Условия потухания пламени кратко

Обновлено: 02.07.2024

В основе процесса горения лежат реакции окисления, Т.е. соединения горючих веществ с кислородом. При горении на пожарах окислителем чаще всего бывает кислород воздуха. Чтобы прекратить горение, надо остановить химическую реакцию в его зоне. Реакция происходит при определенной температуре, зависящей от тепловыделения и теплоотдачи.
При свободном установившемся горении тепловыделение равно теплоотдаче. Такое равновесие называется тепловым. Температура, при которой создалось тепловое равновесие, называется температурой зоны горения, а протекающая реакция - реакцией горения.
Температура горения вещества не постоянна и изменяется в зависимости от скоростей выделения и отдачи теплоты в зоне реакции. Снизить температуру горения и прекратить горение можно как увеличением скорости теплоотвода, так и уменьшением скорости тепловыделения. Этого, как сказано в БУПО, можно достигнуть:
-воздействием на поверхность горящих материалов охлаждающими огнетушащими средствами;
-созданием в зоне горения или вокруг нее негорючей газовой или паровой среды; созданием между зоной горения и горючим материалом или воздухом изолирующего слоя из огнетушащих средств.
При горении в зоне реакции (тонкий светящийся слой пламени) выделяется теплота.
Часть этого тепла передается внутрь зоны горения, а другая - в окружающую среду. Внутри зоны горения теплота расходуется на нагрев горючей системы, способствует продолжению процесса горения, а в окружающей среде тепловые потоки воздействуют на горючие материалы, конструкции и при определенных условиях могут вызвать воспламенение их или деформацию.
Каждому тепловому равновесию соответствует определенная температура горения, которая иначе называется температурой теплового равновесия. При этом состоянии скорость тепловыделения равна скорости теплоотдачи. Данная температура не является постоянной, она изменяется с изменением скоростей тепловыделения и теплоотдачи.
Задача подразделений пожарной охраны заключаются в том, чтобы конкретными действиями добиться такого понижения температуры в зоне реакции, при которой горение прекратиться. Абсолютный предел такой температуры называется температурой потухания. В процессе тушения пожара условия потухания создаются: охлаждением зоны горения или горящего вещества; изоляцией реагирующих веществ от зоны горения; разбавлением реагирующих веществ; химическим торможением реакции горения.

Наиболее распространенной научно обоснованной теорией прекращения процессов горения является тепловая теория потухания пламени или тепловая теория прекращения горения. Суть ее сводится к тому, что при нарушении условий теплового равновесия в зоне протекания химических реакций горения самопроизвольное и непрерывное течение этих реакций становится невозможным и процесс горения прекращается. Это происходит тогда, когда в результате нарушения теплового равновесия в зоне протекания химических реакций горения температура снизится до некоторого критического значения Т_кр = Т_пл - ∆Т. Из анализа выражения для массовой скорости выгорания при диффузионном горении предварительно неперемешанных газов, которая возрастает с увеличением интенсивности подачи горючих компонентов в зону горения, в работе Я.Б. Зельдовича 37, получена максимально возможная величина снижения температуры пламени (до момента срыва пламени) по формуле (119): (119)

где R - универсальная газовая постоянная, 4,19 кДж/(моль*К);

Т _ад - адиабатическая температура пламени, 2300 К;

Е - энергия активации, 125000 кДж/моль.

Подставив численные значения входящих величин, получим величину критической температуры пламени или теоретической температуры потухания (120):

Температура кинетического пламени значительно меньше адиабатической Т_кин

Поэтому реальная температура диффузионного пламени получается примерно на 40*45% ниже Т_ад, соответствующей низшей теплоте сгорания углеводородных горючих веществ и материалов. Принимая условно среднюю теплоемкость газов в зоне пламени постоянной С_р, можно записать, что в расчете на единицу массы горючего вещества Т_ад =Т₀+∆Т_ад , где ∆Т_ад - повышение температуры в зоне горения за счет выделения теплоты химических реакций горения или .

где Т₀≈ 300 К, откуда К.

Если количество тепла, идущего на повышение температуры среды в зоне пламени за вычетом теплопотерь, в расчете на единицу массы горючего обозначить Q_ПЛ, то можно записать, что Q_ПЛ ≈Q р _Н-∆Q_ПОТ, где ∆Q_ПОТ составляет примерно 40% от всего выделившегося в факеле пламени тепла, т.е. ∆Q_ПОТ≈0,4Q р _Н. Откуда Q_ПЛ ≈0,6Q р _Н. Тогда, соответственно Т_ПЛ, определяется по формуле (121):

Эта величина температуры факела диффузионного пламени t пл ~ 1200°С довольно хорошо согласуется с результатами экспериментальных данных t_пл ~ 1100 ± 1300 °С.

Следовательно, для того чтобы снизить температуру в зоне горения до температуры потухания, равной 1250 К, темпера туру факела диффузионного пламени в условиях пожара надо понижать не на три характеристических интервала температур ~ 1060 К, а всего на 150 ÷ 200 К, что соответствует интервалу температур , так как при t min _пл ~1100 °С, ∆T_пл~130 К, что соответствует Т_пот ~ T_пл - ∆T_пл ~ 1400-130=1270 К (т.е. t_пот~1000°С), а при t max _пл ~ 1200°С. ∆T_пл ~ 150 К; что соответствует Т_пот ~ T_пл - ∆T_пл ~ 1500-150 ~1350 К (т.е. t_пот~1050°С).

Таким образом, согласно тепловой теории потухания пламени задача сводится к снижению температуры в зоне химических реакций до температуры потухания путем нарушения теплового равновесия в зоне горения.

Нарушение теплового равновесия в зоне химических реакций горения можно осуществить либо снижением интенсивности тепловыделения в зоне реакции, ниже некоторого предельного значения, при котором невозможно самопроизвольное непрерывное продолжение реакций горения, либо повышением интенсивности теплоотвода, либо одновременно снижением интенсивности тепловыделения и повышением интенсивности теплоотвода до тех пор, пока температура в зоне химических реакций не снизится до температуры потухания. Аналитически интенсивность процесса тепловыделения во фронте пламени в зависимости от вида горючего, его концентрационного состава и температуры пламени выражается через скорость химических реакций уравнением вида (122):

Интенсивность суммарного процесса теплоотвода от фронта пламени по механизму лучистой теплопередачи и передачи тепла конвекцией описывается уравнением вида (123): (123)

Приравнивая правые части выражений (122) и (123) и решая полученное трансцендентное уравнение относительно T_пл, можно найти температуру пламени. Однако строгое аналитическое решение этого уравнения представляет значительные трудности. Графически, температуру диффузионного пламени, как результат динамического равновесия процессов тепловыделения и теплоотвода во фронте пламени можно найти и как численное значение проекции точки пересечения кривых q₁=f(T) и q₂=f(T) на ось абсцисс (рис. 55, точка 1). В точке пересечения кривых q₁=f(T), q₂=f(T) величины q₁ и q₂ всегда равны между собой.

При нарушении условий тепловыделения в зоне горения за счет каких-либо внешних причин (например, при снижении интенсивности тепловыделения в пламени за счет изменения концентрационного состава горючей смеси) кривая q'₁=f(T) пойдет положе (см. пунктирную S - образную кривую) и температура во фронте пламени снизится до нового равновесного значения T'_пл соответствующего точке 2.

Рис. 55. Изменение скорости выделения и отвода тепла в зоне реакции в зависимости от температуры

При нарушении условий теплоотвода от пламени (например, повышение его интенсивности за счет снижения окружающей температуры), температура во фронте пламени вновь понизится до T'_пл , соответствующей пересечению кривых q₁=f(T) и q'₂=f(T) в точке 3.

Если нарушение теплового баланса происходит одновременно за счет снижения интенсивности тепловыделения во фронте пламени и повышения интенсивности отвода тепла от него, то кривые q'₁=f(T) и q'₂=f(T) пересекутся в новой точке 4, лежащей еще левее, чем точки 1 - 3. А температура пламени будет равна T'_пл.

Изменяя и дальше условия тепловыделения (снижая его интенсивность) и теплоотвода (повышая его интенсивность), можно довести систему до состояния, соответствующего критическим условиям самовоспламенения исходных компонентов горючей смеси. При этом температура самовоспламенения будет соответствовать точке касания кривых q₁=f(T) и q₂=f(T) и равна Т_св, а температура возникшего пламени будет соответствовать точке пересечения кривых q₁=f(T) и q'₂=f(T) и равна Т_пл lV .

Снижая дальше интенсивность тепловыделения или повышая интенсивность теплоотвода, можно перевести систему в новое положение, соответствующее рис. 56. Для простоты изложения будем только повышать интенсивность теплоотвода путем снижения окружающей температуры, т.е. передвигать кривую q₂=f(T) влево параллельно самой себе. Таким способом можно достичь такого положения, когда кривые q₁=f(T) и q₂=f(T) будут иметь три точки пересечения (рис. 56). Точка а лежит в области низких температур, ниже температуры самовоспламенения (Т_а Т_св ) и характеризует неустойчивое состояние. При малейшем снижении температуры в точке б (смещение по стрелке влево вниз) система перейдет в состояние в точке а и горения не произойдет; а при незначительном повышении температуры в точке б (смещение по стрелке вправо вверх) система перейдет в устойчивое состояние в точке д и температура пламени Т_д будет выше, чем в точке II Т_П и пламя не погаснет, а его температура будет соответствовать значению Т_д > Т_П.

Рис. 56. Изменение скорости выделения и отвода тепла в зоне реакции взависимости от температуры (увеличение теплоотвода за счет уменьшениятемпературы окружающей среды).

Продолжая путем внешней воздействия на зону горения повышать интенсивность теплоотвода от фронта пламени (или снижением интенсивности тепловыделения или одновременным изменением обоих этих процессов), переведем систему в новое состояние, когда кривые q₁=f(T) и q₂=f(T) имеют только две общих точки: точку пересечения а в области низких температур и точки П - точку касания кривых. В точках пересечения и в точках касания кривых, значения q₁ и q₂ равны друг другу. Проведем анализ состояния системы в точке П методом малых возмущений. Снизим температуру системы на незначительную величину ∆Т, т.е. сместимся влево от точки П. При этом кривая интенсивности теплоотвода q₂=f(T) идет выше q₁=f(T) и система за счет ее охлаждения в результате нарушения теплового баланса перейдет из точки II в точку а ( q₁ = q₂ ), т.е. процесс горения прекратится.

Теперь, наоборот, повысим температуру системы в точке П на незначительную величину ∆Т, т.е. сместимся вправо вверх от точки II. В этом случае значение функции теплоотвода q₂=f(T) опять больше, чем функции q₁=f(T), т.е. теплоотвод интенсивнее тепловыделения (кривая q₂ идет выше, чем q₁ ) и температура системы вновь понизится, возвращая ее в точку П. Значит, в точке П система находится в относительно устойчивом положении, при котором повышение температуры системы ведет к ее стабилизации и возврату системы в прежнее состояние, а малейшее понижение температуры (повышение интенсивности теплоотвода или снижение интенсивности тепловыделения) ведет к неизбежному потуханию пламени (т.е. к возврату системы в точку а'). Это значит, что малейшее смещение кривой q₂=f(T) влево или кривей q₁=f(T) вправо приведет к тому, что эти кривые разойдутся, не имея ни одной общей точки, которая лежала бы выше температуры самовоспламенения, и будут иметь только одну общую точку а – в области низких температур, т.е. в области бесконечно медленного беспламенного окисления. Таким образом, точка П соответствует критическим условиям потухания пламени, а температура Т_п называется условно температурой потухания пламени. Точка П есть общая точка кривых q₁=f(T) и q₂=f(T), значит, в этой точке при Т=Т_п ; q₁= q₂. В то же время, это точка касания кривых q₁=f(T) и q₂=f(T), значит, в этой точке равны не только сами функции q₁ и q₂ от Т, но и их первые производные по температуре, т.е.

Тогда, аналитически, условие потухания пламени запишется так (124):

Независимо от того, каким образом будет осуществляться снижение температуры пламени до температуры потухания, процесс пламенного горения прекратится.

Снижения температуры в зоне горения до температуры потухания можно добиться и при меньших интенсивностях теплоотвода от пламени (рис. 57). Кривая q'₁=f(T) идет правее и ниже, чем q=f(T), которая была бы касательной к функции q'₂=f(T), если бы интенсивность тепловыделения не снижалась. Из графика (рис. 57) видно, что тушение пламени в этом случае возможно при менее интенсивном теплоотводе. Кривая q'₂=f(T) идет правее и ниже кривой q''₂=f(T), а также при более высокой температуре окружающей среды (Т_П > Т'_П). Температура потухания Т_п не является строго постоянной величиной, а зависит от соотношения, вида и взаиморасположения кривых q₁=f(T) и q₂=f(T), т.е. от законов изменения интенсивности тепловыделения и теплоотвода. Температура потухания Т_П =1000°С выше температуры самовоспламенения, т.е. имеет место гистерезисный характер процесса воспламенения и потухания.


Рис. 57. Изменение скорости выделения и отвода тепла в зоне реакции в зависимости от температуры (уменьшение скорости тепловыделения)	Рис. 58. Изменение скорости выделения и отвода тепла в зоне реакции в зависимости от температуры (увеличение скорости теплоотвода)

Это справедливо и для случая, когда одновременно со снижением интенсивности тепловыделения в факеле пламени q₁=f(T) и повышением интенсивности теплоотвода более интенсивное охлаждение зоны горения будет осуществляться не только за счет снижения окружающей температуры Т_окр, а и за счет повышения коэффициента теплопередачи а или степени черноты пламени ε, или их обеих вместе.

Повышение интенсивности теплоотвода от пламени будет выражаться графически не только путем смещения кривой q₂=f(T) влево, а и одновременным увеличением ее угла наклона (кривая q''₂=f(T) пойдет круче по отношению к оси абсцисс). График такого процесса показан на рис. 58. При повышении коэффициента теплопередачи а (что соответствует одновременно и большему углу наклона кривой q₂=f(T) гашение пламени возможно при более высокой окружающей температуре [13].

Раздел IV. Предотвращение и прекращение процессов горения.

Глава 9. Предельные явления в горении и тепловая теория потухания пламени

Параграф 9.2. Тепловая теория потухания

Из работ Я. Б. Зельдовича [10], развитых в дальнейшем Д‚ А. Франк-Камецким [19], Л. А. Вулисом [б]. В. И, Блиновым [5] и другими советскими учеными, следует, что если температуру среды в зоне протекания химических реакций горения снизить 1000°С любым способом, то процесс самопроизвольного горения станет невозможным н горение прекратится.

Добиться такого снижения температуры в зоне горения можно различными способами, в том числе изменением соотношения компонентов горючего и окислители и ту или другую сторону (доводя их до бедного или богатого концентрационного предела горения): разбавлением зоны горения нейтральными газами; введением химически активных ингибиторов, снижающих скорость химических реакцией; снижением давления в зоне реакций горения (если это возможно) и многими др. Во всех указанных способах будет снижаться скорость протекания химических реакций окисления, в результате чего уменьшится интенсивность тепловыделения и, соответственно, понизится температура в зоне горения. Возможны и принципиально иные способы снижения температуры в зоне горения, основанные не на уменьшении интенсивности процессов тепловыделения в зоне горения, а на интенсификации процессов теплоотвода из зоны горения. Повысить интенсивность теплоотвода из зоны горения можно, увеличив либо излучательную способность компонентов в зоне горения, либо их теплопроводность, либо отнимая значительную часть тепла на эндотермические процессы фазового превращения посторонних компонентов в зоне протекания высокотемпературных реакции горении, либо одновременным сочетанием и комбинацией некоторых из указанных выше способов. Осуществления этих способов можно добиться путем введения некоторых специальных ингредиентов в зону протекания химических реакций горения. Например, тонкодисперсных нейтральных термостойких порошков, металлизированных частиц, тонкораспыленной воды и др.

Схематическое изображения возможных механизмов прекращения процессов горения, рассмотренных выше, показано на рис. 9.5.

Рисунок 9,5. Схема снижение температуры пламени до температуры потухания при тушении пожаров

На практике редко удается реализовать в чистом виде какой-нибудь один из этих способов. Чаще всего они неизбежно проявляются совокупно. т. е. в комбинации, в сочетании тех, других и третьих механизмов одновременно.

Например, при введении в зону горения тонкораспыленной воды одновременно происходит и отъем тепла на ее испарение (что ведет к снижению температуры среды в зоне протекания химических реакций горения) и разбавление реагирующих компонентов: горючего и окислителя образовавшимися парами воды, что снижает скорость протекания химических реакций окисления, уменьшая тем самым интенсивность тепловыделения. Это также ведет к снижению температуры зоны химических реакций горения. Отъем тепла на повышение температуры паров воды (со 100°C) до температуры среды в зоне горении (до ̴1000°С) ведет к дальнейшему отъему тепла из зоны химических реакций горения и понижению температуры пламени. Такое многостороннее снижение температуры в зоне химических реакций горения, в свою очередь, ведет к уменьшению скорости их протекания, т. е. к снижению интенсивности тепловыделения в зоне горения и т. д.‚ пока температура в зоне горении не достигнет предельного критического значения ̴1000°С и процесс горения прекратится. Поэтому условно эта температура называется температурой потухания пламени. Это произойдет, если количество подаваемой в зону горения воды будет соответствовать расчетному, а способ ее подачи будет обеспечивать полное ее использованию на реализацию указанных выше процессов снижения температуры в зоне горения до критического значения - температуры потухания пламени.

Аналогично выглядит процесс тушения пламени и при подаче в зону горения некоторых испаряющихся или разлагающихся порошковых средств и во многих других случаях.

Размещено: 12 марта 2021 года

Разрешено: копировать ссылку (url) на данную страницу и направлять скопированную ссылку неограниченному кругу лиц.

В случае сомнений, руководствуйтесь правилом: всё, что не разрешено - запрещено

Процесс тушения пожара – это комплекс управленческих решений, направленных на обеспечение безопасности людей, животных, спасение материальных ценностей и ликвидацию горения.

Наиболее распространенной и научно обоснованной теорией прекращения процессов горения является тепловая теория потухания пламени, разработанная советским ученым Я. Б. Зельдовичем. Суть ее в том, что в результате нарушения теплового равновесия в зоне химических реакций горения при определенных условиях самопроизвольное и непрерывное протекание этих реакций становится невозможным – процесс горения прекращается. Это происходит тогда, когда температура в зоне горения снижается до некоторого критического значения, которое мы будем в дальнейшем называть температурой потухания:

где Т_ад – адиабатическая температура горения;

ΔТ – изменение температуры.

Однако на пожарах горение является не кинетическим, а диффузионным. В диффузионном пламени уменьшение температуры не приводит к значительному изменению количества газа, сгорающего на единице его поверхности, поскольку скорость горения определяется скоростью диффузии. Поэтому срыв горения из-за теплопотерь осуществляется в диффузионном пламени при меньшей интенсивности горения по сравнению с пламенем в смеси заранее перемешанных газов, да и природа критического условия иная.

Проинтегрировав уравнения диффузии и теплопроводности, используя уравнение скорости химической реакции и теорию размерности, Я. Б. Зельдович получил максимально возможную величину снижения температуры диффузионного пламени, при которой наступает потухание:

где R – универсальная газовая постоянная, 8,32 кДж/моль;

Т_ад– адиабатическая температура пламени, ≈ 2 300 К;

Е – энергия активации, ≈ 126 000 кДж/моль.

Выразив отсюда собственно температуру потухания и подставив численные значения входящих величин, можно оценить значение этой критической температуры пламени:

То есть адиабатическая температура потухания пламени составляет около 1000 °С.

На практике же в зоне горения реализуется не адиабатическая, а действительная температура горения. Она существенно ниже адиабатической вследствие потерь тепла, связанных сразу с несколькими физико-химическими процессами.

Во-первых, у диффузионных пламен выше светимость из-за наличия в них твердых частиц углерода (сажи), которые не успевают сгорать до СО и СО₂ из-за недостатка кислорода. Во-вторых, диффузионные пламена имеют более протяженную зону реакции и, соответственно, большую поверхность излучения и меньшую интенсивность тепловыделения в расчете на единицу объема. В-третьих, при диффузионном горении на величину тепловых потерь от факела пламени существенно влияет конвективный теплообмен с окружающим пространством. В сумме эти потери для диффузионных пламен составляют до 40 % от всего тепла, выделяющегося в зоне горения.

При реализации процесса тушения в зоне реакции резко снижаются потери на излучение (ниже 1 000 °С частицы углерода уже практически не светятся, а значит, и не излучают), уменьшается и конвективный теплообмен с окружающим пространством. Это позволяет нам считать, что на температурах, близких к температурам потухания, процесс горения действительно крайне близок по своим характеристикам к адиабатически-изобарическому и полученное расчетным методом значение температуры потухания реализуется на практике.

Таким образом, тепловая теория потухания дает удобный инструмент для физического обоснования способов и средств прекращения горения на пожаре.

Читайте также: