Классификация видов горения. Условия, необходимые для горения

Горением называется химическая реакция окисления, со­провождающаяся выделением тепла и излучением света. Горе- пне возникает и протекает при определенных условиях. Для пего необходимы горючее вещество, кислород и источник вос­пламенения.

Чтобы возникло горение, горючее вещество должно быть на­грето до определенной температуры источником воспламенения (пламенем, искрой, накаленным телом) или тепловым прояв­лением какого-либо другого вида энергии: химической (экзо­термическая. реакция), механической (удар, сжатие, трение) и т. д.

Выделившиеся при нагревании горючего вещества пары и газы смешиваются с воздухом и окисляются, образуя горючую смесь. По мере накопления тепла в результате окисления газов и паров скорость химической реакции увеличивается, вследствие чего происходит самовоспламенение горючей смеси и появля­ется пламя.

С появлением пламени наступает горение, которое при бла-« гоприятных условиях продолжается до полного сгорания ве­щества.

В установившемся процессе горения постоянным источником воспламенения является зона горения, т. е. область, где про­текает химическая реакция, выделяется тепло и излучается свет.

Для возникновения и протекания горения горючее вещество н кислород должны находиться в определенном количественном соотношении. Содержание кислорода в воздухе для большинства горючих веществ должно быть не менее 14-18%".

Известно много различных видов очагов горения (горение свечи, мощной промышленной топки, пожар здания или соору­жения и прочее). Все они значительно отличаются друг от друга и различны по характеру горючего вещества, однако основ­ные явления, протекающие при горении и в процессе его, оди­наковы.

Рассмотрим процесс горения простого светильника (свечи восковой, стеариновой и др.). Зажженная свеча горит устойчиво в нормальной среде воздуха до тех пор, пока хватает для этого содержащегося в ней горючего (воска, стеарина, парафина). Свеча потухнет вследствие нарушения одного из основных условий

Механизм процесса горения

Сгорание является сложным физико-химическим процессом. На большую часть показателей двигателя влияют, однако, не физико-химические особенности процесса сгорания, а закономерности тепловыделения и вызываемого им изменения давления и температуры в цилиндре. Ими определяются энергетические и экономические показатели цикла, статические и динамические нагрузки на детали, оцениваемые максимальным давлением цикла р z и скоростью нарастания давления при сгорании (dp/d(j) max (МПа/°п. к. в.) или (dp/dt) max (МПа/с), тепловая напряженность деталей, оцениваемая по распределению температур и тепловых потоков, интенсивность шумоизлучения, в определенной степени механические потери в двигателе и токсичность отработавших газов. Благоприятные показатели работы двигателя обеспечиваются при тепловыделении, начинающемся за 5-15° до в. м. т., вызывающем равномерное повышение давления в интервале углов поворота коленчатого вала 15-30° и в основном завершающемся за 45-50°. Теплоиспользование в действительном цикле с таким характером тепловыделения мало отличается от имеющего место в цикле с подводом теплоты при V = const , так как поршень у в. м. т. движется с малыми скоростями и поэтому за время тепловыделения проходит малый путь. Так, если тепловыделение завершается через 35° после в. м. т., то степень последующего расширения газов отличается от степени сжатия лишь на 11-12%. В действительности постепенное тепловыделение выгоднее мгновенного в связи с уменьшением потерь теплоты в охлаждающую среду и механических потерь двигателя. Физико-химические особенности процесса сгорания оказывают существенное влияние на излучение пламени, отложения на деталях и токсичность отработавших газов.

Основы теории горения . По представлениям кинетики химических реакций, акт реагирования происходит при столкновении молекул, энергия которых превосходит определенное для каждой из реакций значение, достаточное для разрушения существующих внутримолекулярных связей и замещения их новыми. Это критическое значение энергии называют энергией активации, а сами молекулы, вступающие в реакцию,- термически активными. Число столкновений в единицу времени термически активных молекул существенно увеличивается с температурой. Оно также зависит от природы реагентов, их соотношения в смеси и давления. При увеличении давления частота столкновений возрастает вследствие увеличения числа молекул каждого из реагентов в единице объема, причем в тем большей степени, чем большее число молекул n м участвует в элементарном акте реакции. Скорость химических реакций, измеряемая количеством вещества, прореагировавшего в единице объема в единицу времени [кг/(с м 3) или кмоль/(с м 3)],

Здесь С - концентрация реагента; t - время; К о - константа столкновений, зависящая от природы и соотношения реагентов в смеси; р - давление; n м - порядок химической реакции; Q a - энергия активации, зависящая от природы реагентов, механизма реакции и параметров состояния; Т - температура смеси, mR - универсальная газовая постоянная.

Приведенная зависимость справедлива для случая, когда концентрация реагентов поддерживается неизменной. В действительности она изменяется. Поэтому в ходе реакции скорость ее достигает максимума, а затем снижается до нуля.

Изложенных ранее представлений о химических реакциях, происходящих в результате соударения термически активных молекул исходных веществ, оказалось недостаточно для объяснения ряда наблюдений, так как: 1) экспериментально полученные зависимости скорости реакции от давления имеют нередко дробный положительный показатель степени, хотя очевидно, что в реакции не может участвовать дробное число молекул; 2) добавка некоторых веществ, так называемых присадок, к топливам существенно влияет на процесс горения, несмотря на очень малые концентрации; 3) зависимость скоростей предпламенных реакций от параметров состояния заметно отклоняется от определяемой по (2.17) вплоть до того, что в некотором диапазоне увеличение температуры сопровождается уменьшением скорости реакции (отрицательная температурная зависимость); 4) ряд реакций происходит с большими скоростями без повышения температуры смеси.

Эти и многие другие явления удалось объяснить на основании теории цепных реакций, в разработке которой выдающаяся роль принадлежит школе советских ученых во главе с акад. Н. Н. Семеновым. В соответствии с представлениями этой теории подавляющее большинство химических реакций идет по цепному механизму, т. е. исходные вещества переходят в конечные через более или менее длинную цепь отдельных реакций с образованием ряда промежуточных, нередко крайне неустойчивых, соединений. Ведущую роль в развитии цепной реакции играют химически активные частицы, обладающие свободными валентностями, легко вступающие в соединение с исходными или промежуточными продуктами без термической активации. В результате указанных реакций получаются конечные продукты и одновременно вновь образуется некоторое количество таких же или других активных частиц, которые снова вступают в реакции, возобновляя, цепь превращений.

Если в результате элементарного акта химически активной частицы с какой-либо молекулой воссоздается лишь одна активная частила, то имеет место простое продолжение реакции и она является неразветвленной. Скорость неразветвленной цепной реакции определяется числом активных частиц, возникающих в единицу времени, и средней длиной цепи. Химически активные частицы образуются в результате столкновений или самопроизвольного распада термически активных молекул. Поэтому зависимость w = f(p, Т) для неразветвленной цепной реакции аналогична (2.17). При этом рассматривают некоторую эффективную энергию активации, характеризующую итоговую зависимость скорости процесса от температуры. Если в результате элементарной реакции с участием одной активной частицы возникают две или большее число новых активных частиц, то имеет место гак называемое разветвление цепи. Скорость такой реакции очень быстро возрастает со временем даже при отсутствии повышения температуры. Обрыв цепи происходит при столкновении между собой химически активных частиц и в результате адсорбции их стенками, окружающими реагирующую смесь. Поэтому увеличение концентрации химически активных частиц сопровождается увеличением числа обрывов цепей и, как следствие, скорость разветвленной цепной реакции стабилизируется, а затем уменьшается в результате выгорания исходных веществ.

В соответствии с теорией цепных реакций дробный порядок реакции - результат сложного механизма течения реакции, включающей в себя ряд элементарных стадий, каждая из которых имеет свой порядок. В зависимости от значимости каждой из промежуточных стадий получаются те или иные значения показателя степени при р в (2.17). То обстоятельство, что каждая химически активная частица является источником целой серии превращений, позволяет объяснить ускоряющее или тормозящее действие небольших количеств присадок к топливу. Отрицательная температурная зависимость w объясняется тем, что увеличение температуры приводит к росту концентрации промежуточного продукта реакции, тормозящего образование конечных продуктов.

Горением называется химическая реакция окисления вещества, сопровождающаяся выделением тепла и излучением света.

Горение может возникнуть только при одновременном наличии трех условий: присутствии горючего вещества, окислителя и источника (импульса) зажигания . Горючее вещество и окислитель составляют горючую систему, а источник зажигания вызывает в ней реакцию окисления (горения).

Окислителем в процессах горения обычно является газообразный кислород, находящийся в воздухе, но горение может быть и в среде хлора, брома, озона и других окислителей.

Источником зажигания могут быть открытые или светящиеся источники – пламя, раскаленные поверхности, лучистая энергия, искры, а также скрытые (несветящиеся) – трение, удар, адиабатическое сжатие, экзотермическая реакция и т.д. Например, температура пламени спички составляет 750-860 0 С, тления сигареты – 700-750 0 С, пламени древесной лучины – 850-1000 0 С.

В некоторых случаях при горении конденсированных систем (твердых, жидких веществ или их смесей) пламя может и не возникать, т.е. происходит беспламенное горение , или тление .

Во всех случаях для горения характерны три типичных стадии: возникновение, распространение и погасание пламени.

В зависимости от агрегатного состояния горючего и окислителя различают три вида горения:

- гомогенное горение газов и газообразных горючих веществ в среде газообразного окислителя (такое горение может представлять собой взрыв или детонацию) – исходные вещества и продукты горения находятся в одинаковом агрегатном состоянии;

- гетерогенное горение жидких и твердых горючих веществ в среде газообразного окислителя – исходные вещества, например твердое или жидкое горючее и газообразный окислитель, находятся в разных агрегатных состояниях (горение угля, металлов, сжигание жидких топлив в топках, двигателях внутреннего сгорания и т.д.);

- горение взрывчатых веществ и порохов – сопровождается переходом вещества из конденсированного в газовое состояние.

Движение пламени по газовой смеси называется распространением пламени. В зависимости от скорости распространения пламени горение может быть:

- диффузионным (несколько метров в секунду) – все пожары представляют собой диффузионное горение;

- дефлаграционным или взрывным (десятки и сотни метров в секунду);

- детонационным (тысячи метров в секунду).

Пожарная профилактика при проектировании и строительстве предприятий. Огнестойкость и возгораемость строительных материалов и конструкций. Классификация производств по их пожаро- и взрывоопасности.

Взрыво- и пожароопасность производства определяется технологиями, в которых используются или могут образовываться вещества, материалы и смеси с определенными взрыво- и пожароопасными свойствами. Более высокую опасность представляют технологии, в которых используются вещества, способные образовывать взрывоопасные смеси с воздухом (горючие газы, легковоспламеняющиеся и горючие жидкости и т.п.).

При проектировании и строительстве производственных зданий необходимо учитывать пожарную опасность производства. Согласно Строительным нормам и правилам все производства в зависимости от применяемых или хранимых на них материалах и веществ по взрыво- и пожароопасности подразделяются на пять категорий: А, Б, В, Г и Д.

К категории Г относятся производства, в которых используются негорючие вещества и материалы в горячем, раскаленном или расплавленном состоянии, обработка которых сопровождается выделением лучистого тепла, искр и пламени; горючие газы, жидкости и твердые вещества, которые сжигаются в качестве топлива.

Большинство предприятий связи относятся к категории В (пожароопасные). К этому типу относятся помещения производств предприятий связи, в которых имеются кабели с горючей обмоткой, оборудование с применением дерева и пластика, бумага, мешкотара, горючая пленка и т.п.

Категорирование производств по пожаровзрывоопасности имеет важное значение, так как в значительной степени позволяет определить требования к зданию, его конструкции и планировке, организации пожарной охраны и ее техническую оснащенность, требования к режиму и эксплуатации технологического оборудования.

Расположение зданий на местности;

Материалы и конструкции, используемые для строительства;

Этажность и планирование внутренних помещений;

Пути эвакуации людей;

Системы отопления и вентиляции.

Выбор местоположения зданий должен определяться с учетом рельефа местности и господствующих ветров. Объекты с повышенной пожарной опасностью располагают с подветренной стороны по отношению к объектам с меньшей пожарной опасностью. Складские помещения и пожароопасные цехи должны располагаться отдельно на определенном расстоянии от основного помещения, чтобы при их возгорании пожар не распространялся на основное здание. Возможно зонирование территории, которое предполагает группирование производственных объектов предприятия, родственных по функциональному назначению и признаку пожарной опасности в отдельные комплексы.

Материалы и конструкции, применяемые на строительстве, определяют степень огнестойкости зданий и сооружений, т.е. способность противостоять воздействию огня. Материалы и конструкции по возгораемости делятся на негорючие, трудногорючие и горючие. В зависимости от огнестойкости здания выбираются те либо другие материалы. Огнестойкость конструкций оценивается минимальным пределом огнестойкости и максимальными пределами распространения по ним огня. Пределом огнестойкости строительных конструкций называется время (в часах), определяемое от начала испытания на огнестостойкость до возникновения одного из следующих признаков:

Образование в конструкции сквозных трещин или отверстий, через которые проникают продукты горения или дым;

Повышенная температура на необогреваемой поверхности конструкции в среднем более чем на 140 0 С по сравнению с температурой до испытания;

Потеря конструкцией несущей способности.

Пределы огнестойкости основных строительных конструкций, выполненных на негорючих или трудногорючих материалов, изменяются от 0,5 до 2,5 часа.

Пределы распространения огня по строительным конструкциям определяют размеры повреждения конструкции в сантиметрах вследствие ее горения за пределами зоны нагрева – в контрольной зоне.

В проектах всех сооружений предприятий связи должны быть предусмотрены пути для быстрой и безопасной эвакуации людей и материальных ценностей в случае возникновения пожара. Эвакуационные пути должны обеспечивать эвакуацию всех людей, находящихся в помещениях предприятий связи в течение необходимого времени.

Требования пожарной безопасности должны соблюдаться при проектировании и эксплуатации систем отопления и вентиляции. На предприятиях связи применяются различные виды отопления: печное, электрическое, газовое воздушное, водяное и паровое. Наиболее пожароопасным является печное отопление, так как поверхности печей могут нагреваться до 400-500 0 С. Системы центрального отопления менее пожароопасны, чем системы местного отопления, так как температура поверхности нагревательных приборов колеблется от 85 до 110 0 С. Такие системы опасны тем, что по трубопроводам пожар может распространиться в другие помещения. В связи с этим не допускается прокладка трубопроводов отопления совместно с трубопроводами, по которым транспортируются горючие жидкости, пары или газы.

Вентиляционные системы зданий и сооружений проектируются с учетом степени пожарной опасности производства. Для производств категорий А.Б вентиляционные воздуховоды и ограждающие конструкции вентиляционных камер выполняются из негорючих материалов; для производств остальных категорий – из трудногорючих. Чаще всего воздуховоды располагают в стенах зданий, но допускается их прокладка и внутри помещений. Вентиляционные устройства следует регулярно проверять, очищать от пыли и отходов производства. Проверки фиксируются в специальном журнале. В случае возникновения пожара вентиляционная система должна быть отключена.

Для возникновения процесса горения необходимы: горючее вещество, кислород, источник воспламенения. Некоторые вещества способны гореть без кислорода, в атмосфере хлора, брома и т.п., но это явление, скорее всего, следует отнести к исключениям из правил.

Горючие вещества могут быть в виде газов, пыли, твердых веществ и жидкостей. Углерод, водород, сера и фосфор, входящие в состав горючих веществ, при горении окисляются и образуют продукты сгорания, которые обычно представляют серьезную опасность для жизни и здоровья людей. Например, 0,4 % окиси углерода, вдыхаемого человеком, является смертельной дозой; вдыхание в течение нескольких минут горячего воздуха температурой 70 °С тоже приводит к летальному исходу.

Выделяющееся при пожаре тепло может оказать разрушительное воздействие на строительные конструкции и технологическое оборудование, что часто приводит к авариям и взрывам.

Чтобы предотвратить пожар, необходимо исключить горючее вещество, кислород или источник воспламенения. Исключить кислород воздуха чрезвычайно сложно, поэтому при разработке противопожарных мероприятий обычно заменяют материалы на менее горючие и ограничивают возможность наличия источника воспламенения.

По горючести вещества и материалы подразделяют на группы:

негорючие (несгораемые) - вещества и материалы, не способные к горению на воздухе;

трудногорючие (трудносгораемые) - вещества и материалы, способные возгораться от источника зажигания, но не способные самостоятельно гореть после удаления источника зажигания;

горючие (сгораемые) - вещества и материалы, способные самовозгораться, а также возгораться от источника зажигания и самостоятельно гореть после его удаления.

Из группы горючих веществ и материалов выделяют легковоспламеняющиеся вещества и материалы. Легковоспламеняющимися называют горючие вещества и материалы, способные воспламеняться от кратковременного (до 30 с) воздействия источника зажигания с низкой энергией (пламя спички, искра, тлеющая сигарета и т.п.). К легковоспламеняющимся относят жидкости с температурой вспышки не выше 61 °С в закрытом или 66 °С в открытом тигле.

Вспышкой называется быстрое сгорание горючей смеси, не переходящее в стационарное горение. Температура вспышки - минимальная температура, при которой данное количество паров над поверхностью жидкости может воспламениться. Горючая смесь - смесь паров горючего вещества с кислородом воздуха. Воспламенение такой смеси может произойти даже от маломощного и кратковременного источника воспламенения (искры).

Температура воспламенения - наименьшая температура, при которой вещество выделяет горючие пары и газы с такой скоростью, что после их зажигания возникает устойчивое горение пламени.

Температура самовоспламенения - температура, при которой начинается самонагревание смеси до воспламенения, заканчивающегося горением.

Нижний и верхний пределы воспламенения (взрываемость) - объемная доля горючего в смеси (%), ниже и выше которой смесь становится неспособной к воспламенению.

Предел распространения огня характеризуется способностью строительных конструкций к самостоятельному горению, измеряется в сантиметрах и представляет собой размер повреждения конструкции в контрольной зоне в течение 15 мин.

В строительном производстве при проектировании мероприятий по предотвращению пожаров ориентируются на недопустимость появления источника воспламенения, поскольку очень многие строительные материалы относятся к группе сгораемых и исключить их из технологических процессов невозможно.

1Процесс горения требует наличия трех компонентов: вещества, способная гореть; источника огня с необходимым запасом энергии горения, определенного количества окислителяокислителя является кислород, в котором наиболее бурно происходят процессы горения окислителя могут быть кислородом вещества, такие как марганцовокислый калий КМn2О4 селитра КNО3, азотная кислота НМ03 и др.
2 Несмотря на большой опыт использования на практике, процессы горения остаются одними из наиболее сложных для научного изучения. Наука о горении является в высшей степени междисциплинарной, лежащей на стыке таких научных дисциплин, как газодинамика, химическая термодинамика, химическая кинетика, молекулярная и химическая физика, тепломассообмен, квантовая химия и физика, материаловедение и компьютерное моделирование
3 Прекращение горенияПрекращение горения любого вещества достигается путём физического или химического воздействия на реакцию горения, в результате чего происходит уменьшение количества выделяющегося тепла, снижение температуры горения и в конечном счете прекращение реакции.Прекращение горения достигается по нескольким механизмам. Исходя из этого различают следующие механизмы прекращения горения: разбавление концентраций реагирующих веществ; изоляция реагирующих веществ; охлаждение реагирующих веществ; химическое торможение реакции горения.
На практике, часто совмещают одновременно несколько методов прекращения горения. Прекращение горения путём разбавления концентрации реагирующих веществ основано на разбавлении воздуха или горючего вещества, поступающего в зону горения, негорючими веществами до тех пор, пока образующаяся в зоне реакции смесь станет негорючей. Условия прекращения горения в таком случае требуют, чтобы используемые для этой цели вещества были негорючими, низкотеплопроводными, обладать большой теплоемкостью и не поддерживать горения. К таким веществам относятся: азот, продукты сгорания, двуокись углерода, водяной пар.
Их можно вводить непосредственно в факел пламени, а также в объем помещения, где происходит горение. Прекращение горенияпутём изоляции реагирующих веществ. В этом случае горючее вещество или зону горения отделяют от воздуха. Огнетушащие средства: твердые листовые материалы (войлок, асбест, металлические крышки и др.), негорючие сыпучие материалы (песок, тальк и др.), жидкие вещества (химическую и воздушно-механическую пену, воду в чистом виде и с добавками, повышающими ее вязкость и смачивающую способность), газообразные вещества (продукты сгорания, азот, двуокись углерода).
Тушение методом охлаждения реагирующих веществ - до такого состояния, когда выделяющиеся пары не в состоянии будут воспламениться. Условия прекращения горения, которое осуществляется огнетушащими средствами, состоят в их высокой теплоёмкости, величиной удельной теплоты плавления и парообразования, способности равномерно распределяться на поверхности горящего вещества.