теория горения-2

Рис. 3.2. Схема достижения температуры потухания

пламени при одновременном изменении интенсивности тепловыделения и теплоотвода

Если процесс горения возник при меньшей начальной температуре, близкой к температуре окружающей среды Т0, по механизму вынужденного зажигания, то температура продуктов горения в зоне пламени будет несколько ниже Гг примерно на величину Т{\ - Т0, т.е. Tv ~ Ту - (Ц - Т0), соответствующая точке пересечения Г кривых интенсив­ ности тепловыделения qB и интенсивности теплоотвода q'TQ. При этом предполагается, что зависимость qB= f ( T ) осталась такой же, как при самовоспламенении, а интенсив­ ность теплоотвода q'T0 = /(Г ) возросла. Этой точке соответ­ ствует равновесный, стационарный тепловой режим в зоне горения, при котором возникает динамическое равнове­ сие процессов тепловыделения и теплоотвода qB = /(Г ) = = q'T0 =А Т ). Устойчивым процесс горения в этом состоянии является потому, что тепловыделение qBравно сумме тепло­ потерь q'J0, а первые производные от них по температуре не равны между собой. Это означает, что если, не изменяя зависимостей тепловыделения и теплоотвода при заданном режиме горения каким-либо внешним воздействием, слегка изменить температуру среды в этой точке, то:

— при увеличении температуры до Тт+АТ она самопро­ извольно охладится и вернется в равновесное состояние

(в точку Г), так как q'T0> qB и температура системы будет понижаться до равновесной точки, где qB= q'T0;

—при понижении температуры в зоне горения до тем­

пературы ТтАТ система вновь самопроизвольно вернется к устойчивому режиму горения (в точку Г), так как qB > q'm и система саморазогревается до прежнего стабильного состояния (точка Г), где qB= q'T0.

Вот почему, подав малое количество воды или другого огнетушащего средства, нельзя повлиять на зависимости qB=/(Г ) или q'T0 = /(Т ), прекратить процесс горения, поту­ шить мощное пламя. Это объясняется тем, что в установив­ шемся режиме процесс горения обладает свойством стаци­ онарности, точнее динамической устойчивости к внешним воздействиям.

Можно попытаться воздействовать на процесс горения более активно, например изменив зависимость q'T0 = f(T ) за счет увеличения коэффициента теплопередачи а из зоны горения. Графически это выразится в увеличении угла наклона кривой q”Q=f(T ) (см. рис. 3.2). Теперь точке пере­ сечения кривых qBи д"0(точка Tj) будет соответствовать температура пламени 7р , которая ниже прежней ТТ. Однако процесс горения при этой температуре по-прежнему будет устойчив. Предпримем еще одну попытку — введем ней­ тральные разбавители, например пары воды, в зону горения, что снизит интенсивность тепловыделения в зоне горения до значения q'B(T)< qB(T). Допустим, что это произойдет только за счет уменьшения скорости химической реакции горения W = f( T ,сд,сБ) вследствие того, что концентрации горючего С’А и окислителя Cg стали ниже, чем были (СА и СБ) из-за разбавления среды нейтральным газом. Соот­ ветственно уменьшится и интенсивность тепловыделения с qBдо q'B.

Теперь равновесный режим горения будет соответство­ вать точке пересечения (точка Г2) кривых q'B и q"10. Соответ­ ствующая ей равновесная температура Гр меньше Тти 7р . Но и этот режим горения будет обладать устойчивостью, так как левее точки Г2 получается q'B > q"0, а правее — нао­ борот, q^0 > q'B. При слабом охлаждении зоны горения до Гр - АТ система вновь разогреется до равновесного состо­ яния q'B = q"0, а при слабом перегреве (до Гр + АТ) вновь охладится до q'B = q"0 в точке Гр , т.е. вернется в свое исход­ ное стабильное состояние и горение не прекратится.

Из приведенного анализа очевидно, что используя любой из рассмотренных способов снижения температуры в зоне горения или их сочетание, можно так изменить соот­ ношение интенсивностей тепловыделения qBи теплоотвода qTO, что в точке их пересечения будут равны не только зна­ чения самих функций q J T ) = qTO(T), но и их первые произ­

dT dT

рис. 3.2 кривая qT0 займет при этом крайнее левое положе­ ние по отношению к qB и в области высоких температур (выше точки перегиба Б на кривой qw являющейся точкой воспламенения) будет иметь с ней только одну общую точку — точку касания П. Это означает, что в точке П при температуре Тп интенсивность тепловыделения в зоне горения q'n будет равна интенсивности теплоотвода q"'0 и их первые производные по температуре в точке П также будут

Тп

является касательной к кривой qЁ в точке П. Заметим при этом, что температура Тп является минимальной из рас­ смотренных выше стабильных температур (Т п < Ту < Гр < Тт). Этого можно добиться, например, введением в зону горения большего количества воды, чем вводилось для снижения температуры до Ту и Ту Испарившаяся в зоне горения вода снизит температуру горения до Ту , повысив теплоотвод из зоны горения за счет увеличения Хсм

и£см; пары воды, разбавив реагенты в зоне горения, одно­ временно снизят интенсивность тепловыделения qBдо q’B за счет уменьшения скорости реакции W = /(Г , Сд, Cfc). Это приведет к снижению температуры до Гр . Вода, испарив­ шаяся вокруг зоны горения, снизит температуру окружа­ ющей среды с Т0до TQ , что повысит интенсивность теплоот­ вода от зоны горения с qroдо q'”0 за счет роста интенсивности

иконвективного и лучистого теплоотводов от пламени (на графике кривая q”0 при этом займет положение кривой q”T0).

Допустим, однако, что кривые займут положение, показан-

в точке П, в которой выполняются условия равенства интенсивностей тепловыделения и теплоотвода (при темпе­ ратуре Ти) и их первых производных по температуре.

Проанализируем состояние и «поведение» системы в точке П при температуре потухания методом малых воз­ мущений.

Если при внешнем воздействии температуру системы несколько повысить на величину АТ, т.е. до значения Т = Гп + АТ, то система вновь самопроизвольно охладится до температуры Тп и вернется в точку П, так как правее этой точки тепловыделение q'B меньше теплоотвода q"Q, т.е. система будет находиться в относительно устойчивом состоянии. Если теперь при внешнем воздействии пони­ зить температуру системы на величину АТ до температуры Т= Ти - АТ ш перевести ее чуть левее точки П, то система самопроизвольно начнет охлаждаться дальше, так как слева от точки П интенсивность теплоотвода, как и справа, больше интенсивности тепловыделения, т.е. q”0 > qB'. Поэтому левее точки П температура системы будет продолжать снижаться, пока не дойдет до второй равновесной температуры ГА, где реакции окисления практически не происходит.

Таким образом, из рассмотренного следует, что при малей­ шем смещении от точки П влево, что соответствует сниже­ нию температуры системы ниже Гп, процесс горения стано­ вится невозможным и пламя потухает.

Из графика рис. 3.2 очевидно, что температура потуха­ ния кинетического пламени Тп на оси абсцисс лежит правее точки Тс, соответствующей температуре самовоспламене­ ния горючей смеси данного состава, т.е. температура поту­ хания пламени оказывается выше температуры самовоспла­ менения. Это парадоксальное явление называется в теории процессов горения гистерезисом температурной кривой пот ухания пламени.

Аналитический расчет числового значения темпера­ тур потухания для различных режимов горения сопряжен с определенными трудностями вычисления параметров процессов горения в околопредельных состояниях и поэ­ тому носит ориентировочный характер. Максимально воз­ можная величина снижения температуры кинетического пламени по сравнению с расчетным значением темпера­ туры пламени с учетом теплопотерь равна

RI]2

(3.3)

где ТТ — температура горения; Тл — температура потухания (1273 К).

Ипользуя температуру потухания, которую можно услов­ но принять примерно одинаковой для всех углеводородно­ воздушных смесей, можно путем несложных термодинами­ ческих расчетов вычислить требуемый удельный или (зная секундный расход горючего вещества) секундный расход огнетушащих средств, действующих по механизму охлажде­ ния зоны горения.

3.2. Способы предотвращения воспламенения материалов и локализации пожаров

Наиболее эффективным и надежным способом борьбы с пожарами является профилактика, основанная на исполь­ зовании знаний о предельных параметрах процессов воспла­ менения, так как всякий пожар начинается с воспламенения, самовозгорания или вынужденного воспламенения-зажига- ния горючей системы от постороннего источника. Суще­ ствует Несколько способов профилактики пожаров.

•Одним из основных способов профилактики пожаров на производстве, а также при хранении и транспортировке горючих газов, ЛВЖ и ГЖ является обеспечение опреде­ ленного концентрационного состава газовых или парога­ зовых смесей: ниже нижнего концентрационного предела воспламенения (или выше верхнего концентрационного предела воспламенения для закрытых систем, аппаратов, трубопроводов и резервуаров). Для обеспечения пожаро-

ивзрывобезопасности на основе концентрационных пре­ делов воспламенения необходимо знать и поддерживать температурный регламент каждого конкретного вида про­ изводства, хранения и транспортировки горючих веществ

иматериалов (ограничениями по НТПВ и ВТПВ); обеспе­ чивать заданные условия по давлению и расходу горючих компонентов в системах и аппаратах или по интенсивности вентиляции.

•В тех случаях, когда выполнить условия первого спо­ соба невозможно, прибегают к способу обеспечения пожаро-

ивзрывобезопасности за счет поддержания необходимой концентрации нейтральных газов или химически активных ингибиторов. Их концентрация постоянно должна быть выше предельного значения, исключающего возможность возникновения процессов горения. К таким же мерам при­ бегают иногда для профилактики пожаров и взрывов на объ­

ектах, связанных с опасностью воспламенения и взрыва аэродисперсных газожидкостных и пылевоздушных смесей.

• Достаточно широко в профилактике пожаров при­ меняется ограничение потенциальных источников иници­ ирования процессов горения (по мощности электрических разрядов и т.п.). В этом случае необходимо знать критиче­ ские энергии зажигания, температуру самовоспламенения и вынужденного зажигания горючих систем. Эти параме­ тры, так же как и концентрационные пределы воспламене­ ния, зависят от вида и состояния горючего, состава смеси, ее концентрации, давления, температуры и многих других физических условий, определяющих возникновение про­ цесса горения. В зависимости от условий числовые значе­ ния предельно допустимых температур потенциально опас­ ных источников зажигания или мощностей электрических источников инициирования процессов горения колеблются

вшироких пределах, изменяясь в 5—10 и более раз.

•При производстве электросиловых агрегатов (дви­ гателей вентиляторов, электроприводов, осветительных и нагревательных устройств и т.п.) во взрывобезопасном исполнении, предназначенных для применения в пожаро- и взрывоопасных средах, также широко используют пре­ дельные параметры процессов горения, в том числе «крити­ ческий размер гасящей щелш — зазоры, отверстия, каналы и щели предельно малых геометрических размеров, через которые не способны распространяться процессы горения.

Механизм гашения пламени в узких каналах огнепреградителей также основан на тепловой теории гашения пла­ мени за счет интенсивного теплоотвода от зоны горения: при прохождении пламени через узкие щели, каналы фронт пламени разбивается на множество мелких ячеек, от кото­ рых интенсивно отводится тепло в стенки материалов огнепреградителя.

Закон теплообмена между горящим газом и стенкой при прохождении его вдоль твердой поверхности позволяет оценить критическую ширину гасящей щели:

где Тг — температура пламени; X, сР — теплопроводность и теплоемкость горючей смеси; Р — давление смеси; Wr — скорость распространения пламени.

Из формулы (3.3) очевидно, что критический диаметр гасящего канала зависит от давления, скорости распро­ странения пламени, т.е. от концентрации горючей смеси, вида горючего состава, атмосферы и др. Его значения коле­ блются в широком диапазоне, изменяясь в 50—100 и более раз. Для углеводородов со скоростью горения около 40 см/с критический диаметр равен примерно 1 мм, для кислород­ ных смесей углеводородных горючих он равен 0,1—0,2 мм, а для таких быстрогорящих смесей, как водородно-кис­ лородные и ацетилено-кислородные, по составу близких к стехиометрическому, эта величина не превышает 0,04 мм.

Если по условиям производства, а также с учетом воз­ можных отказов, поломок, аварий и нарушений техноло­ гического процесса полностью исключить вероятность возникновения пожара невозможно, используют способы

локализации пожаров.

Для обеспечении требуемого уровня пожаро-и взрывобе­ зопасности таких объектов применяют конструктивно-тех­ нологические меры защиты. К ним относятся огнепреградители, быстродействующие пламеотсекатели, разгрузочные взрывные клапаны, мембраны, люки, легко сбрасываемые конструкции и др., предназначенные для ограничения рас­ пространения или локализации зоны горения.

При разработке этих систем используются предельные параметры горения:

—в огнепреградителях — числовое значение гасящего размера;

—в пламеотсекателях и разгерметизирующих устрой­

ствах — предельные значения скорости распространения пламени и давления взрыва;

— во взрывозащитных устройствах и автоматических системах взрывоподавления и т.п. — предельные параметры динамики взрывного горения.

В строительной отрасли расчет огнестойкости конструк­ ций при проектировании объектов и сооружений; расчет допустимого времени эвакуации, противопожарных разры­ вов и других показателей также основан на использовании предельных параметров при горении: скорости распростра­ нения процессов горения, температуры пламени, теплоты сгорания и т.д.

Ш ироко используются предельные параметры горения при разработке и проектировании автоматических систем сигнализации. Так, существует широкий класс датчиков

130 Глава 3. Прекращение и предотвращение процессов горения

Все огнетушащие средства, применяемые для тушения пожаров, условно делятся на несколько характерных видов по доминирующему (главному) механизму их воздействия на процессы горения. Так, вода и многие огнетушащие составы на ее основе относятся к категории охлаждающих, т.е. действующих по механизму охлаждения. Все виды пен, применяемых в практике пожаротушения, условно отно­ сятся к категории изолирующих огнетушащих средств, т.е. действующих по механизму изоляции горючего вещества от зоны горения.

Нейтральные газы условно называются разбавляющими огнетушащими средствами, т.е. действующими по меха­ низму разбавления компонентов горючей смеси в зоне реак­ ции горения, а химически активные ингибиторы называются веществами, тормозящими скорость химической реакции в зоне горения, и т.д.

Во всех случаях прекращение процессов горения насту­ пит в тот момент, когда во всей зоне горения будут созданы такие физические (или химические) условия, при которых параметры процесса горения: скорость распространения пламени, предельная теплота сгорания, температура в зоне реакции горючего с окислителем достигнут предельного, критического значения.

3.3. Оценка необходимого количества охлаждающих огнетушащих средств при тушении некоторых пожаров

Прекратить горение можно либо за счет ограничения доступа горючего или окислителя в зону горения, либо за счет охлаждения этой зоны до температуры потуха­ ния пламени или торможения скорости реакции горения с помощью химически активных ингибиторов.

На практике, если не удается прекратить доступ горю­ чего механическим путем (например, перекрыв запорный кран), чаще всего применяют охлаждение как наиболее простой, доступный и достаточно эффективный способ. В качестве огнетушащего средства используются вода или другие средства на ее основе. При этом важно отметить, что охлаждение самих компонентов горючей смеси (перед зоной горения) практически бесполезно, так как газовоз­ душные смеси способны гореть практически при любой начальной температуре. Тепло необходимо отводить непо­ средственно от зоны горения, т.е. от зоны реакции.

В случае диффузионного горения паров, оттекающих со свободной поверхности горючей жидкости, процесс горе­ ния также можно прекратить за счет охлаждения зоны горения до температуры потухания, химического торможе­ ния, а также изоляции горючего от зоны горения (или пре­ кращения доступа в зону горения окислителя при пожарах внутри зданий и помещений, т.е. на внутренних пожарах).

Однако все эти способы в реальных условиях трудно осуществить, они требуют больших затрат, применения спе­ циальных видов пожарной техники и нередко сопряжены с опасностью для жизни и здоровья людей. Поэтому разра­ ботка новых, более эффективных средств и способов туше­ ния пожаров из-за легковоспламеняющихся (ЛВЖ ) и горю­ чих жидкостей (ГЖ ) интенсивно ведется во многих странах мира. Причем, как показывает анализ механизмов действия большинства разрабатываемых новых огнетушащих средств, надежного эффекта тушения пожара удается добиться только после того, как температура поверхностных слоев горючей жидкости будет существенно снижена по сравнению с ее значением при длительном, распространившемся пожаре. Поэтому представляется весьма перспективным способ пре­ кращения доступа паров горючей жидкости в зону горения путем внезапного охлаждения поверхностного слоя горючей жидкости. Особенность этого приема состоит в осуществле­ нии экстренного снижения температуры прогретого поверх­ ностного слоя жидкости до температуры ниже температуры вспышки паров данной жидкости. Такой способ тушения наиболее эффективно может быть реализован с помощью криогенных хладоагентов, например с помощью жидкого азота или твердой углекислоты с конструкционной плотно­ стью ниже плотности горючей жидкости.

При диффузионном горении твердых горючих матери­ алов ( ТГМ), склонных к гомогенному пламенному горению, продуктов пиролиза в смеси с воздухом и к гетерогенному беспламенному горению твердого углеродистого остатка,

для тушения необходимо: прекратить пламенное горение продуктов пиролиза ТГМ над его поверхностью и гетеро­ генное горение углеродного остатка в поверхностном про­ гретом слое.

Пламенное горение так же, как и в первых двух случаях, может быть прекращено за счет охлаждения зоны горения, химического торможения процессов горения в зоне реак­ ций или прекращения доступа кислорода воздуха в зону