теория горения-2

11 2 Глава 2. Распространение горения газов, жидкостей и твердых тел

Связь между приведенной и действительными скоростями выгорания выражается следующим соотношением:

гДе WTмпр — приведенная массовая скорость, выгорания, Kr-M~2-c- s WrM — удельная массовая скорость выгорания (с единицы поверхности горения), к г -м '2-с_1; К п — коэф­ фициент поверхности горения:

где ST — поверхность горения, м2; 5ПЖ— площадь пожара, м2. Например, при горении образца твердого материала

в виде куба, лежащего на одной из граней, Кп = 5.

Как и линейная скорость распространения пламени по поверхности материала, массовая скорость выгорания не является константой горючего и даже не остается посто­ янной в процессе пожара, а существенно зависит от усло­ вий, в которых протекает горение. По физической сущно­ сти скорость выгорания эквивалентна скорости пиролиза материала, приведенной к единице поверхности, под влия­ нием теплового потока той или иной интенсивности. Этот тепловой поток формируется от собственного пламени горящего образца и внешних источников. В принципе, ско­ рость пиролиза определяется тепловым состоянием твердой фазы. Поэтому несмотря на различный физический смысл скорости распространения пламени и скорости выгорания, качественно они одинаково зависят от тех или иных усло­ вий горения: влажности и толщины образцов, простран­ ственной ориентации и др.

На практике наиболее распространенным в настоящее время лабораторным методом определения скорости выго­ рания твердых материалов является установка «камера — весы». Она представляет собой модель помещения, пол которого соединен с платформой весов-. Испытуемый мате­ риал загружают на пол камеры, перед зажиганием равно­ мерно смачивают керосином и в процессе горения ф ик­ сируют потери массы во времени. Производная кривой потери массы горючего, отнесенная к площади пола камеры, во времени представляет собой приведенную массовую ско­ рость выгорания. Результаты, полученные данным методом, хорошо согласуются с действительной скоростью выгора­ ния и составляют (3 + 1 6 )-10~2 к г -м ^ -с '1 (табл. 2.11).

11 4 Глава 2. Распространение горения газов, жидкостей и твердых тел

К твердым горючим веществам относятся и некоторые металлы, особенно в диспергированном состоянии. По харак­ теру горения металлы делят на летучие и нелетучие.

Лет учие обладают относительно низкими температу­ рами плавления (< 1000 К) и кипения (< 1500 К) — это литий, натрий, кальций, магний.

Нелетучие имеют температуры плавления выше 1000 К, а кипения выше 2500 К (табл. 2.12).

Таблица 2.12

Температуры плавления и кипения металлов и их оксидов

Процесс горения металлов существенно зависит от состо­ яния их оксидов. Летучие металлы имеют низкие темпера­ туры плавления и пористый оксид.

При поднесении источника зажигания к поверхности металла происходят его испарение и окисление. При дости­ жении концентрации паров, равной нижнему концентраци­ онному пределу, происходит их воспламенение. Зона диф­ фузного горения устанавливается у поверхности, большая доля тепла передается металлу и он нагревается до тем­ пературы кипения. Образующиеся пары, свободно диф ­ фундируя через пористую оксидную лленку, поступают в зону горения. Кипение металла вызывает периодическое разрушение оксидной пленки, что интенсифицирует горе­ ние. Продукты горения (оксиды металлов) диффундируют не только к поверхности металла, способствуя образова­ нию корки оксида, но и в окружающее пространство, где, конденсируясь, образуют твердые частички в виде белого дыма. Образование белого плотного дыма является визу­ альным признаком горения летучих металлов.

У нелетучих металлов, обладающих высокими темпе­ ратурами фазового перехода, при горении на поверхности образуется весьма плотная оксидная пленка, которая хорошо сцепляется с поверхностью металла. В результате скорость диффузии паров металла через пленку резко снижается и крупные частицы, например, алюминия и бериллия гореть не могут. Как правило, пожары таких металлов наблюдаются

втом случае, когда они находятся в виде стружки, порош­ ков и аэрозолей. Их горение происходит без образования плотного дыма. Образование плотной оксидной пленки на поверхности металла приводит к взрыву частиц. Такое явление особенно часто наблюдается при движении частицы

ввысокотемпературной окислительной среде. Его связы­ вают с накоплением паров металлов под оксидной пленкой

споследующим внезапным ее разрывом, что приводит к рез­ кой интенсификации горения.

Основными параметрами их горения являются время воспламенения и сгорания. Из теории диффузного горе­ ния следует, что время сгорания частички металла тг про­ порционально квадрату ее диаметра d0. Эксперименталь­ ные данные показывают, что фактическая зависимость несколько отличается от теоретической. Так, для алюминия

представляет скорость распространения пламени по потоку взвеси частиц металла в окислителе. В табл. 2.13 приведены экспериментальные данные о скорости распространения пламени и массовой скорости выгорания взвеси частиц алюминия диаметрами менее 1 • 10 2 мм и 3 • 10 - мм в воз­ духе при различном коэффициенте избытка воздуха.

116 Глава 2. Распространение горения газов, жидкостей и твердых тел

Анализ данных табл. 2.13 позволяет сделать следующие выводы:

—с увеличением размера частиц горючего в воздухе ско­ рость распространения пламени уменьшается;

—при приближении состава горючей смеси (металл — воздух) к стехиометрической (а = 1) скорость распростра­ нения пламени растет;

—скорость горения взвеси частиц металла в воздухе

инормальная скорость распространения пламени по стехиометрическим смесям предельных углеводородов в воздухе имеют один порядок — 0,4 м/с.

Горение металлов возможно не только в окислитель­ ной среде, но и в продуктах горения органических веществ. В этом случае горение протекает за счет экзотермической реакции восстановления воды до водорода, а диоксида углерода — до его оксида по реакциям:

2А1 + ЗН20 = А120 3 + ЗН2 + 952 кДж/моль;

2А1 + ЗС02 = А120 3 + ЗСО + 826 кДж/моль.

Ранее процесс горения аэрозольных систем считали ана­ логичным горению гомогенной газовой смеси и процесс перемещения фронта пламени объясняли передачей тепла из зоны пламени к свежей смеси посредством теплопрово­ дности. Однако высокие скорости распространения пламени по органическим пылевоздушным смесям (свыше 10 м /с) не могли быть объяснены с позиции этих представлений.

В последующем было выдвинуто и обосновано предпо­ ложение, что пламя распространяется по пылевоздушным смесям главным образом за счет прогрева холодной смеси лучистым тепловым потоком от фронта пламени. Твердые частицы, поглощая лучистый поток, нагреваются, разлага­ ются с выделением горючих продуктов, которые образуют горючие смеси с воздухом. Особенностью такого меха­ низма распространения пламени является то, что глубина прогрева и разложения твердых частиц лучистым потоком достаточно велика, вследствие чего перед фронтом пламени образуется значительный слой парогазовоздушной смеси, прогретой до высокой температуры, соизмеримой с темпе­ ратурой разложения твердой фазы.

Скорость распространения пламени по аэровзвеси орга­ нических веществ может быть представлена следующим образом:

где с3 — эффективная теплоемкость дисперсной фазы; Гсв — температура самовоспламенения; = а Т.'1 — интен­ сивность лучистого потока, кВ т/м2 (о — постоянная Стефа­ на — Больцмана; Тэ — температура лучеиспускания (фронта пламени)).

Влияние таких факторов, как концентрация аэрозоля

икислорода (пыль, взвеси и т.п.), температура, влажность

идр., на скорость распространения пламени в аэрозолях аналогично их влиянию на скорость распространения пла­ мени в гомогенных парогазовоздушных смесях.

Контрольные вопросы и задания

1.Перечислите виды и режимы распространения пламени. Поясните, что понимается под дефлаграционным, взрывным, де­ тонационным, кинетическим, диффузионным, кинетическо-диф- фузионным, ламинарным и турбулентным горением.

2.Опишите материалы и тепловой баланс процесса горения.

3.От чего зависит количество воздуха, необходимого для го­ рения?

4.Как рассчитываются состав и объем продуктов горения?

5.Каковы существенные особенности тепловой и диффузион­ ной теории распространения пламени по газообразным системам?

6.Перечислите факторы, вляющие на скорость распространения пламени по газообразным системам.

7.Выделите основные элементы распространения пламени по поверхности жидкости.

8.Каково влияние внешних условий на скорость распростране­ ния пламени по поверхности жидкости?

9.От чего зависит выгорание жидких веществ?

10.От чего зависит горение и выгорание твердых веществ?

11.Перечислите факторы, влияющие на скорость распростра­ нения пламени по поверхности твердых тел.

Глава 3 ПРЕКРАЩЕНИЕ И ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ

ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ

После изучения этой главы студент должен:

знать

•особенности тепловой теории прекращения горения;

уметь

•проводить оценку требуемого количества охлаждающих огнетушащих средств при тушении пожаров;

владеть

• понятийным аппаратом способов предотвращения воспламенения материалов и локализации пожаров.

3 .1. Тепловая теория прекращения горения

Горение — главный процесс пожара. Тушение пож ара всегда сводится к созданию условий, при которых происхо­ дит прекращение процесса горения во всех видах и формах. Поэтому особого внимания заслуживают предельные усло­ вия и параметры горения, т.е. те, за пределами которых про­ цесс горения возникнуть или существовать не может. Наи­ больший практический интерес представляют те параметры процесса горения, изменяя которые, можно полностью пре­ кратить горение или значительно снизить вероятность его возникновения. К их числу относятся концентрационный предел воспламенения, скорость распространения горения, скорость выгорания и температура горёния.

Известно, что, если снизить температуру в зоне горе­ ния до 1273 К, процесс горения прекратится. Добиться такого снижения температуры в зоне горения можно раз­ личными способами: за счет изменения соотношения ком­ понентов горючего и окислителя (в ту или другую сторону), доводя его до «бедного» или «богатого» концентрационного пределов горения; разбавления зоны горения нейтраль­ ными газами; введения химически активных ингибиторов,

снижающих скорость химических реакций; снижения дав­ ления в зоне реакций горения (если это возможно) и др. При всех указанных способах будет снижаться скорость протекания химической реакции окисления, в результате

уменьшится интенсивность тепловыделения в зоне горе­ ния. Возможны и принципиально иные способы снижения температуры в зоне горения, основанные не на уменьшении интенсивности процессов тепловыделения в зоне горения, а на интенсификации процессов теплоотвода из зоны горе­ ния. Повысить интенсивность теплоотвода из зоны горения можно:

—увеличивая или излучательную способность компо­ нентов, или теплопроводность;

—используя значительную часть тепла на эндотермиче­ ские процессы фазового превращения посторонних компо­ нентов в зоне протекания высокотемпературных реакций горения;

—комбинируя перечисленные способы.

Добиться результата можно за счет введения в зону протекания химической реакции горения специальных ингредиентов, например тонкодисперсных нейтральных термостойких порошков, металлизированных частиц, тон­ кораспыленной воды и др. (рис. 3.1).

На практике редко удается реализовать в чистом виде какой-нибудь один из способов. Чаще всего они использу­ ются в комбинации.

Так, при введении в зону горения тонкораспыленной воды одновременно происходит и отъем тепла на ее испа­ рение. При этом снижается температура среды в зоне протекания химической реакции горения и реагирующие компоненты (горючее и окислитель) разбавляются образо­ вавшимися парами воды, что снижает скорость протекания химической реакции окисления и уменьшает интенсив­ ность тепловыделения. В результате температура в зоне химической реакции горения снижается. Отъем тепла на повышение температуры паров воды (с 373 К) до темпе­ ратуры среды в зоне горения ведет к дальнейшему отъему тепла из зоны химической реакции горения и понижению температуры пламени. Такое многоступенчатое снижение температуры в зоне химической реакции горения ведет к уменьшению скорости ее протекания (т.е. снижению интенсивности тепловыделения в зоне горения и т.д.), до тех пор пока температура в зоне горения не достигнет пре-

четному, а способ ее подачи будет обеспечивать полное ее использование.

Аналогично выглядит процесс тушения пламени и при подаче в зону горения некоторых испаряющихся или разла­ гающихся порошковых средств.

Графически температура пламени в зоне горения Тт,как в случае процессов самовоспламенения и вынужденного зажигания, будет соответствовать точке пересечения кри­ вых интенсивности тепловыделения в зоне горения <?в= f(T ) и интенсивности теплопотерь в зоне горения qT0 = f( T ) (рис. 3.2). Закон тепловыделения для элементарного объема AF в зоне наиболее интенсивного кинетического режима протекания реакции горения (как и при рассмотрении про­ цессов воспламенения) можно записать в виде функции.

В отличие от процессов воспламенения, когда можно пренебречь снижением скорости реакции W =f(T ) за счет изменения концентрации реагентов вследствие их выгора­ ния (так как степень выгорания мала), здесь необходимо учитывать этот фактор, Поэтому функция qB= /( Т) имеет точку перегиба и претерпевает изменение именно в области сравнительно невысоких температур, стремясь при темпе­ ратурах зоны реакции не к бесконечности, а асимптотически к максимальному, но конечному значению qB =f(T )^> q max (см. рис. 3.2). Значение теплоотвода с элементарной пло­ щади поверхности фронта пламени Д5Гв этой зоне опреде­ ляется суммой лучистых и конвективных теплопотерь:

где а пр — приведенный коэффициент теплоотдачи. Проекция точки пересечения кривых qB и <?то на ось

абсцисс определяет температуру продуктов горения Тг Если процесс горения возник по механизму самовос­

пламенения, как показано на рис. 3.2, и системе до возник­ новения реакции горения было сообщено извне некоторое количество тепла для разогрева смеси до температуры 7Q — начала самовоспламенения (точнее, саморазогрева), то температура продуктов горения будет выше примерно на величину начального разогрева:

Q-Qn

Тг ~ 7q + ^ т, °т , (3.2)

ZVnscp. ’

где Vnг — объем г-го продукта горения; ср. — теплоемкость i-го продукта горения, соответствующая точке Гсв(Тт= Тг )■