Что понимается под предельными явлениями при горении

Основные явления при горении

Имея одинаковую физико-химическую природу, процессы горения внутри топочных устройств и при пожарах различаются масштабами, ус­ловиями тепло- и массообмена.

Поэтому, рассматривая закономерности возникновения и развития горения, мы будем учитывать, что описываемые явления относятся преж­де всего к пожарам в зданиях и сооружениях.

Основная особенность явлений горения заключается в возможности их самоподдерживания и саморазвития. Реализуясь при высокой темпера­туре, реакции горения сами и создают эту температуру. Под горением мы будем понимать процесс протекания экзотермических химических реак­ций в условиях прогрессивного самоускорения, обусловленного накопле­нием в горючей системе тепла или катализирующих продуктов реакции. При этом мы будем разделять тепловые и цепные (автокаталитические) процессы при горении. Во втором случае решающее значение для реали­зации процессов горения имеют реакции с разветвляющимися цепями.

При тепловом горении цепные реакции также имеют место, но в от­личие от чисто цепных процессов повышение температуры является ос­новной причиной ускорения реакции. Поскольку скорость реакции зави-

Глава 1. Основные понятия теории горения

сит от температуры по экспоненциальному закону, а от концентраций реа­гирующих веществ только по степенному, то влияние нагрева, как прави­ло, существеннее.

Во всех процессах горения, независимо от их химической природы основную роль играют критические явления при возникновении горения и условия распространения зоны реакции. Критические явления при воз­никновении горения характеризуются резким изменением режима проте­кания процесса при незначительном изменении внешних условий. Скоро­сти всех элементарных химических процессов являются непрерывными функциями температуры, которые отражаются законом Аррениуса:

Критические условия возникновения горения являются результатом нарушения теплового равновесия между реагирующей системой и окру­жающей средой.

К критическим условиям относятся самовоспламенение, зажигание и условия распространения пламени. При этом разница между самовос­пламенением и зажиганием по существу условна.

В теории горения самовоспламенением называют возникновение го­рения в горючей смеси, помещенной в нагретый сосуд, температура сте­нок которого принимается равной начальной температуре смеси.

Зажиганием (или вынужденным воспламенением) называют возникно­вение горения под действием местного теплового импульса, воздействующе­го на небольшую часть горючей смеси. В качестве теплого импульса прини­мают электрическую искру или накаченную поверхность. Электрическая ис­кра рассматривается как чисто тепловой импульс, нагревающий малый объ­ем газа до высокой температуры. При впуске холодной горючей смеси в со­суд с нагретыми стенками возможен непрерывный переход от самовоспла­менения к зажиганию. Его можно рассматривать как процесс зажигания, в котором роль горячей поверхности играет вся поверхность стенок сосуда. Повышая начальную температуру горючей смеси до температуры стенок со­суда, можно осуществить непрерывный переход к самовоспламенению.

Простейшим примером возникновения горения можно считать теп­ловое самовоспламенение, описанное Вант-Гоффом. Согласно его пред-

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва______________________

ставлениям условием теплового воспламенения является нарушение теп­лового равновесия между реагирующей системой и окружающей средой. Академиком Н. Н. Семеновым и его учениками было открыто и детально исследовано явление цепного самовоспламенения, реализация которого происходит при нарушении равновесия между образованием и расходова­нием активных продуктов авто каталитической реакции. Условие возник­новения самовоспламенения связывает все параметры, влияющие на ско­рость реакции и на отвод тепла или активных продуктов в окружающую среду. Самовоспламенение происходит при изменении любого из этих параметров: либо свойств горючей смеси (температуры, давления, соста­ва, коэффициентов теплопроводности или диффузии), либо размеров со­суда, в котором протекает реакция. Наибольшее влияние на скорость ре­акции по сравнению с другими факторами имеет температура.

Условие самовоспламенения характеризует невозможность сохра­нения теплового равновесия в объеме горючей смеси с определенными размерами и свойствами. Условия же зажигания характеризуют наруше­ние этого равновесия при заданных начальных условиях.

При увеличении размеров зажигающей поверхности вплоть до пол­ного окружения его объема горючей смеси реализуется непрерывный пе­реход от зажигания к самовоспламенению.

После зажигания смеси каким-либо источником возможны два вари­анта: затухание пламени вблизи источника зажигания или его распростра­нение на весь объем горючей смеси. Реализация того или иного варианта

В практике обеспечения пожарной безопасности принято использовать понятие «стандартная температура самовоспламенения» или просто «температура само­воспламенения».

Глава 1. Основные понятия теории горения

зависит прежде всего от состава смеси, от концентрации горючего компо­нента. Для возможности распространения пламени существенна не на­чальная температура смеси, а температура, развивающаяся при горении. Схема распространения пламени по горючей газовой смеси показана на рис. 1.1.

Рис 1.1. Схема распространения пламени по горючей газовой смеси

В левой части рис. 1.1 показана вертикально расположенная трубка, заполненная горючей газовой смесью. При инициировании горения каким-либо источником в трубке формируется зона реакции (зона светящегося пламени), которая поднимается вверх. При этом наблюдается послойное сгорание смеси. Распределение температуры в окрестности зоны реакции показано на диаграмме в правой части рис. 1.1. Заметные превращения ком­понентов исходной смеси начинаются при температуре примерно 700 К; в зоне реакции температура достигает 1500-1600 К. За зоной активной реак­ции наблюдается некоторое увеличение температуры. Далее имеет место область примерно постоянной температуры, в которой потери тепла, на из­лучение, конвекцию и диффузионное охлаждение компенсируются выде­лениями тепла за счет рекомбинации радикалов и догорания избытка топ­лива. Затем пламя охлаждается и превращается в горячий газ. Ширина зоны реакции составляет 0,2-0,4 мм.

Распространение пламени по горючей газовой смеси характеризует­ся величиной нормальной скорости горения. Нормальным горением назы-

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва

вается распространение пламени при отсутствии газодинамических эф­фектов, обусловленных градиентами давления или турбулентностью. Скорость распространения этого идеализированного процесса называется нормальной скоростью пламени (горения). Она зависит только от кинети­ки реакции горения, коэффициентов диффузии и теплопроводности.

В начальных условиях процесс горения всегда сопровождается дви­жением газа. Если такое движение и не создается искусственно, оно воз­никает самопроизвольно вследствие термического расширения сгоревших объемов. При неоднородном движении газа искривление фронта пламени приводит к увеличению скорости горения. При возникновении турбу­лентности механизм ускорения горения определяется соотношением меж­ду масштабом турбулентности и толщиной фронта пламени. (Под толщи­ной фронта пламени понимается зона, в которой происходят химические реакции горения.) При крупномасштабной турбулентности (т. е. когда масштаб турбулентности существенно больше толщины фронта пламени) увеличивается поверхность пламени и, соответственно, скорость горения. При мелкомасштабной турбулентности меняется механизм тепломассопе-редачи во фронте пламени. Она осуществляется уже не молекулярной, а турбулентной теплопроводностью и диффузией.

Источник

Периодика

И.М. Абудрагимов Предельные явления в горении как научно-теоретическая основа пожаровзрывобезопасности

В статье описывается ключевая тема теории горения и взрыва применительно к практике пожарного дела. Дается исчерпывающее объяснение понятий, который лежат в самой основе противопожарной защиты объектов.

В середине 70-х годов прошлого века, вскоре после создания кафедры “Процессы горения” в единственном в стране в те годы высшем учебном заведении по пожарной безопасности (ВИПТШ МВД СССР), автором была написана статья с очень претенциозным названием “Предельные явления в горении — научная основа пожаровзрывобезопасности”. Естественно, статью с таким названием единственный тогда в стране журнал по пожарной безопасности “Пожарное дело” напечатать не осмелился (а других по этим проблемам не было). И только почти через 10 лет (в конце 1984 г.) эта статья в несколько адап-тированном виде была опубликована Журналом Всероссийского химического общества им. Д. И. Менде-леева (он так и назывался), достаточно известным в мире, поскольку он переиздавался на английском языке. А надо сказать, что в нашей стране среди специалистов по пожаровзрывобезопасности высшим достижением считалось опубликовать свою работу в этом замечательном журнале.

Через 2-3 года после этой публикации универси-теты многих стран мира (Канады, Бразилии, Японии) стали приглашать автора на семинары, конгрессы, симпозиумы по проблемам пожаровзрывобезопас-ности (но “почему-то” эти приглашения вручались ему через 2-3 месяца после того, как данные меро-приятия уже состоялись).

В 1984 г. было издано учебное пособие “Процес-сы горения” для пожарных инженеров, вся заклю-чительная глава которого написана почти целиком по материалам упомянутой выше статьи (естествен-но, без ссылки на саму статью). Еще через 23 года на кафедре выходит второе учебное пособие на эту же тему “Теория горения и взрыва”. Последняя, 8-я, глава пособия так и называется: “Предельные явления в горении — теоретическая основа обеспечения пожаровзрывобезопасности” — и написана почти полностью по материалам этой статьи. И тоже, “ес-тественно”, без ссылки на статью и даже упоминания о ней.

Более того, к 1985 г. на основе материалов данной статьи был написан новый учебник (объемом 250 с.), название которого полностью совпадает с названием статьи, но и он, “естественно”, не был издан.
На основе каждого раздела этой статьи за истекшие 25 лет было написано по 2-3, а то и более статей (в 90 % случаев без ссылки на первоисточник!). По-следний случай — отличная статья в сентябрьском номере “Пожаровзрывобезопасности” за 2012 г. о температуре потухания пламени как предельном явлении, лежащем в основе процессов тушения (и тоже, “естественно”, без ссылки!).

Надеюсь, что после этой публикации мои кол-леги станут более часто ссылаться на упомянутую выше статью, ставшую первоосновой для нескольких десятков статей по пожарной безопасности.

Обзор и анализ статистических данных по числу пожаров, их масштабам, размерам материального ущерба и числу человеческих жертв при пожарах и взрывах за последние 10-12 лет убедительно пока-зывают тенденцию их неуклонного и устойчивого роста практически во всех технически развитых странах мира. Как отмечалось в ряде работ 2, такое положение обусловлено, с одной стороны, резкой интенсификацией производства и потребления энергии, повышением общих и единичных мощно¬стей агрегатов, объектов и целых отраслей промышленности, а с другой — отставанием научных разработок и производства систем и средств обеспечения пожаровзрывобезопасности. Даже такие чрезвычайные меры, предпринятые в США, как мно-гомиллионные ассигнования на обеспечение пожаровзрывобезопасности космических полетов [4] и федеральный закон о мерах по снижению материального ущерба при пожарах [5], дают лишь временный успех, в лучшем случае в виде стабилизации показателей потерь и ущерба на 2-3 года, после чего они вновь начинают возрастать.

В ряде стран не полностью решены некоторые проблемы обеспечения требуемого уровня пожаро-взрывобезопасности современной авиации и аэрокосмических полетов; пожарной безопасности атом-ных энергоустановок, крупных резервуаров с ЛВЖ и ГЖ; крупных магистральных газопроводов и нефтеналивных судов, многих видов химического производства, крупных складов материальных ценностей, жилых и общественных высотных зданий; обеспечения радикальными средствами для борьбы с крупными лесными и торфяными пожарами и многими другими видами пожаров и взрывов на современных объектах. В нашей стране приняты необходимые меры и разработаны эффективные средства обес-печения максимально возможной степени пожаро-взрывобезопасности объектов народного хозяйства, и тем не менее часто случаются взрывы и весьма крупные пожары, нередко сопряженные с жертвами и большим материальным ущербом [6, 7].

Источник

Общее понятие о процессе горения

Федеральная противопожарная служба

Тверской области

РЕФЕРАТ

Горение и способы прекращения горения

Выполнил:

Общее понятие о процессе горения

Горение представляет собой сложное, быстро протекающее химическое превращение, сопровождающееся выделением большого количества теплоты и обычно свечением. Для возникновения горения необходимы определенные условия: наличие горючего вещества, окислителя (чаще всего кислорода воздуха), и источника воспламенения, их совокупность является условием возникновения горения.

Кроме кислорода воздуха, в качестве окислителя могут выступать многие химические соединения:

Горение наступает и продолжается только в том случае, когда горючий материал и окислитель нагреты до определённой температуры источником тепла (пламенем, искрой, раскаленным предметом). Наименьшая температура, при которой горючее вещество в присутствии кислорода воздуха способно воспламениться, называется температурой самовоспламенения, наименьшая температура, при которой вещество начинает устойчиво гореть под воздействием открытого источника огня, называется температурой воспламенения. Если устойчивого горения не происходит, а наблюдается только кратковременная вспышка, то наименьшую температуру вещества, при которой происходит подобное явление, называют температурой вспышки. Температура вспышки горючих веществ всегда ниже температуры воспламенения.

Различают полное и неполное горение.

Полным называется горение, при котором образовавшиеся в результате его продукты не способны к дальнейшему горению.

Неполным называется такое горение, при котором образовавшиеся в результате его продукты способны к дальнейшему горению.

Неполное горение происходит в тех случаях, когда по каким-либо причинам приток воздуха недостаточен. В условиях пожара в зданиях обычно происходит неполное горение, особенно в подвалах. Продукты неполного горения более опасны по сравнению с продуктами полного горения, так как в их состав входят вещества, способные гореть и образовывать с воздухом взрывчатые смеси (окись углерода и др.). Кроме того, в состав продуктов неполного горения входят образующиеся под действием высокой температуры продукты сухой перегонки горючих веществ, например, пары смол, спиртов и т.п. Особенно опасно образование окиси углерода (угарного газа).

2. Основная причина пожара.

Основной причиной, вызывающей распространение пожара, является теплота, передающаяся от места горения на все окружающие предметы. Передача тепла на пожаре осуществляется тремя способами:

Под теплопроводностью понимают перенос тепловой энергии при непосредственном соприкосновении веществ, материалов и конструкций. Тепло, передаваемое теплопроводностью, способствует разложению и испарению горючих веществ и материалов, быстрому их прогреву, распространению пожара в смежные помещения, на выше и ниже расположенные этажи посредством передачи тепла по трубам, проходящим через перегородки и перекрытия, различным металлическим и другим конструкциям.

Конвекция – перенос тепловой энергии путем перемещения или перемешивания частиц жидкости или газа. Конвективные потоки на больших пожарах достигают больших скоростей, что приводит к перебросу на значительные расстояния горящих головней и искр. Это явление ускоряет распространение пожара путем образования новых очагов горения перед основным фронтом пожара.

Тепловое излучение – перенос тепловой энергии в виде электромагнитных волн Передача тепла излучением больше характерна для наружных пожаров. Тепловое излучение распространяется во всех направлениях. Наиболее интенсивно излучение происходит в направлении, перпендикулярном к поверхности фронта пламени. Интенсивность теплового излучения факела из оконного проема жилого здания вполне достаточна для воспламенения деревянных конструкций смежных зданий и сооружений.

Источник

Горение

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).

Содержание

Теория горения

При адиабатическом сжигании горючей смеси могут быть рассчитаны количество выделившегося при горении тепла, температура Т_Г, 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, Т_Г 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: Т_Г = Т0 + Q_r/C, где Т₀ — начальная температура смеси, С — средняя в интервале температур от Т₀ до Т_Г удельная теплоёмкость исходной смеси (с учетом её изменения при возможных фазовых переходах), Q_r — удельная теплота сгорания смеси при температуре Т_Г. При относительном содержании а₀ в смеси компонентов, полностью расходуемых в реакции, Q_Г = Q*а₀ где Q — тепловой эффект реакции горения. Значение Т_Г 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 Т_Г, 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

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).

Как синонимы используются тривиальные термины «безгазовое горение» и «твердопламенное горение».

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 %.

Источник