Министерство Российской Федерации
по делам гражданской обороны, чрезвычайных ситуаций и ликвидации последствий стихийных бедствий
_______
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫ
В.Р. Малинин, В.И. Климкин, С.В. Аникеев, Е.Г. Коробейникова, Н.Г. Винокурова, Н.Ю. Кожевникова,
А.А.Мельник, В.А.Родионов
ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА
Учебник для вузов МЧС России
по специальности 280104.65 – пожарная безопасность
проект
Санкт-Петербург
2007
2
В.Р.Малинин, В.И. Климкин, С.В. Аникеев, Е.Г.Коробейникова, Н.Г.Винокурова, Н.Ю.Кожевникова, А.А.Мельник, В.А.Родионов. Теория горения и взрыва. Учебник для вузов МЧС России по специальности 280104.65 – пожарная безопасность /Под. ред. проф. В.С. Артамонова/. СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2007. – 293 с.
Учебник соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта по дисциплине ТГиВ для специальности 280104.65 – "Пожарная безопасность" и включает необходимый объем общих знаний по фундаментальным законам теории горения и взрыва и специальных знаний по возникновению горения и взыва в разных средах. В каждую главу включены расчетные задачи с подробным разбором методики их решения, а также вопросы для самоконтроля.
Рецензенты: И.Д. Чешко, доктор технических наук, профессор, (ФГУ ВНИИПО МЧС России); А.И. Лукашевич (Главное управление МЧС России по г. Москве)
Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2007
3
100-летию Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МСЧ России посвящается
ПРЕДИСЛОВИЕ
Данный учебник представляет собой попытку систематического изложения физико-химических основ процессов горения и взрыва, знание которых необходимо для плодотворной творческой деятельности инженерных кадров Государственной противопожарной службы МЧС России.
Основой для выбора содержания учебника явились требования Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования, примерная программы по дисциплине "Теория горения и взрыва" федерального компонента цикла ОПД ГОС ВПО второго поколения по специальности 280104.65 – "Пожарная безопасность".
Цель курса "Теории горения и взрыва" - заложить основу для профессиональной подготовки пожарного специалиста, дать необходимый объем общих знаний по фундаментальным законам возникновения и развития горения и специальных знаний по видам и классификации взрывов.
Материал учебника излагается в традиционной последовательности. Он включает в себя пять разделов, двенадцать глав, содержание которых составляет весь необходимый для инженера объем знаний по теории горения и взрыва. Общая редакция учебника проведена д.т.н., профессором Артамоновым В.С.
Авторы выражают искреннюю благодарностьрецензентам д.т.н., профессору Чешко И.Д. и А.И. Лукашевичу за внимательное прочтение работы, а также всем сотрудникам кафедры физико-химических основ процессов горения и тушения Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России за помощь в подготовке рукописи к изданию.
4
СОДЕРЖАНИЕ
|
Введение |
8 |
I. |
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГОРЕНИЯ |
17 |
1. |
Горение – основной процесс на пожаре …………………………. |
17 |
1.1. |
Определение горения ……………………………………………….. |
17 |
1.2. |
Характеристика участников процесса горения …………………… |
19 |
1.3. |
Основные процессы, происходящие при горении. Виды горения... |
23 |
1.4. |
Опасные факторы пожара …………………………………………… |
26 |
2. |
Материальный баланс процессов горения ……………………… |
28 |
2.1. |
Расчет объема воздуха, необходимого для горения ………………. |
32 |
2.1.1. |
Горючее – индивидуальное химическое соединение ……………... |
35 |
2.1.2. |
Горючее – смесь газов и паров ……………………………………… |
36 |
2.1.3. |
Горючее – сложное вещество с известным элементным составом.. |
37 |
2.2. |
Расчет объема и процентного состава продуктов горения ………... |
39 |
2.2.1. |
Горючее – индивидуальное химическое соединение ……………... |
40 |
2.2.2. |
Горючее – смесь газов и паров ……………………………………… |
41 |
2.2.3. |
Горючее – сложное вещество с известным элементным составом.. |
43 |
2.3. |
Продукты сгорания. Дым и его характеристики …………………... |
47 |
3. |
Тепловой баланс процессов горения …………………………….. |
57 |
3.1. |
Уравнение теплового баланса процесса горения ………………….. |
57 |
3.2. |
Расчет теплоты горения ……………………………………………... |
58 |
3.3. |
Расчет температуры горения ………………………………………... |
61 |
II. |
ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ |
69 |
4. |
Тепловая, цепная и диффузионная теории горения …………… |
63 |
4.1. |
Тепловая теория горения …………………………………………… |
63 |
4.1.1. |
Механизм химических реакций при горении ……………………… |
71 |
4.1.2. |
Факторы, влияющие на скорость реакций горения ……………….. |
73 |
4.2. |
Цепная теория горения ……………………………………………… |
76 |
4.3. |
Диффузионная теория горения ……………………………………... |
79 |
III. |
ВИДЫ ПЛАМЕНИ И СКОРОСТИ ЕГО РАСПРОСТРАНИЯ |
83 |
5. |
Пламя и его распространение в пространстве |
83 |
5.1. |
Виды пламени ………………………………………………………... |
83 |
5.2. |
Структура пламени ………………………………………………….. |
85 |
5.3. |
Процессы, протекающие в пламени ……....……………………….. |
90 |
5.4. |
Скорость распространения пламени ……………………………….. |
92 |
5.4.1. |
Факторы, влияющие на скорость реакций распространения |
|
|
пламени ………………………………………………………………. |
97 |
5.5. |
Характер свечения пламени ………………………………………… |
103 |
IV. |
УСЛОВИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И РАЗВИТИЯ ПРОЦЕССОВ |
106 |
|
ГОРЕНИЯ |
|
IV.I. |
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ГОРЕНИЯ |
106 |
6. |
Самовоспламенение ………………………………………………... |
106 |
6.1. |
Радикально-цепной механизм процессов окисления и его основ- |
|
|
ные закономерности ………………………………………… |
106 |
6.2. |
Элементы тепловой теории самовоспламенения горючих смесей |
110 |
6.3. |
Температура самовоспламенения как показатель пожарной опас- |
|
|
ности, практическое значение и методы ее определения …… |
114 |
7. |
Самовозгорание ……………………………………………………. |
121 |
7.1. |
Механизм процесса самовозгорания веществ …………………….. |
121 |
7.2. |
Самовозгорание жиров и масел ……………………………………. |
127 |
7.3. |
Самовозгорание химических веществ ……………………………… |
131 |
8. |
Вынужденное воспламенение (зажигание) ……………………… |
136 |
8.1. |
Понятие «источник зажигания» и его значение для обеспечения |
|
|
пожарной безопасности ……………………………………………... |
137 |
8.2. |
Закономерности перехода самовоспламенения к зажиганию …….. |
139 |
8.3. |
Зажигание нагретым телом …………………………………………. |
140 |
8.4. |
Элементы тепловой теории зажигания …………………………….. |
143 |
8.5. |
Особенности зажигания газопаровоздушных смесей нагретой по- |
147 |
|
верхностью ………………………………………………………… |
|
8.6. |
Элементы тепловой теории зажигания электрической искрой …... |
150 |
8.7. |
Минимальная энергия зажигания, зависимость ее от некоторых |
157 |
|
параметров, практическое применение ……………………………. |
|
8.8. |
Зажигание твердых и жидких горючих веществ ………………….. |
158 |
8.9. |
Зажигание лучистым тепловым потоком …………………………... |
160 |
8.10. |
Основные виды и характеристики источников зажигания ……….. |
163 |
IV.II. |
РАЗВИТИЕ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ |
169 |
9. |
Горение газопаровоздушных смесей …………………………….. |
169 |
9.1. |
Концентрационные пределы распространения пламени |
169 |
9.2. |
Факторы, влияющие на КПР ………………………………………... |
173 |
9.2.1. |
Зависимость КПР от химической природы горючего …………….. |
173 |
9.2.2. |
Влияние начальной температуры смеси на КПР …………………... |
174 |
9.2.3. |
Влияние давления горючей смеси на КПР ………………………… |
175 |
9.2.4. |
Влияние флегматизаторов и ингибиторов на КПР ………………... |
176 |
10. |
Горение жидкостей …………………………………………………. |
182 |
10.1. |
Условия для возникновения горения жидкостей ………………….. |
182 |
10.2. |
Температурные пределы распространения пламени ……………… |
187 |
10.3. |
Скорость испарения жидкостей …………………………………….. |
190 |
10.4. |
Температура вспышки. Температура воспламенения жидкостей… |
192 |
10.5. |
Механизм теплового распространения горения жидкостей ……… |
197 |
10.6. |
Основные характеристики горения жидкостей ……………………. |
203 |
10.7. |
Распределение температуры в горящей жидкости ………………... |
205 |
10.8. |
Вскипание и выброс при горении резервуаров с ГЖ ……………... |
209 |
11. |
Горение твердых веществ и материалов ………………………... |
214 |
11.1. |
Физико-химические основы процессов термического |
|
|
разложения твердых веществ и материалов ……………………….. |
214 |
11.2. |
Основные закономерности процессов горения органических |
|
|
твердых горючих материалов ………………………………………. |
222 |
11.3. |
Основные характеристики возникновения, распространения |
|
|
пламени и горения твердых органических веществ ………………. |
227 |
11.4. |
Гетерогенное горение ……………………………………………….. |
233 |
11.5. |
Горение металлов ……………………………………………………. |
238 |
11.6. |
Особенности горения пылевидных веществ ……………………….. |
241 |
V. |
ВЗРЫВЫ |
245 |
12. |
Взрывы. Ударные волны и детонация …………………………... |
245 |
12.1. |
Основные определения. Типы взрывов…………………. |
245 |
12.2. |
Закономерности взрывных процессов паровоздушных смесей ….. |
247 |
12.3. |
Энергия и мощность взрыва. Тротиловый эквивалент …………… |
253 |
12.4. |
Основные свойства и параметры ударной волны …………………. |
265 |
12.5. |
Условия возникновения детонации и зажигания ударной волной... |
268 |
12.6. |
Взрывчатые вещества . ……………………....................................... |
276 |
12.6.1. |
Краткие сведения об основных взрывчатых веществах …………... |
279 |
|
ПРИЛОЖЕНИЯ |
287 |
|
|
|
Литература |
|
292 |
|
|
|
|
Список расчетных задач |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
№ задачи |
|
Задача |
|
Стр. |
|
|
1.1. |
Расчет коэффициента горючести |
|
21 |
||
|
2.1. |
Составление уравнений реакции горения в кислороде |
|
28 |
||
|
2.2. |
Составление уравнений реакции горения в воздухе |
|
30 |
||
|
2.3. |
Расчет молей (киломолей) исходных веществ и продуктов реакции |
|
31 |
||
|
|
по уравнению реакции горения |
|
|
||
|
2.4. |
Расчет теоретического объема воздуха, необходимого для горения |
|
|
||
|
|
индивидуального вещества |
|
35 |
||
|
2.5. |
Расчет объема воздуха, необходимого для горения индивидуального |
|
|
||
|
|
вещества |
|
36 |
||
|
2.6. |
Расчет объема воздуха, необходимого для горения газовой смеси |
|
37 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
2.7. |
Расчет объема воздуха, необходимого для горения вещества сложного |
|
|||
|
|
|
элементного состава |
|
39 |
|
|
2.8. |
Расчет объема и процентного состава продуктов горения индивидуаль- |
|
|||
|
|
ного вещества |
|
40 |
||
|
2.9. |
Расчет объема и процентного состава продуктов горения газовой смеси |
42 |
|||
|
2.10. |
Расчет объема и процентного состава продуктов горения вещества |
|
|
||
|
|
сложного элементного состава |
|
46 |
||
|
3.1. |
Расчет теплового эффекта реакции горения индивидуального вещества |
59 |
|||
|
3.2. |
Перевод значения энтальпии горения из кДж/моль в кДж/кг |
|
60 |
||
|
3.3. |
Расчет низшей теплоты сгорания Qн по формуле Д.И. Менделеева |
|
60 |
||
|
3.4. |
Расчет действительной температуры горения индивидуального веще- |
|
|
||
|
|
ства |
|
66 |
||
|
3.5. |
Расчет действительной температуры горения сложного вещества с |
|
68 |
||
|
|
известным элементным составом |
|
|||
|
5.1. |
Расчет стехиометрической концентрации |
|
101 |
||
|
5.2. |
Определение характера свечения пламени |
|
104 |
||
|
6.1. |
Зависимость температуры самовоспламенения от величины удельной |
117 |
|||
|
|
поверхности |
|
|
||
|
7.1. |
Условия теплового самовозгорания |
|
126 |
||
|
7.2. |
Расчет иодного числа жиров и масел |
|
130 |
||
|
9.1. |
Расчет концентрационных пределов распространения пламени по |
|
170 |
||
|
|
аппроксимационной формуле |
|
|
||
|
9.2. |
Расчет КПР по известным энтальпиям образования веществ |
|
171 |
||
|
9.3. |
Расчет КПР газовой смеси |
|
172 |
||
|
9.4. |
Расчет КПР при повышенных температурах |
|
175 |
||
|
9.5. |
Расчет размеров зон, ограниченных НКПР газов и паров |
|
179 |
||
|
9.6. |
Расчет безопасных концентраций газов и паров с использованием коэф- |
|
|||
|
|
фициентов безопасности |
|
180 |
||
|
10.1. |
Расчет давления насыщенного пара по уравнению Антуана |
|
185 |
||
|
10.2. |
Расчет объемной концентрации паров по давлению насыщенного пара |
185 |
|||
|
10.3. |
Вычисление объемной доли и объема пара в паровоздушной смеси |
|
187 |
||
|
10.4. |
Расчет ТПР по данным уравнения Антуана |
|
188 |
||
|
10.5. |
Расчет ТПР по структурной формуле вещества |
|
190 |
||
|
10.6. |
Расчет скорости испарения и массы испарившейся жидкости |
|
192 |
||
7
10.7. |
Расчет температуры вспышки по структурной формуле |
194 |
10.8. |
Расчет температуры вспышки некоторых классов органических веществ |
195 |
10.9. |
Расчет температуры воспламенения по структурной формуле |
196 |
10.10. |
Расчет температуры воспламенения спиртов и сложных эфиров |
197 |
12.1. |
Расчет максимального давления взрыва газов и паров |
254 |
12.2. |
Расчет максимального давления взрыва пылей |
254 |
12.3. |
Расчет избыточного давления взрыва газов и паров |
257 |
12.4. |
Расчет избыточного давления взрыва пылей |
260 |
12.5. |
Расчет тротилового эквивалента взрыва |
263 |
12.6. |
Определение радиусов зон разрушений |
264 |