Расскажите о сущности процесса горения кратко
Обновлено: 05.07.2024
В наиболее общей формулировке горение представляет собой быстро протекающую физико-химическую реакцию с выделением тепла и света. В природе и в технике чаще всего наблюдаются процессы горения, связанные с окислением горючих веществ кислородом воздуха. Однако многие вещества вступают между собой в реакцию горения и при отсутствии кислорода. Так, водород и некоторые металлы горят в газообразном хлоре, медь — в парах серы, алюминий в броме и т. п.
Наряду с реакциями горения, протекающими в результате химического соединения различных веществ, происходят реакции горения, связанные с разложением газов, жидкостей и твердых веществ (ацетилен, нитроглицерин, нитроклетчатка, азид свинца и др.).
Разновидностью горения является взрыв и детонация, когда реакция соединения или разложения веществ протекает со скоростью сотен и даже тысяч метров в секунду.
Различают твердые, жидкие и газообразные (парообразные) горючие вещества. Твердые и жидкие вещества могут находиться в воздухе во взвешенном состоянии (в виде пыли или тумана).
Горение возможно лишь при определенных условиях: наличие горючего вещества и вещества, поддерживающего процесс горения, и достаточный их нагрев. Начавшееся горение может продолжаться только при условии, если количество тепла, выделяющегося при горении, превышает теплоотдачу в окружающую среду. К горению относят также взрыв и детонацию.
Продуктами горения при полном сгорании веществ являются негорючие газы и вода. При неполном сгорании в продуктах горения содержатся окись углерода и другие горючие соединения.
Следует отметить, что тяжелые несчастные случаи при пожарах нередко происходят из-за чрезмерной задымленности и наличия окиси углерода в зоне пожара.
В процессе горения выделяется большое количество тепла, которое определяется теплотой сгорания горючих веществ. Отдача тепла в окружающую среду во время пожара происходит конвекцией и главным образом излучением. Температура горения зависит в основном от теплоты сгорания горючих веществ и от количества образующихся продуктов горения.
Горючие вещества могут воспламеняться при непосредственном контакте с высоконагретыми телами или с открытым пламенем, при нагревании излучением, а также при протекании в горючем веществе экзотермических реакций.
Окислительный процесс горения включает фазы предварительного нагрева, окисления, самовоспламенения и последующего горения. На рисунке 1 приведена кривая изменения температур процесса горения во времени. При нагревании горючего вещества с начальной температурой tн до темпратуры начала окисления tо наблюдается медленное повышение температуры, поскольку подводимое извне тепло расходуется на плавление, испарение или разложение горючих веществ. После нагрева горючего вещества до tо нарастание температуры горения во времени происходит быстрее в связи с выделением тепла при начавшейся реакции окисления.
Рисунок 1. – Изменение температуры во времени при нагревании горючих веществ
Однако температура tо еще недостаточна для дальнейшего саморазогревания, так как теплоотдача в окружающую среду превышает образование тепла при начавшейся реакции окисления. По достижении температуры самовоспламенения tc наступает равновесие между приходом тепла к горючему веществу и теплоотдачей в окружающую среду. В результате происходит дальнейший быстрый подъем температуры. При температуре tп появляется пламя и начинается устойчивый процесс горения tг.
Кривая зависимости температуры от времени при пожаре приведена на рисунке 2.
Рисунок 2. – Зависимость температуры от времени при пожаре
Горение является весьма сложным физико-химическим процессом. По современным представлениям, в процессе горения возникают малоустойчивые, но весьма активные промежуточные продукты в виде свободных атомов, перекисей, радикалов. Реакционная способность кислорода значительно увеличивается при нагревании.
Температура самовоспламенения горючих веществ колеблется в широких пределах не только для различных веществ, но и для одного и того же вещества. Эта температура зависит от многих переменных факторов: концентрации смеси, давления, объема сосуда (для газо- паро- и пылевоздушных смесей), измельченное™ (для твердых горючих веществ). В таблице 1 приведены пределы колебания температуры самовоспламенения некоторых горючих веществ.
Таблица 1. Температура самовоспламенения некоторых горючих веществ
Взрывы смесей горючих газов, паров и пыли с воздухом могут происходить только при условии предварительного смешивания их горючих составляющих с кислородом воздуха. Для различных газов, паров и пыли существуют определенные границы взрывоопасных концентраций, являющиеся нижним и верхним пределами взрывоопасной смеси. При содержании горючих составляющих в смеси менее нижнего предела смесь не взрывается и не горит, а при содержании горючих веществ более верхнего предела смесь не взрывается, но горит и, следовательно, является пожароопасной.
Чем меньше нижний предел взрывной концентрации, тем опаснее горючее вещество. Взрывоопасность смесей определяется также интервалом между нижним и верхним пределами смеси. Чем больше этот интервал, тем опаснее взрывная смесь. Так, у ацетилена (С2Н2) нижний предел взрываемости смеси с воздухом (в объемных процентах) равен 2,6%, а верхний 82%. У метана (СН4) эти значения соответственно составляют 5,3 и 14%. Следовательно, взрывоопасность ацетилена значительно больше взрывоопасности метана.
Температура при взрыве смесей газов и паров колеблется в широких пределах и составляет 1500—3000 °С, а развиваемое при взрыве давление обычно не превышает 1,1 мн/м 2 (11 атм). Однако при увеличении содержания кислорода в смеси и при сжатии смеси во время взрыва (например, в газопроводах -большой длины) давление взрыва может сильно возрасти и даже перейти в детонацию, когда скорость распространения пламени достигает 1000—4000 м/сек, а давление составляет 8 Мн/м 2 (80 атм) и более.
Пожарная опасность твердых горючих веществ
Пожарная опасность твердых веществ определяется их составом и в значительной степени зависит от удельной поверхности этих веществ. Так, бумага в рулонах горит очень медленно, между тем как горение развернутой бумаги происходит весьма быстро. .При повышении влажности твердых веществ значительно уменьшается их воспламеняемость и скорость горения. Скорость горения твердых веществ зависит также от количества летучих продуктов, выделяющихся при разложении веществ во время горения; с увеличением летучих составляющих возрастает и скорость горения.
При горении твердых веществ наблюдаются процессы пламенного и беспламенного горения. При беспламенном горении окисление горючего вещества происходит в поверхностном слое. Одним из основных горючих газов при гашении веществ, содержащих углерод, является окись углерода.
Щелочные металлы начинают гореть после их расплавления (некоторые из них образуют пламя при взаимодействии с водой). Горение алюминия, магния и кальция сопровождается образованием значительного количества белого дыма, состоящего из окислов этих металлов. Процесс горения щелочных металлов значительно интенсифицируется при их измельчении. Так, стружка магния и магниевых сплавов (например, электрон) горит весьма интенсивно. Пыль этих металлов в состоянии аэрогеля (в виде отложений) горит медленно, однако, будучи приведена во взвешенное состояние, она взрывается.
Горение древесины — сложный процесс. При повышении температуры древесины до 110—130 °С выделяется вода, а затем начинается разложение древесины. Продукты разложения в пределах 130—200 °С состоят из паров воды и углекислого газа. При дальнейшем повышении температуры в составе выделяющихся газов появляется окись углерода, водород, метан и другие горючие газы. При 230—250 °С продукты разложения древесины воспламеняются от постороннего источника тепла, после чего древесина продолжает гореть. При 300 °С из древесины выделяется максимальное количество горючих газов.
Фаза пламенного горения древесины постепенно, по мере образования на ее поверхности слоя угля, уменьшается и наступает фаза беспламенного горения этого угля. После выгорания слоя угля вновь интенсивно выделяются горючие газы и появляется пламя. Затем образуется новый слой угля и наступает фаза беспламенного горения и т. д.
По окончании ряда циклов пламенного и беспламенного горения, когда вся древесина разложилась, происходит горение остатков древесного угля без выделения пламени.
Следует отметить, что при длительном нагревании древесины в последней возникают процессы разложения и окисления, что может снизить температуру воспламенения древесины до 110—130 °С.
Пожарная опасность жидких горючих веществ
Пожарная опасность горючих жидкостей определяется температурой вспышки паров испаряющейся жидкости при (внесении источника тепла. Температура вспышки представляет собой наименьшую температуру, при которой пары горючего вещества создают над его поверхностью паровоздушную смесь, воспламеняющуюся при внесении источника тепла (например, открытого огня).
За время вспышки поверхность горючей жидкости не прогревается до температуры, достаточной для интенсивного испарения жидкости, и дальнейшее горение прекращается. Если температура жидкости в момент вспышки окажется достаточной для того, чтобы вслед за вспышкой последовало горение, то такую температуру называют температурой воспламенения горючей жидкости.
Чем ниже температура вспышки горючей жидкости, тем больше пожарная опасность По существующей классификации все горючие жидкости разделяются на два класса. К I классу относятся жидкости с температурой вспышки менее 45°С (например, бензин, спирт, эфир, керосин и др.), а ко II классу—жидкости с температурой вспышки более 45 0 С (например, масла, мазуты и др.). Огнеопасные жидкости I класса относят к легковоспламеняющимся жидкостям, а жидкости II класса — к горючим.
Следует отметить, что пожарная опасность ряда твердых веществ (например, нафталин, фосфор, камфора и др., которые испаряются при нормальной температуре) также характеризуется температурой вспышки.
У легковоспламеняющихся жидкостей небольшая (1—2°С) разница между температурой вспышки паров и температурой воспламенения. У горючих жидкостей эта разница достигает 30 0 С и более.
Пожарная опасность жидкостей увеличивается с понижением температуры вспышки, температуры воспламенения и самовоспламенения, а также с увеличением скорости испарения и уменьшением нижнего предела концентрации взрывоопасной смеси паров жидкости с воздухом.
Пожарная опасность пыли
Пыль горючих веществ в состоянии аэрогеля (в виде отложений пыли) может тлеть и гореть, а находясь в форме аэрозоля, т. е. будучи взвешенной в воздухе, она способна взрываться, образуя взрывоопасные пылевоздушные смеси. Горению пыли в значительной мере способствует адсорбция пылью кислорода воздуха. Взрывоопасность пыли повышается с уменьшением частиц пыли вследствие увеличения ее удельной поверхности. Температура самовоспламенения горючей пыли обычно колеблется в пределах 700—900°С, но некоторые виды пыли имеют относительно низкую температуру самовоспламенения (например, сажа взрывается при 360 °С).
Аналогично горючим газам и парам у пыли существует нижний и верхний пределы взрывоопасной концентрации. Нижний предел взрывной концентрации (источник тепла — раскаленное тело) для серной пыли составляет 7, сахарной 10,3, алюминиевой 7 и каменноугольной 17,2 г/м 3 .
Пределы взрывоопасной концентрации пыли зависят от влажности, дисперсности, температуры и мощности источника тепла и других факторов. Развиваемое при взрывах пыли давление обычно не превышает 0,4—0,6 мн/м 2 (4—6 атм).
Самовозгорание
Некоторые вещества обладают способностью адсорбировать газы и кислород воздуха, вследствие чего увеличивается скорость окислительных реакций и повышается температура этих веществ. Если при этом создаются условия, когда приход тепла будет больше отдачи в окружающую среду, то в результате непрерывного повышения температуры такие вещества могут гореть. Процесс, при котором горение (веществ происходит в результате самонагревания, называется самовозгоранием. Ясно, что вещества, у которых процесс самовозгорания начинается при низкой температуре, представляют повышенную пожарную опасность.
Вещества, способные к самовозгоранию, разделяют на несколько групп. К I группе относятся вещества растительного происхождения, например влажное зерно, сено, опилки. Причиной повышения температуры для них являются биологические процессы; в дальнейшем повышение температуры происходит вследствие окисления, что приводит к самовозгоранию таких веществ.
Ко II группе относят каменные и бурые углы (кроме тощих углей) и торф. Самовозгоранию торфа способствуют протекающие в нем биологические процессы. Торф самовозгорается при относительно невысокой температуре (120- 140°С).
К III группе относятся масла и жиры, причем повышенную пожарную опасность представляют масла растительного происхождения (льняное масло и др.), так как они содержат непредельные органические соединения, которые могут окисляться и полимеризоваться. Животные и минеральные масла представляют значительно меньшую пожарную опасность.
Опасность самовозгорания резко возрастает в тех случаях, когда масла попадают на обтирочные материалы и на спецодежду. Образующаяся на поверхности этих материалов пленка масла адсорбирует кислород воздуха, вследствие чего происходит повышение температуры, возможно воспламенение материалов. В практике металлургических заводов известны случаи пожаров из-за самовозгорания замасленных обтирочных материалов и спецодежды.
К IV группе относятся химические вещества и некоторые соединения. К этой группе относятся вещества, способные к самовозгоранию при их контакте с воздухом, например фосфористый водород, кремниевый водород, белый фосфор, арсины, пыль алюминия и цинка, свежеприготовленные древесный уголь и сажа, металлоорганические соединения. Сульфиды железа FeS и Fe2S3 обладают пирофорными свойствами. При соприкосновении этих сульфидов с воздухом температура их повышается настолько высоко, что является источником воспламенения горючих веществ.
Ряд веществ воспламеняется при соприкосновении с водой, например щелочные металлы, карбиды кальция и щелочных металлов и др. Воспламенение возникает от того, что в результате взаимодействия этих веществ с водой образуются горючие газы, которые воспламеняются вследствие экзотермичности реакций. В сжатом кислороде самовозгораются масла и жиры.
Горе́ние — сложный физико-химический процесс превращения компонентов горючей смеси в продукты сгорания с выделением теплового излучения, света и лучистой энергии. Описать природу горения можно как бурно идущее окисление.
Дозвуковое горение (дефлаграция) в отличие от взрыва и детонации протекает с низкими скоростями и не связано с образованием ударной волны. К дозвуковому горению относят нормальное ламинарное и турбулентное распространения пламени, к сверхзвуковому — детонацию.
Горение подразделяется на тепловое и цепное. В основе теплового горения лежит химическая реакция, способная протекать с прогрессирующим самоускорением вследствие накопления выделяющегося тепла. Цепное горение встречается в случаях некоторых газофазных реакций при низких давлениях.
Условия термического самоускорения могут быть обеспечены для всех реакций с достаточно большими тепловыми эффектами и энергиями активации.
Горение может начаться самопроизвольно в результате самовоспламенения либо быть инициированным зажиганием. При фиксированных внешних условиях непрерывное горение может протекать в стационарном режиме, когда основные характеристики процесса — скорость реакции, мощность тепловыделения, температура и состав продуктов — не изменяются во времени, либо в периодическом режиме, когда эти характеристики колеблются около своих средних значений. Вследствие сильной нелинейной зависимости скорости реакции от температуры, горение отличается высокой чувствительностью к внешним условиям. Это же свойство горения обусловливает существование нескольких стационарных режимов при одних и тех же условиях (гистерезисный эффект).
Процесс возникновения горения подразделяется на несколько видов: вспышка, возгорание, воспламенение, самовозгорание, самовоспламенение, взрыв и детонация. Кроме того, существуют и особые виды горения: тление и холоднопламенное горение. Вспышка — процесс мгновенного сгорания паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, вызванный непосредственным воздействием источника воспламенения. Возгорание — явление возникновения горения под действием источника зажигания. Воспламенение — возгорание, сопровождающееся появлением пламени. При этом вся остальная масса горючего вещества остается относительно холодной. Самовозгорание — явление резкого увеличения скорости экзотермических реакций в веществе, приводящее к возникновению горения при отсутствии источника зажигания. Самовоспламенение — это самовозгорание, сопровождающееся появлением пламени. В производственных условиях могут самовозгораться древесные опилки, промасленная ветошь. Самовоспламеняться может бензин, керосин. Взрыв — быстрое химическое превращение вещества (взрывное горение), сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных производить механическую работу.
Содержание
Теория горения
При адиабатическом сжигании горючей смеси могут быть рассчитаны количество выделившегося при горении тепла, температура ТГ, которая была бы достигнута при полном сгорании (адиабатическая температура горения) и состав продуктов, если известны состав исходной смеси и термодинамические функции исходной смеси и продуктов. Если состав продуктов заранее известен, ТГ может быть рассчитана из условия равенства внутренней энергии системы при постоянном объёме или её энтальпии при постоянном давлении в исходном и конечном состояниях с помощью соотношения: ТГ = Т0 + Qr/C, где Т0 — начальная температура смеси, С — средняя в интервале температур от Т0 до ТГ удельная теплоёмкость исходной смеси (с учетом её изменения при возможных фазовых переходах), Qr — удельная теплота сгорания смеси при температуре ТГ. При относительном содержании а0 в смеси компонентов, полностью расходуемых в реакции, QГ = Q*а0 где Q — тепловой эффект реакции горения. Значение ТГ при постоянном объёме больше, чем при постоянном давлении, поскольку в последнем случае часть внутренней энергии системы расходуется на работу расширения. На практике условия адиабатичекого горения обеспечиваются в тех случаях, когда реакция успевает завершиться прежде, чем станет существенным теплообмен между реакционным объёмом и окружающей средой, например в камерах сгорания крупных реактивных двигателей, в больших реакторах, при быстро распространяющихся волнах горения.
Термодинамический расчёт даёт лишь частичную информацию о процессе — равновесный состав и температуру продуктов. Полное описание горения, включающее также определение скорости процесса и критических условий при наличии тепло- и массообмена с окружающей средой, можно провести только в рамках макрокинетического подхода, рассматривающего химическую реакцию во взаимосвязи с процессами переноса энергии и вещества.
В случае заранее перемешанной смеси горючего и окислителя реакция горения может происходить во всём пространстве, занятом горючей смесью (объёмное горение), или в сравнительно узком слое, разделяющем исходную смесь и продукты и распространяющемся по горючей смеси в виде так называемой волны горения. В неперемешанных системах возможно диффузионное горение, при котором реакция локализуется в относительно тонкой зоне, отделяющей горючее от окислителя, и определяется скоростью диффузии реагентов в эту зону.
Описание процессов горения
Важность процесса горения в технических устройствах способствовала созданию различных моделей, позволяющих с необходимой точностью его описывать. Так называемое нулевое приближение включает описание химических реакций, изменение температуры, давления и состава реагентов во времени без изменения их массы. Оно соответствует процессам происходящим в закрытом объёме, в который была помещена горючая смесь и нагрета выше температуры воспламенения. Одно-, двух- и трёхмерные модели уже включает в себя перемещение реагентов в пространстве. Количество измерений соответствует количеству пространственных координат в модели. Режим горения бывает как и газодинамическое течение: ламинарным или турбулентным. Одномерное описанное ламинарного горения позволяет получить аналитически важные выводы о фронте горения, которые затем используются в более сложных турбулентных моделях.
Объёмное горение
Объемное горение происходит, например, в теплоизолированном реакторе идеального перемешивания, в который поступает при температуре Т0 исходная смесь с относительным содержанием горючего а0; при другой температуре горения реактор покидает смесь с иным относительным содержанием горючего а. При полном расходе G через реактор условия баланса энтальпии смеси и содержания горючего при стационарном режиме горения могут быть записаны уравнениями:
где w(а, Т) — скорость реакции горения, V — объём реактора. Используя выражение для термодинамической температуры ТГ, можно из (1) получить:
и записать (2) в виде:
где q-T = GC(T — Т0) — скорость отвода тепла из реактора с продуктами сгорания, q+T = Qw(a, Т)V — скорость выделения тепла при реакции. Для реакции n-ного порядка с энергией активации:
Диффузионное горение
Характеризуется раздельным подачей в зону горения горючего и окислителя. Перемешивание компонентов происходит в зоне горения. Пример: горение водорода и кислорода в ракетном двигателе, горение газа в бытовой газовой плите.
Горение предварительно смешанной среды
Как следует из названия, горение происходит в смеси, в которой одновременно присутствуют горючее и окислитель. Пример: горение в цилиндре двигателя внутреннего сгорания бензиново-воздушной смеси после инициализации процесса свечой зажигания.
Особенности горения в различных средах
Согласно замыслу одного из участников Википедии, на этом месте должен располагаться специальный раздел.
Вы можете помочь проекту, написав этот раздел.
Беспламенное горение
В отличие от обычного горения, когда наблюдаются зоны окислительного пламени и восстановительного пламени, возможно создание условий для беспламенного горения. Примером может служить каталитическое окисление органических веществ на поверхности подходящего катализатора, например, окисление этанола на платиновой черни.
Твердофазное горение
Это автоволновые экзотермические процессы в смесях неорганических и органических порошков, не сопровождающиеся заметным газовыделением, и приводящие к получению исключительно конденсированных продуктов. В качестве промежуточных веществ, обеспечивающих массо-перенос, образуются газовые и жидкие фазы, не покидающие, однако, горящую систему. Известны примеры реагирующих порошков, в которых образование таких фаз не доказано (тантал-углерод).
Примером таких процессов служит СВС (самораспространяющийся высокотемпературный синтез) в неорганических и органических смесях.
Тление
Вид горения, при котором пламя не образуется, а зона горения медленно распространяется по материалу. Тление обычно наблюдается у пористых или волокнистых материалов с высоким содержанием воздуха или пропитанных окислителями.
Автогенное горение
Самоподдерживающиеся горение. Термин используется в технологиях сжигания отходов. Возможность автогенного (самоподдерживающегося) горения отходов определяется предельным содержанием балластирующих компонентов: влаги и золы. На основе многолетних исследований шведский учёный Таннер предложил для определения границ автогенного горения использовать треугольник-схему с предельными значениями: горючих более 25 %, влаги менее 50 %, золы менее 60 %.
Под горением понимают экзотермические реакции с кислородом, протекающие выше определенной температуры (температура воспламенения) без подвода тепла извне.
Возможность возникновения и развития горения определяется наличием условии, обеспечивающих протекание процесса со скоростью, дающей превышение количества тепла, выделяющегося в процессе горения т над рассеивающимся в окружающем пространстве. К таким условиям относятся определенное соотношение между количеством кислорода воздуха и горючим, участвующим в процессе горения свойства горючего и начальная температура компонентов реакции
Гореть могут и такие вещества, которые принято считать не горючими. В отличие от горения веществ в обычном воздухе значительно интенсивнее протекает реакция горения в чистом кислороде, так как в этом случае не расходуется тепло на нагревание инертных газов, которые входят в состав воздуха.
В результате горения топлива образуется, в зависимости от условий проведения процесса, то или иное количество продуктов горения, состав которых либо приближается к теоретическому составу продуктов полного горения, содержащих СО 2 , Н 2 0 и N 2 , либо характеризуется большим количеством несгоревшего СО, Н2, СН 4 . Полное горение характеризуется выделением максимальных количеств тепла непосредственно в зоне горения при подводе воздуха в количествах, обеспечивающих полное окисление всех горючих материалов.
Различают следующие виды горения: самовоспламенение, самовозгорание, вспышка, воспламенение, взрыв.
Самовоспламенение — горение, возникающее от внешнего нагревания вещества до определенной температуры без не посредственного соприкосновения горючего вещества с пламенем внешнего источника горения.
Самовозгорание — горение твердых веществ, возникающее от нагревания их под влиянием процессов, происходящих внутри самого вещества. Происходящие физические или химические процессы внутри вещества связаны с образованием тёпла, которое ускоряет процесс окисления, переходящий в горение открытым огнем.
Вспышка — быстрое, но, сравнительно со взрывом, кратко временное сгорание смеси паров горючего вещества с воздухом или кислородом, возникающее от местного повышения темпера туры, которое может быть вызвано электрической искрой или
прикосновением к смеси пламени или накаленного тела. Температура, при которой происходит вспышка, называется температурой вспышки. Явление вспышки схоже с явлением взрыва, но, в отличие от последнего, оно происходит без сильного звука и не оказывает разрушительного действия.
Воспламенение — стойкое возгорание смеси паров и газов горючего вещества от местного повышения температуры, которое может быть вызвано прикосновением пламени или накаленного тела. Воспламенение может длиться до тех пор, пока не сгорит весь запас горючего вещества, причем парообразование при этом происходит за счет тепла, выделяющегося при сгорании.
Воспламенение отличается от вспышки своей продолжительностью. Кроме того, при вспышке тепловыделение в каждом участке достаточно для поджигания смежного участка уже готовой горючей смеси, но недостаточно для пополнения ее путем испарения новых количеств горючего; поэтому, истратив запас горючих паров, пламя гаснет и вспышка на этом кончается, пока снова не накопятся горючие пары и не получат местного перегрева. При воспламенении же парообразующее вещество бывает доведено до такой температуры, что теплоты сгорания накопившихся паров оказывается достаточно для восстановления запаса горючей смеси.
Взрыв — мгновенное сгорание или разложение вещества, сопровождающееся выделением огромного количества газов, которые мгновенно расширяются и вызывают резкое повышение давления в окружающей среде. При соприкосновении с воздухом: газообразные продукты разложения некоторых веществ обладают' способностью воспламеняться, что не только приводит к разрушениям от действия взрывной волны, но и вызывает большие пожары.
Нижний предел взрываемости — наименьшее количество горючих пыли, паров или газов, образующее при соединении с воз духом взрывчатую смесь. Верхний предел взрываемости пап большее количество горючих пыли, паров или газов, образующее при соединении с воздухом взрывчатую смесь. В интервале между нижним и верхним пределами возможность взрыва смеси сохраняется. Пределы взрываемости выражаются в объемных процентах содержания горючего газа в объеме воздуха.
Возможность горения того или другого типа зависит прежде всего от химического состава горючей смеси, т.е. химической природы горючих паров, от содержания кислорода в смеси, от содержания инертных примесей (азот, водяные пары; углекислота) , и от содержания примесей, активно противодействующих реакции горения, например отрицательных катализаторов, глушителей и т. д.
ГОРЕНИЕ — совокупность одновременно протекающих физических процессов (плавление, испарение, ионизация) и химических реакций окисления горючего вещества и материала, сопровождающееся, как правило, световым и тепловым излучением и выделением дыма (см. ДЫМ ) [1].
ГОРЕНИЕ — сложный физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, характеризующийся самоускоряющимися превращениями исходных компонентов реакционноспособной смеси в продукты горения и сопровождающийся выделением большого количества тепла, дыма и света. Выделение тепла происходит непосредственно в зоне химической реакции превращения исходных компонентов горючей смеси в продукты горения [2].
Зона протекания химической реакции обычно локализована в сравнительно небольшой части пространства. Она может быть неподвижна, а может перемещаться в пространстве в зависимости от условий протекания процесса горения.
Горение происходит в два этапа:
1. Создание молекулярного контакта между молекулами горючего и окислителя (физический процесс).
2. Взаимодействие молекул с образованием продуктов реакции (химический процесс).
При этом второй этап наступает только при выполнении некоторых дополнительных условий. Молекулы должны находиться в особом энергетически или химически возбужденном состоянии и определенном количественном соотношении.
Горение является неравновесным процессом. При горении обязательно возникают неоднородности в составе молекул, их концентрации, неравномерности поля температур и скоростей потоков. В основе процесса горения лежат химические реакции окисления, то есть соединения исходных горючих веществ с кислородом.
При горении на пожарах (см. ПОЖАР) в качестве окислителя чаще всего выступает кислород воздуха, окружающий зону протекания химических реакций. В этом случае интенсивность горения определяется не скоростью протекания самих химических реакций, а скоростью поступления кислорода из окружающего пространства в зону горения, то есть непосредственно в зону протекания химических реакций.
Скорость протекания химических реакций горения значительно превосходит скорость таких физических процессов, как диффузия недостающих компонентов в зону реакции и передача тепла из зоны горения горючим веществам для подготовки их к химическому взаимодействию. Эти два процесса — диффузия и теплопередача — являются лимитирующими. Они определяют суммарную скорость горения, а, следовательно, и интенсивность процесса тепловыделения и образования продуктов горения. Поэтому считают, что процессы горения на пожаре развиваются в чисто диффузионной области и рассматривать их следует лишь с физической стороны.
ГЕТЕРОГЕННОЕ ГОРЕНИЕ — горение материалов в конденсированном (твердом или жидком) состоянии, когда реакции, определяющие развитие процесса горения, протекают в газовой фазе, а горючие компоненты поступают в эту фазу в результате испарения и разложения веществ и материалов.
Наиболее распространенным гетерогенным горением в условиях пожара является тление углеродного остатка твердых материалов. Существует особый вид гетерогенного горения — беспламенное горение, заключающееся в образовании раскаленной поверхности (например, горение антрацита, некоторых металлов) [5] .
ДИФФУЗИОННОЕ ГОРЕНИЕ — горение неперемешанных газо-, паровоздушных смесей с воздухом. Оно свойственно конденсированным горючим веществам — жидкостям и твердым материалам. Для диффузионного горения характерно наличие светящегося пламени. В зависимости от диаметра трубопровода, а также давления, при котором происходит истечение газов, диффузионное горение может быть ламинарным и турбулентным.
Для возникновения диффузионного горения необходимо, чтобы горючее вещество (материал) было нагрето источником зажигания (см. ИСТОЧНИК ЗАЖИГАНИЯ) до температуры воспламенения (см. ВОСПЛАМЕНЕНИЕ) . Диффузионное горение сопровождается, как правило, сажеобразованием, что характерно для турбулентных факелов, образуемых при горении нефтепродуктов в резервуарах. К диффузионному горению относятся различные очаги пожаров (см. ОЧАГ ПОЖАРА) [5] .
ЛАМИНАРНОЕ ГОРЕНИЕ — вид горения, характеризуемый газодинамически невозмущенным фронтом пламени, а также скоростью распространения пламени, не превышающей нескольких метров в секунду. Ламинарное горение зависит от теплообмена и других макрокинетических факторов. Процесс ламинарного горения заключается в передаче в свежую горючую смесь тепла и активных частиц, обеспечивающих распространение пламени. Скорость распространения пламени относительно свежей смеси, измеренная по нормали к фронту, называется нормальной скоростью распространения пламени [3].
Ламинарное пламя может распространяться только в смеси, состав которой не выходит за границы диапазона так называемых концентрационных пределов. Нижний и верхний концентрационные пределы соответствуют минимальному и максимальному коэффициенту избытка топлива, при котором пламя еще может распространяться по смеси. Для метана в воздухе они составляют примерно 5 и 15 объемных процентов. Взрывы ( см. ВЗРЫВ ) бытового газа возникают тогда, когда в плохо вентилируемом помещении превышается нижний концентрационный предел, и из-за искры или другого источника смесь воспламеняется. Этот же эффект приводит к взрывам метана в шахтах.
ТУРБУЛЕНТНОЕ ГОРЕНИЕ — горение в турбулентных потоках смеси горючего с воздухом (кислородом), характеризующееся неупорядоченным, пульсирующим движением малых объемов таких смесей. Смешение компонентов при турбулентном горении происходит более интенсивно, чем при ламинарном горении, вследствие чего скорость турбулентного горения превышает скорость ламинарного горения.
Турбулентное горение, то есть горение смеси, течение которой является турбулентным, — это наиболее часто встречающийся в практических устройствах режим горения и одновременно наиболее сложный для изучения.
Турбулентное горение может быть вызвано автотурбулизацией пламени, заключающейся в том, что искривления фронта пламени самопроизвольно возрастают, плоская зона нормального горения перестает существовать, уступая место турбулентному пламени.
Различают турбулентнодиффузионное горение и турбулентное горение однородной горючей смеси. Первое — реализуется при сжигании предварительно не перемешанных газов в турбулентном потоке и широко используется в различных технически устройствах (промышленных печах, горелках, камерах сгорания газотурбинных двигателей и т. д.). Второе — реализуется при сжигании предварительно перемешанных газов или газовзвесей (смесей горючей пыли с газообразным окислителем) в турбулентном потоке и встречается в ряде технических устройств (двигателях внутреннего сгорания, форсажных камерах газотурбинных двигателей и т. д.) [4].
ВРЕМЯ ГОРЕНИЯ — длительность протекания процесса горения с момента зажигания горючего вещества (материала) до окончания пламенного горения или тления. Время горения регистрируется при испытаниях электрических изделий на пожарную опасность, служит в качестве показателя при определении предела огнестойкости строительных конструкций, а также критерием оценки допустимости изготовления различных изделий и их эксплуатации [5].
ВРЕМЯ ВЫГОРАНИЯ — время, в течение которого прекращается горение вещества (материала) в заданных условиях. Время выгорания зависит от:
- физико-химических свойств (теплоты сгорания, давления насыщенных паров, агрегатного состояния и пр.) вещества (материала) и его горючести;
- вида горения (гомогенного или гетерогенного) и скорости распространения пламени [5].
Литература:
1. И.Н. Зверев, Н. Н. Смирнов. Газодинамика горения. — М.: Изд-во Моск. ун-та., 1987. — С. 165. — 307 с.
2. Теория горения и взрыва: конспект лекций / сост. П.П. Воднев. — Ульяновск: УВАУ ГА(И), 2010. — 180 с.
3. Теория горения и взрыва / Под ред. Ю.В. Фролова. М., 1981 г.
4. Баратов А.Н. Горение — Пожар — Взрыв — Безопасность. — М., 2003 г.
5. Кузнецов В.Р, Сабельников В.А. Турбулентность и горение. — М., 1986 г.
Читайте также: