Документ. 1 История возникновения и достижения науки в области изучения огня

• Название: 1 История возникновения и достижения науки в области изучения огня
• Анкор: Документ
• Дата: 18.12.2021
• Размер: 340.84 Kb.
• Имя файла: 1.docx
• Тип: Документы; #307610
• страница: 2 из 5

17-18. Виды источников зажигания и их воспламеняющая способность. Температуры воспламенения и самовоспламенения

Под источником зажигания (воспламенения) понимается горящее или накалённое тело, а также электрический разряд с запасом энергии и температурой, достаточными для возникновения горения других веществ. Процесс воспламенения ограничен частью объёма Г.В., при воспламенении удельная поверхность теплоотвода обычно выше, чем при самовоспламенении, и ускорение реакции окисления начинается при более высокой температуре. Искра, образованная при трении, может воспламенить газовоздушные смеси, волокнистые и мелкораздробленные материалы, имеющие малую теплопроводность (хлопок, ткани, сено и т.п.). Минимальная энергия зажигания для газов может быть 0,2-0,3 Дж. Пламя представляет собой высоконагретые газы и является более мощным источником зажигания, поэтому может воспламенить многие жидкие и твёрдые вещества. Мощность электрических искр зависит от параметров электрической цепи. Воспламеняющая способность источника зажигания зависит от количества энергии, передаваемого к горючему материалу за время его воздействия, а также от самого ГВ и его состояния
Температурой вспышки называют минимальную температуру горючего вещества, при которой над его поверхностью образуются пары и газы, способные вспыхнуть в воздухе от источника зажигания. Однако скорость их образования еще недостаточна для последующего горения.

Воспламенение - процесс, при котором вещество, нагреваясь до температуры кипения, продолжает гореть и тлеть до тех пор, пока происходит парообразование или выделение летучих углеводородов и других горючих соединений. Температура воспламенения выше температуры вспышки для горючих веществ на 5 .30 оС, для легковоспламеняющихся - на 2 .5 °С.

Нижний и верхний концентрационные пределы воспламенения некоторых веществ (%) и нижние пределы взрываемости пыли в воздухе (г/м3) приведены ниже: аммиак - 4,1 .27; бензин Б-72 - 1,1 .7,0; водород - 4,1 .74,5; пыль кормового брикета, сухое молоко - 7,6; пыль мельничная серая, отруби пшеничные - 17,6; лигнин хлопковый - 63,0.

Наиболее распространенные способы прекращения горения: снижение концентрации кислорода в зоне горения и ее охлаждение.

Самовоспламенением называют процесс самостоятельного ускорения реакции, переходящий в горение.

Температурой самовоспламенения называют минимальную температуру вещества, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, заканчивающихся возникновением пламени горения.

19. Механизм теплового взрыва в исследованиях Семенова В своем анализе теплового взрыва Семенов (1935) рассматривал пространственно однородную систему, т.е. систему с постоянными давлением, температурой и составом смеси. Кроме того, химические процессы аппроксимировались одностадийной реакцией

Горючее (Г) Продукты (П) со скоростью реакции первого порядка:

Теория теплового взрыва, предложенная академиком Н. Н. Семеновым, является основой современной тепловой теории горения и устанавливает важный физический смысл явления воспламенения, утверждая наличие критического условия воспламенения, когда интенсивность тепловыделения превосходит теплоотвод и стационарный процесс оказывается невозможным. Теория доказывает, что температура воспламенения не является физико-химической константой газовоздушной смеси, она зависит от условий теплообмена смеси с внешней средой. Этот факт очень важен, так как долгое время температуру самовоспламенения считали физико-химической постоянной величиной.

В теории теплового взрыва нагрев представляет единственную причину прогрессивного увеличения скорости химической реакции и скорости тепловыделения. Химическое превращение само по себе, с точки зрения этой теории, является только тормозящим фактором, поскольку по мере расходования исходного вещества уменьшается скорость химических реакций. Между тем обширный класс химических реакций, к которому относятся все реакции окисления углеводородов воздухом и кислородом, представляет тип химического превращения, скорость которого до некоторого предела возрастает по мере накопления продуктов реакции.

20. Характеристика свойств взрывчатых веществ

Взрывчатые вещества (ВВ) под действием начального импульса (накола, нагрева, ударной волны и т. д.) способны к быстрой химической реакции, фронт которой в твёрдых и жидких веществах может распространяться со скоростями до 9 км/с. Такой быстрый процесс химической реакции называется детонацией.р

При определённых условиях ВВ споктеристика свойств взрывчатых веществсобны к устойчивому горению. В этом случае скорость горения при атмосферном давлении имеет порядок сантиметров в секунду. Скорость горения пропорциональна давлению окружающей среды. При определённых условиях горение ВВ может перейти в детонацию. Механизм горения веществ отличается от механизма детонации. При горении процесс передачи энергии от горячего слоя вещества к другим слоям вещества осуществляется за счёт теплопроводности, диффузии и излучения.

Рассмотрим некоторые свойства взрывчатых веществ. Взрывчатые вещества по назначению делятся на четыре группы:

1.инициирующие (первичные),

2.бризантные (вторичные),

3.метательные (пороха, твёрдые ракетные топлива) ВВ и

4. пиротехнические составы.

Инициирующие ВВ (в составе капсюля-детонатора) обычно служат для возбуждения процесса взрыва бризантных ВВ. Инициирующие вещества (гремучая ртуть, азид свинца, ТНРС, тетразен и др.) чувствительны к простому начальному импульсу (нагрев, накол, удар и т. п.) и поэтому используются как средство для детонации менее чувствительных бризантных ВВ, к которым относятся такие ВВ как тротил, гексоген, ТЭН, тетрил, ДИНА, октоген и др., широко используются сплавы и смеси разных ВВ, например, тротила и гексогена в различных соотношениях: ТГ 50/50, ТГ 40/60 и т. п.; тротила и октогена, тротила и ТЭНа, которые называются пентолитами (например, 50/50), аммониты — смеси аммиачной селитры с взрывчатыми (например, тротилом) или невзрывчатыми (например, торфом) горючими и т.п.

Взрывчатые вещества (с точки зрения их действия) характеризуются рядом параметров: плотностью ρ₀, теплотой взрыва Q, скоростью детонации D, критическим d_кр и предельными d_np диаметрами, показателями изоэнтропы к.

В результате химической реакции выделяется энергия за счёт разрыва химических связей молекул — теплота взрыва Q(Дж/кг). Теплота взрыва Qпозволяет определить энергию взрыва данного заряда Е: Е = mQ, где т — масса заряда ВВ.

Теплота взрыва Qможет быть определена экспериментально, а также путём расчёта. Наиболее распространенный метод вычисления Qоснован на приближённых уравнениях химического разложения данного ВВ. Зная теплоту образования продуктов взрыва и теплоту образования данного ВВ, можно определить теплоту взрыва. Расчётом также определяется приближённое значение температур, состав и объём продуктов детонации (ПД).

21. Теория детонации идеального взрывчатого газа

Если рассматривать сгорание горючей смеси послойно, то в результате термического расширения объема продуктов сгорания каждый раз впереди фронта пламени возникает волна сжатия. Каждая последующая волна, двига-ясь по более плотной среде, догоняет предыдущую и накладывается на нее. Постепенно эти волны соединяются в одну ударную волну (рис. 21).

Рис. 21. Схема образования де-тонационной волны: Р_о< Р₁ < Р₂ < Р₃ < Р₄ < Р₅ < Р₆ < Р₇; 1-7 – нарастание давления в слоях с 1-го по 7-ой.

В ударной волне в результате адиабатического сжатия мгновенно уве-личивается плотность газов и повышается температура до Т⁰ самовоспламе-нения. В результате происходит зажигание горючей смеси ударной волной и возникает детонация – распространение горения путем воспламенения удар-ной волной. Детонационная волна не гаснет, т.к. подпитывается ударными волнами от движущегося вслед за ней пламени.

Особенность детонации – она происходит с определенной для каждого состава смеси сверхзвуковой скоростью 1000-9000 м/с, поэтому является фи-зической константой смеси. Она зависит только от калорийности горючей смеси и теплоемкости продуктов сгорания.

Встреча ударной волны с препятствием ведет к образованию отражен-ной ударной волны и еще большему давлению.

Детонация – самый опасный вид распространения пламени, т.к. имеет максимальную мощность взрыва (N=A/) и огромную скорость. Практически «обезвредить» детонацию можно лишь на преддетонационном участке, т.е. на расстоянии от точки зажигания до места возникновения детонационного горения. Для газов длина этого участка от 1 до 10 м.



22.

23.

24.

25. Кинетическое горение представляет собой горение предвари­тельно перемешанных смесей горючего и окислителя. Это наиболее простой, поддающийся теоретическому анализу вид горения, вследствие чего он является и наиболее изученным.

На пожаре этот вид горения встречается сравнительно редко. Его можно наблюдать, главным образом, на стадии воспламенения: при самовоспламенении или зажигании. Иногда он имеет место при пожарах технологического оборудования, и по внешне­му проявлению этот режим горения обычно воспринимается как взрыв или вспышка. (Д)

26.

27. Диффузионное горение газа

На пожаре в основном встречается диффузионное горение, когда скорость лимитируется (определяется) скоростью образова­ния горючей смеси, т. е. смешением горючего с окислителем (кислородом воздуха) за счет диффузии. Типичное диффузионное пламя образуется при сгорании го­рючего газа, вытекающего из трубки в атмосферу воздуха. Когда скорость струи невелика, граница пламени устойчивая, пламя на вид «гладкое», горение протекает спокойно. С увеличением ско­рости истечения высота пламени пропорционально возрастает (рис. 6.10). Такое горение является ламинарным. Хотя в большинстве случаев на практике приходится иметь дело с диффузионными турбулентными пламенами, большая часть научных работ посвящена исследованию ламинарных диф­фузионных пламен, более доступных для лабораторных исследо­ваний и теоретического анализа. Структура диффузионного пламени. Согласно общепринятым представлениям, при горении вытекающего горючего газа в ат­мосферу воздуха кислород последнего, диффундируя через слои продуктов горения, поступает к зоне горения, где вступает в химическую реакцию окисления с горючим (рис. 6.11,а). Вследствие диффузии окислителя из окружающей среды кон­центрация горючего на некотором расстоянии от среза горелки х_вснизится с 100% до верхнего концентрационного предела воспламенения и с этого момента станет возможным протекание



химической реакции (рис. 6.11,6). Из-за большого избытка горю­чего в этой области образуются в основном продукты неполного окисления (СО, СН₄, углерод и т. п.). Образование в этой области углерода обусловливает ярко-желтое свечение диффузионного пламени. По мере расходования горючего и повышения концентрации окислителя, скорость химической реакции изменяется в соответствии с графиком. Высота диффузионного пламени. Ее зависимость от различных факторов. В работах по диффузионным пламенам нормальная скорость горения, как это принято для кинетических смесей, как правило, не определяется. В отличие от кинетического горения скорость диффузионного горения, рассчитанная, например, как расход газа, отнесенный к элементу конической поверхности пламени, зависит от коэффициента диффузии окислителя, диамет­ра горелки, т. е. не является константой процесса горения.Поэтому для диффузионных пламен в настоящее время огра­ничиваются определением лишь высоты факела пламени Высота пламени изменяется с 25,1 * 10—² до 8,6-10—² м, при этом отношение высоты пламени к объемному расходу газа остается практически постоянным и составляет 1,2 • 10⁴с/м².

28. Распространение пламени в турбулентном потоке.

Турбулентное горение является наиболее распространенным видом горения, встречающимся на практике. Ведущее место в теоретическом и экспериментальном исследовании турбулентного горения занимают работы Щелкина К. И., Хитрина Л. Н., Щетинкова Е. С., Талантова А. В., Соколика А. С. и др.Диффузионное турбулентное горение можно наблюдать в лабо­раторных условиях. При истечении горючего газа, начиная с неко­торой скорости, когда число Рейнольдса больше 2300, граница пламени становится неустойчивой, причем неустойчивость возни­кает вначале лишь у вершины пламени, а затем, по мере увели­чения скорости подачи горючего, распространяется к срезу горел­ки. При этом наблюдается заметное уменьшение высоты пламени (см. рис. 6.10). При большем увеличении расхода газа высота пламени или слабо меняется, или остается практически постоян­ной, пламя отрывается от среза горелки и устанавливается на не­котором расстоянии. Такое пламя называют приподнятым.Турбулентное движение характеризуется беспорядочным нере­гулярным изменением величины и вектора скорости со временем в каждой точке потока.Картина турбулентного движения в принципе аналогична мо­лекулярному движению, где вместо хаотического движения моле­кул происходит такое же движение макрочастиц — отдельных объемов газа, при этом сами эти объемы не являются устойчивы­ми в пространстве и во времени. Траектории объемов газа при развитой турбулентности очень сложны, что приводит к его силь­ному перемешиванию, вследствие чего весьма сильно интенсифи­цируется горение, в частности, увеличивается скорость распрост­ранения пламени. Турбулизация потока происходит от следующих причин: при движении смеси, при котором число Рейнольдса боль­ше 2300; от воздействия завихрителей и тел с плохо обтекаемой формой; от обратного воздействия процесса горения на характер дви-­
жения смеси Турбулентность имеет статистическую природу: в течение дли­тельного промежутка времени средняя скорость потока в данной точке является постоянной величиной. Однако мгновенная ско­рость потока непрерывно отклоняется от среднего значения.Разность между мгновенной и средней скоростями движения потока называют пульсационной скоростью:

где Δυ— пульсационная скорость, м/с; υ_i— мгновенная скорость, м/с; υ_ср — средняя скорость, м/с.Кроме пульсационной скорости, различают среднеквадратич­ную пульсационную скорость υ_CK, которая является одной из основных величин, характеризующих турбулентность:



Другой характерной величиной для турбулентного горения является масштаб турбулентности или длина пути смешения i_T , представляющий собой путь, на протяжении которого переме­щающийся объем газа не изменяет своей скорости, температуры и состава..Турбулентные коэффициенты переноса в сотни и тысячи раз больше соответствующих коэффициентов молекулярного переноса. Поэтому и перенос массы и тепла в турбулентном потоке в тысячи раз выше, чем в ламинарно движущемся или неподвижном газе. Это связано главным образом с тем, что длина пути смешения (масштаб турбулентности) на несколько порядков выше длины свободного пробега молекул. Величина же пульсационной скорости меньше скорости движения молекул. Пульсации скорости в турбулетном потоке вызывают также и пульсации концентрации, давления и температуры. Под температурой турбулентного движущегося газа понимают ее усредненное по времени значение. Истинная температура газа испытывает такие же нерегулярные хаотические пульсации, как и скорость. Следует особо подчеркнуть при этом, что скорость химической реакции, например, реакции горения, нельзя рассматривать как функцию средней температуры, поскольку она весьма сильно зависит от температуры (уравнение Аррениуса).В случае горения предварительно перемешанной кинетической смеси различают мелкомасштабную и крупномасштабную турбулентность. Если масштаб турбулентности /_т меньше толщины фронта пламени б, турбулентность является мелкомасштабной, в том случае, когда масштаб турбулентности больше толщины фронта пламени, — крупномасштабной.

29.Зависимость концентрационных пределов распространения пламени (КПР) от различных факторов.

В приведённых ниже зависимостях, в отличие от общепринятого способа, по оси абсцисс отложена зависимая величина (концентрация горючего газа – φ, %), по оси ординат – влияющий фактор.

1)Допустимая энергия искрового разряда в производственных условиях для газо-паровоздушных смесей не должна превышать 0,4 минимальной энергии зажигания. Большое влияние на воспламеняющую способность электрических искр оказывают имеющиеся в цепи индуктивные сопротивления (дроссели, реле и т.п.).

2)С повышением температуры увеличивается скорость химической реакции, и область воспламенения расширяется. При предельных концентрациях смеси, сильно разбавленные горючим или воздухом, становятся горючими при высоких температурах.

3)Турбулентное движение газа, возникающее при его движении, затрудняет воспламенение из-за теплоотдачи в свежий газ и через стенки трубопровода.

4)Влияние инертных газов зависит от их теплоёмкости и теплопроводности. Эта зависимость используется при объёмном тушении. Некоторые смеси (галоидуглеводороды) способны подавить воспламенение при добавлении малых концентраций.

5)Горючие смеси различных веществ при повышении давления ведут себя неодинаково, что объясняется физико-химическими свойствами горючей смеси. Заметное изменение КПР наблюдается только при пониженном давлении. При уменьшении объёма и диаметра сосуда (или потока) увеличивается поверхность теплоотдачи, приходящейся на единицу объёма смеси. Для каждого горючего газа существует минимальный объём и диаметр, ниже которого он не способен воспламениться при любом соотношении с воздухом. Этот принцип используется при работе огнепреградителей.

30. Воспламенение жидкости

Важнейшим свойством жидкости является ее способность к испарению. В результате теплового движения часть молекул, преодолевая силы поверхностного натяжения жидкости, переходит в газовую зону, образуя над поверхностью ЛВЖ, ГЖ паровоздушную смесь. За счет броуновского движения в газовой зоне имеет место и обратный процесс — конденсация. Если объем над жидкостью замкнутый, то при любой температуре жидкости устанавливается динамическое равновесие между процессами испарения и конденсации.Таким образом, над поверхностью (зеркалом) жидкости всегда существует паровоздушная смесь, которая в состоянии равновесия характеризуется давлением насыщенных паров жидкости или их концентрацией. С ростом температуры давление насыщенных паров возрастает согласно уравнению Клайперона-Клазиуса:



где р_нп — давление насыщенного пара, Па; Q_исп — теплота испарения — количество тепла, необходимое для перевода в парообразное состояние единицы массы жидкости, кДж/моль; Т — температура жидкости, К. Из следует, что с увеличением температуры жидкости давление насыщенных паров (или их концентрация) возрастают экспоненциально Таким образом, для любой жидкости всегда существует такой интервал температур, при котором кон­центрация насыщенных паров над зеркалом будет находиться в области воспламенения, т. е. HKJIB <ф _п< ВКПВ



При наличии источника зажигания такая смесь будет способна к воспламенению. При наличии источника зажигания такая смесь будет способна к воспламенению. Под температурой вспышки понимают наименьшую температуру жидкости, при которой над ее поверхностью в условиях специальных испытаний образуется концентрация паров жидкости, способная к воспламенению от источника зажигания, но скорость их образования недостаточна для последующего горения. Таким образом, как при температуре вспышки, так и при нижнем температурном пределе воспламенения над поверхностью жидкости образуется нижний концентрационный предел воспламенения, однако в последнем случае НКПВ создается насыщенными парами. Поэтому температура вспышки всегда несколько выше, чем НТПВ (см. рис. 7.1). Хотя при температуре вспышки имеет место кратковременное воспламенение паров в воздухе, которое не способно перейти в устойчивое горение жидкости, тем не менее при определенных условиях вспышка паров жидкости способна явиться источником возникновения пожара.Кроме температуры вспышки, различают еще температуру воспламенения. Это наименьшая температура жидкости, при которой после воспламенения паров от источника зажигания устанавливается стационарное горение.Существенная зависимость температур вспышки и воспламенения от условия эксперимента вызывает определенные трудности при создании расчетного метода оценки их величин. Одним из наиболее распространенных из них является полуэмпирический метод, предложенный В.И. Блиновым:



где Т_вс — температура вспышки (воспламенения), К ;Р_вс — парциальное давление насыщенного пара жидкости при температуре вспышки (воспламенения), Па; D_o — коэффициент диффузии паров жидкости, м²/с;п — количество молекул кислорода, необходимое для полного окисления одной молекулы горючего; В — константа метода определения. Рекомендуется при расчете температуры вспышки в замкнутом сосуде принимать В=28, в открытом сосуде В=45, при расчете температуры воспламенения В = 53.

31. Анализ влияния условий горения на скорость распространения пламени

Свойство пламени к самопроизвольному распространению имеет место не только в случае горения смесей горючих газов с окислителем, но и при горении жидкостей и твердых веществ. При локальном воздействии тепловым источником, например открытым пламенем, жидкость будет прогреваться, возрастет скорость испарения и при достижении поверхностью жидкости температуры воспламенения в месте воздействия источника произойдет зажигание паровоздушной смеси и установится устойчивое пламя, которое затем с определенной скоростью будет распространяться по поверхности холодной жидкости.Что же является движущей силой распространения процесса горения и каков его механизм?Распространение пламени по поверхности жидкости протекает в результате теплопередачи излучением, конвекцией и молекулярной теплопроводностью от зоны пламени к поверхности зеркала жидкости.Основную роль в этом по современным представлениям играет теплоизлучение от пламени. Пламя, обладая высокой температурой (более 1000°С), способно, как известно, излучать тепловую энергию. Согласно закону Стефана-Больцмана, интенсивность лучистого теплового потока, отдаваемого нагретым телом, определяется соотношением: