предельные параметры процессов горения

Термическое разложение исходных соединений

Элементы тепловой теории гашения пламени

Вопрос 1. Предельные параметры процессов горения.

Тема № 9. Основные представления тепловой теории гашения пламени.

РАЗДЕЛ IV. Предотвращение и прекращение процессов горения.

«Предвидеть, значит управлять»

Лекция № 17. Вопросы:

1. Предельные параметры процессов горения. Элементы тепловой теории гашения пламени

2. Гашение пламени в узких каналах. Огнепреградители.

Для специалистов пожарной охраны с точки зрения прекращения горения наибольший интерес представляет нижний температурный предел. Ориентировочно его можно оценить по теплоте горения.

Учитывая, что из 1 м горючей смеси образуется примерно 1 м продуктов горения, приведенного к нормальным условиям, и что средняя теплоемкость продуктов горения в интервале температур от 100 до 1000 °С примерно

Ниже этой температуры пламенное горение в большинстве случаев становится невозможным, пламя гаснет и процесс горения прекращается.

Количество теплоты, выделяющейся при горении во фронте пламени, равно:

Теплота, выделяемая в зоне горения, расходуется на излучение и конвекцию, т.е. для суммарного теплоотвода с единицы поверхности зоны горения можно записать:

Графически, как функции температуры, выражения (8.2) и (8.3) имеют вид, представленный на рис.8.1.

Рис.8.1. Зависимость скорости тепловыделения и теплоотвода от температуры

Здесь нижняя ветвь кривой тепловыделения q+ представляет собой экспоненту. Функция теплоотвода q_ представляет собой кривую линию. Если менять условия горения, например, температуру окружающей среды Т₀, то она будет перемещаться параллельно самой себе.

Анализ данного графика раскрывает основное содержание и физико- химический смысл тепловой теории гашения пламени. Отрезок АС кривой тепловыделения соответствует устойчивому состоянию горючей газо- паро­воздушной смеси, когда реакции горения отсутствуют.

После воспламенения газов и паров пламя практически мгновенно переходит в точку Г на графике, температура которой соответствует температуре горения Т_г в зоне реакции. Эта точка устойчивого состояния пламени, характеризующегося динамическим тепловым равновесием: тепловыделение равно теплоотводу.

Если снизить или повысить температуру путем кратковременного воздействия, пламя возвратится в точку Г, и горючее вещество будет гореть до полного выгорания.

Количественно тепловая теория гашения пламени базируется на основном представлении о том, что процесс горения протекает в довольно узком характеристическом интервале температуры:

В таком случае, например, для углеводородов, у которых Т_г = 2400 К, Е = 130 кДж/моль, R = 8,3 Дж/моль, температура гашения пламени будет равна:

неполного горения (оксида углерода, сажи, копоти, смол и др.), протекают во фронте пламени;

• диссоциация продуктов горения;

На процесс термического разложения влияют, в первую очередь, температура и продолжительность нагревания. Существенную роль может играть поверхность приемника тили трубки: железо и никель ускоряют процесс разложения путем инициирования гетерогенных реакций на поверхности. Стекло, кварц, хром и высокохромированные стали не обладают таким поверхностным каталитическим действием. Чем выше температура и ниже давление, тем сильнее возрастает выход газообразных продуктов. Экспериментально установлено, что процессы разложения органических соединений протекают за время порядка 0.001 секунды. На начальных стадиях обычно рвутся химические связи с наименьшей энергией разрыва. Энергия разрыва С—С-связи в парафиновых углеводородах уменьшается в следующем порядке:

СН₃ —СН₂ > СН₂—СН₂ > СН —СНз > СН— СН₂ > СН— сн По увеличению термической стабильности углеводороды можно расположить в следующий ряд:

Для диффузионного режима горения теория дает температуру гашения пламени ниже на 39, т.е.:

Температурный интервал кинетического горения углеводородов узкий, всего около 400 К, а фактическая температура в зоне горения близка к адиабатической, т.е. к ее верхнему пределу.

Температурный интервал существования диффузионного пламени очень широкий, до 1100 К, а фактическая температура в зоне горения ближе к температуре гашения.

Однако и кинетическое и диффузионное пламя можно погасить охлаждением зоны горения всего на 100-300 К.

Необходимо отметить, что приведенные вычисления носят ориентировочный характер, величины указанных температур будут, естественно, различаться у разных углеводородов и, конечно же, будут ниже у веществ, содержащих кроме С и Н гетероатомы: О, S, N и пр.

Таким образом, тепловая теория гашения свидетельствует о существовании критической температуры Т_гаш, ниже которой процессы горения протекать не могут. Достичь ее можно разными путями:

Достичь Т_гаш можно, если

снизить концен- снизить к₀ повысить а трации С_г и С_0К и повысить е из зоны горения

разбавить горю- ввести в чую смесь него- зону горе-

Источник

Лекция «Общие понятия о горении и пожаровзрывоопасных свойствах веществ и материалов, пожарной опасности зданий»

СОДЕРЖАНИЕ

ВНИМАНИЕ! При изучение данной темы следует учитывать, что деятельность по обеспечению пожарной безопасности детально регламентируется действующим законодательством, которое в рамках проводимых реформ активно изменяется, поэтому рекомендуется положения нормативных правовых актов и нормативных документов в области пожарной безопасности уточнять в актуальных редакциях.

1. ГОРЕНИЕ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ. ПОЖАР И ЕГО РАЗВИТИЕ

1.1. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ПОЖАР – неконтролируемое горение, приводящее к ущербу.

ГОРЮЧЕСТЬ – способность веществ и материалов к развитию горения.

Все вещества и материалы обладают определенной горючестью, т.е. способностью к развитию горения.

ГОРЕНИЕ – экзотермическая реакция окисления вещества, сопровождающаяся по крайней мере одним из трех факторов: пламенем, свечением, выделением дыма.

Из данного определения вытекает, что горение – это любая реакция окисления вещества, приводящая к выделению тепла. При этом реакция должна сопровождаться пламенем, свечением или дымом.

ПЛАМЕННОЕ ГОРЕНИЕ – горение веществ и материалов, сопровождающееся пламенем.

ТЛЕНИЕ – беспламенное горение материала.

ДЫМ – аэрозоль, образуемый жидкими и (или) твердыми продуктами неполного сгорания материалов.

ВОЗГОРАЕМОСТЬ – способность веществ и материалов к возгоранию.

ВОЗГОРАНИЕ – начало горения под воздействием источника зажигания.

То есть, начало выделения тепла в результате реакции окисления, сопровож­дающееся свечением, пламенем или дымом.

САМОВОЗГОРАНИЕ – возгорание в результате самоинициируемых экзо­термических процессов.

Самовозгорание сопровождается пламенем, свечением или дымом.

ВОСПЛАМЕНЯЕМОСТЬ – способность веществ и материалов к воспламенению.

ВОСПЛАМЕНЕНИЕ – начало пламенного горения под воздействием источника зажигания.

В отличие от возгорания, воспламенение сопровождается только пламенным горением.

САМОВОСПЛАМЕНЕНИЕ – самовозгорание, сопровождающееся пламенем.

Самовоспламенение сопровождается только пламенем, в отличие от само­возгорания.

ОПАСНЫЙ ФАКТОР ПОЖАРА – фактор пожара, воздействие которого на людей и (или) материальные ценности может привести к ущербу.

Опасными факторами, воздействующими на людей и материальные ости, являются:

— повышенная температура окружающей среды;

— токсичные продукты горения и термического разложения;

— пониженная концентрация кислорода.

Предельные значения опасных факторов пожара:

Температура среды – 70 °С

Тепловое излучение – 500 Вт/м 2

Содержание оксида углерода – 0,1% (об.)

Содержание диоксида углерода – 6% (об.)

Снижение видимости менее 20 м

Содержание кислорода менее 17% (об.)

К вторичным проявлениям опасных факторов пожара, воздействуют на людей и материальные ценности, относятся:

— осколки, части разрушающихся аппаратов, агрегатов, установок, конструкций;

— радиоактивные и токсичные вещества и материалы, вышедшие из разрушенных: аппаратов и установок;

— электрический ток, возникший в результате выноса высокого напряжения токопроводящие части конструкций, аппаратов, агрегатов;

— опасные факторы взрыва по ГОСТ 12.1.010, происшедшего вследствие пожара.

1.2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГОРЕНИИ

1.2.1 ДИФФУЗИОННОЕ И КИНЕТИЧЕСКОЕ ГОРЕНИЕ

Все горючие (сгораемые) вещества содержат углерод и водород, – основные компоненты газовоздушной смеси, участвующие в реакции горения. Температура воспламенения горючих веществ и материалов различна и не превышает для большинства 300°С.

Физико-химические основы горения заключаются в термическом разложении вещества или материала до углеводородных паров и газов, кото­рые под воздействием высоких температур вступают в химическое воздействие с окислителем (кислородом воздуха), превращаясь в процессе сгорания в углекислый газ (двуокись углерода), угарный газ (окись углерода), сажу (углерод) и воду, и при этом выделяется тепло и световое излучение.

Воспламенение представляет собой процесс распространение пламе­ни по газопаровоздушной смеси. При скорости истечения горючих паров и газов с поверхности вещества равной скорости распространения пламени по ним наблюдается устойчивое пламенное горение. Если же скорость пламени больше скорости истечения паров и газов, то происходит выгорание газопаровоздушной смеси и самозатухание пламени, т.е. вспышка.

B зависимости от скорости истечения газов и скорости распространения пламени по ним можно наблюдать:

— горение на поверхности материала, когда скорость выделения горючей смеси с поверхности материала равна скорости распространения огня по ней;

— горение с отрывом от поверхности материала, когда скорость выделения горючей смеси больше скорости распространения пламени по ней.

Горение газопаровоздушной смеси подразделяется на диффузионное или кинетическое. Основным отличием является содержание или отсутствие окислителя (кислорода воздуха) непосредственно в горючей паровоздушной смеси.

Кинетическое горение представляет собой горение предварительно перемешанных горючих газов и окислителя (кислорода воздуха). На пожарах этот вид горения встречается крайне редко. Однако он часто встречается в технологических процессах: в газовой сварке, резке и т.п.

При диффузионном горении окислитель поступает в зону горения извне. Поступает он, как правило, снизу пламени вследствие разрежения, которое создается у его основания. В верхней части пламени, выделяющее в процессе горения тепло, создает давление. Основная реакция горения окисления происходит на границе пламени, поскольку истекающие с поверхности вещества газовые смеси препятствуют проникновению окислителя вглубь пламени (вытесняют воздух). Большая часть горючей смеси в центре пламени, не вступившая в реакцию окисления с кислородом, предает собой продукты неполного горения (СО, СН₄, углерод и пр.).

Диффузионное горение, в свою очередь, бывает ламинарным и турбулентным (неравномерным во времени и пространстве). Ламинарное горение характерно при равенстве скоростей истечения горючей смеси с поверхности материала и скорости распространения пламени по ней. Турбулентное горение наступает, когда скорость выхода горючей смеси значительно превышает скорость распространения пламени. В этом случае граница пламени становится неустойчивой вследствие большой диффузии воздуха в зону горения. Неустойчивость вначале возникает вершины пламени, а затем перемещается к основанию. Такое горение встречается на пожарах при объемном его развитии.

Горение веществ и материалов возможно только при определенном качестве кислорода в воздухе. Содержание кислорода, при котором исключается возможность горения различных веществ и материалов, устанавливается опытным путем. Так, для картона и хлопка самозатухание наступает при 14% (об.) кислорода, а полиэфирной ваты – при 16% (об.)

Исключение окислителя (кислорода воздуха) является одной из мер пожарной профилактики. Поэтому хранение легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, карбида кальция, щелочных металлов, фосфора должно осуществляться в плотно закрытой таре.

1.2.2 ИСТОЧНИКИ ЗАЖИГАНИЯ

Необходимым условием воспламенения горючей смеси являются источники зажигания. Источники зажигания подразделяются на открытый огонь, тепло нагревательных элементов и приборов, электрическую энергию, энергию механических искр, разрядов статического электричества и молнии, энергию процессов саморазогревания веществ и материалов (самовозгорание) и т.п. Выявлению имеющихся на производстве источников зажигания должно быть уделено особое внимание.

Характерные параметры источников зажигания принимаются по:

Температура канала молнии – 30000°С при силе тока 200000 А и времени действия около 100 мкс. Энергия искрового разряда вторичного воздействия молнии превышает 250 мДж и достаточна для воспламенения горючих материалов с минимальной энергией зажигания до 0,25 Дж. Энергия искровых разрядов при заносе высокого потенциала в здание по металлическим коммуникациям достигает значений 100 Дж и более, что достаточно для воспламенения всех горючих материалов.

Поливинилхлоридная изоляция электрического кабеля (провода) воспла­меняется при кратности тока короткого замыкания более 2,5.

Температура сварочных частиц и никелевых частиц ламп накаливания достигает 2100°С. Температура капель при резке металла 1500°С. Температура дуга при сварке и резке достигает 4000°С.

Зона разлета частиц при коротком замыкании при высоте расположения провода 10 м колеблется от 5 (вероятность попадания 92%) до 9 (вероятность попадания 6%) м; при расположении провода на высоте 3 м – от 4 (96%) до 8 м (1%); при расположении на высоте 1 м – от 3 (99%) до 6 м (6%).

Искры статического электричества, образующегося при работе людей с движущимися диэлектрическими материалами, достигают величин от 2,5 до 7,5 мДж.

Температура пламени (тления) и время горения (тления), «С (мин), некоторых малокалорийных источников тепла: тлеющая папироса – 320-410 (2-2,5); тлеющая сигарета – 420-460 (26-30); горящая спичка – 620-640 (0,33).

Для искр печных труб, котельных, труб паровозов и тепловозов, а также других машин, костров установлено, что искра диаметром 2 мм пожароопасна, если имеет температуру около 1000°С, диаметром 3 мм – 800°С, диаметром 5 мм – 600°С.

1.2.3 САМОВОЗГОРАНИЕ

Самовозгорание присуще многим горючим веществам и материалам. Это отличительная особенность данной группы материалов.

Самовозгорание бывает следующих видов: тепловое, химическое, микробиологическое.

Тепловое самовозгорание выражается в аккумуляции материалом тепла, в процессе которого происходит самонагревание материала. Температура самонагревания вещества или материала является показателем его пожарной опасности. Для большинства горючих материалов этот показатель лежит в пределах от 80 до 150°С: бумага – 100°С; войлок строительный – 80°С; дерматин – 40°С; древесина: сосновая – 80, дубовая – 100, еловая – 120°С; хлопок-сырец — 60°С.

Продолжительное тление до начала пламенного горения является отличительной характеристикой процессов теплового самовозгорания. Данные процессы обнаруживаются по длительному и устойчивому запаху тлеющего материала.

Микробиологическое самовозгорание связано с выделением тепловой энергии микроорганизмами в процессе жизнедеятельности в питательной для них среде (сено, торф, древесные опилки и т.п.).

На практике чаще всего проявляются комбинированные процессы самовозгорания: тепловые и химические.

2. ПОКАЗАТЕЛИ ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНОСТИ

Изучение пожаровзрывоопасных свойств веществ и материалов, обращающихся в процессе производства, является одной из основных задач пожарной профилактики, направленной на исключение горючей среды из системы пожара.

В соответствии с ГОСТ 12.1.044 по агрегатному состоянию вещества и материалы подразделяются на:

ГАЗЫ – вещества, давление насыщенных паров которых при температуре 25°С и давлении 101,3 кПа (1 атм) превышает 101,3 кПа (1 атм).

ЖИДКОСТИ – то же, но давлении меньше 101,3 кПа (1 атм). К жидкос­тям относят также твердые плавящиеся вещества, температура плавления или ка-плепадения которых меньше 50°С.

ТВЕРДЫЕ – индивидуальные вещества и их смеси с температурой плавления или каплепадения выше 50°С (например, вазилин — 54°С), а также вещества, не имеющие температуру плавления (например, древесина, ткани и т.п.).

ПЫЛИ – диспергированные (измельченные) твердые вещества и материалы с размером частиц менее 850 мкм (0,85 мм).

Номенклатура показателей и их применяемость для характеристики пожаровзрывоопасности веществ и материалов приведены в табл.1.

Значения данных показателей должны включаться в стандарты и технические условия на вещества, а также указываться в паспортах изделий.

Источник

6.5. Пределы горения и основанные на них способы предотвраще­ния и прекращения горения

Предельными параметрами процесса горения (пределами горения) назы­вают параметры, без достижения которых процесс горения возникнуть или существовать не может.

Пределов горения различают достаточно много. Большинство из них были рассмотрены ранее: КПРП, ТПРП, МЭЗ, МВСК и др.

Наиболее важными пределами горения являются те, которые доступны нашему влиянию. На использовании пределов горения основаны все способы предотвращения и прекращения горения.

Рассмотрим некоторые из пределов горения и их применение для предот­вращения и прекращения горения.

Концентрационные пределы процессов горения. К ним относят: КПРП; пределы по негорючим газам (флегматизаторам); пределы по кислороду – МВСК. Рассмотрим эти пределы горения подробнее.

Как было изучено ранее, концентрационные пределы распространения пламени – минимальное или максимальное содержание горючих паров в сме­си с окислителем, при котором пламя будет распространяться по смеси на любое расстояние от ИЗ. Пример для метана: НКПРП – 5 %, ВКПРП – 14 %. Вне этих пределов, т. е. при концентрации метана менее 5 % и более 14 %, горение при обычных условиях не происходит. С учетом этого, для предотвращения пожара контролируют с помощью газоанализаторов концентрацию горючих газов и паров и не допускают, чтобы она дос­тигла НКПРП. Таким образом, предотвращают пожары, например, при ремонте резервуаров горючих жидкостей с применением газоэлектро­сварки, а также в газовых котельных, помещениях заправки бытовых газовых баллонов и т. д.

Необходимо напомнить, что значения КПРП, как и других пределов горе­ния, не постоянны. Они изменяются в зависимости от мощности источника зажигания, состава воздуха и других факторов. Это необходимо учиты­вать при обеспечении пожарной безопасности.

К концентрационным пределам горения можно отнести и предельные концентрации негорючих газов (иначе – нейтральных газов, инертных разба­вителей, флегматизаторов). Для тушения пожаров с помощью автоматических установок пожаротушения, огнетушителей и предотвращения пожаров методом флегматизации используются следующие нейтральные газы: диоксид углерода СО₂, водяной пар, реже азот N₂, аргон Аг, гелий Не и др. Например, для предотвращения взрыва продуктов разложения самовозгоревшегося зерна на хлебокомбинатах применяют такой метод, как заполнение объема бункера одним из вышеперечисленных флегматизаторов. Причем их концентрация должна быть не ниже огнетушащей. Для разных горючих веществ огнетушащие концентрации нейтральных газов составляют: СО₂ – _туш  25-30 %; Н₂О(пар) – _туш 30-35 %; N₂, He – _туш  35-40 %; Аг – _туш 50- 55 %.

Отметим, что разная огнетушащая концентрация негорючих газов связана со свойствами, которые подробно будут рассмотрены далее.

К пределам горения относят также и МВСК (концентрация кислорода в горючей смеси, ниже которой воспламенение и горение смеси становится невозможным). Известно, что гомогенное горение прекращается при концеп­ции кислорода 12-15 %, гетерогенное горение – 5-6 % (напомним, что в атмосферном воздухе содержится порядка 21 % кислорода). Ранее такой способ прекращения горения широко применялся на судах: при возникновении горения задраивались все люки и иллюминаторы, и горение через некоторое время прекращалось. Отметим, что такой способ прекращения горения будет неэффективным для веществ, содержащих в своем составе кислород (лен, хлопок, сено, вага, и т. д.).

Предельные энергии зажигания (Е_min). Предельной энергией зажигания Е_min называют наименьшее значение энергии электрического разряда, способное воспламенить наиболее легко-воспламеняющуюся смесь газа, пара или пыли.

Известно, что ИЗ имеют различную мощность. Так, мощность искры меньше мощности открытого пламени. ИЗ в виде искры легко воспламеняет горючий газ, но не в силах воспламенить в обычных условиях, например, древесину. Понятно, что, чем меньше мощность ИЗ, тем меньше пожарная опасность. Известна предельная величина мощности электрической искры, которая не может зажечь, в частности, углеводороды: Е_min = 0,1 МДж. Значение предельной энергии зажигания Е_min – непостоянно, оно изменяется при изменении давления, состава воздуха и др. Например, чем выше давление, тем меньшая мощность ИЗ необходима для того, чтобы зажечь вещество и наоборот.

Предельные значения энергии зажигания используются при предотвра­щении пожара, например, в ПВО помещениях, где содер­жатся горючие газы, путем замены обычной электросети, имеющей доста­точно высокую мощность возможного источника зажигания, на низковольт­ную.

Пределы по давлению. Известно, что скорость химической реакции горения прямо пропорцио­нальна количеству соударения молекул реагентов. При уменьшении давления количество соударений молекул уменьшается, следовательно, уменьшается и скорость химической реакции горения. Чем меньше давление, тем труднее протекает процесс горения, тем меньше пожарная опасность. При опреде­ленном значении давления горение становится невозможным. Так, предел по давлению для большинства органических веществ составляет порядка Р_пр = 1кПа ≈ 0,01 атм. В то же время, уже при давлении Р = 10 кПа (0,1 атм) большинство веществ становится трудновоспламеняющимися. При давлении Р = 50 кПа значительно снижается интенсивность горения всех горючих ве­ществ. С другой стороны, чем выше давление – тем выше пожарная опас­ность, процесс горения протекает легче. Повышение давления используется в различных технологических процессах для улучшения сгорания используе­мого топлива.

Необходимо добавить, что горение прекратится также и тогда, когда скорость газовоздушной смеси станет выше предельного значения скорости распространения турбулентного пламени, то есть когда _см   турб _распр. В этом случае говорят, что горение прекратилось вcлeдcтвие аэродинамического срыва пламени.

Пределы по теплоте горения. Теплота горения газовоздушных смесей органических веществ лежит в пределах Q_н = 10-100 тыс. кДж/кг. Горючие вещества не имеют значений теплоты горения ниже Q_np. = 1083 кДж/м 3 для газов, Q_пр = 2095 кДж/кг для жидкостей.

Предел по температуре пламени. Теоретическая температура пламени t_пл. достигает для разных веществ 1700-2200 0 С. На пожаре температура пламени существенно ниже из-за по­терь тепла и составляет 1100-1500 0 С. Существует критическая температура пламени (температура потухания), ниже которой протекание реакций высо­котемпературного окисления в пламени невозможно – t_пл. no т = 1000 0 C. Верхние пределы температуры пламени составляют: для газов – 1900-2100 0 С; горючих жидкостей – 1800-1900 0 С; твердых веществ – 1700-1800 0 С (кроме пороха, магния Mg, других металлов, у которых t_nл. = 2800 0 С).

Источник