В.И. ГОВОРОВ В.М. ПЛОТНИКОВ Е.В. КАРАТАЙ
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА
Курс лекций для специальностей:
– «Безопасность труда и жизнедеятельности»
– «Безопасность жизнедеятельности»
– «Защита в чрезвычайных ситуациях»
– «Безопасность жизнедеятельности и защита
окружающей среды»
Теоретические основы горения и взрыва
Составители: Говоров Вениамин Иванович
Плотников Валерий Михайлович
Каратай Екатерина Валентиновна
«Теоретические основы горения и взрыва». Курс лекций для специальностей: – «Безопасность труда и жизнедеятельности», – «Безопасность жизнедеятельности», – «Защита в чрезвычайных ситуациях», – «Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды» / В.И.Говоров, В.М.Плотников, Е.В.Каратай – г.Темиртау: КГИУ, 2007 г. – 89 стр.
В пособии рассмотрены физические и химические основы процессов горения и взрыва, перечислены виды горения, обоснованы механизмы их возникновения и распространения пламени. Раскрыта сущность показателей пожаровзрывоопасности веществ.
Также в пособии изложены тепловая и цепная теории самовоспламенения и взрыва, теории распространения и прекращения горения. Теория детонации.
СОДЕРЖАНИЕ
стр.
Тема 1. Введение………………………………………………………………….4
Тема 2. Физические основы горения……………………………………………8
2.1. Свойства газов………………………………………………………8
2.2. Свойства газовых смесей…………………………………………….11
2.3. Свойства жидкостей………………………………………………….12
2.4. Свойства сжиженных газов………………………………………….15
2.5. Свойства твердых веществ…………………………………………..15
Тема 3. Химические основы горения………..…………………………………18
3.1. Химизм реакций горения………………….…………………………18
3.2. Теплосодержание веществ……………………………………...……19
3.3. Тепловой эффект реакции……………………………………………21
3.4. Кинетические основы газовых реакций…………………………….22
3.5. Энергия активации реакции………………………………………….24
3.6. Катализ………………………………………………………………...26
3.7. Адсорбция…………………………………………………………….27
Тема 4. Виды горения……………………………………………………………28
4.1. Горение газообразных, жидких и твердых веществ………………..28
4.2. Гомогенное и гетерогенное горение………………………………...31
4.3. Диффузионное и кинетическое горение…………………………….31
4.4. Нормальное горение………………………………………………….34
4.5. Дефлаграционное (взрывное) горение………………………………35
4.6. Детонационное горение…………………………………………….36
Тема 5. Показатели пожаровзрывоопасности веществ………………………..37
5.1. Общие показатели для горючих веществ и видов горения……37
5.2. Показатели взрывопожароопасности газо-, паро- и пылевоздуш-
ных смесей…………………………………………………………….38
5.3. Показатели пожароопасности твердых компактных и пылевид-
ных веществ…………………………………………………………..39
Тема 6. Возникновение горения………………………………………………...41
6.1. Тепловое самовоспламенение (тепловой взрыв)…………………...41
6.2. Самовозгорание……………………………………………………45
6.3. Цепное самовоспламенение (цепной взрыв)………………………..47
6.4. Зажигание…………………………………………………………….49
Тема 7. Распространение пламени……………………………………………...52
7.1. Тепловая теория горения……………………………………………..52
7.2. Горение в замкнутом объеме………………………………………...55
7.3. Движение газов при горении………………………………………...55
7.4. Факторы ускорения горения…………………………………………57
7.5. Условия возникновения взрыва……………………………………...58
Тема 8. Ударные волны и детонация…………………………………………...60
8.1. Ударные волны в инертном газе…………………………………….60
8.2. Воспламенение при быстром сжатии……………………………….67
8.3. Возникновение детонации …………………………………………67
8.4. Стационарный режим распространения детонации………………..70
8.5. Определение скорости детонации…………………………………...71
8.6. Вырождение детонации………………...…………………………….73
Тема 9. Погасание пламени (прекращение горения)………………………….76
9.1. Концентрационные пределы распространения пламени…………..76
9.2. Общие закономерности для пределов распространения пламе-
ни............................................................................................................79
9.3. Затухание пламени в узких каналах………………………..………..80
9.4. Пределы распространения пламени в системе горючий газ +
окислитель + флегматизатор…………………………………………82
9.5. Закономерности для точки флегматизации…………………………84
9.6. Механизм флегматизации взрывоопасных смесей…………………86
Тема 1. Введение.
Данное пособие рекомендуется при изучении дисциплин «Научные ос-новы пожаровзрывобезопасности», «Физико-химические основы горения и взрыва» и «Теория горения и взрыва» для специальностей «Безопасность труда и жизнедеятельности», «Безопасность жизнедеятельности», «Защита в чрезвычайных ситуациях» и «Безопасность жизнедеятельности и защита ок-ружающей среды».
Основная литература:
1. Розловский А.И. Научные основы техники взрывобезопасности при работе с горючими газами и парами – М., Химия, 1972.
2. Баратов А.Н., Иванов Е.Н., Корольченко А.П. Пожарная безопас-ность. Взрывобезопасность. Справочник. – М., Химия, 1987.
3. ГОСТ 12.1.044-84. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения. – М., Госстандарт, 1985г.
Дополнительная литература:
1. Померанцев В.В., Шагалова С.Л., Резник В.Л. Самовозгорание и взрывы пыли натуральных топлив. – Л. Энергия, 1978.
2. Злобинский Б.М., Иоффе В.Г., Злобинский В.Б. Воспламеняемость и токсичность металлов и сплавов. – М., Металлургия, 1972г.
3. Кумагаи С. Горение. – М., Химия, 1979.
4. Корольченко А.Я. Пожаровзрывоопасность промышленной пыли. – М., Химия, 1986г.
5. Макаров Г.В., Стрельчук Н.А. Охрана труда в химической промыш-ленности. М., Химия, 1974.
6. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. – М., 1971.
Перечисленные курсы относятся к специальным дисциплинам, т.е. не-посредственно связанным с Вашей профессией. Дело в том, что причинами большинства аварий, катастроф, стихийных бедствий и несчастных случаев служат пожары и взрывы. Примерами этого могут служить:
лесные пожары в Европе;
пожар в ЛПЦ-1 Миттал Стил;
взрыв на КарГРЭС-1 в 2003 г.
В основе пожаров и большинства взрывов лежат процессы горения. И знание теоретических основ возникновения и протекания процессов воспла-менения, горения и взрыва позволит Вам:
во-первых, прогнозировать вероятность возникновения пожара и взрыва в конкретных производственных условиях или ЧС;
во-вторых, определять пожаро- и взрывоопасность веществ, техноло-гических процессов и промышленных производств;
в-третьих, применять правильные меры, методы и средства защиты от взрывов и тушения пожаров.
Следует подчеркнуть, что практические решения по обеспечению по-жаро- и взрывобезопасности на основе знания курса ТГВ будут изучаться Вами в дисциплине «Пожаровзрывобезопасность».
Таким образом, цель курса ТГВ – изучить научные, теоретические ос-новы процессов воспламенения, горения и взрыва веществ и методов подав-ления взрывов и тушения пожаров.
Что такое горение, пожар, взрыв? Горением называется быстро проте-кающая химическая реакция, которая сопровождается выделением тепла и свечением (пламенем). Пламя – это светящиеся продукты горения. Выде-лившееся тепло раскаляет продукты горения, и они светятся.
К горению способны вещества в любом агрегатном состоянии: газа, жидкости или твердого тела. Газы – это вещества, не имеющие ни объема, ни формы. Жидкости имеют объем, но не имеют форму. Твердые вещества имеют и объем и форму.
Пожаром называется неконтролируемое горение вне специального очага, наносящее материальный ущерб.
Взрыв – это крайне быстрое химическое или физическое превращение вещества, сопровождающееся выделением большого количества газов, теп-ловой энергии и, как следствие, резким повышением давления и возникнове-нием ударной (взрывной) волны, что приводит в итоге к пожарам, разруше-ниям и травмам людей.
Различают физический, химический и ядерный взрывы, исходя из про-цессов, которые вызывают взрыв.
Физический взрыв происходит при быстром переходе вещества из од-ного состояния в другое. Например: взрыв парового котла, когда мгновенно перегретая жидкая вода превращается в пар, или взрыв баллона, когда силь-но сжатый негорючий газ мгновенно сбрасывает давление.
Химический взрыв – это химическое превращение веществ при горе-нии, когда в закрытых аппаратах или помещениях воспламеняется смесь го-рючего вещества и окислителя. Чаще всего окислителем служит кислород воздуха.
Ядерный взрыв – это мгновенное высвобождение атомной энергии радиоактивных веществ.
Мы в нашем курсе будем рассматривать только процессы, происходя-щие при химическом взрыве, т.е. горении.
Теория горения и взрыва основана на законах физики, химии, химиче-ской термодинамики, физической химии.
Фундаментальной базой ТГВ является молекулярно-кинетическая тео-рия газов, потому что горение газов, жидкостей и большинства твердых ве-ществ протекает в газовой фазе. А молекулярно-кинетическая теория позво-лит представить физический смысл явлений в газах с точки зрения атомно-молекулярной теории строения веществ с помощью движения газовых час-тиц. Согласно этой теории молекулы газа находятся в постоянном движении. Каждая частица обладает определенной кинетической энергией, которая и определяет взаимосвязь температуры, объема, давления, массы газов и др.
Теория – в переводе с греческого означает «исследование, наблюде-ние». Это система логических научных обобщений опыта, который люди пы-таются отражать объективные закономерности развития природы.
Основой любой науки является опыт, эксперимент. На основе обобще-ния полученных данных находят закономерность, которую называют прави-лом, принципом, законом. А установленную закономерность объясняет тео-рия, которая отвечает на вопрос: «Почему это так происходит?».
Таким образом, теория абстрактно выражает внутреннюю сущность за-кономерностей и явлений и объясняет их. Надо только помнить, что теория оправдывается лишь в рамках условий, в которых проводились опыты. Мож-но, и всегда делаются попытки распространить теорию на более широкую область применения, но тогда это должно быть подтверждено практикой.
Сущность теории объясняется чаще всего с помощью моделей. Модели бывают физические, химические и математические.
Физические модели, например, объясняют строение кристаллических решеток, или молекул с помощью шаров.
Химические модели, например, объясняют состав и взаимосвязь моле-кул с помощью химических формул:
Вода: H2O, или H-O-H, но не H-H-O;
Перекись водорода: H2O2, или H-O-O-H;
Бензол: C6H6, или Полиэтилен: n(СН2), или
т.е. только такой структурной формулой объясняется строение молекулы во-ды или бензола. При этом черточки означают химические связи (валент-ность) между атомами.
Другой пример: химическая модель горения водорода в виде химиче-ских уравнений: 2H2+O2=2H2O в соответствии с законом сохранения материи (атомов).
Математические модели с помощью математических уравнений. И чаще всего математическое объяснение внутренних аналогий с помощью уравнений и называют теорией.
Например: экспериментаторы выявили в опытах закономерность изменения давления какого-то газа от его объема в замкнутом сосуде и построили графическую зависимость:
Рис. 1. Зависимость изменения давления газа от его объема в замкнутом сосуде.
Графическая зависимость может быть выражена прямой линией, пара-болой, гиперболой, экспонентой, которые описываются математически в ви-де уравнений.
В нашем случае после математической обработки получаем закон Бой-ля-Мариотта:
PV=const (1.1)
т.е. при неизменных температуре (Т) и массе вещества (М) произведение давления (Р) на объем есть постоянная величина.
Кстати, это один из основных законов молекулярно-кинетической энер-гии газов.