2. Диффузионный и кинетический режимы горения.

Факел, который образуется при истечении топлива в среду окислителя (или окислителя в среду топлива, горючего). Его называют - диффузионным факелом - (диффузионное горение, диффузионное пламя).

Факел, который образуется при истечение заранее подготовленной смеси топлива и окислителя в окружающую среду (она может быть тоже окислительной). Такой тип называют - кинетическим факелом - (кинетическое горение, кинетическое пламя).

Для первого типа главную роль играет явление диффузии, смешения (молекулярной, турбулентной).

Для второго типа главную роль играет кинетика химических реакций (тепловой и цепной механизмы распространения пламени).

Горение – это процесс преобразования смеси одних химических соединений в смесь других химических соединений (продуктов горения), текущий в режиме самоорганизации и сопровождающийся (обычно) выделением тепла и света.

tпреобр = tсмеш + tнагрева+ t хим.р., где

tсмеш – время, необходимое для подвода окислителя к топливу (время смешения); tнагрева– время нагрева компонентов горения до температуры воспламенения; t хим.р.– время протекания химической реакции горения.;

tсмеш >> tхим.р.:диффузионный режим горения (tпреобр≈tсмеш)

tсмеш= 0 << tхим.р.: кинетический режим горения (tпреобр≈tхим.р.)

tсмеш≈ tхим.р. : смешанный диффузионно-кинетический режим горения.

При кинетическом режиме горения интенсивность горения (tпреобр) определяется концентрацией горючего (составом смеси), родом горючего и окислителя, температурой и давлением смеси, т.е. зависит от того же, чем определяется скорость химических реакций, – зависит только от кинетики самих химических реакций. Поэтому такой вид горения и называется - кинетическим.

При диффузионном режиме горения tпреобр определяется гидродинамикой геометрической области преобразования, т.е. определяется интенсивностью процесса смешения, а также родом горючего и окислителя.

3. Температурные пределы воспламенения жидкости

Температура жидкости, при которой над поверхностью создается концентрация насыщенного пара, равная нижнему пределу воспламенения, называется нижним температурным пределом воспламенения (НТПВ).

Температура жидкости, при которой над поверхностью создается концентрация насыщенного пара, равная верхнему пределу воспламенения, называется верхним температурным пределом воспламенения (ВТПВ).

Например, для ацетона НТПВ равен – 20 ⁰С, а ВТПВ +6 ⁰С.

Температурные пределы определяются в условиях, при которых достигается равновесие жидкость-пар, поэтому являются термодинамическими параметрами.

Температурные пределы воспламенения используют для оценки пожарной опасности жидкостей и технологических процессов, связанных с их применением, при расчете безопасных режимов работы технологических аппаратов и пожароопасности складских емкостей с жидкостями и летучими твердыми веществами.

Температурные пределы можно рассчитать. Для этого используются концентрационные пределы воспламенения и температурная зависимость давления насыщенного пара от температуры.

Температура вспышки – самая низкая температура, при которой над поверхностью жидкости образуются пары, способные вспыхивать на воздухе от источника зажигания, но скорость образования пара недостаточна для постоянного устойчивого горения. В отличие от НТПВ температура вспышки является кинетическим параметром, так как характеризует скорость испарения.

Жидкости, способные гореть, делятся на легко воспламеняющиеся(ЛВЖ) и горючие (ГЖ). ЛВЖ – это жидкости, имеющие температуру вспышки не выше 61°С в закрытом тигле или 66°С в открытом тигле.

ГЖ – это жидкости, имеющие температуру вспышки выше этих значений.

В соответствии с международными рекомендациями легко воспламеняющиеся жидкости делятся на три разряда:

1 разряд. Особо опасные ЛВЖ. К ним относятся жидкости с температурой вспышки от 18°С и ниже в закрытом тигле и от 13°С и ниже в открытом тигле;

2 разряд. Постоянно опасные ЛВЖ. К ним относятся жидкости с температурой вспышки от 18°С до 23°С в закрытом тигле или от 13°С до 27°С и ниже в открытом тигле;

3 разряд. ЛВЖ, опасные при повышенной температуре воздуха. К ним относятся жидкости с температурой вспышки от 23°С до 61°С в закрытом тигле или от 27°С до 66°С в открытом тигле.

В зависимости от температуры вспышки устанавливают безопасные способы хранения, транспортирования и применения жидкостей для различных целей.

5. скорость выгорания жидкости

Выгорание жидкостей. Процесс выгорания жидкостей характеризуется скоростью выгорания. Скорость выгорания не является физико-химической константой; она зависит от свойств горючей жидкости, диаметра резервуара и условий тепло- и массообмена в зоне пожара. Для всех жидкостей зависимость скорости выгорания от диаметра резервуара имеет общий характер (рис. 1.8), При горении жидкости в горелках разных диаметров реализуются три режима с характерными для каждого из них условиями тепло-и массопереноса: ламинарный (при диаметрах горелок до 10 см), переходный (при диаметрах от 10 до 100 см) и турбулентный (при диаметрах более 100 см). В первых двух режимах передача тепла от факела пламени к поверхности жидкости происходит в основном в результате теплопроводности и конвекции, при третьем становится существенной передача тепла излучением.

Как видно из приведенных данных, скорость выгорания жидкостей, а следовательно, и скорость понижения их уровней в резервуарах в условиях пожаров относительно невелики. Температура на стенке резервуара ниже уровня жидкости не может превышать намного температуру самой жидкости, вследствие чего при высоком уровне горючей жидкости в резервуаре стенки не деформируются. И наоборот, стенка резервуара выше уровня горючей жидкости под воздействием пламени в первые же минуты свободного горения сильно раскаляется и начинает деформироваться. В реальных пожарах через 15—20 мин от начала пожара свободный борт металлического резервуара разогревался до температуры красного каления и деформировался (свертывался), если до этого не были приняты меры по его охлаждению.

10. ПРОДУКТЫ СГОРАНИЯ— газы, получающиеся в результате сгорания топлива с воздухом. Основные части продуктов сгорания: углекислота (СО2), азот воздуха, пошедшего на сгорание (N2), кислород (О2), если сгорание происходило с избытком воздуха, водяной пар (Н2О). При неполном сгорании получается окись углерода (СО) и продукты разложения несгоревшего топлива, как то: тяжелые углеводороды типа CnHn, метан СН4, водород Н и аморфный углерод С.

11.

12.Горение газов

П ри нормальном давлении и температуре среднее расстояние между молекулами в газе приблизительно в 10 и более раз больше, чем в жидкостях и твердых телах, поэтому плотность газов значительно ниже плотности жидкостей и твердых веществ. Практически все горючие газы относятся к классу легковоспламеняющихся, их горение относится к гомогенному (одинаковое агрегатное со-стояние) и процесс горения определяется областью воспламенения, энергией источника зажигания, температурой горения и скоростью распространения пламени.

Все смеси горючего с воздухом до точки «А» не способны воспламеняться даже от мощной электрической искры – это область безопасных концентраций. Та минимальная концентрация газов или паров, при которой смесь воспламеняется от постороннего источника зажигания с последующим распространением по всему объему смеси, называется нижним концентрационным пределом воспламенения (НКПВ). На НКПВ смесь воздуха с горючим содержит избыток воздуха. Так, для смеси воздуха с метаном коэффициент избытка воздуха равен 2; с СО – 2,6; с Н2S – 6,9. При концентрации горючего в смеси выше НКПВ горение проходит с большой скоростью, давление при взрыве повышается вплоть до давления,

соответствующего стехиометрической концентрации веществ. Снижение концентрации воздуха в смесях с горючим (так называемые богатые смеси) ведет к снижению и потере способности воспламеняться.

Та наивысшая концентрация горючих газов или паров в смеси, при которой смесь еще воспламеняется от постороннего источника зажигания с распространением горения по всему объему смеси, называется верхним концентрационным пределом воспламенения (ВКПВ). Диапазон концентраций газа или пара в воздухе между НКПВ и ВКПВ называется областью воспламенения.

Концентрации горючих газов и паров с воздухом выше ВКПВ называются пожароопасными.

Знание областей безопасных и пожароопасных концентраций дает возможность в процессе применения и хранения горючих газов и жидкостей поддерживать такой режим, при котором концентрации горючего были бы выше ВКПВ или ниже НКПВ. Области воспламенения смесей конкретных горючих газов или паров с

воздухом не являются абсолютно постоянными и зависят от многих факторов (температуры смеси, давления, влажности воздуха, различных примесей, турбулентности, мощности источника зажигания и др.).

Влияние температуры смеси. Повышение температуры однозначно расширяет область воспламенения смесей горючего с воздухом. По данным Уайта смесь водорода с воздухом имеет пределы области воспламенения при 20 єС от 9% до 72%, при 400 єС – от 6,3% до 82%. Среднестатистически установлено, что с повышением температуры от 20 єС до 120 єС НКПВ в среднем снижается на 8…10%, а ВКПВ повышается на 12…16%.

Влияние давления смеси. Изменение давления в пределах нормальных колебаний близкого к атмосферному давлению при оптимальном зна-чении 101 325 Па (или 760 мм.рт.ст.) практически не влияет на пределы горючести.

При больших колебаниях давления пределы горючести изменяются поразному для различных смесей. В общем случае, уменьшение давления ниже атмосферного сужает пределы области воспламенения: при некотором достаточно низком давлении ВКПВ и НКПВ совпадают, т. е. существует минимальное давление, ниже которого при любом составе смеси зажигание невозможно и смесь не способна к распространению пламени. Следует отметить, что область горючести (область воспламенения) смеси газов с кислородом шире, чем для газовоздушной смеси и увеличение НКПВ с кислородом незначительно по сравнению с ростом величины ВКПВ

14. Температура горения.

Определение температуры горения горючих веществ (ГВ) имеет большое значение, так как это дает новый критерий оценки существующих горючих составов и облегчает создание новых, более совершенных рецептов. Температуру горения можно определить двумя способами:

1) вычислением по формуле, основанной на том известном положении, что температура реакции равна ее теплоте, деленной на суммарную теплоемкость продуктов реакции;

2) непосредственным измерением (при помощи термометров, термопар или оптических пирометров).

Определение температуры горения ГВ (горючих веществ) расчетным путем затрудняется отсутствием точных цифровых данных о теплоемкостях многих соединений при высоких температурах (особенно при температурах выше 2000 єС); для многих соединений не определены до настоящего времени или определены с недостаточной точностью и скрытые теплоты плавления и испарения. Вычисляемые таким путем значения температуры реакции горения являются только верхним (практически недостижимым) пределом, так как в действительности температура горения должна быть значительно ниже вследствие тепловых потерь в окружающее пространство (вследствие теплопроводности, конвекции и излучения пламени), а также вследствие затраты теплоты на термическую диссоциацию продуктов горения. Учитывая, что часто сгорание ГВ происходит в открытом пространстве, где имеется полная возможность для расширения газообразных продуктов реакции, а также, что процесс горения (в отличие от взрыва ВВ) протекает со сравнительно малой скоростью, следует признать более целесообразным пользование при расчетах величинами теплоемкости при постоянном давлении. Молекулярные теплоемкости газов при постоянном объеме и при постоянном давлении связаны соотношением:

Ср = Сv + R , где R – газовая постоянная, равная 1,937 кал/г-моль· єС. Согласно кинетической теории газов энергия грамм-молекулы газа равна: Е = i · R · T/ 2 , где i – число степеней свободы различных видов движения молекул. Для одноатомных газов это число равно 3, для двухатомных – 5, а для много-атомных – 6. Молекулярную теплоемкость газа Сv можно вычислить по формуле Сv = iR/2

Получаем значения Сv в кал/г-моль· єС:

для одноатомных газов ................ 2,97

для двухатомных газов ................ 4,95

для многоатомных газов .............. 5,94

Молекулярная теплоемкость газов при постоянном давлении Ср (кал/г-

моль·єС) равна:

для одноатомных газов ............... 4,95

для двухатомных газов ............... 6,93

для многоатомных газов ............. 7,92

Экспериментальные данные не всегда подтверждают такой теоретический расчет для двухатомных и в особенности многоатомных газов. Для простых веществ, находящихся при высоких температурах (1000 єС и выше) в твердом состоянии, можно считать согласно правилу Дюлонга и Пти, что их грамм-атомная теплоемкость есть величина постоянная и равная приблизительно 6,4 кал/єС. Для соединений, находящихся в твердом состоянии при высоких температурах, в известной мере справедливо выведенное экспериментальным путем правило Нейманна-Коппа, согласно ко-торому теплоемкость сложного твердого соединения равняется сумме атомных теплоемкостей составляющих его элементов. Так же как и для газов, здесь следует различать Ср и Сv, но разница между ними для твердых тел очень невелика и ею практически можно пренебречь. Относительно теплоемкости жидких тел при высоких температурах (выше 1000 єС) указать какие-нибудь определеннее закономерности затруднительно. Следует

только отметить, что теплоемкость вещества в жидком состоянии обычно больше его теплоемкости в твердом состоянии. При отсутствии экспериментальных данных теплоемкость жидкости в расчетах принимают, допуская при этом безусловно некоторую погрешность равной теплоемкости того же вещества в твердом состоянии.