теория горения и взрыва. Учебника для высших образовательных учреждений мчс россии Москва 2015 удк 614. 841. 41 Ббк 38. 96
 Скачать 178.42 Kb.
|
Классификация процессов горения. Виды и режимы горенияДиффузионное и кинетическое горение    В основе процесса горения, происходящего в атмосфере воздуха, лежит химическая реакция между горючим веществом и кислородом. Скорость горения вещества, по-видимому, должна целиком зависеть от ско- рости химической реакции. Однако это часто бывает не так. Рассмотрим следующий опыт. В газовую горелку, представляющую собой металличе- скую трубку, подадим с небольшой скоростью горючий газ метан (СН4). Если к срезу горелки поднести источник зажигания, то газ воспламенится, и над срезом горелки установится пламя (рис. 1.2).Рис. 1.2. Диффузионное горение метана Рассмотрим подробнее, как в этом случае происходит процесс горе- ния. Чтобы произошла химическая реакция между горючим и окислите- лем, кислород из воздуха, а метан из трубки должны продиффундировать в зону горения и образовать там горючую смесь. И только потом между ними происходит химическая реакция. В этом опыте процесс горения складывается из двух следующих друг за другом процессов: диффузии и химической реакции. Причем скорость диффузии молекул метана и кис- лорода в зону горения значительно ниже, чем скорость, с которой они всту- пают в химическую реакцию. Формально скорость горения будет равна 4 U mCH , (1.17) гор τд τ х.р где mCH – количество продиффундировавшего и прореагировавшего ме- 4 тана за время (д + х.р); д и х.р – время диффузии и время химической реакции, соответственно. Так как х.р д, то гор U mCH4 . (1.18) τ д Отношение mCH / τд , по сути, есть скорость диффузии, а это означа- 4 ет, что скорость горения в этом опыте определяется скоростью диффузии, т. е. скоростью смесеобразования. Такое горение называют диффузион-ным, при нем зона горения размыта, пламя имеет желтый оттенок. Из-за наличия в зоне химической реакции областей с низким содержанием окис- лителя в процессе горения образуются продукты неполного окисления, пламя коптит. Теперь представим другой опыт. В эту же горелку подадим не один метан, а смесь метана с воздухом (рис. 1.3). В зону химических реакций будет попадать уже готовая к горению горючая смесь. Это означает, что д = 0, смесеобразова- ние происходит как бы мгновенно. Тогда из формулы (1.12) следует: U mCH4 гор τ . (1.19) Величина mCH / τх.р х.р пропорциональна скорости химической реак- 4 ции, поэтому скорость горения в этом случае зависит только от скорости химической реакции, которая значительно выше скорости диффузии.   СН4 + воздухРис. 1.3. Кинетическое горение метана Экспериментально это сразу будет заметно, в таком опыте придется увеличить скорость подачи газа, иначе пламя резко опустится и уйдет в трубку. Зона горения в этом опыте резко очерчена, пламя имеет голубой цвет. Такое горение называется кинетическим. Кинетическое горение газа можно наблюдать на горелках кухонной газовой плиты. Горелки устроены так, что в них при прохождении газа подсасывается воздух и в зону горе- ния попадает уже газовоздушная смесь. Кинетическому горению свойственно более полное сгорание, более высокая скорость горения и, как следствие, высокая скорость тепловыде- ления, Дж/с, и высокая температура пламени. При кинетическом горении зона горения, т. е. зона химических реакций, представляет собой четко выраженную светящуюся область определенной толщины, называемую фронтомпламени, который отделяет свежую горючую смесь от продуктов горения. На газовой горелке фронт пламени кажется неподвижным, так как его положение не меняется во времени относительно самой горелки. Однако на самом деле он движется по горючей газовой смеси со скоростью, рав- ной скорости движения этой смеси относительно горелки. В этом можно легко убедиться, если уменьшить или прекратить подачу горючей газовой смеси, пламя в этом случае уйдет в горелку до места смешения горючего и окислителя. Итак, если смесь горючего и окислителя заранее перемешана, то по такой смеси пламя может перемещаться. Возникнув в одной какой-либо точке пространства, зона горения будет распространяться во все стороны на всю горючую газовую смесь. Самопроизвольное распространение пламени – одно из основных и от- личительных свойств горения. Кинетическое горение, т. е. распространение пламени по газовой горючей смеси, как правило, наблюдается на стадии возникновения пожара газов и горючих жидкостей. В результате утечки газа или испарения горючей жидкости в воздухе может образоваться паро- воздушная смесь, способная распространять пламя. Если в зоне опасных концентраций горючего появится источник зажигания, то около него воз- никнет горение, и пламя начнет распространяться по всей горючей газо- воздушной смеси. Дефлаграционное и детонационное горениеСкорость распространения фронта пламени по газовоздушным смесям может изменяться в пределах от 0,5 до 50 м/с в зависимости от горючего вещества. Скорость распространения пламени зависит не только от скорости химической реакции между горючим и окислителем, но и от скорости передачи тепла от зоны горения в холодную свежую смесь, так как процесс горения представляет собой непрерывное последователь- ное воспламенение и сгорание все новых и новых порций горючей смеси. Распространение пламени со скоростью движения тепловой волны называ- ется нормальным, или дефлаграционным. При определенных условиях в некоторых горючих смесях, таких как Н2 + О2 (гремучая смесь), С2Н2 + О2, С3Н6 + О2 и др. может возникнуть со- вершенно другой режим распространения пламени, когда пламя распростра- няется не по механизму теплопроводности, а по механизму ударной волны – волны сжатия. В этом случае скорость распространения пламени превышает скорость звука и достигает значений от нескольких сот метров до нескольких километров в секунду. Такое горение называют взрывным, или детонацион-ным. Таким образом, по механизму распространения пламени и соответ- ственно по скорости распространения пламени различают дефлаграционное и детонационное горение. Дефлаграционному (нормальному) горению свой- ственны скорости распространения пламени 0,5–50 м/с, а детонационному (взрывному) горению 500–3000 м/с. Детонационное горение обладает боль- шой разрушительной силой. Однако встречается этот вид горения достаточно редко. Для возникновения детонационного горения даже в системах, склон- ных к детонации (Н2 + О2, С2Н2 + О2 и т. д.), необходимы специальные усло- вия. Детонация, как правило, возникает в закрытых объемах и длинных тру- бах, когда создаются условия для ускорения пламени. Гомогенное и гетерогенное горениеВо всех рассмотренных примерах горение происходило в газовой фазе, горючее и окислитель в зоне горения находились в одинаковом состоянии – газообразном. Такое горение, при котором оба компонента (горючее и окислитель) в зоне химических реакций находятся в одинаковой фазе, называют гомогенным, или однофазным. Если же в зоне горения горючее и окислитель находятся в разных фазах, горение называют гетерогенным(разнофазным). Гомогенным горением является не только горение газов, но и горение жидкостей, а также большинства твердых горючих материалов. Объясняется это тем, что при горении жидкостей горит не сама жидкость, а ее пары. В результате испарения с поверхности жидкости непрерывно в газовую фазу поступают пары горючего вещества, которые, смешиваясь с окружа- ющим воздухом, образуют горючую паровоздушную смесь. Именно здесь в паровоздушной смеси, а не на поверхности жидкости будут происходить химические реакции горения. Визуально можно наблюдать, что пламя (зона горения) как бы немного оторвано от поверхности жидкости. Похожая картина имеет место и при горении большинства твердых горючих материалов: парафина, оргстекла, полиэтилена, древесины, торфа, хлопка, резины, различных пластмасс. На их поверхности под воздействи- ем тепловых потоков могут происходить различные физико-химические процессы: плавление, испарение, термическое разложение. В результате образуются газообразные горючие вещества, которые и вступают в химиче- скую реакцию горения с кислородом воздуха. Таким образом, и в случае твердых горючих материалов горючее вещество и окислитель в зоне горе- ния оказываются в одной фазе, в одном агрегатном состоянии. Поскольку химические реакции горения происходят в газовой фазе, то над поверхно- стью твердого горючего материала наблюдается пламя. Наличие пламени является отличительным признаком гомогенного горения. Примером гетерогенного горения может служить горение углерода (графит или углистый остаток после термического разложения древесины), который даже при высоких температурах остается в твердом состоянии. Кислород воздуха диффундирует к твердой поверхности, и при достаточно высокой температуре (700–800 °С) на поверхности будет происходить химическая реакция между твердым углеродом и газообразным кислоро- дом. Пламя в этом случае отсутствует, а признаком гетерогенного горения углерода будет являться ярко-красное свечение поверхности углерода. Такое горение называется тлением. Некоторые твердые горючие материалы, способные к гомогенному горению, такие как древесина, бумага, хлопок и др., могут тлеть в случае, если количество теплоты, поступающее к по- верхности этого материала, мало для обеспечения интенсивного термиче- ского разложения материала с образованием газообразных горючих ве- ществ. При гетерогенном горении существует поверхность раздела фаз (твердой и газовой), именно на поверхности раздела фаз и происходят хи- мические реакции. Гетерогенное горение является диффузионным, так как прежде чем произойдет химическая реакция между горючим и окислите- лем, необходимо, чтобы кислород продиффундировал к поверхности раз- дела фаз, которая в данном случае и является зоной горения. Гомогенное горение бывает как диффузионным, так и кинетическим. Если имеется готовая горючая газовая смесь, т. е. горючее и окислитель в ней заранее перемешаны, то будет наблюдаться кинетическое горение, при котором пламя распространяется по горючей смеси. Если же смешение горючего и окислителя происходит непосредственно в зоне горения, как это имеет место при истечении горючего газа в окислительную среду, то горение будет диффузионным. Из этого можно сделать вывод, что горе- ние жидкостей и большинства твердых горючих материалов является го- могенным и диффузионным. Диффузионное пламя будет располагаться там, где при смешении образуется горючая газовая смесь. Ламинарное и турбулентное горениеГомогенное диффузионное горение образовано потоком горючего газа, втекающим в окислительную среду. В зависимости от скорости потока, его диаметра и вязкости среды движение горючего газа еще может быть ламинар- ным или турбулентным. Также и возникающее диффузионное пламя может быть ламинарным или турбулентным. Ламинарное пламя образуется при низких скоростях потока горючего и небольшом его диаметре. Ламинарное горение воспринимается как спокойное горение, когда пламя неподвижно относительно окружающей среды. Такое пламя можно наблюдать при го- рении свечи, при горении газа в горелке, если скорость истечения неболь- шая, а также при горении жидкости в небольших тиглях. С увеличением скорости и диаметра потока газообразного горючего ве- щества происходит его турбулизация, появляются завихрения, пламя стано- вится неустойчивым. Турбулизация пламени приводит к увеличению скоро- сти смесеобразования и, как следствие, к увеличению скорости горения. Развитый турбулентный режим горения наблюдается на пожарах га- зовых фонтанов, крупных резервуаров с горючими жидкостями, больших штабелей древесины. Ламинарный и турбулентный режимы горения характерны как для диффузионного, так и для кинетического пламени. При ламинарном кине- тическом горении фронт пламени гладкий, движение его спокойное. При турбулизации кинетического горения происходит искривление фрон- та, образуются вихри и фронт разбивается на отдельные очаги. При этом скорость горения увеличивается, увеличивается и скорость движения зоны горения. Турбулизации кинетического горения и его ускорению способ- ствует наличие препятствий на пути движения фронта. Так, кинетическое пламя хорошо турбулизуется и ускоряется в загроможденных помещениях. Турбулизация и ускорение кинетического пламени может способствовать переходу дефлаграционного горения в детонацию.
На пожаре могут гореть самые разнообразные горючие материалы: газы, жидкости, твердые вещества. Режимы горения (диффузионный или кине- тический, гомогенный или гетерогенный, ламинарный или турбулентный), которые будут наблюдаться на пожаре, зависят не только от вида горючего материала, но и от условий, в которых происходит горение. На стадии возникновения пожара горение может быть кинетическим при воспламенении горючей газовоздушной смеси, образовавшейся в резуль- тате утечки газа, испарения горючей жидкости или термического разложе- ния твердого горючего материала. Пожар может начинаться с гетерогенно- го горения (тления) твердых горючих материалов, таких как древесина, бумага, табак. Горение небольших участков горючего материала на ранней стадии пожара может быть ламинарным. При развившемся пожаре, когда в процесс горения вовлечено большое количество горючих материалов, горение является гомогенным, диффузи- онным, турбулентным. Это основные виды горения на пожаре. Поскольку при гомогенном диффузионном горении образование горючей смеси происходит в результате взаимодиффузии молекул горючего и окислителя, то существует большая неоднородность концентрационных полей в зоне горения и вне ее. При таком виде горения всегда существуют   зоны, где горение происходит с недостатком окислителя, в результате чего наряду с продуктами полного сгорания образуются и продукты неполного сгорания. Основными продуктами неполного сгорания углеводородных горючих материалов являются окись углерода СО, которую в быту назы- вают угарным газом, и углерод в виде сажи, которая представляет собой твердые частицы, образованные несколькими атомами углерода в виде различных структур типа С С С С С С СПри горении веществ и материалов в условиях реальных пожаров могут образовываться смолы, окислы, соли и другие продукты. Дисперсная система, состоящая из мельчайших твердых и жидких частиц (дисперсной фазы), взвешенных в дисперсионной газообразной среде (продуктах горения), называется дымом. Размер частиц дисперсной фазы дыма колеблется в пределах (10–8–10–5) м. Эти частицы, обладая малой массой и высокой удельной поверхно- стью, медленно оседают в дисперсионной среде, что делает систему устой- чивой. Их размеры соизмеримы со средней длиной свободного пробега молекул, поэтому устойчивости системы способствует броуновское дви- жение, в котором находятся частицы под действием ударов молекул. В этом случае говорят о кинетической устойчивости дыма. Кроме того, дым как дисперсная система обладает агрегативной устойчивостью, кото- рая возникает за счет наличия на частицах одноименного электрического заряда. Этот заряд частицы могут приобретать при трении о дисперсион- ную газовую среду или за счет адсорбции образующихся в зоне горения ионов. Одноименные заряды частиц препятствуют их коагуляции, слипа- нию, созданию из мелких частиц более крупных образований, способных к интенсивному оседанию, т. е. способствуют сохранению кинетической устойчивости дыма. Дым, образующийся при пожарах, представляет большую опасность по следующим причинам: высокая температура; токсичность некоторых продуктов горения и термоокислительного разложения, входящих в его состав (HCN, CO, HСl, CO2 и др.); непрозрачность дыма, снижающая видимость и затрудняющая дей- ствия людей на пожаре; возможность образования продуктами термоокислительного разло- жения и неполного горения, входящими в состав дыма, взрывоопасных смесей с воздухом. Таким образом, опасность дыма обусловливается как его дисперсной фазой, так и компонентами, входящими в его дисперсионную среду. Так, дым, выходящий непосредственно из зоны реакции, может иметь тем- пературу более 1000 °С, а критической температурой среды, в которой че- ловек может пребывать длительное время, является температура 60 °С. Наличие в составе дисперсионной среды дыма таких газов, как HCN, HСl, CO, делает его опасным для вдыхания даже при низких концентраци- ях. Так, вдыхание воздуха, содержащего 0,4 % СО, в течение 300 с приво- дит к летальному исходу. Содержание СО2 в продуктах горения также делает дым опасным, так как пребывание в атмосфере с концентрацией 8–10 % двуокиси углерода вызывает быструю потерю сознания и смерть. В продуктах горения этого газа содержится 10–12 %. Излучение пламени обусловлено электронными переходами в атомах, радикалах и молекулах. При диффузионном горении большую роль в из- лучении пламени играют мельчайшие твердые частицы углерода (сажа), образующиеся при разложении горючих паров и газов. Нагретые до высо- кой температуры твердые частицы углерода излучают энергию в видимом и инфракрасном диапазоне длин волн. Причем доля лучистого теплового потока составляет более 90 %. Общий поток лучистой энергии от пламени qл, Вт/м2, определяется законом Стефана – Больцмана: qл = Т4, (1.20) где – излучательная способность пламени (степень черноты), которая может изменяться от 0,01 до 1,0; – константа Стефана – Больцмана, = 5,6710–8 Вт/(м2К4); Т– температура пламени, К. Излучательная способность пламени зависит от содержания в нем углерода: чем больше в пламени образуется углерода, тем выше его излу- чательная способность. Горючие вещества обладают различной способностью к выделению уг- лерода. Это зависит как от элементного состава вещества, его строения, так и условий, при которых протекает горение. Так, при горении этилового спир- та в узких горелках светится только вершина пламени, а с увеличением диа- метра горелки начинает светиться все большая часть его. При горении бензо- ла в горелках малого диаметра образуется светящееся пламя без выделения сажи, а в горелках большого диаметра у вершины пламени образуется сажа. В зависимости от строения углеводороды и другие органические соединения обладают различной способностью выделять углерод. Для парафинов тенденция к образованию сажи увеличивается с ростом молекулярной массы, для олефинов и ароматических углеводородов наблюдается обратная закономерность. У первичных спиртов образование сажи увеличивается с ростом молекулярной массы. Вторичные спирты вы- деляют сажи значительно больше, чем первичные. В диффузионном пламени кислородосодержащих органических соеди- нений количество образующейся сажи зависит от содержания в них кисло- рода. Чем больше кислорода в горючем веществе, тем меньше свободного углерода образуется в зоне горения пламени и, следовательно, тем слабее свечение пламени. По свечению пламени различают светящееся и несветящееся (слабо светящееся) пламя. Из веществ, наиболее часто горящих на пожаре, све-тящеесядиффузионноепламяобразуют органические вещества, содер- жащие значительное количество углерода (древесина, нефть и нефтепро- дукты, ткани, пластмассы, жиры и др.). Несветящеесядиффузионноепламя образуется, главным образом, при горении водорода, окиси углеро- да, метилового спирта и других веществ, содержащих значительное коли- чество кислорода. Пламя их имеет слабую голубую окраску. В табл. 1.4 приведен состав некоторых органических веществ и харак- тер их пламени. Таблица 1.4 Влияние элементного состава вещества на цвет и характер пламени
Высокая излучательная способность диффузионного пламени приво- дит к тому, что большая доля энергии, выделяющейся при протекании хи- мической реакции, уходит из зоны горения. Другими словами, зона го- рения теряет часть тепла в виде излучения. Поэтому температура диффузионного пламени значительно ниже. Кроме того, необходимо иметь в виду, что при диффузионном горении из-за нехватки окислителя частич- но образуются продукты неполного сгорания, т. е. имеет место химический недожог горючего вещества. Потери тепла от химической неполноты сгорания учитываются при горении веществ на пожаре. Величина химического недожога определяется по наличию окиси углерода, водорода, метана и сажи в продуктах сгора- ния. Она зависит как от состава горючего вещества, так и от внешних условий, в которых протекает его горение. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||