Способы достижения температуры потухания

Согласно тепловой теории потухания задача прекращения пламенного горения сводится к снижению температуры в зоне химических реакций до температуры потухания. Это достигается путем нарушения теплового равновесия в зоне протекания химических реакций горения, т. е. нарушения баланса процессов тепловыделения и теплоотвода.

Аналитически зависимость интенсивности тепловыделения в единице объема q⁺ от вида горючего, состава горючей смеси и температуры описывается уравнением вида:

(11)

где Q_н– низшая теплота сгорания горючего;

k₀ – предэкспоненциальный множитель;

φ_г и φ_ок– концентрация горючего и окислителя, соответственно;

n и m– порядок реакции по горючему и окислителю, соответственно;

Е – энергия активации;

R – универсальная газовая постоянная;

Т – температура.

Интенсивность процесса теплоотвода от фронта пламени q⁻ излучением и конвекцией в расчете на единицу объема описывается уравнением:

(12)

где ε – степень черноты пламени;

σ – константа Стефана – Больцмана;

S – площадь поверхности теплообмена;

V – объем зоны горения;

α – коэффициент теплопередачи;

T_пл – температура пламени;

T₀ – начальная температура.

Используя понятие приведенного коэффициента теплопередачи, уравнение (6.4) можно переписать в виде:

(13)

где α_пр–приведенный коэффициент теплопередачи.

Графики зависимостей q⁺ и q⁻ от температуры показаны на рисунок 15.

q⁺

q⁻

т. 1

Т_г

Т

q⁺

q⁻

Т₀

Т₁

Т₂

Рисунок 15 - Зависимость интенсивности тепловыделения

и теплоотвода в зоне горения от температуры

Проекция точки пересечения графиков (т. 1) на ось абсцисс соответствует температуре диффузионного пламени Т_г. В этой точке q⁺ = q⁻ – процесс горения является устойчивым.

Рассмотрим причину устойчивости. Допустим, что в силу каких-либо причин температура понизилась до Т₁, а законы тепловыделения и теплоотвода не изменились (то есть взаимное расположение графиков q⁺ и q⁻ осталось прежним). Из рис. 11 видно, что в этом случае интенсивность тепловыделения станет больше интенсивности теплоотвода. Следовательно, система будет нагреваться более интенсивно, чем охлаждаться, и температура ее вернется к значению Т_г. Если, например, по инерции температура повысится до Т₂, интенсивность охлаждения q⁻ станет больше интенсивности тепловыделения q⁺. Соответственно температура начнет понижаться, и система вновь самопроизвольно вернется в т. 1.

Из всего сказанного следует, что для прекращения процесса горения недостаточно изменить только температуру, необходимо изменить параметры процессов тепловыделения и (или) теплоотвода.

Например, изменим интенсивность теплоотвода из зоны горения путем увеличения коэффициента теплопередачи α или отношения S / V. Графически это выразится в увеличении угла наклона прямой. Если степень изменения такова, что в итоге система перейдет в состояние, показанное на рис. 15, любое незначительное изменение температуры приведет к тому, что интенсивность теплоотвода станет больше интенсивности тепловыделения, т. е. процесс горения станет невозможным. Температура, соответствующая т. 2, и является температурой потухания.

Следует отметить, что невозможно изменить интенсивность только одного из двух рассмотренных процессов, не затрагивая другой. При любом внешнем воздействии, например при тушении пламени огнетушащими веществами, интенсивности обоих процессов меняются одновременно (см. рисунок 16). Однако степень изменения зависит от преобладающего механизма действия конкретного огнетушащего вещества. Это позволяет при иллюстрации тепловой теории считать данные процессы независимыми друг от друга.

Рисунок 16 - Схема достижения температуры потухания уменьшением

интенсивности тепловыделения в зоне горения

q⁺

q⁻

т. 1

Т_г

Т

q⁺

q⁻

Т₀

Т_пот

т. 2

Таким образом, все эти рассуждения дают чисто качественное представление о механизме тушения пламени, вполне достаточное для анализа различных способов прекращения горения на пожаре и механизмов действия различных огнетушащих веществ.

Для тушения твердых горючих материалов (ТГМ) необходимым условием также является ликвидация факела пламени. Однако при горении ТГМ, как правило, образуется прогретый слой значительной толщины. В этом слое накапливается тепло, запас которого может быть достаточен для продолжения выделения газов со скоростью, необходимой для образования над поверхностью горючей смеси после ликвидации пламени. В отличие от жидкостей температура поверхности ТГМ обычно достигает 600–700 °С, что является достаточным для зажигания газового потока. Поэтому для прекращения горения ТГМ достаточным условием в общем случае является охлаждение прогретого слоя до температуры ниже температуры пиролиза. Следовательно, для тушения пожаров твердых горючих материалов обязательным является применение огнетушащих веществ поверхностного действия. При этом подача огнетушащих веществ должна быть так организована, чтобы площадь воздействия на поверхность горения была максимальной.