Тема I. Общие сведения О природе горения

Редактор Т.М.Климчук

Темплан 2004 г., поз. 77

-----------------------------------------------------------------------------------------------

ЛР № 020818 от 13.01.99. Подписано в печать 03.04.04. Формат 60х84/16.

Бумага писчая. Ризограф. Уч.-изд. л. 1,0.

Тираж 50 экз. Заказ

────────────────────────────────────────────────

Редакционно-издательский центр

Ростовского государственного строительного университета

344022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162

 

© Ростовский государственный

строительный университет, 2004

 

Введение

 

Курс «Теория горения и взрыва» - прикладная дисциплина, предметом изучения которой являются физические и химические процессы и явления, связанные с горением на стадии его возникновения, развития и прекращения.

Строгой теории процессов неорганизованного, случайного горения, каким является горение на пожаре, на сегодня не существует. Однако основные физические и химические процессы, происходящие в условиях горения веществ и материалов на пожаре, могут быть рассмотрены и объяснены по аналогии с процессами, происходящими в условиях организованного горения. Этот вид горения, законы тепло- и массопередачи, газодинамические явления, химизм реакции в горючих системах и т.д. изучены достаточно полно. Использование представлений о законах классического горения дает возможность правильно формулировать законы, управляющие горением на пожаре, организовывать профилактические меры против возникновения самовоспламенения, самовозгорания, воспламенения, меры по снижению интенсивности горения на пожаре, его локализации и тушению. Глубокое понимание явления горения обеспечивает успешную борьбу с пожарами.

Для того чтобы понимать, почему горение на пожаре изучено мало, почему при изучении курса рассмотрены часто самые простые случаи горения, почему для описания законов горения на пожаре чаще всего прибегают к аналогиям с процессами организованного горения, следует обратиться к историческому аспекту развития науки о горении.

Изучение процессов горения связано с постоянным желанием человека использовать энергию, выделяющуюся при горении, например, в печах, топочных устройствах, реактивных двигателях и т.д., т.е. изучать явления и процессы организованного горения. Особенно больших успехов достигли исследования в области горения в связи с использованием этого явления в двигателях внутреннего сгорания и реактивных двигателях, взрывчатых веществах, составах и др. энергосистемах. И только рост экономического потенциала, особенно развитых стран, в условиях научно - технической революции сделал проблему борьбы с пожарами, а значит и развитие науки о пожарах в целом, в том числе и изучение процессов горения на пожаре, очень важной задачей современного общества. Слишком велик экономический и моральный ущерб наносимый пожарами.

Приступая к изучению курса «Теория горения и взрыва», необходимо представлять, что горение есть главный и основной процесс на пожаре. Знание химической и физической сути явления и законов горения необходимо для успешной работы инженера противопожарной техники и безопасности в любой области его деятельности. Этот курс является теоретической основой ряда специальных дисциплин.

 

Тема I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРИРОДЕ ГОРЕНИЯ

(ФИЗИКА И ХИМИЯ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ)

 

Горение - основной процесс на пожаре, поэтому изучение явления горения следует начинать с рассмотрения механизма протекания элементарных реакций, а затем переходить к представлениям о нем на уровне брутто – реакций с позиций общей и химической термодинамики. Такой подход к проблеме горения обеспечивает понимание разнообразных практических вопросов, с которыми сталкиваются специалисты пожарной охраны в своей повседневной деятельности, будь то профилактика пожаров, динамика их развития или же вопросы тушения.

На молекулярно – кинетическом уровне представлений о химических реакциях возможность возникновения и протекания горения обусловлена числом и энергией столкновения молекул горючего и окислителя. В свою очередь оба этих параметра являются функцией температуры. С увеличением температуры возрастает скорость теплового движения молекул, увеличивается число эффективных соударений, появляются условия для реагирования горючего с окислителем, т.е. возникновения и развития горения. Здесь уместно вспомнить законы химической кинетики, которые изучались в курсе общей химии.

Представив, как протекают реакции в горючей смеси на молекулярном уровне, становится понятным смысл суммарных характеристик процесса – скорости и теплового эффекта. При изучении этого материала обратите внимание на основные законы химической кинетики, зависимость скорости реакции от температуры (закон Аррениуса) и давления горючей смеси, закон действия масс, т.е. увеличение скорости реакции с возрастанием концентрации реагентов. Скорость реакции максимальна при стехиометрическом составе смеси. Соответственно при этой концентрации максимальна и интенсивность тепловыделения экзотермических реакций.

Упомянутые вопросы из раздела химической кинетики важны в физике и химии процессов горения для объяснения понятий концентрационных пределов воспламенения, механизма действия огнетушащих веществ, гасящего влияния «холодной стенки» и т.д.

Законами химической кинетики строго можно описать только один вид горения – гомогенное кинетическое, когда горючее и окислитель находятся в одной фазе и предварительно перемешаны, тогда скорость собственно химической реакции зависит от природы реагирующих веществ. Но поскольку интенсивность протекания процесса горения зависит в общем случае от характера передачи вещества и тепла в зону реакции, т.е. от движения газа, пара, воздуха, диффузии и теплопроводности, то степень подготовленности горючей смеси в газодинамические условия, в которых находится горючая смесь, оказываются факторами, определяющими все параметры горения на пожаре. Следует различать диффузионное и кинетическое горение, гомогенное и гетерогенное, ламинарное и турбулентное, знать, что степень турбулизации газового потока определяется числом Рейнольдса и зависит от плотности и вязкости среды, скорости потока, его поперечного сечения. При Re<Re_кр, равного 2300, движение носит ламинарный характер. При более высоких числах – турбулентный, что в значительной степени определяет режим горения.

Вид горения, его параметры определяются физическими процессами и условиями, они являются доминирующими, но в основе горения лежит химическое превращение горючего и окислителя в продукты горения. Поэтому все характеристики процесса горения в конечном итоге определяются условиями протекания химической реакции. В этой связи важно уметь составлять уравнения материального и теплового баланса реакции горения, учитывать влияние коэффициента избытка воздуха на состав продуктов горения и температуру горения, т.к. они определяют пожароопасные характеристики веществ и материалов, дают возможность оценивать реальную обстановку на пожаре и правильно организовывать деятельность пожарных.

Вопросы для самоподготовки

 

1. Какие химические реакции можно отнести к реакциям горения? Дайте объяснение, исходя из определения понятия горения.

2. Какие условия обязательны для возникновения горения?

3. Дайте развернутую характеристику различных режимов горения: кинетического и диффузионного, гомогенного и гетерогенного, ламинарного и турбулентного.

4. Что называют полным и неполным горением? Что влияет на полноту горения, почему?

5. Что называют продуктами горения и дымом? Назовите параметры дыма, характеризующие его пожароопасные свойства.

6. Почему процесс горения не является стационарным?

7. Изложите в общем виде методику расчета воздуха и продуктов горения.

 

 

Тема 3. САМОВОСПЛАМЕНЕНИЕ ГОРЮЧИХ ВЕЩЕСТВ

И МАТЕРИАЛОВ

 

Приступая к изучению этой темы, необходимо вспомнить, что в основе воспламенения и горения лежит окислительно-восстановительная реакция, протекающая между горючим и окислителем, если горючее находится в другой окислительной среде, например, хлоре, озоне и т.д. Эта реакция носит радикальный цепной характер. Энергия активации радикальных реакций составляет 0-63 кДж/моль, что ниже, чем у молекулярных реакций, поэтому в процессах воспламенения и горения реакции протекают именно по радикальному механизму. Его правомерность доказывается и экспериментальными исследованиями, например, методом парамагнитного резонанса обнаружено наличие радикалов при воспламенении горючих систем и материалов. Такие реакции могут протекать с разветвлением цепей, тогда говорят о разветвленных цепных реакциях. Особенностью таких реакций является отсутствие повышения температуры реагирующей системы в течение определенного времени, хотя реакция окисления носит экзотермический характер. Этот факт объясняется расходованием тепла на образование новых цепей. Такие реакции не подчиняются законам классической кинетики, в частности уравнению Аррениуса. В соответствии с вышеизложенным, процесс самовоспламенения некоторых горючих материалов находит объяснение с помощью цепной теории самовоспламенения. В отличие от него в большинстве горючих систем на стадии воспламенения наблюдается постепенное повышение среды, что вызвано экзотермичностью процесса, который носит на молекулярном уровне неразветвленный цепной характер. Скорость этого процесса оказывается подчиненной закону Аррениуса, увеличивается с температурой. Воспламенение по такому механизму называется тепловым самовоспламенением и хорошо объясняется тепловой теорией. Основы обеих теорий и их количественные закономерности были разработаны советской школой ученых, а академику Н.Н. Семенову за разработку цепной теории была присуждена Нобелевская премия в 1956 г.

Важность представлений о механизме процесса самовоспламенения объясняется необходимостью проведения профилактических мер по предотвращению возгорания, самовозгорания, самовоспламенения горючих веществ и материалов и выработкой ГОСТ и ОСТ на хранение, эксплуатацию и транспортировку горючих веществ и материалов, что, безусловно, способствует снижению материального и экономического ущерба, наносимого пожарами.

Практический интерес представляет вывод этой теории о существовании предельных условий самовоспламенения, определяемых равенством скоростей тепловыделения и теплоотвода и равенством изменения этих скоростей при некоторой определенной температуре, называемой температурой самовоспламенения. Превышение скорости тепловыделения за счет реакции окисления в горючей системе при некоторой температуре над скоростью теплоотвода приводит к воспламенению и горению. Температура самовоспламенения принята в качестве показателя пожарной опасности веществ и материалов. Поскольку она не является физической константой, а зависит от ряда факторов, например давления, поверхности теплоотвода, начальной температуры, концентрации горючего, ее стандартизируют и за показатель пожарной опасности принимают самую низкую температуру самовоспламенения горючей смеси, т.е. смеси стехиометрического состава. Все остальные условия определения T_св оговорены в специальных методиках. Поэтому необходимо познакомиться с экспериментальными методами определения T_св.

К параметрам процесса самовоспламенения относится период индукции, характеризующий время от начала реакции окисления до воспламенения. Этот период зависит от начальной температуры, давления, химической природы горючего материала и т.д.

Стандартную температуру самовоспламенения как показатель пожарной опасности определяют и расчетными методами. Зная закон изменения температуры самовоспламенения от средней длины углеродной цепи, ее можно определить расчетным путем, вводя соответствующие коэффициенты. Этот способ расчета T_св применим для гомологического ряда предельных углеводородов, спиртов, ароматических углеводородов. При этом получается хорошая сходимость расчетных данных с экспериментальными. Необходимо уметь оценивать погрешность метода при сравнении расчетных и экспериментальных данных.

При изучении самовоспламенения рассматривается частный случай самовоспламенения – самовозгорание веществ и материалов. Обратите внимание, что между самовоспламенением и самовозгоранием нет принципиальной разницы, критические условия воспламенения одни и те же.

Условно, если температура начала процесса лежит в пределах 290-320 К, то говорят о самовозгорании, а если она выше, то процесс возникновения пламени называют самовоспламенением. Причиной самовозгорания могут быть микробиологические процессы, адсорбция паров и газов, сопровождающиеся повышением температуры и, как следствие, - началом реакции окисления, большая реакционная способность некоторых веществ, например, щелочных металлов и т.д. Обратите внимание, что самовозгоранию способствует развитая поверхность материалов, термическая неустойчивость и ряд других факторов, т.е. для самовозгорания и самовоспламенения наблюдаются одни и те же зависимости.

Поскольку процесс самовоспламенения как ранняя стадия реакции горения определяется физическими и химическими факторами, целесообразно рассмотреть отдельно влияние химического строения горючих веществ на температуру самовоспламенения в гомологических рядах, роль дефектности кристаллической решетки межмолекулярных связей и т.д. Наибольшее значение понимание этих вопросов приобретает при исследовании пожарной опасности аэрозолей и аэрогелей, определении T_св, КПВ и т.д.

Пожары, вызванные самовоспламенением пыли, чаще всего происходят в сушильном производстве, при складировании и транспортировке пылевидных материалов. В соответствии с тепловой теорией самовоспламенения T_св аэрозоля зависит от формы и размеров частиц, природы пыли и т.д. Самовоспламенение (самовозгорание) бывают трех видов: тепловое, химическое, микробиологическое. Но во всех случаях причиной возгорания остается экзотермический процесс, приводящий к нарушению теплового равновесия.

 

Вопросы для самоподготовки

 

1. Что называют температурой самовоспламенения?

2. Каковы условия, необходимые и достаточные для того, чтобы произошло самовоспламенение горючей смеси?

3. В чем суть механизма теплового самовоспламенения?

4. Какие реакции называют цепными, в чем суть цепной теории самовоспламенения?

5. Перечислите факторы, влияющие на температуру самовоспламенения.

6. Как меняются условия тепловыделения и теплоотвода при увеличении объема реакционного сосуда и изменение его формы?

7. Дайте определение периода индукции, от каких факторов он зависит?

8. Какие методы определения T_св существуют?

9. Какие горючие вещества самовозгораются при контакте с жидкими, твердыми и газообразными окислителями?

10. Существует ли принципиальное отличие в механизме самовоспламенения и самовозгорания? В чем различие этих процессов?

11. Как зависит температура самовоспламенения от концентрации горючего? Почему она наименьшая при стехиометрическом составе смеси?

12. Какое значение для специалиста пожарной охраны имеет температура самовоспламенения, где ею пользуются?

 

РЕШЕНИЕ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ

 

Расчет температуры вспышки

 

Температура вспышки характеризует пожароопасные свойства жидкостей, но не является физико-химической константой вещества и существенно зависит от условий, при которых она определяется. Метод расчета Т_всп по формуле В.И. Блинова построен на предположении, что концентрация пара и кислорода в потоке, направленном к поверхности горения, отвечает стехиометрическому составу, пар к пламени подводится благодаря молекулярной диффузии, а давление пара над жидкостью связано с температурой самой жидкости. Формула имеет вид:

 

,

 

где Д₀ – коэффициент диффузии, м²/с;

β – число молей кислорода, необходимое для полного сгорания одного моля пара жидкости;

Т_всп – температура вспышки жидкости, К;

А – постоянная прибора, зависящая только от условий опыта;

Р – давление насыщенного пара жидкости Т_всп, Па.

Зная постоянную прибора, величины Д₀, Р, β, можно по формуле найти Т_всп.

Методика расчета состоит в вычислении произведения Р_всп·Т_всп. Далее, задаваясь некоторой температурой, находят при ней давление насыщенного пара по таблице, номограмме или формуле

lgР = а + б·lgТ – с/Т,

где а, б, с – константы уравнения, приведенные в табл.5 прил.

Методом последовательных приближений рассчитывают искомую Т_всп, для чего при различных температурах находят произведение между Р·Т, добиваясь минимального расхождения между Р·Т и Р_всп·Т_всп.

Необходимо обращать особое внимание на выбор постоянной прибора в соответствующем измерении. При этом следует выбирать определенные единицы измерения коэффициента диффузии Д₀, давление пара жидкости Р, температуры. Для удобства расчетов приводим связь единиц соответствующих параметров с постоянной прибора А (табл.2).

 

Таблица 2

ЗАДАНИЯ НА ВЫПОЛНЕНИЕ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

 

6.1. Основная литература

 

1. Абдурагимов И.М., Андросов А.С., Исаева Л.К., Крылов Е..В. Процессы горения: Учеб. пособие - М.: ВИПТШ МВД СССР, 1984.

2. Абдурагимов И.М., Говоров В.Ю., Макаров В.Е.. Физико-химические основы развития и тушения пожаров: Учеб. пособие. – М.: ВИПТШ МВД СССР, 1980.

3. Монахов В.Т. Методы исследования пожарной опасности веществ. – М.: Химия, 1979.

 

6.2. Дополнительная литература

 

1. Демидов П.Г., Шандыба З.А., Щеглов П.П. Горение и свойства горючих веществ: Учеб. пособие. – М.: Химия, 1981.

2. Бусев А.И., Ефимов И.П. Определения, понятия, термины в химии: Словарь химических терминов. - М.: Просвещение, 1977.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ

 

Таблица 1

Редактор Т.М.Климчук

Темплан 2004 г., поз. 77

-----------------------------------------------------------------------------------------------

ЛР № 020818 от 13.01.99. Подписано в печать 03.04.04. Формат 60х84/16.

Бумага писчая. Ризограф. Уч.-изд. л. 1,0.

Тираж 50 экз. Заказ

────────────────────────────────────────────────

Редакционно-издательский центр

Ростовского государственного строительного университета

344022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162

 

© Ростовский государственный

строительный университет, 2004

 

Введение

 

Курс «Теория горения и взрыва» - прикладная дисциплина, предметом изучения которой являются физические и химические процессы и явления, связанные с горением на стадии его возникновения, развития и прекращения.

Строгой теории процессов неорганизованного, случайного горения, каким является горение на пожаре, на сегодня не существует. Однако основные физические и химические процессы, происходящие в условиях горения веществ и материалов на пожаре, могут быть рассмотрены и объяснены по аналогии с процессами, происходящими в условиях организованного горения. Этот вид горения, законы тепло- и массопередачи, газодинамические явления, химизм реакции в горючих системах и т.д. изучены достаточно полно. Использование представлений о законах классического горения дает возможность правильно формулировать законы, управляющие горением на пожаре, организовывать профилактические меры против возникновения самовоспламенения, самовозгорания, воспламенения, меры по снижению интенсивности горения на пожаре, его локализации и тушению. Глубокое понимание явления горения обеспечивает успешную борьбу с пожарами.

Для того чтобы понимать, почему горение на пожаре изучено мало, почему при изучении курса рассмотрены часто самые простые случаи горения, почему для описания законов горения на пожаре чаще всего прибегают к аналогиям с процессами организованного горения, следует обратиться к историческому аспекту развития науки о горении.

Изучение процессов горения связано с постоянным желанием человека использовать энергию, выделяющуюся при горении, например, в печах, топочных устройствах, реактивных двигателях и т.д., т.е. изучать явления и процессы организованного горения. Особенно больших успехов достигли исследования в области горения в связи с использованием этого явления в двигателях внутреннего сгорания и реактивных двигателях, взрывчатых веществах, составах и др. энергосистемах. И только рост экономического потенциала, особенно развитых стран, в условиях научно - технической революции сделал проблему борьбы с пожарами, а значит и развитие науки о пожарах в целом, в том числе и изучение процессов горения на пожаре, очень важной задачей современного общества. Слишком велик экономический и моральный ущерб наносимый пожарами.

Приступая к изучению курса «Теория горения и взрыва», необходимо представлять, что горение есть главный и основной процесс на пожаре. Знание химической и физической сути явления и законов горения необходимо для успешной работы инженера противопожарной техники и безопасности в любой области его деятельности. Этот курс является теоретической основой ряда специальных дисциплин.

 

Тема I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРИРОДЕ ГОРЕНИЯ

(ФИЗИКА И ХИМИЯ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ)

 

Горение - основной процесс на пожаре, поэтому изучение явления горения следует начинать с рассмотрения механизма протекания элементарных реакций, а затем переходить к представлениям о нем на уровне брутто – реакций с позиций общей и химической термодинамики. Такой подход к проблеме горения обеспечивает понимание разнообразных практических вопросов, с которыми сталкиваются специалисты пожарной охраны в своей повседневной деятельности, будь то профилактика пожаров, динамика их развития или же вопросы тушения.

На молекулярно – кинетическом уровне представлений о химических реакциях возможность возникновения и протекания горения обусловлена числом и энергией столкновения молекул горючего и окислителя. В свою очередь оба этих параметра являются функцией температуры. С увеличением температуры возрастает скорость теплового движения молекул, увеличивается число эффективных соударений, появляются условия для реагирования горючего с окислителем, т.е. возникновения и развития горения. Здесь уместно вспомнить законы химической кинетики, которые изучались в курсе общей химии.

Представив, как протекают реакции в горючей смеси на молекулярном уровне, становится понятным смысл суммарных характеристик процесса – скорости и теплового эффекта. При изучении этого материала обратите внимание на основные законы химической кинетики, зависимость скорости реакции от температуры (закон Аррениуса) и давления горючей смеси, закон действия масс, т.е. увеличение скорости реакции с возрастанием концентрации реагентов. Скорость реакции максимальна при стехиометрическом составе смеси. Соответственно при этой концентрации максимальна и интенсивность тепловыделения экзотермических реакций.

Упомянутые вопросы из раздела химической кинетики важны в физике и химии процессов горения для объяснения понятий концентрационных пределов воспламенения, механизма действия огнетушащих веществ, гасящего влияния «холодной стенки» и т.д.

Законами химической кинетики строго можно описать только один вид горения – гомогенное кинетическое, когда горючее и окислитель находятся в одной фазе и предварительно перемешаны, тогда скорость собственно химической реакции зависит от природы реагирующих веществ. Но поскольку интенсивность протекания процесса горения зависит в общем случае от характера передачи вещества и тепла в зону реакции, т.е. от движения газа, пара, воздуха, диффузии и теплопроводности, то степень подготовленности горючей смеси в газодинамические условия, в которых находится горючая смесь, оказываются факторами, определяющими все параметры горения на пожаре. Следует различать диффузионное и кинетическое горение, гомогенное и гетерогенное, ламинарное и турбулентное, знать, что степень турбулизации газового потока определяется числом Рейнольдса и зависит от плотности и вязкости среды, скорости потока, его поперечного сечения. При Re<Re_кр, равного 2300, движение носит ламинарный характер. При более высоких числах – турбулентный, что в значительной степени определяет режим горения.

Вид горения, его параметры определяются физическими процессами и условиями, они являются доминирующими, но в основе горения лежит химическое превращение горючего и окислителя в продукты горения. Поэтому все характеристики процесса горения в конечном итоге определяются условиями протекания химической реакции. В этой связи важно уметь составлять уравнения материального и теплового баланса реакции горения, учитывать влияние коэффициента избытка воздуха на состав продуктов горения и температуру горения, т.к. они определяют пожароопасные характеристики веществ и материалов, дают возможность оценивать реальную обстановку на пожаре и правильно организовывать деятельность пожарных.

Вопросы для самоподготовки

 

1. Какие химические реакции можно отнести к реакциям горения? Дайте объяснение, исходя из определения понятия горения.

2. Какие условия обязательны для возникновения горения?

3. Дайте развернутую характеристику различных режимов горения: кинетического и диффузионного, гомогенного и гетерогенного, ламинарного и турбулентного.

4. Что называют полным и неполным горением? Что влияет на полноту горения, почему?

5. Что называют продуктами горения и дымом? Назовите параметры дыма, характеризующие его пожароопасные свойства.

6. Почему процесс горения не является стационарным?

7. Изложите в общем виде методику расчета воздуха и продуктов горения.