Нагревание. Иточники опасности
В настоящее время в химических лабораториях электронагревательные приборы в значительной степени вытеснили традиционно использовавшиеся газовые горелки. Среди прочих, достоинств электронагревательных приборов не последнее место занимает меньшая, по сравнению с газовыми горелками, пожарная опасность при эксплуатации. Однако, как показывает практика, несоблюдение элементарных правил безопасности при работе с электронагревательными приборами приводит к резкому увеличению вероятности возникновения пожаров, аварий и несчастных случаев.
Электронагревательные приборы представляют пожарную опасность как в нормальном режиме работы, так и при повреждениях, связанных с возможностью возникновения короткого замыкания, электрической дуги, воспламенения изоляции.
Пожарная опасность при эксплуатации электронагпепятельных поибооов обусловлена прежде всего высокой, температурой в рабочей зоне. Однако вероятность воспламенения определяется не столько температурой нагревательного элемента, сколько условиями работы — присутствием в зоне нагрева горючих или легковоспламеняющихся веществ и материалов, режимом подвода тепла, конструкцией нагревательных и обогреваемых приборов.
Электронагревательные приборы
Электрические плитки. Это самые распространенные нагревательные приборы в лабораторной практике. С точки зрения пожарной безопасности их по типу нагревательного элемента принято подразделять на плитки с открытой спиралью и с закрытым нагревательным элементом.
Повышенная опасность плиток с открытой спиралью является следствием сравнительно высокой температуры, до которой разогревается спираль: 700—900»°С, а при затрудненном теплоотводе — до 1000 °С и выше. При попадании на раскаленную спираль большинство горючих материалов немедленно воспламеняется. Значительное число пожаров, причиной которых было неосторожное обращение с такими плитками, привело к запрещению их использования в лабораториях.
Было бы, однако, ошибкой, считать плитки с закрытым нагревательным элементом полностью безопасными в пожарном отношении. Рабочая поверхность наиболее широко распространенных плиток ПКЭ800/3 и «Экран» при максимальной мощности 800 Вт нагревается до 400 °С. Такой температуры оказывается достаточно для воспламенения не только паровЛВЖ, но и большинства масел, используемых для заполнения жидкостных бань, в случае попадания их непосредственно на нагретую конфорку. Так, температура самовоспламенения высокотемпературного теплоносителя АМТ300 составляет 290 °С, глицерина — 365 °С.
Одна из обязательных мер предосторожности при нагревании ЛВЖ — использование жидкостных бань. Диаметр бани должен быть не меньше, диаметра нагревательного элемента плитки — выполнение этого требования позволяет предотвратить возможность случайного попадания ГЖ или паров непосредственно на конфорку. Однако часто это, казалось бы, справедливое требование значительно усложняет работу и, следовательно, повышает ее опасность. Дело в том, что диаметр нагревательного элемента у плиток с закрытой спиралью составляет 18 см. Минимальный объем бани, которую можно разместить на такой плитке, 1 —1,5 л. При работе с аппаратурой небольших размеров, например при перегонке из колб вместимостью 50—100 мл, использование бань такого размера недопустимо по многим причинам. В то же время применение небольших плиток с открытой спиралью мощностью 300 Вт с диаметром рабочей части 9 см позволило бы работать с небольшими банями, полностью закрывающими спираль, и, таким образом, привести в соответствие требования техники безопасности и условия целесообразной работы.
Электрические водяные и паровые бани, .которые используют для нагревания колб и пробирок до 100 °С, являются безопасными нагревателями. С их помощью проблема нагревания ЛВЖ решается кардинально. Отсутствие сильно нагретых поверхностей исключает возможность воспламенения ГЖ или паров.
Электрические песочные бани, хотя и представляют меньшую пожарную опасность по сравнению с электроплитками, пригодны только для обогрева небольших сосудов, например пробирок, и в тех случаях, когда местные перегревы допустимы. Обогревать с помощью песочных бань стеклянные колбы нежелательно еще и по той причине, что песчинки царапают поверхность стекла, существенно снижая прочность.
Жидкостные термостаты совершенно безопасны в пожарном отношении, хотя и громоздки. Рабочей жидкостью в термостатах служит^ вода, при необходимости нагревания до температур ниже 100 °С, или масло (преимущественно силиконовое), если рабочая температура лежит в интервале от 100 до 200—250 °С. Обогрев рабочей жидкости осуществляется с помощью погружного электронагревателя, терморегулятор обеспечивает поддержание заданной температуры с точностью ±0,5 °С; пропеллерная мешалка/приводимая в движение электромотором, исключает возможность местных стрелками показаны ввод и выход обогреваемой жидкости или газа (внизу) и охлаждающей воды (наверху) перегревов. Некоторые марки термостатов снабжены устройствами, позволяющими поддерживать заданную температуру в сосудах вне термостата посредством прокачивания термостатированной жидкости через рубашки приборов.
При необходимости получения медленного тока нагретой до заданнойтемпературы жидкости или газа вместо термостата можно использовать простейшее приспособление, изображенное на рис. 20. Приспособление состоит из двух соединенных холодильников Димрота; в спираль нижнего с небольшой скоростью подается обогреваемая, жидкость или газ, верхний работает как обычный водяной холодильник для конденсации паров. Нагрев осуществляется парами кипящей жидкости; подбор жидкости с необходимой температурой кипения от 35 °С" до 300 °С не представляет трудности.
Погружные электрокипятильники бытового типа мощностью 300, 600 и 1000 Вт являются удвбной и безопасной заменой электроплиток для нагревания жидкостных бань. В лабораторных мастерских нетрудно изготовить жидкостные, бани необходимых размеров со встроенным погружным электронагревателем. Для изготовления нагревателя используют нихромовую спираль и медные или термостойкие стеклянные трубки. На рис. 21 изображена конструкция масляной байи с электрообогревом. Трубка для подвода воды используется при необходимости быстрого охлаждения масла в бане иЛи для получения равномерного тока горячей воды. Поддерживать необходимую температуру масла в бане можно либо с помощью контактного термометра и реле, либо подключив нагреватель через ЛАТР.
Ток к покрытию подводится посредством силикатносеребряных шинок, на которых закреплены съемные медные контакты,подсоединяемые к источнику электроэнергии. Изделия с токопроводящими покрытиями включают в сеть через ЛАТР, который служит для регулированияинтенсивности нагревания. Если при нагревании бань на плитке тепловой поток проходит через несколько поверхностей раздела, то у сосудов с токопроводящей пленкой нагреваются непосредственно стеклянные стенки, вследствии чего осуществляется наиболее эффективный теплоотвод. Поэтому, несмотря на высокую мощность этих нагревателей (до 3000 Вт), они менее опасны в пожарном отношении по сравнению с электроплитками. Существенным преимуществом «самонагревающихся» изделий с точки зрения техники безопасности является большая компактность всей системы [42].
Стаканы с токопроводящим покрытием вместимостью 300 и 500 мл очень удобны в качестве жидкостных бань при работе с приборами небольшого размера. Теплоносителями служат прозрачные силиконовые масла или глицерин.
С другой стороны, при неграмотном обращении изделия с токопроводящими покрытиями могут быть источником опасности. Пленка диоксида олова представляет собой открытый проводник, поэтому в готовых изделиях она изолирована бесцветным лаком. Лак недостаточно стоек к действию органических растворителей и хромовой смеси, что необходимо учитывать при мытье посуды. В случае нарушения лаковой изоляции прикосновение к токопроводящему покрытию может привести к электрическому удару. Восстановить изолирующее покрытие можно с помощью лака КО921, который наносят из пульверизатора или окунают в него изделие, защитив предварительно силикатносеребряные шинки. Пленку лака необходимо сушить сперва 4 ч при комнатной температуре, после чего 2 ч при 100 °С.
Некоторые ограничения на широкое применение изделий с токопроводящим покрытием накладывает необходимость поддержания уровня жидкости в сосуде не ниже границы токопроводящего покрытия.
Вязаные чехлы из стеклоткани с вплетенной в нее тонкой ннхромовой проволокой заслуживают особой рекомендации. Они практически не обладают инерционностью и позволяют легко регулировать степень нагрева с помощью ЛАТРа. Подгонка по форме сосуда обычно не представляет трудностей. Оптимальные условия теплопередачи и небольшие теплопотёри позволяют обходиться небольшой мощностью. Приборы для перегонки жидкостей, в которых перегонная колба.обогревается вязаным чехлом, отличаются компактностью (исключаются плитка и жидкостная баня), что способствует их безопасной эксплуатации.
Инфракрасные излучатели, например ИКЗ220500, во многих случаях предпочтительнее других источников тепла не только по соображениям удобства в работе, но и с точки зрения техники безопасности. Проблема выбора безопасного нагревателя возникает, например, при необходимости обогрева сосудов на аппарате для встряхивания. Инфракрасный излучатель дает мощный и равномерный тепловой поток и может находиться в стороне от реакционного сосуда, что уменьшает возможность воспламенения случайно пролитой ГЖ. Обязательной мерой предосторожности при пользовании инфракрасным излучателем служит контроль температуры нагрева с помощью термометра. Следует иметь в виду, что за счет направленности мощность теплового потока инфракрасного зеркального излучателя в несколько раз выше, чем у электроплитки равной номинальной мощности. Поскольку температура в зоне облучения может достигать 350—400 °С (особенно сильно нагреваются черные предметы), необходимо заботиться о том, чтобы на пути теплового потока не было легковоспламеняющихся материалов — бумаги; ткани, горючих пластиков. Не следует пытаться оценивать температуру нагрева, помещая под инфракрасную лампу руку — оценка оказывается заниженной на 100 °С и более. Во избежание воспламенения следует исключить возможность контакта ГЖ или паров с колбой лампы — излучатель должен находиться сверху или сбоку от обогреваемого сосуда, но не снизу.
Электрические лампочки накаливания применяют для ооогрева воздушных бань, при перегонке эфира и других легкокипящих жидкостей [2]. При этом следует иметь в виду, что в обычных условиях колба лампочек мощностью 25 Вт нагревается до 100 °С, 40 Вт —до 150, а 75 Вт — до 250 аС. При затрудненном теплоотводе, особенно при соприкосновении колбы лампочки с теплоизоляционными материалами, ее температура может повышаться до 300—400 °G и выше.
