62.Основні теорії горіння та різновиди горіння. Необхідні вимоги для виникнення горіння.

Правильна організація протипожежних заходів і гасіння пожеж неможливі без чіткого розуміння сутності хімічних та фізичних процесів, які відбуваються під час горіння речовин. Тому досконале знання цих процесів дає можливість у разі необхідності швидко припиняти їх протікання та успішно боротися з вогнем.

Горіння - це екзотермічна реакція окиснення речовини, яка супроводжується виділенням диму та (або) виникненням полум'я та (або) світінням (ДСТУ 2272-93).

Дим - видимі тверді та (або) рідинні часточки в газах, утворені внаслідок горіння або піролізу матеріалів.

Полум'я - зона горіння в газовій фазі з видимим випромінюванням світла.

Світіння - безполуменеве горіння матеріалу (речовини) у твердій фазі з видимим випромінюванням світла із зони горіння (наприклад, тління).

Горіння являє собою комплекс взаємопов'язаних хімічних і фізичних процесів. Основними такими процесами є: виділення значної кількості тепла; швидке хімічне перетворення горючої речовини внаслідок реакції окиснення.

Найбільш загальною властивістю горіння є властивість утвореного осередку полум'я переміщуватися по всій горючій суміші шляхом передавання тепла або дифузії активних частинок із зони горіння до свіжої суміші. У першому разі реалізується тепловий, а в другому - дифузний механізм поширення полум'я. Зазвичай, горіння протікає за комбінованим тепловим дифузним механізмом.

В основному розрізняють такі види горіння:

- за кількістю окисника: повне та неповне;

- за швидкістю поширення полум'я: дефлаграційне (від кількох сантиметрів до кількох метрів за секунду), вибухове (десятки, сотні метрів за секунду), детонаційне (тисячі метрів за секунду);

- за агрегатним станом речовин, що беруть участь у процесі горіння: гомогенне (речовини мають однаковий агрегатний стан, наприклад, горіння горючих газів на повітрі) та гетерогенне (речовини мають різний агрегатний стан і наявна межа їх розподілу, наприклад, горіння рідин і твердих речовин на повітрі).

Повне горіння відбувається, якщо є достатня кількість окисника. Під час такого горіння утворюються продукти, нездатні до подальшого окиснення та горіння (діоксид вуглецю, водяна пара, сірчаний ангідрид тощо). Для повного горіння горючої речовини на повітрі необхідна його відповідна кількість. Так, для повного горіння 1 кг деревини необхідно 4,18 м3 повітря, 1 кг торфу- 5,8 м3, 1 кг бензину - 10,25 м3, 1 кг пропану - 23,8 м3.

Якщо кількість окисника є недостатньою, то горіння буде неповним і реакція окиснення речовини пройде не до кінця. Під час неповного горіння утворюються, як правило, токсичні та горючі речовини (монооксид вуглецю, альдегіди, смоли, спирти тощо), які за певних умов здатні до подальшого горіння. Ознакою неповного горіння є дим. У більшості випадків на пожежах спостерігається неповне горіння речовин і як наслідок - значне виділення диму.

Треба зазначити, що під час повного горіння ефективність згорання палива є значно вищою. При неповному горінні 1 кг вугілля утворюється майже в чотири рази менше тепла, ніж при його повному горінні. Крім того, з витяжної труби опалювальної установки йде дим та іноді летить сажа.

Якщо при гомогенному горінні горюча речовина та окисник не перемішані між собою, то відбувається дифузне горіння. У цьому випадку швидкість горіння є відносно невисокою, оскільки залежить від швидкості дифузії окисника в зону горіння.

Коли окисник та горюча речовина перебувають в однаковому агрегатному стані й рівномірно перемішані між собою (наприклад, суміш горючого газу і повітря), то відбувається гомогенне кінетичне горіння. У цьому випадку швидкість горіння не залежить від дифузії повітря, а визначається швидкістю хімічної реакції і проявляється як вибух або детонація.

Пожежі, як правило, характеризуються гетерогенним дифузним горінням, швидкість переміщення полум'я якого залежить від швидкості дифузії кисню повітря до осередку горіння.

Для виникнення горіння необхідна наявність в одному місці та в один час трьох компонентів: горючої речовини, окисника та джерела запалювання (рис. 4.14). Крім того, потрібно, щоб горюча речовина була нагріта до необхідної температури та знаходилась у відповідному кількісному співвідношенні з окисником, а джерело запалювання мало необхідну енергію для початкового імпульсу (запалювання). Так, сірником можна запалити аркуш паперу, а дерев'яну колоду - неможливо. Необхідність для горіння одночасно трьох компонентів, так званий трикутник вогню, виявив ще в XVIII ст. французький вчений Лавуазьє.

Рис. 4.14. Умови, необхідні для виникнення горіння

Після виникнення горіння протікає тим інтенсивніше, чим більшою є питома площа контакту горючої речовини з окисником (паперові обрізки горять інтенсивніше, ніж пачки паперу) і чим вищою є концентрація окисника, температура та тиск. На пожежах температура досягає 1000-1300 °С, а в окремих випадках, наприклад, під час горіння магнієвих сплавів - 3000 °С.

Горючими речовинами вважаються речовини, які у разі дії на них високих температур, відкритого полум'я чи іншого джерела запалювання можуть займатися і в подальшому горіти з утворенням тепла та, зазвичай, випромінюванням світла. До горючих речовин належать: дерево, папір, тканини, більшість пластмас, природний газ, бензин, гас та інші речовини в твердому, рідинному, газоподібному стані. Як правило, найбільш небезпечними у пожежному відношенні є горючі речовини в газоподібному стані.

До складу переважної більшості горючих речовин входять вуглець (Карбон) та водень (Гідроген), які є основними горючими складниками цих речовин. Тому й основними продуктами повного горіння (при достатній кількості кисню) горючих речовин є С02 та Н20. Є також ціла низка горючих речовин, які являють собою прості елементи, наприклад, сірка (Сульфур), фосфор (Фосфор), вуглець (Карбон).

Горючі речовини мають різну теплотворну здатність, тому температура на пожежах залежить не лише від кількості речовини, що горить, але й від її якості (хімічного складу). В табл. 4.4 наведено температуру полум'я під час горіння деяких речовин та матеріалів.\

Окисником під час горіння речовин найчастіше виступає кисень повітря - О.,. Однак зі зменшенням вмісту кисню в повітрі уповільнюється швидкість горіння, а при вмісті кисню менше 14% (норма 21%) горіння більшості речовин стає неможливим. Крім кисню, окисниками можуть бути хімічні сполуки, до складу яких входить кисень, наприклад, селітра (KNO3), азотна кислота (HNO3), марганцевокислий калій (КМn2O4), а також окремі хімічні елементи (фтор, хлор, бром). Деякі речовини містять у своєму складі кисню стільки, що його достатньо для горіння без доступу повітря (порох, вибухівка).

Джерелом запалювання, тобто ініціатором пожежі може бути: відкрите полум'я, розжарені предмети, електричні заряди, теплові процеси хімічного, електричного та механічного походження, іскри від ударів та тертя, сонячна радіація, електромагнітні та інші випромінювання. Джерела запалювання можуть бути високо-, середньо- та малопотужними

Розрізняють такі різновиди горіння: вибух, детонація, спалах, займання, спалахування, самозаймання, самоспалахування, тління.

Вибух - надзвичайно швидке хімічне перетворення, що супроводжується виділенням енергії й утворенням стиснених газів, здатних виконувати механічну роботу. Переважно ця механічна робота зводиться до руйнувань, які виникають під час вибуху й обумовлені утворенням ударної хвилі - раптового скачкоподібного зростання тиску. При віддаленні від місця вибуху механічна дія ударної хвилі послаблюється.

Детонація - це горіння, яке поширюється зі швидкістю кілька тисяч метрів за секунду. Виникнення детонації пояснюється стисненням, нагріванням та переміщенням незгорілої суміші перед фронтом полум'я, що призводить до прискорення поширення полум'я і виникнення в суміші ударної хвилі. Таким чином, наявність достатньо потужної ударної хвилі є необхідною передумовою для детонації, оскільки в цьому разі передача теплоти в суміші здійснюється не шляхом повільного процесу теплопровідності, а поширенням ударної хвилі.

Спалах - короткочасне інтенсивне згоряння обмеженого об'єму газоповітряної суміші над поверхнею горючої речовини або пилоповітряної суміші, що супроводжується короткочасним видимим випромінюванням, але без ударної хвилі й стійкого горіння.

Займання - початок горіння під впливом джерела запалювання.

Спалахування - займання, що супроводжується появою полум'я.

Тління - безполуменеве горіння матеріалу (речовини) у твердій фазі з видимим випромінюванням світла із зони горіння.

Самозаймання - початок горіння внаслідок самоініційованих екзотермічних процесів.

Самоспалахування - самозаймання, що супроводжується появою полум'я.

Самозаймання виникає тоді, коли внаслідок екзотермічних процесів швидкість виділення тепла в масі горючої речовини перевищує швидкість його розсіювання в навколишнє середовище. Ініціювати екзотермічні процеси, а відтак спричинити самозаймання можуть:

висока температура горючої речовини, обумовлена дією зовнішнього джерела нагрівання (теплове самозаймання);

- життєдіяльність мікроорганізмів у масі горючої речовини, що призводить до її самонагрівання (мікробіологічне самозаймання);

- хімічні реакції, внаслідок дії на речовину повітря, води чи хімічно активних речовин (хімічне самозаймання).

Теплове самозаймання виникає в масі матеріалів, які знаходяться в енергетично сприятливому вихідному стані для вступу в реакцію обміну з киснем повітря, під час нагрівання ззовні. Таке нагрівання може здійснюватись такими шляхами:

- контактним (унаслідок теплообміну під час контакту з нагрітим предметом);

- радіаційним (унаслідок променистого тепла);

- конвективним (унаслідок передачі тепла повітряним потоком).