Тепловая теория прекращения горения

Процесс тушения пожара – это комплекс управленческих решений, направленных на обеспечение безопасности людей, животных, спасение материальных ценностей и ликвидацию горения.

Исходя из этого, работа на пожаре всегда ведется сразу по нескольким направлениям: спасание людей, сохранение материальных ценностей, развертывание сил и средств, вскрытие и разборка конструкций и собственно прекращение горения. В рамках дисциплины «Физико-химические основы развития и тушения пожаров» рассматривается только одна составляющая тушения пожара – прекращение горения, общие принципы, пути и способы достижения этой цели. Важность понимания этих вопросов обусловлена тем, что на пожаре основным процессом является процесс горения. Нет процесса горения – нет и пожара. Поэтому прекращение горения во всех его видах означает ликвидацию пожара.

При рассмотрении вопросов, связанных с возникновением и прекращением горения, используют понятие классического «треугольника горения». Процесс горения возникает и развивается, когда во времени и пространстве сходятся: горючее вещество (ГВ), источник зажигания (ИЗ) и окислитель (ОК) (см. рисунок 14). Если разорвать любую связь или исключить один из элементов данной схемы, горение станет невозможным.

ГВ

ИЗ

ОК

Рисунок 14 - Схема «треугольника горения»

Пламенное горение на пожаре является диффузионным и гомогенным. При этом газообразное горючее непрерывно поступает в зону горения, смешивается с газообразным окислителем и воспламеняется от источника зажигания. На пожаре таким непрерывно действующим источником зажигания является само пламя. Следовательно, ликвидация факела пламени означает исключение из «треугольника горения» одного угла – источника зажигания и является условием, необходимым для прекращения горения. Однако выполнения только этого условия не всегда достаточно для тушения пожара. Так, при горении многих твердых, склонных к тлению материалов (древесно-стружечные плиты, древесина, ткани, органические волокна и т. д.) температура поверхности составляет 600–700 °С, что вполне достаточно для зажигания выделяющихся газообразных продуктов пиролиза и при отсутствии пламени. В таких случаях достаточным условием для тушения пожара является прекращение поступления горючих газов в зону горения, т. е. ликвидация еще одного угла треугольника пожара – горючего вещества.

Наиболее распространенной и научно обоснованной теорией прекращения процессов горения является тепловая теория потухания пламени, разработанная советским ученым Я. Б. Зельдовичем. Суть ее в том, что в результате нарушения теплового равновесия в зоне химических реакций горения при определенных условиях самопроизвольное и непрерывное протекание этих реакций становится невозможным – процесс горения прекращается. Это происходит тогда, когда температура в зоне горения снижается до некоторого критического значения, которое мы будем в дальнейшем называть температурой потухания:

Т_пот = Т_ад – ΔТ, (8)

где Т_ад – адиабатическая температура горения;

ΔТ – изменение температуры.

Подобное явление наблюдается в первую очередь для смесей заранее перемешанных газов (кинетических смесей), для которых существуют пределы распространения пламени, обусловленные тепловыми потерями от зоны горения в стенки сосуда и на излучение. Из-за тепловых потерь снижается температура пламени и уменьшается скорость его распространения. Снижение скорости приводит к тому, что тепловые потери увеличиваются еще больше, температура пламени прогрессирующе падает и т. д. Критическое условие возможности горения характеризуется предельной величиной, на которую может понизиться температура пламени. Если тепловые потери приводят к снижению температуры пламени на величину, большую чем , то происходит его потухание (здесь R – универсальная газовая постоянная, Е – энергия активации реакции). Эта величина получила наименование «характеристический интервал».

Однако на пожарах горение является не кинетическим, а диффузионным. В диффузионном пламени уменьшение температуры не приводит к значительному изменению количества газа, сгорающего на единице его поверхности, поскольку скорость горения определяется скоростью диффузии. Поэтому срыв горения из-за теплопотерь осуществляется в диффузионном пламени при меньшей интенсивности горения по сравнению с пламенем в смеси заранее перемешанных газов, да и природа критического условия иная.

Проинтегрировав уравнения диффузии и теплопроводности, используя уравнение скорости химической реакции и теорию размерности, Я. Б. Зельдович получил максимально возможную величину снижения температуры диффузионного пламени, при которой наступает потухание:

(9)

где R – универсальная газовая постоянная, 8,32 кДж/моль;

Т_ад– адиабатическая температура пламени, ≈ 2 300 К;

Е – энергия активации, ≈ 126 000 кДж/моль.

Выразив отсюда собственно температуру потухания и подставив численные значения входящих величин, можно оценить значение этой критической температуры пламени:

(10)

То есть адиабатическая температура потухания пламени составляет около 1000 С.

На практике же в зоне горения реализуется не адиабатическая, а действительная температура горения. Она существенно ниже адиабатической вследствие потерь тепла, связанных сразу с несколькими физико-химическими процессами.

Во-первых, у диффузионных пламен выше светимость из-за наличия в них твердых частиц углерода (сажи), которые не успевают сгорать до СО и СО₂ из-за недостатка кислорода. Во-вторых, диффузионные пламена имеют более протяженную зону реакции и, соответственно, большую поверхность излучения и меньшую интенсивность тепловыделения в расчете на единицу объема. В-третьих, при диффузионном горении на величину тепловых потерь от факела пламени существенно влияет конвективный теплообмен с окружающим пространством. В сумме эти потери для диффузионных пламен составляют до 40 % от всего тепла, выделяющегося в зоне горения.

При реализации процесса тушения в зоне реакции резко снижаются потери на излучение (ниже 1 000 С частицы углерода уже практически не светятся, а значит, и не излучают), уменьшается и конвективный теплообмен с окружающим пространством. Это позволяет нам считать, что на температурах, близких к температурам потухания, процесс горения действительно крайне близок по своим характеристикам к адиабатически-изобарическому и полученное расчетным методом значение температуры потухания реализуется на практике.

Таким образом, тепловая теория потухания дает удобный инструмент для физического обоснования способов и средств прекращения горения на пожаре.