Горение. Общие сведения.. Горение. В iv веке до н э. древнегреческий философ
 Скачать 1.07 Mb.
|
|
ВВЕДЕНИЕ Огонь – это явление природы, которому во многом люди обязаны развитию своей цивилизации, начиная с раннего периода истории человечества. Археологи установили, что люди стали пользоваться огнем 60000 лет назад, а научились получать огонь около 30000 лет назад. С огнем связаны многие ранние мифы и легенды. Нельзя не вспомнить миф о Прометее, похитившем огонь у богов и отдавшем его людям. Огонь был первым источником энергии первобытного человека. По мере эволюции человек эмпирически познавал процессы горения, находил и применял новые виды горючего, открывал термические процессы, протекающие под воздействием теплоты горения, необходимые ему для удовлетворения своих нужд – приготовления пищи, выплавке металлов, изготовлению керамики, стекла и многое другое. Без применения процессов горения человечество так и осталось бы в каменном веке, после которого никогда бы не наступил ни бронзовый, ни железный век. Поэтому огонь привлекал внимание ученых, начиная с глубокой древности. Так еще в V веке до н.э. Эмпедокл утверждал, что существуют 4 начала всех вещей – огонь, воздух, вода и земля, считая их материальными субстанциями. Возможно, такие представления были заимствованы им из древнеиндийских и древнекитайских философских учений. В IV веке до н.э. древнегреческий философ Аристотель, признавая эти начала, дополнил их пятым принципом – «существо», но он считал их не материальными субстанциями, а лишь носителями некоторых основных свойств веществ, ощущаемых человеком при помощи осязания: теплоты, холода, сухости, влажности. Долгое время представления об огне и горении оставались столь же наивными с точки зрения современной науки. Так в XIII веке Фома Аквинский утверждал, что, если тело подвергается действию огня, то оно становится горячим, принимая на некоторое время «форму тепла». В зависимости от того, восприняло ли оно эту форму полностью или нет, тело охлаждалось при удалении огня или улавливало огонь и, таким образом, могло передавать эту форму другим телам. Развитие цивилизации требовало все больше энергии, которая получалась, в основном, за счет сжигания древесины, запасы которой были не безграничны. Кроме того, расширялась выплавка различных металлов путем обжига руд, которая также была малоэффективной из-за образования большого количества окалины. Начало научных разработок, и исследования процессов горения следует отнести к 1660 году к экспериментам представителей оксфордской школы во главе с Робертом Бойлем, отбросившим идеализм древнегреческих натурфилософов, считавших, что «пламя - это элемент». Однако во времена Бойля связь науки с практической деятельностью человечества была слабая. Только к концу XVII века стала отчетливо проявляться потребность свести многообразные изменения веществ, которые происходят в процессе горения, к одному общему принципу. Это обусловило то, что в XVII веке немецким ученым Георгом Шталем была создана теория флогистона, установившая глубинную связь между процессами горения и окисления. Флогистон (термин происходит от греческого слова  - горючий) – некоторый абстрактный принцип горючести, который становится «горючей субстанцией» только тогда, когда находится в сложном теле в сочетании с другими веществами. Шталь предполагал, что при нагревании сложных тел флогистон улетучивается и, соединяясь с воздухом, воспламеняется. Однако этому противоречили факты об увеличении массы металлов при их нагревании на воздухе, поэтому последователи флогистона объясняли это тем, что флогистон имеет отрицательный вес, поэтому при прокаливании металлов в воздухе, когда удаляется флогистон, остаток обжигаемого металла становится более тяжелым.Несмотря на все отмечаемые противоречия, теория флогистона просуществовала более 100 лет. А.Лавуазье отмечал, что она получила столь широкое распространение потому, что на ее основе были сделаны два важных открытия. Одно из них состоит в установлении факта, что металлы – тела горючие и превращение их в окалины представляет явление горения, второе – в том, что свойство гореть или быть воспламеняемым может передаваться от одного тела к другому. Окончательная победа над заблуждениями теории о флогистоне и переход исследований в области горения на правильную научную основу стало возможным только лишь в середине XVIII века в результате бурного развития химии газов и первым ученым, подвергшим основательной и аргументированной критике теорию флогистона был М.В.Ломоносов. Он впервые показал, что горение – это реакция химического взаимодействия вещества с воздухом. В дальнейшем практически одновременно с Дж.Пристли и К.В.Шееле А.Лавуазье получил кислород, установил его химическую природу и способность соединяться с фосфором и серой при горении и металлами при окислении, правильно объяснил процессы горения и окисления и создал основы кислородной теории. А.Лавуазье впервые установил, что воздух имеет сложный состав и состоит из «живительного» воздуха (кислорода) и инертной его части (азота), которая не поддерживает горение и не пригодна для дыхания. В 1777 году в мемуаре «О горении вообще» он дал следующее определение явления горения: «Первое явление. При всяком горении происходит выделение огненной материи или света. Второе явление. Тела могут гореть только в очень немногих видах воздуха или, вернее, горение может происходить в одном виде воздуха, который я буду называть «чистым воздухом». Тела, которые мы называем горючими, не только не горят в пустоте или каком-либо другом воздухе, но там они гаснут так быстро, как если бы их погрузили в воду или любую другую жидкость. Третье явление. При всяком горении происходит разрушение или разложение чистого воздуха, и вес сгоревшего тела увеличивается точно на количество поглощенного воздуха. Четвертое явление. При всяком горении горящее тело превращается … в результате прибавления того вещества, которое увеличивает его вес…». 25 мая 1812 года в Англии на одной из угольных шахт произошел взрыв, унесший жизнь 92 человек. После этой катастрофы в городе Андерленде (Англия) было учреждено общество по предотвращению аварий на угольных шахтах. А двумя годами позже, в 1814 году, по поручению этого общества в Королевском научном обществе сэром Хэмфри Дэви был выполнен ряд исследований пламени. В дальнейшем ученые инженеры Америки и Европы, связанные с каменноугольными предприятиями, занимающиеся исследованиями в целях борьбы с авариями в шахтах, заложили фундамент науки о горении. Так, например М. Фарадей по результатам своих исследований опубликовал книгу «История свечи», переведенную на многие языки. В начале внимание исследователей процессов горения было направлено на химические аспекты, то есть на изучение преобразования веществ, при горении. Однако для практического использования горения было необходимо исследовать и физику горения, то есть изучить явления воспламенения и распространения пламени, температуру и излучение газов, образовавшихся при сгорании. В XIX веке исследованием температуры и скорости распространения пламени занимался Р.В.Бунзен. А.Л.Ле-Шателье совместно с П.Э.М.Бертло и Ф.Малларом изучали процессы воспламенения, горения, взрывов и детонации и впервые сделали попытку рассчитать скорость горения. В конце XIX века Маллар и А. Л. Ле-Шателье с появлением технических возможностей начали исследования распространения пламени с помощью фотосъемки. С началом всех этих исследований изучение процессов горения вступило в новый важный этап. В связи с изобретением во второй половине XIX века двигателей внутреннего сгорания расширяются исследования процессов горения, постепенно выделившись в отдельную область знаний, получивших название физика горения. Выдающийся вклад в развитие теории горения и взрыва внесли представители русской школы горения. Русский ученый В. А. Михельсон в 1890 г. открыл закон распространения пламени, носящий его имя и заложил основы тепловой теории взрывного горения. В конце XIX века в двигателях внутреннего сгорания стали использовать искровое зажигание, однако научные исследования зажигания были начаты лишь примерно в 1910 году Торнтоном. Теория автоокисления, разработанная русским академиком А.Н.Бахом, позволила объяснить самопроизвольно протекающие процессы окисления, являющиеся причиной самовозгорания различных веществ. Так начиналось развитие современной теории горения и взрыва. В настоящее время изучение горения успешно развивается в областях фундаментальных исследований и практического применения процессов горения. Заметный качественный и количественный скачок в развитии этих исследований произошел перед самым началом Второй мировой войны в связи с разработкой реактивных и ракетных двигателей. Работы академика Н.Н.Семенова по изучению механизма разветвленных цепных реакций и теплового самовоспламенения (взрыва) являются выдающимся вкладом в мировую науку, за что он в 1956 году был удостоен Нобелевской премии. Теория цепных реакций горения позволяет объяснить механизм перехода обычного горения во взрывное, а также количественно оценить газовые взрывы. Академик Я.Б.Зельдович и профессор Д. А. Франк-Каменецкий создали теорию распространения пламени. Исследования наших ученых получили всемирное признание. С развитием научно-технического прогресса, появлением интегральных типов научно-исследовательского оборудования и более мощных электронно-вычислительных устройств развитие теории горения заметно ускорилось. Тем не менее, из-за большой сложности физико-химических процессов горения, разнообразия «топочных» устройств теория еще далека от совершенства. Можно более конкретно указать причины этого: Во - первых, главный участник горения – горючее – является комплексом как природных органических, так и неорганических веществ сложного химического строения. Правда, при нагреве и взаимодействии с окислителем происходит распад этих комплексов на более простые соединения и элементы, но при анализе процесса горения невозможно обойтись без учета поведения горючего в его исходной форме и в промежуточных стадиях, а это крайне затрудняет изучение процесса. Во - вторых, в процессе горения, так же, как и в других химических процессах обязательны два этапа: создание молекулярного контакта между горючим и окислителем (физический этап), и взаимодействия молекул с образованием продуктов реакции (химический этап). При этом второй этап протекает только у молекул, находящихся в особом энергетически или кинетически возбужденном состоянии. Возбуждаются же молекулы в результате начавшегося процесса горения из-за повышения общего энергетического уровня (температуры) и взаимодействия молекул. Даже при рассмотрении простейших реакций горения необходимо учитывать различия между отдельными молекулами, составляющими сложную полисистему. В – третьих горение принципиально не является равновесным процессом. При горении обязательно возникают неоднородности состояния молекул, их концентраций, неравномерности полей температур и скоростей потоков. Существенно изменяются условия взаимной диффузии молекул, находящихся на разных ступенях возбуждения. Из этого вытекает необходимость одновременного решения нестационарной задачи массо-и теплопроводности и химической кинетики, причем наиболее часто при турбулентности вызванной самим процессом горения. Задачи теории горения, следовательно, охарактеризовать как нестационарные задачи турбулентной массо- и теплопроводности при наличии динамических источников вещества и тепла. Но хотя такое представление и определяет анализы процесса горения, конкретное решение задач теории горения при этом затруднено. Исследование процесса горения по пути составления систем интегрально-дифференциальных уравнений, соответствие которых истинному ходу процессов следует проверять сопоставлением результатов решения этих систем, выполняемого во многих случаях с применением ЭВМ, с данными эксперимента. Именно так и развивается ныне теория горения. В современном обществе существует контролируемое горение, специально организованное человеком для удовлетворения своих потребностей в тепловой (печи, топки и т.п.), световой (свечи, керосиновые лампы, газовое освещение др.) и механической энергии (двигатели внутреннего сгорания, дизеля и т.п.), и неконтролируемое горение – пожары. Используя горение как источник энергии в своих целях, человек иногда становился и жертвой этого «джина, самим им выпущенного из бутылки» - пожаров. Поэтому изучение процессов горения, приобретение умений их регулирования и прекращения стало жизненно важной потребностью. Ежегодно в России случается около 300000 пожаров. В огне гибнут около 20 тысяч человек и примерно столько же получают травмы. В мире на каждые 100 пожаров гибнет 1 человек, в России эта печальная статистика еще выше. Пожар – это горение, способное самостоятельно распространяться вне специально предназначенного для этого места, приводящее к травмированию или гибели людей, уничтожению или повреждению имущества, ухудшению экологической обстановки. Как следует из этого определения в основе всех явлений, протекающих на пожарах, лежит процесс горения, иногда сопровождающийся возникновением взрыва. Уяснить сущность процессов, происходящих на пожаре можно только на основе изучения теории горения и взрыва. Все сопутствующие явления – деформация и обрушение строительных конструкций, вскипание и выбросы и т.п. - являются следствием процесса горения. В настоящее время продолжаются исследования процессов горения и взрыва, а также способов их предотвращения и прекращения во ВНИИПО (Москва) и Санкт-Петербургском филиале ВНИИПО, в Академии ГПС МЧС (Москва), в Санкт-Петербургском Университете ГПС МЧС России, в испытательных пожарных лабораториях, в научно-исследовательских институтах и учебных заведениях. РАЗДЕЛ I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГОРЕНИИ 1. ГОРЕНИЕ – ОСНОВНОЙ ПРОЦЕСС НА ПОЖАРЕ 1.1. Определение горения Как следует из самого определения пожара, основной процесс, протекающий на пожаре, это горение. Поскольку процесс горения является сложным, однозначного определения горения нет, различные авторы предлагают собственные определения. Д.А.Франк-Каменецкий горением называет протекание химической реакции в условиях прогрессивного самоускорения, связанного с накоплением в системе тепла или катализирующих продуктов реакции. Горением также называют сложный физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, характеризующийся самоускоряющимся превращением и сопровождающийся выделением большого количества тепла и света. Однако в определенных условиях возникают так называемые холодные пламена, в которых химическая реакция протекает с умеренной скоростью и сопровождается свечением без заметного разогрева. Горением называют физико-химический процесс, для которого характерны три признака: химическое превращение, выделение тепла, излучение света. Другие авторы процессом горения называют сложный физико-химический процесс, при котором горючие вещества и материалы под воздействием высоких температур вступают в химическое взаимодействие с окислителем (кислородом воздуха), превращаясь в продукты горения, и который сопровождается интенсивным выделением тепла и световым излучением. Различия в трактовке понятия горения вызваны направлением научных интересов авторов. На наш взгляд, практическим интересам сотрудников ГПС наиболее полно отвечает следующее определение горения: Горение – это совокупность, как правило, самоподдерживающихся сложных физико-химических процессов, основой которых являются быстропротекающие химические реакции окисления, сопровождающиеся выделением большого количества тепла и света. Доминирующим процессом при горении является химическая реакция окисления, именно она влечет появление различных физических процессов: переноса тепла, переноса реагирующих веществ, излучения и др. Эти физические процессы развиваются по своим законам. Химические процессы окисления обладают большими потенциальными возможностями по скорости их протекания, но реальная скорость окисления при горении ниже, т.к. лимитируется скоростями физических процессов. Химические реакции окисления в общем виде можно представить уравнением  (1.1)где: Гор – горючее вещество, Ок – окислитель, ПГ – продукты горения. a, b, ni – соответствующие стехиометрические коэффициенты. При решении пожарно-технических задач при описании процессов горения обычно принимают «a»=1, при этом «b» может быть дробной величиной. Тогда химические процессы при горении можно представить в виде  (1.2)Но данное уравнение является лишь суммарным отражением, происходящих превращений. На самом деле химические реакции при горении являются многостадийными. Не разобравшись в механизме, происходящих процессов, невозможно понять причины распространения пламени, различие в его скоростях, величину температуры горения и др. 1.2. Характеристика участников процесса горения Известно, что для возникновения горения необходимо наличие: 1. Горючего вещества 2. Окислителя 3. Источника зажигания (энергетический импульс) Эти три составляющие часто называют треугольником пожара. Если исключить одну из них, то горение возникнуть не может. Это важнейшее свойство треугольника используется на практике для предотвращения и тушения пожаров. После возникновения горения источником зажигания далее является само пламя. Горючие вещества и материалы Горючие вещества и материалы классифицируют по химической природе, происхождению, агрегатному состоянию, дисперсности и т.д. По химической природе горючие вещества и материалы подразделяются на два основных класса: органические и неорганические (рис. 1.1). Такое подразделение весьма условно, поскольку многие органические вещества содержат как в химически связанном, так и в виде примесей неорганические компоненты, нелетучая часть которых остается в виде золы, шлаков и.т.п. |