Ignacego Łukasiewicza (1822-1882) [1.3]. Ignacy Łukaszewicz był z zawodu farmaceutą i dlatego problemy dotyczące reakcji chemicznych nie były mu obce. Żył on w Galicji, gdzie w okolicach Krosna i Jasła ropa naftowa, zwana dawniej olejem skalnym, znana była od najdawniejszych czasów, gdyż w wielu miejscach wypływała samoczynnie ze szczelin skalnych na powierzchnię ziemi. Od bardzo dawna była ona wykorzystywana jako źródło światła w różnego rodzaju kagankach, a po zagęszczeniu używano ją jako smar do osi wozów i wiatraków. Ludzi, którzy zajmowali się zawodowo wytwarzaniem takich smarów, nazywano maziarzami. Łukasiewicz od dłuższego czasu zajmował się między innymi destylacją ropy naftowej i stwierdził, że pierwsza jej frakcja (benzyna) jest zbyt wybuchowa, ale druga (nafta) nadaje się bardzo dobrze do zasilania opracowanego przez niego nowego typu lampy. Toteż kiedy zarząd Szpitala Powszechnego na Lwowskim Łyczakowie zwrócił się do Łukasiewicza o opracowanie nowego typu oświetlenia dla szpitala, był on w stanie w krótkim czasie zrealizować to zamówienie. Po raz pierwszy zapalono publicznie lampy naftowe podczas nagłej operacji usuwania w nocy wyrostka robaczkowego w wyżej wymienionym szpitalu. Uratowało to życie choremu. Miało to miejsce 31 lipca 1853 roku. Data ta została powszechnie uznana jako symboliczne narodziny przemysłu petrochemicznego. Opracowana przez Łukasiewicza lampa naftowa okazała się być tak wydajnym, bezpiecznym i tanim źródłem światła, że wkrótce zakupiło ją wiele innych instytucji i rozwijających się gwałtownie w tym okresie różnych zakładów przemysłowych. Duże znaczenie miało tutaj wprowadzenie oświetlenia naftowego w nowo powstałej Kolei Wiedeńskiej oraz w innych aktualnie zakładanych towarzystwach kolejowych. Wynalezienie lampy naftowej miało ogromne znaczenie dla rozwoju sił wytwórczych i ówczesnego życia gospodarczego i kulturalnego, ponieważ lampa ta pozwoliła na pracę wielu manufaktur i funkcjonowanie wielu przedsiębiorstw w cyklu całodobowym. Lampa naftowa spowodowała również gwałtowny rozwój czytelnictwa i oświaty, ponieważ umożliwiła zwykłym ludziom samokształcenie się i czytanie książek w godzinach wieczornych, po zakończeniu pracy. Wcześniej nie było to możliwe z uwagi na wysoką cenę i niską wydajność ówczesnych źródeł światła (świece, kaganki). Dlatego można śmiało powiedzieć, że zastosowanie lampy naftowej przyspieszyło gwałtownie rozwój cywilizacyjny całych społeczeństw. To wszystko sprawiło, że wynalezienie lampy naftowej zostało uznane za jeden z 30 wynalazków o największym znaczeniu dla ludzkości, chociaż dzisiaj wielu młodych ludzi pewnie nawet nie wie, jak lampa naftowa wygląda i jak działa. Niestety encyklopedie krajów zachodnich podają, że wynalazcą lampy naftowej jest amerykański chemik Beniamin Silliman, chociaż Łukasiewicz wyprzedził go o kilka lat. Ale takie bywają czasami losy wynalazców. Niewątpliwie na niekorzyść Łukaszewicza zadziałał fakt, że Polski nie było w tym czasie na mapie Europy, a zaborcom nie zależało na promowaniu polskiego wynalazcy.
Ignacy Łukasiewicz jest nie tylko wynalazcą lampy naftowej, ale i budowniczym podstaw polskiego i światowego przemysłu petrochemicznego, ponieważ zapoczątkował on przeróbkę ropy naftowej na skalę półprzemysłową, zakładając w 1854 roku w Bóbrce koło Krosna pierwszą na ziemiach polskich kopalnię ropy naftowej, a w 1856 roku w Ulaszowicach koło Jasła pierwszą destylarnię ropy naftowej. Wykorzystanie nafty do celów oświetleniowych zapoczątkowało rozwój przemysłu rafineryjnego nie tylko w Polsce, ale i w innych krajach, szczególnie na południowych obszarach Rosji carskiej oraz w Stanach Zjednoczonych. Początkowo wykorzystywano tylko naftę, traktując pozostałe frakcje, w tym benzynę, jako kłopotliwy, niebezpieczny i nieprzydatny produkt uboczny. Dopiero wynalezienie tłokowego silnika spalinowego - druga połowa XIX wieku oraz silnika odrzutowego - pierwsza połowa XX wieku, spowodowało, że to właśnie benzyna, a po niej olej napędowy i jeszcze później nafta lotnicza stały się najbardziej pożądanymi frakcjami destylacji ropy naftowej.
Tak się szczęśliwie złożyło, że przeprowadzenie destylacji ropy naftowej umożliwiające pozyskanie różnych paliw ciekłych zbiegło się w czasie ze skonstruowaniem różnych typów silników spalinowych mogących te paliwa wykorzystać. Pierwowzorem spalinowych silników tłokowych z zapłonem iskrowym, który znalazł praktyczne zastosowanie, był skonstruowany w 1860 roku przez francuskiego inżyniera Etienne Lenoira tłokowy silnik dwusuwowy z zapłonem iskrowym, zasilany mieszaniną gazu ziemnego i powietrza, który został wykorzystany do napędu lekkiej bryczki. Silnik ten okazał się jednak bardzo kłopotliwy w eksploatacji i szybko z niego zrezygnowano. Ale droga została już przetarta. W 1876 roku niemiecki samouk wynalazca Nikolaus Otto skonstruował pierwszy czterosuwowy silnik tłokowy z zapłonem iskrowym, a wkrótce po tym, w latach 1878 / 79 niemiecki inżynier Carl Benz skonstruował pierwszy dwusuwowy silnik tłokowy z zapłonem iskrowym. Obydwa te silniki były zasilane benzyną. Kilka lat później, w 1893 roku niemiecki konstruktor Rudolf Diesel wynalazł i opatentował tłokowy silnik spalinowy z zapłonem samoczynnym, napędzany olejem napędowym. Wszystkie te trzy typy silników są masowo wykorzystywane i rozwijane do dnia dzisiejszego. Spalinowy silnik tłokowy od razu wykazał swoją przewagę nad silnikiem parowym. Przede wszystkim był lżejszy, łatwiejszy w eksploatacji i dawał się łatwo montować na różnego typu pojazdach. Zauważyli to szybko wojskowi i silnik ten został od razu wykorzystany do napędu wojskowych samochodów transportowych, a wkrótce po tym do napędu pierwszych czołgów, które zostały wykorzystane przez aliantów na polu walki pod koniec pierwszej wojny światowej i które w znacznej mierze zadecydowały o wyniku tej wojny.
Nie można tu nie wspomnieć o jeszcze jednym zastosowaniu tłokowych silników spalinowych. Otóż pod koniec XIX wieku pojawiły się pierwsze próby budowy latających pojazdów cięższych od powietrza. Za pierwszego pilota samolotu uważany jest powszechnie niemiecki konstruktor Otto Lilienthal. Na skonstruowanym przez siebie szybowcu odbył on w 1891 roku pierwszy lot na odległość ok. 30 m. Niestety, w 1896 roku Lilienthal zginął w katastrofie lotniczej, pilotując bardziej zaawansowaną wersję swojego szybowca. Zanotowano, że po katastrofie, tuż przed śmiercią wypowiedział znamienne słowa "dla postępu trzeba ponosić ofiary". Podobne próby prowadzili też Amerykanie, bracia Wilbur i Orwille Wright. W 1903 roku Wilbur Wright przeleciał na skonstruowanym przez braci szybowcu również odległość kilkudziesięciu metrów. Później wszystko poszło już lawinowo. Spalinowy silnik tłokowy okazał się znakomitym źródłem napędu dla coraz doskonalszych konstrukcji szybowcowych. Narodził się przemysł lotniczy. Dość powiedzieć, że w ciągu kilkunastu lat powstały samoloty wykorzystujące śmigło napędzane silnikiem tłokowym, które nie tylko odegrały poważną rolę na frontach pierwszej wojny światowej (1914-1918), ale wykonywały już zaawansowane akrobacje lotnicze w czasie staczanych pojedynków powietrznych. Ogromny impuls do dalszego rozwoju lotnictwa dał słynny samotny przelot nad Atlantykiem amerykańskiego pioniera lotnictwa Charlesa Lindbergha, który 20 maja 1927 roku w samolocie Spirit of St. Louis wystartował z lotniska Roosevelt Field w Garden City na Long Island w stanie Nowy Jork i po 33,5 godzinach lotu wylądował na lotnisku w Paryżu. Ten niesłychanie szybki rozwój lotnictwa trwa do dnia dzisiejszego.
Dalszy rozwój nauki o spalaniu i dziedzinach pokrewnych doprowadził do powstania pierwszych nowoczesnych teorii rozprzestrzeniania się płomienia, które stworzyli Ernest Mallard (1833-1894) i Henryk Le Chatelier (1859-1936). Prace ich, z uwzględnieniem procesów gazodynamicznych zachodzących w płomieniu, kontynuowali prawie współcześni nam Dawid Chapman (1869-1958) i Jacques Jouquet (1871-1943), którzy pierwsi odróżnili spalanie detonacyjne od spalania deflagracyjnego i opisali te procesy za pomocą równań zachowania masy, pędu i energii. W okresie międzywojennym procesy spalania były intensywnie badane we wszystkich rozwiniętych krajach ówczesnego świata. Należy zwrócić uwagę, że mimo stosunkowo prostych instalacji badawczych dostępnych w tym okresie większość idei dotyczących nowoczesnych teorii spalania zostało sformułowanych właśnie wtedy. Działania te były inspirowane z jednej strony chęcią lepszego poznania zjawiska spalania, z drugiej zaś były wymuszone potrzebami wynikającymi z konieczności dalszego rozwoju konstrukcji silników spalinowych, palenisk kotłowych, pieców hutniczych oraz metod zwalczania pożarów i wybuchów w przemyśle, ze szczególnym uwzględnieniem głębinowych kopalni węgla kamiennego. W okresie międzywojennym XX wieku doszedł do tego jeszcze jeden czynnik, a mianowicie rywalizacja między przygotowującymi się do kolejnej wojny najbardziej uprzemysłowionymi państwami świata w zakresie opracowania nowych rodzajów napędu dla gwałtownie rozwijającego się lotnictwa wojskowego oraz dla tworzącej się właśnie techniki rakietowej. Jak już wspomniano, zbrojenia były od wieków motorem postępu technicznego. Chęć zdominowania przeciwnika na polu walki była z reguły dla rządzących warta każdej ceny.
Równolegle z nauką o spalaniu rozwijała się wiedza w zakresie dynamiki przepływów, rozchodzenia się fal ciśnieniowych w gazach oraz metalurgii, ze szczególnym uwzględnieniem pozyskiwania materiałów żarowytrzymałych i żaroodpornych, niezbędnych do budowy nowoczesnych komór spalania, dysz wylotowych oraz łopatek turbin gazowych. Uzyskane wyniki umożliwiły w efekcie opracowanie nowego rodzaju napędu, a mianowicie napędu odrzutowego. W oparciu o ten rodzaj napędu skonstruowane zostały silniki: pulsacyjny, turboodrzutowy i rakietowy, a później jeszcze silnik strumieniowy. Silniki te zostały wykorzystane w pierwszym rzędzie do celów militarnych. Silnik pulsacyjny do napędu latającego pocisku V-1, silnik turboodrzutowy do napędu samolotu myśliwskiego Messerschmitt Me-262, a silnik rakietowy na ciekły materiał pędny do napędu rakiety V2, skonstruowanej przez Wernera von Brauna. Najszersze zastosowanie znalazł silnik turboodrzutowy, który rozwijany jest do dnia dzisiejszego. Służy on obecnie do napędu większości samolotów cywilnych i wojskowych poruszających się w obrębie atmosfery ziemskiej. Silnik pulsacyjny jest konstrukcją bardzo prostą, nie ma praktycznie części ruchomych, poza układem zasilania. Ale żeby go skonstruować, trzeba było najpierw opracować teorię rozchodzenia się fal ciśnieniowych w ośrodkach gazowych oraz opanować technologię produkcji stali żaroodpornej, pozwalającej na wykonanie bardzo cienkich sprężynujących blaszek pracujących w wysokiej temperaturze, umożliwiających pracę skrzyni zaworowej silnika, sterującej jego napędem. Należy podkreślić, że pocisk V-1 był pierwszym obiektem latającym zbudowanym przez człowieka wykorzystującym napęd odrzutowy, zaś rakieta V-2 stała się protoplastą wszystkich rakiet na ciekły materiał pędny skonstruowanych po drugiej wojnie światowej po obydwu stronach żelaznej kurtyny. Równolegle rozwijano silniki rakietowe na stały materiał pędny, wykorzystywane początkowo do napędu małych pocisków przeciwpancernych i pocisków artyleryjskich - słynny ręczny niemiecki granatnik przeciwpancerny "panzerfaust" oraz rosyjska wyrzutnia rakietowa "katiusza". Ostatecznie silniki rakietowe na ciekły materiał pędny zdominowały podbój przestrzeni kosmicznej, ponieważ mają one większy impuls właściwy (ciąg odniesiony do jednostki natężenia przepływu), a przede wszystkim mają możliwość wielokrotnego uruchamiania i wyłączania, co pozwala na korektę lotu statków kosmicznych, łącznie ze zmianą ich orbity. Natomiast silniki na stały materiał pędny znalazły zastosowanie przede wszystkim w technice wojskowej, z uwagi na bardzo krótki czas potrzebny do ich odpalenia, liczony od momentu podjęcia odpowiedniej decyzji. Rozwój silników odrzutowych trwa do dnia dzisiejszego. Jedynie silnik pulsacyjny nie spełnił pokładanych w nim początkowo nadziei i przestał być wykorzystywany jako źródło napędu dla dużych obiektów latających. Wykorzystuje się go obecnie w modelarstwie do napędu małych samolotów.
Natomiast samo spalanie pulsacyjne zostało wykorzystane do budowy wysokosprawnych palników pulsacyjnych wykorzystywanych jako źródło ciepła. Dzięki tym nowym napędom i dzięki rywalizacji powstałych po drugiej wojnie światowej bloków politycznych nastąpił w krótkim czasie niesłychany rozwój lotnictwa wojskowego, a następnie cywilnego oraz technik kosmicznych wykorzystujących napęd rakietowy. Duży udział mieli w tym specjaliści niemieccy, wykorzystywani po wojnie po obydwu stronach żelaznej kurtyny. Konstruktor rakiety V-2 Werner von Braun bardzo pomógł Amerykanom w budowie ich przemysłu rakietowego. Zaowocowało to zbudowaniem w 1947 roku pierwszego samolotu, który przekroczył barierę dźwięku - amerykański samolot doświadczalny Bell X-1. Równolegle rozwijano napęd turboodrzutowy, co doprowadziło do skonstruowania wojskowych samolotów osiągających prędkość kilkakrotnie przekraczającą prędkość dźwięku oraz do wprowadzenia do regularnej eksploatacji pierwszego samolotu pasażerskiego o prędkości naddźwiękowej - angielsko-francuski "Concorde" oblatany w 1969 roku. Dalszy rozwój techniki rakietowej doprowadził do skonstruowania międzykontynentalnych rakiet balistycznych na stały materiał pędny - przeznaczonych głównie do przenoszenia ładunków nuklearnych oraz rakiet na ciekły materiał pędny, które umożliwiły wystrzelenie 4.10.1957 roku pierwszego sztucznego satelity Ziemi - Sputnik 1. Kilka lat później 12.04.1961 roku nastąpiło wprowadzenie pierwszego człowieka na orbitę wokół Ziemi - Jurija Gagarina, a ukoronowaniem tej pierwszej fazy podboju kosmosu było lądowanie 20.7.1969 człowieka na Księżycu - Neila Armstronga i Edwina Aldrina. I w ten sposób rozpoczęła się era podboju przestrzeni kosmicznej, która trwa do dnia dzisiejszego i której końca nie da się przewidzieć.
W rozwoju techniki rakietowej Rosjanie początkowo uzyskali przewagę nad Amerykanami, ponieważ nie mieli baz wojskowych w pobliżu wybrzeży Ameryki i rakiety były im dramatycznie potrzebne do szybkiego i niezawodnego przenoszenia głowic atomowych ze swojego terytorium na teren Ameryki Północnej. Od razu po wojnie zaczęli intensywnie pracować nad rozwojem techniki rakietowej i zaskoczyli Amerykanów. Ogromne zasługi w osiągnięciu tego sukcesu położył wybitny konstruktor rakiet, a później statków kosmicznych Siergiej Korolow. Później prezydent Kennedy uruchomił potężne środki finansowe i Stany Zjednoczone wygrały ostatecznie wyścig do lądowania na Księżycu. Podbój kosmosu wymusił ogromny rozwój mikroelektroniki - łączność komórkowa, mikrokomputery, i innych dziedzin techniki, który zrewolucjonizował praktycznie wszystkie dziedziny życia na Ziemi. Krążące po orbitach wokół naszej planety załogowe stacje badawcze oraz setki sztucznych satelitów różnego przeznaczenia dostarczają nam na bieżąco olbrzymią liczbę informacji, które umożliwiają naukowcom lepsze poznanie budowy wszechświata oraz bardziej skuteczną realizację różnych zadań na Ziemi. Na przykład satelity geostacjonarne umożliwiają łatwe połączenie się z każdym punktem na powierzchni Ziemi oraz znakomicie ułatwiają nawigację - systemy GPS. Nie można tu nie wspomnieć o satelitach szpiegowskich fotografujących i penetrujących elektronicznie dowolny obszar na kuli ziemskiej oraz o satelitach wojskowych umożliwiających perfekcyjne naprowadzanie rakiet i różnego rodzaju pocisków na cele przeciwnika. Prom kosmiczny Discovery wyniósł w dniu 24.04.1990 na orbitę wokółziemską rewelacyjny teleskop Hubble'a, który po pewnych perypetiach został naprawiony na orbicie i umożliwił wykonanie doskonałych zdjęć głębi wszechświata, oddalonych od Ziemi o ponad 13 miliardów lat świetlnych. Było to możliwe dzięki wyeliminowaniu zniekształcającego obraz wpływu atmosfery ziemskiej i pozwoliło na lepsze poznanie historii wszechświata. W dniu 25.12.2021 Amerykanie wystrzelili na orbitę wokółsłoneczną jeszcze bardziej zaawansowany technicznie teleskop Jamesa Webba. Ma on dostarczać dane z jeszcze bardziej odległych obszarów przestrzeni międzygwiezdnej. Najnowsze osiągnięcia w dziedzinie poznawania kosmosu polegają na wysyłaniu satelitów na orbity wokół innych planet naszego Układu Słonecznego oraz lądowników osiadających na ich powierzchni. Szczególnym zainteresowaniem cieszy się planeta Mars, na powierzchni której dnia 18.02.2021 wylądował amerykański "łazik" nazwany perseverance (wytrwałość), którego celem było między innymi zbadanie możliwości istnienia życia na Marsie. W ostatnich latach obserwuje się w Europie silny trend zmierzający do stopniowego wygaszania stosowania silników spalinowych zasilanych benzyną, a szczególnie olejem napędowym, do napędzania pojazdów samochodowych. Dotyczy to szczególnie dużych miast. Alternatywą ma być paliwo wodorowe niegenerujące dwutlenku węgla w procesie spalania oraz samochody z napędem hybrydowym i elektrycznym. Jeżeli tak się stanie, będzie to kolejna rewolucja w obszarze transportu i komunikacji, która może nas jednak bardzo drogo kosztować.
Literatura do rozdziału pierwszego
1.1. Wójcicki S., Spalanie, Wydawnictwa Naukowo Techniczne, Warszawa 1969.
1.2. Praca zbiorowa, 100 wynalazków, które zmieniły świat, Axel Springer, 2010.
1.3. Wachal A., Materiały pędne i oleje silnikowe, Wydawnictwo Ministerstwa Obrony Narodowej, 1959.
3Własności fizykochemiczne pyłów
3.1. Wstęp
3.2. Podstawowe parametry fizyczne pyłów
3.2.1. Charakterystyczne średnice cząstki pyłu
3.2.2. Kształt cząstek pyłu
3.2.3. Powierzchnia cząstek pyłu
3.2.4. Powierzchnia właściwa cząstek pyłu
3.2.5. Objętość cząstek pyłu
3.2.6. Gęstość cząstek pyłu
3.2.7. Porowatość cząstek pyłu
3.2.8. Wilgoć i wilgotność cząstek pyłu
3.2.9. Stężenie pyłu w mieszaninie
3.2.10. Unoszenie i opadanie cząstek pyłu w powietrzu
3.3. Rozkłady wymiarowe cząstek pyłu
3.4. Analiza sitowa cząstek pyłu
3.5. Wpływ fizykochemicznych parametrów pyłów na ich wybuchowość
3.6. Podsumowanie
Literatura do rozdziału trzeciego
3.1. Wstęp
Pyłami będziemy nazywali cząstki rozdrobnionego ciała stałego, wytwarzane w procesach przeróbki mechanicznej lub transportu (pyły zbożowe ), rozproszone i unoszone w gazach, najczęściej w powietrzu. Istnieje szereg innych definicji pyłu, na przykład pył to małe cząstki ciała stałego rozproszone w atmosferze lub osiadłe na powierzchni, które mogą przez pewien czas tworzyć mieszaninę z powietrzem. W normie PN-ISO 4225 zakłada się podział pyłów na drobnoziarniste i gruboziarniste. W pyłach drobnoziarnistych średnica cząstek nie przekracza 75 ?m, natomiast w pyłach gruboziarnistych cząstki mają średnicę większą od 75 ?m. Wymiary i masa cząstek powinny być dostatecznie małe, tak aby czas stanu zawieszenia umożliwiał przeprowadzenie odpowiednich obserwacji. W warunkach życia codziennego pył obejmuje również takie określenia jak kurz czy proszek. Wszystkie te pojęcia mają wspólną cechę - oznaczają rozdrobnione ciało stałe występujące w postaci małych ziaren, zwanych często cząstkami. Przez cząstkę będziemy rozumieli małą odrębną część substancji stałej lub ciekłej. Do pyłów zaliczymy również cząstki stałe wytrącone z fazy gazowej i osadzone na powierzchni. Wtedy będziemy mówili o pyłach osiadłych. Jednym z zasadniczych parametrów charakteryzujących pyły jest średnica cząstek. Według Meldau'a [3.1] pyły możemy podzielić z uwagi na wielkość średnicy na: pył gruby - d > 500 ?m, pył średni - d = 50-500 ?m, pył drobny - d = 1-50 ?m, pył bardzo drobny - d < 1 ?m. Przez długi czas uważano, że wybuchową mieszaninę pyłowo-powietrzną mogą tworzyć cząstki pyłu o średnicy nieprzekraczającej 500 ?m. Obecnie w niektórych krajach przyjęto, że wybuchać mogą mieszaniny zawierające cząstki pyłu o średnicy rzędu 1000 ?m. Aktualne polskie przepisy dotyczące bezpieczeństwa pracy w górnictwie definiują pył jako ziarna przechodzące przez sito o oczku 1 mm. Powszechnie stosowany jest również podział cząstek pyłu na frakcje podsitowe, przechodzące przez sito 60 ?m i pozostałość nieprzechodzącą przez takie sito. Pyły stanowią jeden z elementów składowych aerozoli.
Aerozole to wielofazowe układy cząstek stałych lub ciekłych rozproszonych w powietrzu lub w innych gazach. A zatem do składników aerozoli możemy zaliczyć ciała stałe, ciecze i gazy. Typ aerozolu będzie zależał od tego, która z tych faz występuje w stanie rozproszonym. Głównymi składnikami aerozoli są pyły zawierające cząstki o różnej geometrii i różnej średnicy, w tym cząstki włókniste oraz dymy i mgły. Cząstki włókniste to cząstki aerozolu, które spełniają następujące warunki: stosunek długości do średnicy l / d > 3, długość l > 5 ?m, a średnica d < 3 ?m [3.2]. Typowym przykładem cząstek włóknistych są cząstki azbestu. Dymy są to cząstki ciała stałego rozproszone w gazach, najczęściej w powietrzu, wytworzone w procesach termicznych lub chemicznych. Typowym przykładem są tutaj dymy powstałe w wyniku niecałkowitego spalania substancji organicznych i wydzielania zanieczyszczeń, na przykład sadza lub lotne popioły. Średnica cząstek decyduje też o możliwości oddziaływania pyłu na organizm człowieka. Najdrobniejsze cząstki o średnicy rzędu kilku mikrometrów stanowią tzw. frakcję respirabilną, która osadza się w pęcherzykach płucnych. Frakcja o średnicy cząstek do kilkunastu mikrometrów, zwana frakcją płucną, osadza się w tkance płucnej, natomiast cząstki o średnicy do stu kilkunastu mikrometrów, zwane frakcją wdychaną, przedostają się do układu oddechowego człowieka. Wszystkie te frakcje mogą być przyczyną poważnej choroby, jaką jest pylica [3.2]. Zapadają na nią najczęściej osoby pracujące w zamkniętych, trudnych do wentylacji zapylonych pomieszczeniach, na przykład górnicy.
Oprócz średnicy pyły charakteryzowane są przez inne parametry, takie jak: geometria cząstek, porowatość, zawartość wilgoci i skład chemiczny. Parametry te wpływają przede wszystkim na własności wybuchowe pyłu. Stężenie pyłu w mieszaninie z gazem, którym jest najczęściej powietrze, podajemy zwykle w kg pyłu na m3 mieszaniny, [kg / m3] lub w [g / m3]. Natomiast w przypadku pyłów osiadłych podajemy masę pyłu przypadającą na jednostkę powierzchni pokrytą pyłem, najczęściej [kg / m2] lub [g / m2]. Stwierdzono, że szkodliwość pyłów dla zdrowia zależy nie tylko od ich wymiarów, ale przede wszystkim od ich składu chemicznego. Obecność w składzie chemicznym cząstki, związku lub pierwiastka o ustalonej szkodliwości, na przykład kwarcu, decyduje o jej chorobotwórczym działaniu. Z kolei w odniesieniu do wybuchowości pyłów, oprócz rozmiaru i kształtu ziaren, ich składu chemicznego, zawartości części lotnych i części niepalnych, istotna jest również reaktywność z tlenem, czyli palność substancji, z których składa się cząstka.
3.2. Podstawowe parametry fizyczne pyłów
3.2.1. Charakterystyczne średnice cząstki pyłu
Jednym z zasadniczych parametrów mających wpływ na własności pyłów i ich oddziaływanie w różnych środowiskach jest średnica cząstki. Ponieważ w procesach przemysłowych związanych z powstawaniem pyłów, takich jak mielenie czy rozdrabnianie ciał stałych, praktycznie nie uzyskujemy cząstek idealnie sferycznych, musimy wprowadzić pojęcie średnicy równoważnej [3.2]. Można ją określić jako:
- równoważną średnicę projekcyjną - odpowiadającą średnicy koła o powierzchni równej równoległemu rzutowi ziarna na płaszczyznę,
- równoważną średnicę objętościową lub średnicę geometryczną - odpowiadającą średnicy kuli o tej samej objętości co rozpatrywana cząstka pyłu,
- równoważną średnicę aerodynamiczną - definiowaną dla cząstki dowolnego kształtu i gęstości jako średnica kuli o gęstości 1 g / cm3, która w nieruchomym (lub znajdującym się w przepływie laminarnym) powietrzu, opada z taką samą prędkością jak rozpatrywana cząstka,
- równoważną średnicę dyfuzyjną, dla cząstek bardzo małych, w zakresie odpowiadającym ruchom Browna.
Ponieważ najczęściej mamy do czynienia z pyłem zawieszonym i unoszącym się w powietrzu, najbardziej użyteczna jest zwykle średnica aerodynamiczna. Średnica ta w odniesieniu do cząstek substancji o gęstości większej od 1 g / cm3 jest większa od średnicy geometrycznej.
Zdarzają się jednak w przyrodzie pyły naturalne, na przykład zarodniki widłaka (lycopodium), które mają bardzo powtarzalną średnicę, równą ok. 30 ?m, z odchyłką nieprzekraczającą + / - kilku mikrometrów (rys. 3.1a).
Rys. 3.1. Zdjęcia mikroskopowe: a) zbioru pojedynczych cząstek likopodium - widoczna dobra powtarzalność średnicy cząstek, b) pojedynczej cząstki likopodium - potwierdza się bardzo silna porowatość cząstki, można również zauważyć, że kształt cząstki nie jest idealnie sferyczny
Ponieważ cząstki likopodium mają strukturę silnie porowatą (rys. 3.1b) i w związku z tym stosunkowo małą gęstość materiałową, nadają się bardzo dobrze do badania modelowych procesów spalania oraz do wizualizacji przepływów, zarówno w objętości strugi gazowej, jak i na powierzchni cieczy. Powierzchnia reakcji takich cząstek w procesie spalania jest o wiele większa od ich powierzchni zewnętrznej wynikającej z kulistego kształtu.
3.2.2. Kształt cząstek pyłu
Zagadnieniem kształtu drobnych cząstek ciała stałego zajmuje się nauka zwana morfologią pyłów. Celem tej nauki jest określenie wpływu kształtu lub budowy cząstek na pewne ich własności, na przykład na prędkość ich swobodnego opadania w powietrzu, czy intensywność pochłaniania lub rozpraszania światła. Na tę ostatnią właściwość wpływ ma budowa chemiczna i krystaliczna cząstki. Morfologia pyłów wykorzystuje możliwości, jakie daje nam mikroskopia optyczna, elektronowa rentgenografia, elektronografia, analiza chemiczna i inne. Najczęściej jednak mamy do czynienia z określeniem rozmiaru i kształtu cząstek. Badania mikroskopowe kształtu cząstek w układzie płaskim polegają na przyrównaniu ich geometrii do pewnych wybranych kształtów geometrycznych. Możemy wtedy wyróżnić cząstki podobne do kół, kwadratów, prostokątów, trójkątów i wydłużonych włókien (rys. 3.2) [3.3]
Rys. 3.2. Przyporządkowanie różnych kształtów cząstek (a,b,c,d,e) do figur geometrycznych w układzie płaskim
Stwierdzono, że wymieniona geometria obejmuje w praktyce geometrię ziaren większości pyłów przemysłowych, przy czym udziały ilościowe i wagowe ziaren o określonym kształcie charakteryzują się przypadkowym rozrzutem. Poza niektórymi pyłami naturalnymi, jedynie pyły pochodzące z procesów kondensacyjnych charakteryzują się zwykle kształtem podobnym do kulistego i podobną średnicą.
3.2.3. Powierzchnia cząstek pyłu
Deriagin [3.4] proponuje rozróżnienie dwóch rodzajów powierzchni cząstek:
- powierzchnię statyczną (adsorpcyjną lub bezwzględną),
- powierzchnię kinetyczną (zewnętrzną lub pozorną).
Powierzchnia statyczna jest to całkowita powierzchnia cząstki wraz z powierzchnią porów, do których istnieje dostęp z zewnątrz cząstki. Jest to więc całkowita powierzchnia, na której może zostać zaadsorbowana substancja o wymiarach cząstek mniejszych od wymiaru porów. Natomiast powierzchnia kinetyczna jest to powierzchnia zewnętrzna cząstki bez uwzględnienia powierzchni porów. Można założyć, że jest to powierzchnia cząstki nieporowatej. Z pewnym przybliżeniem można przyjąć, że powierzchnię tę omywa przepływający gaz. Stąd nazwa powierzchnia kinetyczna.
3.2.4. Powierzchnia właściwa cząstek pyłu
Powierzchnia właściwa jest to powierzchnia cząstki przypadająca na jednostkę jej masy. Jeżeli do obliczenia powierzchni właściwej przyjmiemy powierzchnię statyczną lub kinetyczną, to otrzymamy odpowiednio właściwą powierzchnię statyczną lub właściwą powierzchnię kinetyczną. Dla cząstek o stałej porowatości i takim samym kształcie powierzchnia właściwa maleje ze wzrostem wymiaru cząstki. Przy pomiarach pyłów kinetyczna powierzchnia właściwa jest wykorzystywana jako pewien miernik rozdrobnienia pyłu, natomiast statyczna powierzchnia właściwa - jako miara porównawcza aktywności powierzchniowej pyłu z materiałem o tej samej aktywności jednostkowej. Może to być aktywność chemiczna, elektrostatyczna lub inna. Powierzchnia właściwa cząstek pyłu jest bardzo wygodnym parametrem charakteryzującym rozdrobnienie pyłu. Powierzchnia właściwa SW jest miarą powierzchni zewnętrznej (bez uwzględnienia porowatości cząstki) cząstek zawartych w jednostce masy pyłu. Wartość powierzchni właściwej jest odwrotnie proporcjonalna do średniej średnicy cząstek. Za jednostkę masy pyłu przyjmujemy zwykle 1 kg. Możemy ją wyznaczyć z podanej niżej zależności [3.2]
[3.1]
gdzie: dX1 - średnia średnica ziaren danej klasy wymiarowej [m], ?p - gęstość pyłu, [kg / m3], D1 - udział masowy danej klasy ziarnowej [%].
3.2.5. Objętość cząstek pyłu
Podobnie jak to zrobiono dla powierzchni, można rozróżnić objętość statyczną (bezwzględną) cząstki VB, ograniczoną powierzchnią statyczną (bezwzględną), oraz objętość kinetyczną (pozorną) VZ, ograniczoną powierzchnią kinetyczną (zewnętrzną). Wynikają stąd analogiczne jak dla powierzchni definicje właściwej objętości statycznej i kinetycznej. Ogólnie objętość właściwą możemy wyrazić jako
VXW = VX / m [m3 / kg]
[3.2]
gdzie: VXW - objętość właściwa cząstki (statyczna lub kinetyczna) [m3 / kg], VX - objętość cząstki (statyczna lub kinetyczna) [m3], m - masa cząstki [kg].
Ponieważ m = VX ? ?X, to mamy VXW = 1 / ?X [m3 / kg], gdzie ?X - gęstość cząstki [kg / m3]. Wynika stąd, że objętość właściwa jest dla cząstki danego materiału stała i niezależna od jej wymiarów. Między objętościami lub objętościami właściwymi cząstki zachodzą zawsze zależności
VZ > VB oraz VZW > VBW
[3.3]
gdzie: VZ - objętość kinetyczna (pozorna), VB - objętość statyczna (bezwzględna), VZW - objętość kinetyczna właściwa, VBW - objętość statyczna właściwa.
Natomiast między powierzchniami a powierzchniami właściwymi występują odwrotne zależności, czyli
S < SC oraz SW < SCW
[3.4]
gdzie: S - powierzchnia kinetyczna (pozorna), SC - powierzchnia statyczna (bezwzględna), SW - powierzchnia kinetyczna właściwa, SCW - powierzchnia statyczna właściwa.
Wskaźnik "w" oznacza objętość właściwą lub powierzchnię właściwą.
3.2.6. Gęstość cząstek pyłu
Podobnie jak dla objętości, rozróżnia się dwa rodzaje gęstości cząstek: gęstość bezwzględną (statyczną) oraz gęstość pozorną (kinetyczną). Gęstość bezwzględna jest to stosunek masy cząstki do jej objętości bezwzględnej, tzn. do objętości jednolitego materiału cząstki - bez porów. Natomiast gęstość pozorna jest to stosunek masy cząstki do jej objętości pozornej, tzn. do objętości całkowitej - wraz z porami. Stąd mamy
?B = m / VB [kg / m3] oraz ?Z = m / VZ = [kg / m3]
[3.5]
gdzie: ?B - gęstość bezwzględna cząstki [kg / m3], ?Z - gęstość pozorna cząstki [kg / m3], VB - objętość bezwzględna cząstki [m3], VZ - objętość pozorna cząstki [m3], m - masa cząstki [kg].
Ponieważ VZ > VB, to między ?B i ?Z zachodzi zawsze zależność ?B > ?Z.
W odniesieniu do materiałów sypkich, a do takich należy zaliczyć pyły, występuje jeszcze pojęcie gęstości usypowej. Gęstość usypowa jest to masa pyłu, najczęściej suchego, podzielona przez objętość, jaką ten pył zajmuje, czyli
?U = m / V [kg / m3]
[3.6]
gdzie: m - masa pyłu [kg], V - objętość zajmowana przez pył [m3].
Gęstość usypowa pyłu jest zawsze mniejsza od gęstości materiału, z którego powstał pył. Im drobniejsze ziarna, tym różnica ta jest mniejsza.
3.2.7. Porowatość cząstek pyłu
Bardzo często się zdarza, że cząstki pyłów nie są jednolite, lecz mają strukturę porowatą. Możemy tutaj wymienić wiele pyłów roślinnych, jak pyły zbożowe, wspomniane już likopodium, i wiele innych. Strukturę taką wykazują również pyły węgla brunatnego i cząstki materiałów powstających w procesie spiekania, na przykład pył koksu. Najczęściej spotykamy trzy rodzaje porów: pory półotwarte, pory otwarte i pory zamknięte [3.3]. Wymienione rodzaje porów przedstawiono na rys. 3.3.
Rys. 3.3. Schematy typowych porów występujących w cząstkach pyłów. a) por półotwarty, b) por otwarty, c) por zamknięty
W praktyce najczęściej mamy do czynienia z cząstkami zawierającymi pory półotwarte i otwarte. Cząstki takie mają większą powierzchnię statyczną w stosunku do takich samych cząstek nieporowatych, a zatem ich powierzchnia aktywna jest większa. Cząstki o porach zamkniętych występują rzadziej. Powstają one w procesach kondensacji, kiedy pęcherzyki gazu zostają uwięzione w objętości cząstki. Masa cząstki porowatej jest zawsze mniejsza od takiej samej cząstki nieporowatej. Cząstki zawierające pory charakteryzuje parametr zwany porowatością. Porowatość jest to stosunek objętości porów cząstki do kinetycznej (pozornej) objętości cząstki
?C = VP / VZ
[3.7]
gdzie: ?C - porowatość cząstki, VP - objętość porów, VZ - objętość pozorna (kinetyczna). Objętość porów w cząstce VP = VZ - VB [m3], gdzie VB - objętość bezwzględna cząstki.
Przykładem silnie porowatych cząstek jest wspomniany już wcześniej pył likopodium (rys. 3.1b).
3.2.8. Wilgoć i wilgotność cząstek pyłu
Wilgotność pyłów odgrywa bardzo ważną rolę w procesie ich spalania, dlatego też warto bliżej zapoznać się z tym zagadnieniem. Wilgocią nazywamy wodę w postaci wody lub pary, znajdującą się na powierzchni lub wewnątrz cząstki. Rozróżniamy wilgoć swobodną (przemijającą) i wilgoć związaną. Wilgoć swobodna jest to wilgoć niezwiązana chemicznie z substancją cząstki. Wilgoć tę można odparować przy dowolnej temperaturze wyższej od temperatury otoczenia. Natomiast wilgoć związana jest to wilgoć chemicznie związana z cząsteczkami pierwiastków wchodzących w skład substancji cząstki. Odparowanie tej wilgoci może nastąpić w określonej, odpowiednio wysokiej temperaturze, której wartość zależy od siły wiązań. Nawilgacanie jest to zdolność do przyjmowania wilgoci. Wielkość tę można wyrazić przez masę lub objętość wilgoci przyjmowanej w określonych warunkach przez jednostkę masy, objętości lub powierzchni cząstki, w jednostce czasu. Wilgotność jest to wilgoć właściwa, tzn. ilość wilgoci przypadająca na jednostkę masy, objętości lub powierzchni cząstki. Wilgotność tę można przedstawić jako:
- wilgotność masową, Xm [kg / kg],
- wilgotność objętościową, XV [m3 / m3],
- wilgotność masowo-objętościową, Xm,V [kg / m3],
- wilgotność objętościowo-masową, XV,m [m3 / kg],
- wilgotność masowo-powierzchniową, Xm,S [kg / m2],
- wilgotność objętościowo-powierzchniową, XV,S [m3 / m2].
Każdy z tych rodzajów wilgotności może być wyrażony jako wilgotność bezwzględna lub względna. Wilgotność bezwzględna jest to masa lub objętość wilgoci przypadająca na jednostkę masy, objętości lub powierzchni cząstki. Zależność tę można przedstawić ogólnym wzorem
X = IA / IB
[3.8]
gdzie: X - wilgotność bezwzględna, IA - masa lub objętość wilgoci, IB - masa, objętość lub powierzchnia cząstki.
Natomiast wilgotność względna jest to stosunek wilgotności bezwzględnej, jaką ma cząstka, do maksymalnej wilgotności bezwzględnej, jaką cząstka może mieć w danych warunkach temperatury i ciśnienia, czyli do tzw. wilgotności nasycenia. Zgodnie z tą definicją wilgotność względną możemy wyrazić wzorem
? = X / XN lub ? = X / XN ? 100%
[3.9]
gdzie: ? - wilgotność względna cząstki, X - wilgotność bezwzględna cząstki, XN - wilgotność nasycenia.
3.2.9. Stężenie pyłu w mieszaninie
W badaniach procesów spalania pyłów stężenie pyłu w mieszaninie z powietrzem odgrywa kluczową rolę. Stężenie to podajemy z reguły w postaci masy pyłu przypadającej na jednostkę objętości mieszaniny pyłowo-powietrznej. Zwykle są to [g / m3] lub [kg / m3]. Należy jednak pamiętać, że są to zawsze wartości uśrednione w całej objętości, ponieważ nie potrafimy wytwarzać idealnie jednorodnych mieszanin pyłowo-gazowych, gdzie stężenie w każdym punkcie mieszaniny byłoby identyczne. Dotyczy to zarówno instalacji laboratoryjnych, jak i urządzeń technicznych. Można założyć, że im bogatsza mieszanina pyłowo-powietrzna, tym bardziej jest niejednorodna. Dlatego nie wyznaczamy górnej granicy wybuchowości mieszanin pyłowo-powietrznych. Do oceny stężenia pyłu w obłoku możemy wykorzystać obserwowany spadek widoczności. Przy stężeniu pyłu w mieszaninie równym 40 g / m3 lampa z żarnikiem o mocy 25 W przestaje być widoczna z odległości 2 m , natomiast przy stężeniu 65 g / m3 człowiek nie widzi własnej wyciągniętej dłoni [3.5]. Wartości te należy traktować jako orientacyjne, ponieważ własności optyczne ziaren pyłu, takie jak zdolność pochłaniania i odbijania promieniowania, mogą się zmieniać w szerokim zakresie, w zależności od rodzaju pyłu.
3.2.10. Unoszenie i opadanie cząstek pyłu w powietrzu
W nieruchomym powietrzu cząstki pyłu o średnicy 1-100 ?m opadają swobodnie w ziemskim polu grawitacyjnym. W strumieniu powietrza cząstki pyłu unoszone są nieraz na znaczne odległości. Cząstki wytrącone ze strumienia powietrza tworzą pył osiadły. Pył ten może, w określonych warunkach, zostać ponownie poderwany i wytworzyć wybuchową mieszaninę pyłowo-powietrzną. Drobne cząstki pyłu, do ok. 100 ?m mogą przedostać się do układu oddechowego człowieka i stworzyć zagrożenia dla jego zdrowia. Należy zwrócić uwagę na silny wpływ rozkładu wymiarowego ziaren na strukturę mieszaniny pyłowo-gazowej. Ponieważ masa ziarna jest proporcjonalna do trzeciej potęgi jego średnicy, to cząstka o średnicy 5 ?m jest równoważna masie 125 cząstek o średnicy 1 ?m, natomiast cząstka o średnicy 10 ?m jest równoważne masie 1000 cząstek o średnicy 1 ?m. Na cząstki pyłu poruszające się w ciągłym ośrodku gazowym działają trzy rodzaje sił: siły zewnętrzne, na przykład siły grawitacyjne, siły oporu ośrodka i siły wzajemnego oddziaływania cząstek, tzw. siły kohezji. W zależności od wzajemnych relacji między tymi siłami cząstki pyłu mogą albo opadać, albo przemieszczać się na znaczne odległości, lub też tworzyć aglomeracje. Ten ostatni przypadek dotyczy przede wszystkim cząstek najmniejszych, o średnicy poniżej 10 ?m.
3.3. Rozkłady wymiarowe cząstek pyłu
Praktycznie wszystkie pyły powstające w wyniku realizacji różnych procesów technologicznych stanowią pyły polidyspersyjne, tzn. pyły, których średnica zmienia się w pewnych granicach. Im szersze są te granice, tym bardziej polidyspersyjny jest pył. Praktycznie nie można określić, ile cząstek pyłu o dokładnie określonej średnicy znajduje się w danej próbce, ale można określić, ile cząstek pyłu w określonym przedziale średnicy znajduje się w określonej próbce. Zależność między względną liczbą cząstek z danego przedziału średnicy a wielkością średnicy cząstki nazywa się rozkładem wymiarowym pyłu. Prezentacją graficzną rozkładu wymiarowego jest krzywa rozkładu wymiaru cząstek (PN-ISO 4225 / Ak: 1999). Przez względną liczbę cząstek będziemy rozumieli stosunek liczby cząstek w danym przedziale średnic do całkowitej liczby cząstek w próbce. Jako średnicę ziarna można przyjąć, w zależności od potrzeby, średnicę aerodynamiczną, średnicę geometryczną lub inną. W przypadku pyłu polidyspersyjnego zmienną losową jest średnica ziarna, a przestrzenią prób - zakres średnic występujących w próbie. Rozkład wymiarowy próby pyłu wyznacza się doświadczalnie, pobierając z populacji generalnej próbę reprezentatywną, za pomocą urządzenia umożliwiającego rozdzielenie cząstek pod względem rozmiaru. W ten sposób określa się liczbę lub masę cząstek w danej frakcji wymiarowej. Im węższe przedziały można uzyskać przy wykorzystaniu danego urządzenia pomiarowego, tym w efekcie uzyskujemy dokładniejszy rozkład wymiarowy. Histogram takiego przykładowego rozkładu wymiarowego pokazano na rys. 3.4. Sporządzono go na podstawie danych zawartych w tabeli 3.1 [3.2].
Tabela 3.1. Przykład rozkładu wymiarowego cząstek pyłu (oznaczenia mikroskopowe)
Ziarna
Zakres średnic ziaren [?m]
2,0-4,0
4,0-5,5
5,5-7,0
7,0-8,5
8,5-10,0
10,0-12,0
12,0-13,5
13,5-15,0
15,0-16,0
16,0-18,0
>18,0
liczba
40
60
150
240
240
120
40
40
40
10
20
suma
40
100
250
490
730
850
890
930
970
980
1000
Ogólna liczba policzonych ziaren wynosiła 1000. Na osi rzędnych mamy względną liczbę cząstek w danym przedziale średnic.
Rys. 3.4. Przykładowy histogram rozkładu wymiarowego i rozkład różniczkowy średnic cząstek pyłu, wykonany zgodnie z danymi zawartymi w tabeli 3.1 [3.2]
Jest to wykres przedstawiający zależność względnej liczby cząstek w danej klasie wymiarowej, wykonany w postaci słupków. Histogram wygładza się, tworząc jedną ciągłą krzywą, która przedstawia różniczkowy rozkład wymiarowy. Im większa jest próbka i bardziej gęste próbkowanie, tym dokładniejsza jest krzywa. Urządzenia do wyznaczania rozkładów wymiarowych dają na wyjściu względną liczbę ziaren o średnicy większej od zadanej. Taki jest wynik analizy sitowej, w której otrzymuje się pozostałość na poszczególnych, coraz gęstszych sitach. Sumując kolejne słupki, możemy z rozkładu różniczkowego uzyskać całkowy rozkład wymiarowy - rys. 3.5.
Rys. 3.5. Całkowy rozkład wymiarowy średnic pyłu
Rozkład całkowy również się wygładza przez dobranie odpowiedniej krzywej ciągłej. Rozkład ten jest łatwiejszy do stosowania w praktyce. Pokazuje on, jaka liczba lub masa cząstek pyłu ma średnicą większą lub mniejszą od zadanej średnicy. Praktycznie najlepiej ilustruje to analiza sitowa, w której określa się masę pyłu pozostającego na danym sicie i masę pyłu przechodzącego przez dane sito. Z rozkładu całkowego możemy wyznaczyć tzw. medianę rozkładu. Jest to odcięta (wartość średnicy ziarna dmed) punktu krzywej rozkładu całkowego, którego współrzędna wynosi 0,5 lub 50%. Jest to taka średnica ziaren, dla której 50% masy cząstek ma średnicę większą od dmed, a 50% ma średnicę mniejszą od dmed.
3.4. Analiza sitowa cząstek pyłu
Najczęściej stosowaną metodą analizy ziarnowej jest przesiewanie pyłu przez szereg sit o znanych rozmiarach oczek, ustawionych jedno na drugim. Sita wykonane są z drutu, a wymiary kwadratowych oczek są znormalizowane. Sita ustawia się na wstrząsarce w taki sposób, że wymiary oczka maleją od górnego do dolnego sita. Ważąc masę pyłu zatrzymanego na poszczególnych sitach o znanej średnicy oczek oraz masę pyłu przechodzącego przez dane sito, możemy wykonać analizę sitową. Do analizy sitowej zwykle stosuje się sita o wielkości oczek od 20 ?m do 1 mm. Aby pokazać, jak bardzo mogą się różnić cząstki różnych wybuchowych pyłów organicznych, przedstawiono zdjęcia elektronowe trzech wybranych pyłów przemysłowych: skrobi kukurydzianej, węgla brunatnego i owsa - rys. 3.6-3.8.
Rys. 3.6. Zdjęcia mikroskopowe cząstek pyłu skrobi kukurydzianej. Powiększenie: a) 755×, b) 5000×
Rys. 3.7. Zdjęcia mikroskopowe cząstek pyłu węgla brunatnego. Powiększenie: a) 125×,b) 5000×
Rys. 3.8. Zdjęcia mikroskopowe cząstek pyłu owsa. Powiększenie: a) 500×, b) 2300×.
Zdjęcia mikroskopowe pozwalają określić średnicę cząstek oraz dokładnie poznać ich strukturę. Najdrobniejsze cząstki o bardzo małym rozrzucie średnic ma skrobia kukurydziana. Powierzchnia ziaren nie wykazuje struktury porowatej, jest zdecydowanie gładka. Średnia średnica ziaren jest rzędu 30 ?m. Ziarna węgla brunatnego mają silnie porowatą strukturę, bardzo podobną dla wszystkich ziaren. Średnia średnica cząstek jest rzędu 80 ?m. Najbardziej rozbudowaną strukturę porowatą wykazują cząstki pyłu owsa. Widoczne są znaczne różnice między poszczególnymi cząstkami, Można zaobserwować specyficzne źdźbła - bardzo wydłużone cząstki. Średnia średnica cząstek jest rzędu 70 ?m.
Najbardziej niebezpieczna pod względem wybuchowym jest skrobia kukurydziana. Analizę sitową wykonano w firmie Kamika Instruments w Warszawie, przy użyciu algorytmu programu IPS.
Algorytm programu IPS
Algorytm programu został wykonany dla cząstek sferycznych. Poniżej podano zależności oraz postać zapisu matematycznego, która ujmuje wszystkie zależności opisane w programie. W przypadku "p" pomiarów wykonanych przez użytkownika wyniki można zapisać w postaci macierzy
gdzie: d - średnica cząstek, n - liczba zmierzonych cząstek, i - bieżąca liczba klas wymiarowych (max. 64), j - bieżąca liczba pomiarów, k - skończona liczba klas wymiarowych, p - skończona liczba pomiarów, x - współrzędna innego zmiennego parametru.
Na podstawie pomiarów można obliczyć charakterystyki, które jednoznacznie będą określały zbiór cząstek. Ze względu na bardzo duże ilości cząstek rejestrowanych podczas pomiarów przedstawiona metoda opracowania danych umożliwia szybkie otrzymanie wyników w pewnej usystematyzowanej formie za pomocą metod numerycznych. Na podstawie zarejestrowanych wyników można obliczyć średnie średnice występujące w danej strefie obszaru zbioru cząstek, jak również w całym zbiorze:
- średnia arytmetyczna średnica,
- średnia powierzchniowa średnica,
- średnia objętościowa średnica,
- średnia objętościowa średnica zważona wg powierzchni Sautera,
gdzie: .
Mając daną ilość cząstek w każdej klasie pomiarowej dla wszystkich stref obszaru badanego, można obliczyć średnie średnice cząstek dla całego zbioru według następujących wzorów:
- średnia arytmetyczna średnica,
- średnia powierzchniowa średnica,
- średnia objętościowa średnica,
- średnia objętościowa średnica zważona wg powierzchni.
Całkowite udziały objętościowe, powierzchniowe i średnicowe danej klasy wymiarowej średnic w całym zbiorze:
- całkowity udział średnicowy i-tej klasy wymiarowej,
- całkowity udział powierzchniowy i-tej klasy wymiarowej.
Wyniki otrzymano w pewnej usystematyzowanej formie za pomocą metod numerycznych. Na podstawie zarejestrowanych wyników można obliczyć średnie średnice występujące w danej strefie obszaru zbioru cząstek, jak również w całym zbiorze:
- średnia arytmetyczna średnica,
- średnia powierzchniowa średnica,
- średnia objętościowa średnica,
- średnia objętościowa średnica zważona wg powierzchni (Sautera),
gdzie: .
Mając daną ilość cząstek w każdej klasie pomiarowej dla wszystkich stref obszaru badanego, można obliczyć średnie średnice cząstek dla całego zbioru według następujących wzorów:
- średnia arytmetyczna średnica,
- średnia powierzchniowa średnica,
- średnia objętościowa średnica,
- średnia objętościowa średnica zważona wg powierzchni.
Całkowite udziały objętościowe, powierzchniowe i średnicowe danej klasy wymiarowej średnic w całym zbiorze:
- całkowity udział średnicowy i-tej klasy wymiarowej,
- całkowity udział powierzchniowy i-tej klasy wymiarowej,
- całkowity udział objętościowy i-tej klasy wymiarowej,
gdzie: .
Całkowitym udziałem objętościowym BVi będzie stosunek objętości, jaki reprezentuje ilość cząstek w danej klasie wymiarowej średnicy di do objętości w całym zbiorze "i" reprezentowanym przez średnią objętościową średnicę dV. W analogiczny sposób można zdefiniować całkowite udziały powierzchniowe i średnicowe. Wyniki badań pokazano na rys. 3.9-3. 11.
Rys. 3.9. Wyniki analizy sitowej pyłu węgla brunatnego
Rys. 3.10. Rozkład 1-całkowy udziału objętościowego badanych pyłów. Od lewej: pył owsa, pył skrobi, pył węgla brunatnego
Na podstawie wyników przeprowadzonej analizy sitowej możemy stwierdzić, że podobnie jak to wykazała analiza fotograficzna, najdrobniejszą strukturę spośród badanych pyłów mają cząstki skrobi kukurydzianej. Większość ziaren jest podobnej wielkości. W próbce pyłu znajdowały się ziarna o średnicy od 5 do 63 ?m. Przez sito o średnicy oczek równej 28 ?m przechodzi ok. 50% masy pyłu. Pył węgla brunatnego zawiera cząstki o średnicy od 10 do ok. 300 ?m, lecz widoczne są również pojedyncze cząstki o średnicy dochodzącej nawet do 500 ?m. Przez sito o średnicy oczek równej 100 ?m przechodzi ok. 50% masy pyłu. Pył owsa ma cząstki mniejsze od pyłu węgla, ale większe od pyłu skrobi. Średnica cząstek zawiera się w granicach 100 do 170 ?m. Podobnie jak w pyle węgla brunatnego widoczne są większe cząstki, ich średnica nie przekracza jednak 200 ?m. Przez sito o średnicy oczek równej 63 ?m przechodzi ok. 50% masy pyłu. Powyższe wyniki uzyskano w oparciu o wykresy udziału wagowego dla poszczególnych pyłów. Potwierdza to wykres zestawieniowy rozkładu 1-całkowego udziału objętościowego, rys. 3.10 oraz wykres Rosina-Rammlera-Sperlinga-Benetta, rys. 3.11.
Rys. 3.11. Wykres Rosina-Rammlera-Sperlinga-Benetta. Od dołu: pył węgla brunatnego, pył skrobi, pył owsa
3.5. Wpływ fizykochemicznych parametrów pyłów na ich wybuchowość
Do najważniejszych fizykochemicznych parametrów pyłów zaliczymy tutaj wilgotność pyłu, średnicę i strukturę ziaren oraz skład chemiczny i związaną z nim wartość opałową.
Wilgotność
Stwierdzono, że wilgotność pyłu ma bardzo duży wpływ na jego parametry wybuchowości. Dotyczy to szczególnie minimalnej energii zapłonu Emin, maksymalnego ciśnienia wybuchu pmax oraz maksymalnej szybkości narastania ciśnienia wybuchu (dp / dt)max. Stwierdzono, że ze wzrostem wilgotności energia zapłonu Emin szybko rośnie, natomiast pozostałe dwa parametry maleją. Przeprowadzono szczegółowe badania, czy możliwy jest zapłon mieszaniny mąka-powietrze od wyładowań elektrostatycznych pojawiających się podczas napełniania silosu mąką. Zmierzono parametry tych wyładowań: energia 10-160 mJ, czas trwania 0,8-1,0 ms oraz maksymalne napięcie 25 kV. Źródłem tych wyładowań jest elektryczność statyczna powstająca na powierzchni ziaren mąki w wyniku gwałtownego ocierania się cząstek podczas pneumatycznego wprowadzania do silosu strugi mąki pod znacznym ciśnieniem. Stężenie pyłu mąki w powietrzu jest tam wtedy znacznie większe od dolnej granicy wybuchowości. Z uwagi na wysokie napięcie wyładowania elektrostatyczne mogą być bardzo długie. Następnie, wykorzystując specjalny generator symulujący podobne wyładowania elektrostatyczne, określono minimalną energię zapłonu wybranych typów mąki pszennej i żytniej. Typowa wilgotność handlowej mąki wynosi ok. 14%. Technologie wykorzystywane w przemyśle piekarskim wymagają, by wilgotność mąki przeznaczonej do produkcji była nie mniejsza niż 10%. Wyniki badań dwóch typów mąki pszennej dotyczące zależności Emin od wilgotności mąki pokazano na rys. 3.12. Ponieważ dla krytycznej wilgotności mąki Wkr = 10% minimalna energia zapłonu Emin ? 1,07 J (mąka pszenna 850, C = 0,46 kg / m3) oraz Emin ? 1,6 J (mąka pszenna 500, C = 0,46 kg / m3), natomiast energia wyładowań elektrostatycznych zmierzona w silosie nie przekraczała 160 mJ, to można powiedzieć, że nie istnieje niebezpieczeństwo zapłonu mieszaniny mąka-powietrze od wyładowań elektrostatycznych generowanych podczas napełniania silosu mąką. Stwierdzono również, że po przekroczeniu Wkr minimalna energia zapłonu gwałtownie rośnie dla obydwu typów maki. Ale jeśli tę samą mąkę wysuszymy do wilgotności ok. 1%, to wtedy Emin wynosi już tylko 28 mJ i 40 mJ odpowiednio dla mąki pszennej "850" i "500", zatem jest dużo niższa od energii wyładowań elektrostatycznych pojawiających się w silosie. W tej sytuacji mielibyśmy pewny wybuch. Jak widać, znajomość Emin dla pyłów o różnej wilgotności może czasem decydować o bezpiecznej pracy w warunkach przemysłowych. Dodatkowo wzrost wilgotności pyłu zwiększa jego lepkość, skłonność do tworzenia aglomeracji oraz utrudnia proces rozpylania. Wszystko to razem wzięte obniża zagrożenie zainicjowania wybuchu. Przyjmuje się, że pyły o wilgotności większej od 20% nie przenoszą już wybuchu. Nie dotyczy to jednak sytuacji, kiedy mamy do czynienia z bardzo silnym inicjałem zapłonowym. Takie sytuacje występują czasami w głębinowych kopalniach węgla kamiennego. Więcej na ten temat można znaleźć w pracy [3.6].
Rys. 3.12. Zależność minimalnej energii zapłonu od wilgotności mąki
Średnica i struktura ziaren
Wraz ze zmniejszaniem się średnicy i wzrostem porowatości cząstek rośnie wybuchowość pyłu, ponieważ rośnie wtedy ich powierzchnia właściwa [m2 / kg]. Najbardziej wybuchowe są pyły o średnicy cząstek 20-60 ?m. Dla pyłów bardzo drobnych d < 10 ?m obserwuje się obniżenie wybuchowości. Jest to spowodowane skłonnością takich pyłów do tworzenia aglomeracji, co zmniejsza powierzchnię czynną i dodatkowo spowalnia nagrzewanie cząstek w procesie zapłonu. Panowało również przekonanie, że pyły o średnicy cząstek d > 300 ?m nie przenoszą już wybuchu. Ale obecnie coraz częściej słyszy się, że są już materiały, których pyły przenoszą wybuch przy średnicy cząstek d ? 1 mm.
Skład chemiczny cząstek
Decyduje o wartości opałowej i szybkości wywiązywania się ciepła podczas wybuchu. Pyły zawierające dużo tłuszczu mają z reguły większą wartość opałową, ale z kolei mają większą lepkość i trudniej tworzą w miarę jednorodne mieszaniny pyłowo-powietrzne. Bardzo duże znaczenie ma zawartość części lotnych w pyle, które ułatwiają zapłon mieszaniny.
3.6. Podsumowanie
Na podstawie tego krótkiego opracowania można stwierdzić, że określanie fizykochemicznych własności pyłów jest procesem bardzo złożonym i wymaga wykorzystania wysoko wyspecjalizowanych laboratoriów. Posiadanie takich danych jest zwykle niezbędne przy opracowywaniu różnych procesów technologicznych, niekoniecznie związanych ze spalaniem. Znajomość własności pyłów pozwala nam lepiej zorganizować proces spalania w różnych instalacjach przemysłowych oraz zapewnić lepszą ochronę przeciwwybuchową w określonych warunkach pracy.
Literatura do rozdziału trzeciego
3.1. Meldau R., Handbuch der Staubtechnik, VDI Verlag, Dusseldorf 1956.
3.2. Lebecki K., Zagrożenia Pyłowe w Górnictwie, Główny Instytut Górnictwa, Katowice 2004.
3.3. Andrzejewski R., Gutowski W., Fizyczne własności pyłów, Wydawnictwo "Śląsk", Katowice 1968.
3.4. Deriagin B., Dokłady AN ZSRR, 1946, tom 53.
3.5. Ryng M., Bezpieczeństwo techniczne w przemyśle chemicznym, WNT, Warszawa 1985.
3.6. Klemens R., Siwiec S., Wolski J., Zagrożenie wybuchem mieszaniny pyłowo-powietrznej w przemyśle piekarskim, Część 2, Badania zapłonu iskrowego i wybuchowości mąki, Problemy Przemysłu Piekarskiego, 1979, Nr 2.
