теория горения-2

горения (если это возможно) или доступа продуктов пиро­ лиза к факелу пламени.

С помощью огнетушащих средств, действующих по меха­ низму охлаждения, это может быть достигнуто только после охлаждения прогретых слоев ТГМ до температуры ниже температуры начала пиролиза данного материала. В резуль­ тате прекратится процесс горения во всех его видах и режи­ мах, так как температура начала пиролиза значительно ниже температуры протекания гетерогенных процессов диффузи­ онного горения углеродистого остатка ТГМ.

Исходя из рассмотренного определили условия, необхо­ димые и достаточные для прекращения процессов горения практически для всех случаев тушения пожаров с помощью огнетушащих средств, действующих по механизму охлаж­ дения.

• Для случая горения газов и фонтанирующих под боль­ шим давлением горючих жидкостей условием тушения является

где Тиг— температура среды (продуктов горения) в зоне го­ рения; Т1П— температура потухания пламени.

Температуру в зоне горения необходимо снижать при­ мерно на 300 К, так как под Тш понимается критическая температура потухания пламени предварительно не сме­ шанных газов. Условие (3.5) реализуется путем обеспе­ чения определенной интенсивности теплоотвода из зоны горения:

где qT0— интенсивность теплоотвода от зоны горения, кДж/с; Ср. — удельная теплоемкость отдельных компонентов про­ дуктов горения, кДж/(м3-К); V;— секундный объем каждого из образующихся компонентов продуктов горения, м3/с.

• Для случая диффузионного горения жидкостей со сво­ бодной поверхности (в больших резервуарах) справедливо то же условие, что и для газов (3.5), т.е. путем снижения интенсивности поступления паров в зону горения за счет охлаждения поверхностного слоя:

где Тпт — температура поверхностного слоя горючей жидко­ сти; Гвс — температура вспышки паров горючей жидкости.

ет примерно 973 К); Тпир — температура начала пиролиза (для большинства ТГМ температура пиролиза составляет примерно 200 К).

Реализовать это условие можно, если обеспечить интен­ сивность отвода тепла от горящей поверхности ТГМ, при которой

где с — удельная теплоемкость частично пиролизованного слоя твердого горючего материала, зависящая от темпера­ туры и степени пиролизованности слоя, кД ж/(кг-°С); р — плотность частично пиролизованного слоя ТГМ, зависящая от температуры и степени пиролизованности слоя, кг/м 3; t(x) — функция распределения поля температур в прогре­ том слое ТГМ по толщине х прогретого слоя.

Как очевидно из выражений (3.4), (3.6), (3.10), во всех случаях условием, необходимым и достаточным для пре­ кращения процесса горения, т.е. условием тушения пожара, является обеспечение определенной интенсивности тепло­ отвода от зоны горения смеси или горючего вещества, приводящей к снижению их температуры до значения, при котором горение полностью прекращается. Оптималь­ ным режимом тушения будет тот, при котором значение Q TO = г/то ' Ттш будет минимальным. Анализ показывает, что числовое значение QTOзависит от вида горючего вещества, режима горения и времени тушения.

Минимальное значение физического времени тушения хтга для газовых и газонефтяных фонтанов большой мощно­ сти составляет 2—3 с; охлаждение прогретого слоя горючей жидкости на поверхности резервуара занимает примерно 15—20 с; охлаждение прогретого пиролизованного слоя ТГМ на поверхности, доступного прямому воздействию охлаждающей жидкости, происходит примерно 25—30 с.

Подстановка числовых значений этих и других вхо­ дящих в выражения (3.3)—(3.5) величин, определяемых в режиме горения и физическими параметрами горючей среды, показывает, что отношение оптимальных интен­ сивностей теплоотвода (от зон горения — в первом случае и от поверхности горючего вещества — во втором и третьем случаях) к интенсивности тепловыделения при этих режи­ мах горения является величиной почти постоянной. Выра­

зив отношение интенсивности теплоотвода, требуемой для прекращения горения, к интенсивности тепловыделе­ ния через Ктш, можно получить выражение для критерия процесса тушения в следующем виде:

Яь

Для случая тушения факела пламени горючих газов

где qro — интенсивность теплоотвода от зоны горения, кДж/с; qB — интенсивность тепловыделения при сгорании горючего газа с расходом Vrp, м3/с ; р — коэффициент полно­ ты сгорания.

Для случая тушения пожара, обусловленного горением паров, оттекающих со свободной поверхности горючей жид­ кости (ЛВЖ и ГЖ), путем охлаждения ее поверхностного слоя уравнение можно представить в виде

где qT0 — интенсивность теплоотвода с единицы поверх­ ности горючей жидкости, кД ж /с (м2-с); qB — интенсив­ ность тепловыделения с единицы поверхности горючего вещества, кД ж /(м2-с); WrM — массовая скорость выгорания горючего вещества, кг/(м 2-с); <2ИСП— удельная теплота ис­ парения горючей жидкости, кДж/кг; р -коэффициент пол­ ноты сгорания; QH— низшая теплота сгорания по рабочей массе горючего, кДж/кг; хтш — время тушения.

Для случая тушения пожара ТГМ методом охлаждения прогретого слоя горючего материала до температуры начала его пиролиза воспользуемся известным фактом, что теплота пиролизных твердых горючих материалов при диффузи­ онном горении, как правило, не превышает 5—6% общего количества тепла, выделяемого при горении. Тогда суммар­ ное количество тепла, поступающее к горючему материалу

136 Глава 3. Прекращение и предотвращение процессов горения

от факела пламени по механизму лучистой и конвективной передачи, можно выразить через теплоту пиролиза:

где qT0- интенсивность теплоотвода с единицы поверхности ТГМ, кД ж /(м 2-с); 0,06дв — среднее значение теплоты пиро­ лиза большинства натуральных и синтетических полимер­ ных ТГМ, кД ж /(м2-с).

Следует отметить, что отношение минимального коли­ чества тепла, которое следует отвести от горючей системы для эффективного тушения пожара, к удельной теплоте сгорания данного вида горючего вещества также явля ­ ется величиной относительно постоянной. Для горючих газов она составляет примерно 0,1, а для горючих жид­ костей и большинства горючих материалов даже меньше: (5^8) ■10"3 в расчете на 1 м3 горючего при площади поверх­ ности горения 1 м2. Из этого можно сделать вывод, что энергетически выгоднее осущ ествлять тушение путем отвода тепла от горючего вещества, а не от зоны горения. Зная минимально возможное время прекращения процес­ сов горения и выполняя необходимые и достаточные усло­ вия охлаждения зоны горения или горючего материала до заданной температуры, можно рассчитать все основные параметры, обеспечивающие оптимальный режим тушения. Подстановка числовых значений параметров в формулы (3.17) и (3.18) показывает, что:

— для туш ения пожаров, связанных с диф ф узион­ ным горением газов и паров горючих жидкостей, методом охлаждения зоны горения Ктш= 0,1;

— для тушения пожаров, связанных с диффузионным горением ЛВЖ, ГЖ, имеем К.[Ш= 0,2—0,4, а с горением ГТМ получаем Ктш= 0,3.

Зная массу всех горючих веществ и материалов, можно рассчитать требуемый расход огнетушащих средств, интен­ сивность их подачи, удельный расход на единицу площади туш ения пожара и необходимые запасы огнетушащих

веществ без учета реальных потерь, которые неизбежны при тушении любого пожара.

Все это используется при проектировании автоматиче­ ских установок пожаротушения с оптимальными параме­ трами систем и процесса тушения, расчете оптимальных параметров тушения пожаров силами и средствами пожар­ ной охраны, а также разработке объективных критериев эффективности и качества тушения пожаров.

Контрольные вопросы и задания

1.Приведите общие положения теории прекращения горения.

2.Каковы существенные особенности тепловой теории пре­ кращения горения?

3.Дайте характеристику основных способов предотвращения воспламенения материалов и локализации пожаров.

4.Чем вызвана необходимость оценки требуемого количества охлаждающих огнетушащих средств при тушении некоторых по­ жаров?

Глава 4 ФОРМЫ ВЗРЫВЧАТЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ

После изучения этой главы 4 студент должен:

знать

•основные положения теории цепного и теплового взрыва;

•основные положения теории детонации;

уметь

•оценивать влияние ряда факторов (диаметра заряда, плотности, мощ­ ности начального импульса и т.д.) на скорость детонации;

владеть

•основными способами по предотвращению перехода горения газопа­ ровоздушных смесей в детонацию.

4 .1. Общая характеристика взрывчатых веществ

Основным признаком произошедшего взрыва является резкий скачок давления в среде, окружающей место взрыва, что приводит к разрушительным последствиям разной сте­ пени.

Взрывы могут быть вызваны физическими, химиче­ скими или ядерными явлениями.

К взрывам, обусловленным физическими причинами, относятся, например:

—взрыв парового котла или баллона со сжатым возду­ хом. В обоих случаях явление вызвано быстрым перехо­ дом накопленной потенциальной энергии пара (или газа)

вмеханическую при разрушения стенок резервуара. Раз­ рушительный эффект в данном случае определяется давле­ нием пара (или газа), находящегося в резервуаре;

—взрывы, возникающие при мощных электрических разрядах (молнии) или прохождении электротока высокого напряжения через тонкие металлические нити. При мощ­

ных разрядах потенциалы выравниваю тся в течение 1 • 10 6—1 • 10 7 с, благодаря чему в зоне разряда концентри­ руется значительная плотность энергии, канал разряда разо­ гревается до очень высокой (примерно десятков тысяч гра­

дусов) температуры, что приводит к резкому росту давления воздуха в месте разряда и, соответственно, распространению интенсивного возмущения в окружающую среду.

Взрывы, основанные на физических явлениях, состав­ ляют незначительную часть от общего числа взрывов. При­ чиной большей части взрывов является химические превра­ щения взрывчатых систем.

Все взрывчатые вещества представляют собой термо­ динамически неустойчивые системы, способные под вли­ янием внешних воздействий к быстрым экзотермическим превращениям.

Газообразные продукты взрыва благодаря большой скорости химической реакции в первый момент процесса занимают объем самой взрывчатой системы и находятся в сильно сжатом состоянии. Поэтому в месте взрыва резко повышается давление.

Способность химических систем к взрывчатым превра­ щениям определяется тремя факторами: экзотермичностью процесса, большой скоростью его распространения и нали­ чием газообразных продуктов реакции.

Экзотермичность реакции является первым необходи­ мым условием, без которого взрывчатый процесс вообще невозможен. За счет тепловой энергии реакции проис­ ходят разогрев газообразных продуктов до температуры в несколько тысяч градусов и последующее их расширение. Чем выше температура реакции, тем более разрушительное действие оказывает взрыв.

Теплота взрыва является важнейшей характеристикой взрывчатого вещества (системы). Для твердых взрывчатых веществ она составляет 772—3861 кДж/кг, для газообраз­ ных систем — 8580—15 015 кДж/кг.

Другой важнейшей характеристикой взрыва является скорость процесса, которая резко отличается от скорости обычных химических реакций. Переход к конечным про­ дуктам происходит за стотысячные или миллионные доли секунды. По общему запасу энергии на единицу массы взрывчатые системы не превосходят обычные горючие системы, однако при их взрыве достигается значительно более высокая объемная концентрация, или плотность, энергии.

Горение обычных систем протекает весьма медленно, что приводит к значительному расширению продуктов реакции и существенному рассеянию выделенной энергии путем

скоростями и обладать существенными качественными раз­ личиями.

По характеру и скорости распространения все взрывча­ тые процессы делятся на горение, взрыв и детонацию.

Горение протекает с переменной скоростью от долей сантиметра до нескольких метров в секунду. Скорость горе­ ния существенно зависит от давления и заметно возрастает с его повышением.

На открытом воздухе этот процесс протекает сравни­ тельно медленно и не сопровождается звуковым эффек­ том. В ограниченных объемах процесс горения протекает значительно интенсивнее, характеризуется относительно быстрым увеличением давления и способностью продуктов горения производить механическую работу, как это наблю­ дается при выстреле. Горение является характерным видом взрывчатого превращения порохов.

Отличительной чертой взрыва является резкий скачок давления в месте взрыва. Скорость распространения про­ цесса (тысячи метров в секунду) не зависит от внешних условий. Характер взрыва — резкий удар газов по окру­ жающей среде, вызывающий разрушение и деформацию веществ и материалов на относительно небольших расстоя­ ниях от места взрыва.

4.2.1. Цепной взрыв

Цепной взрыв — цепная реакция, в которой появление активной частицы вызывает большое число превращений неактивных молекул в активные вследствие регенерации активной частицы в каждом элементарном акте реакции. При цепной реакции активирование одной частицы приво­ дит к тому, что не только данная частица, но и значитель­ ное число других вступают в реакцию, в результате кроме продуктов реакции образуются новые активные частицы. Под термином «активные частицы» понимают свободные атомы, ионы, радикалы и молекулы. Свободные ради­ калы — частицы, имеющие хотя бы один неспаренный элек­ трон на внешней орбите и поэтому обладающие валентной ненасыщенностью. В зависимости от типа реакции свобод­ ная валентность у радикала или сохраняется, или исчезает. Исчезновение свободной валентности может произойти при взаимодействии радикала со стенкой сосуда, молекулой примеси или растворителя, с другим свободным радикалом или соединением переходного металла, способным отнять или передать ему один электрон. Взаимодействие ради­