/
Текст
ВЫСШАЯ ИНЖЕНЕРНАЯ ПОЖАРНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ШКОЛА
МВД СССР
И. М. АБДУРАГИМОВ, А. С. АНДРОСОВ, Л. К. ИСАЕВА,
Е. В. КРЫЛОВ
!
।
ПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ
Под редакцией доктора технических наук
профессора Абдурагимова И. М.
Допущено Министерством внутренних дел СССР
в качестве учебного пособия
для высших учебных заведений МВД СССР
РЕДАКЦИОННО-ИЗДАТЕЛЬСКИЙ ОТДЕЛ
МОСКВА. 1984 , _____I
УДК 614.841.11 4-614.841.242-1-614.841.12
Рецензенты
Заведующий кафедрой охраны труда МИ TXT имени М. В. Ло-
моносова доктор технических наук профессор Бобков А. С.;
ВНИИ ПО МВД СССР; кафедра общей и специальной химии
ВИПТШ МВД СССР; кафедра пожарной профилактики в технологи-
ческих процессах производств ВИПТШ МВД СССР.
В учебном пособии описаны процессы горения с позиций физи-
ческих и химических законов, определены критические условия воз-
никновения, развития и прекращения процессов непроизвольного
горения; рассмотрен механизм распространения пламени и выгора-
ния газообразных, жидких и твердых веществ, проведен анализ
влияния условий горения на скорость процесса.
Книга написана в соответствии с программой курса «Процессы
горения» и предназначена для слушателей Высшей инженерной по-
жарно-технической школы МВД СССР, однако может представить
интерес для адъюнктов школы, работников испытательных пожар-
ных лабораторий, преподавателей пожарно-технических училищ, а
также практических работников пожарной охраны.
© Высшая инженерная пожарно-техническая школа МВД СССР 1983 г
Своди, тем. план 1983 г., поз. 66.
ВВЕДЕНИЕ
Горение — один из первых сложных физико-химических про-
цессов, с которым встретился человек еще на заре своего развития,
процесс, овладев которым, он получил огромное превосходство над
окружающими его живыми существами и силами природы. По то-
му, какую роль отводил человек процессу горения, насколько ши-
роко и совершенно он применял и использовал его в своих целях,
можно проследить всю историю эволюции человеческого общества,
вплоть до космической эры.
История науки о горении начинается с замечательного откры-
тия М. В. Ломоносова: горение есть «соединение веществ с возду-
хом». Это открытие послужило толчком к установлению одного из
самых фундаментальных законов природы — закона сохранения
массы веществ при их физических и химических превращениях.
Лавуазье уточнил этот закон: горение есть соединение веществ не
с воздухом, а с кислородом воздуха.
Французские химики Маляр и Ле-Шателье сумели измерить
скорость распространения процессов горения количественно, опи-
сать механизм и природу этого явления.
Профессор Московского университета А. В. Михельсон не толь-
| ко измерил скорость и описал механизм распространения пламе-
ни, но и установил, что склонность пламени к самопроизвольному
I и непрерывному распространению есть самое главное, самое фун-
даментальное свойство процессов горения. Он же ввел понятие
। «фундаментальной» (впоследствии — нормальной) скорости рас-
пространения пламени, дал способы ее расчета и определения.
Современная наука о горении насчитывает множество имен с
мировым признанием. Особое место занимает советская школа го-
рения. Ее основоположник — академик П. Н. Семенов. Работы
। академиков Я. Б. Зельдовича, В. П. Кондратьева, Ю. Б. Харитона,
В. В. Воеводского, А. Б. Налбандяна, член-корреспондентов
АН СССР Л. Н. Хитрина, К. П. Щелкина, Э. Ф. Чуханова, про-
фессоров Д. А. Франк-Каменецкого, О. М. Тодеса, А. С. Соколика,
Л. А. Вулиса, В. И. Блинова, Е. С. Щетникова, К. К. Андреева,
Б. В. Контаровича, А. Г. Мержанова, А. Н. Дремнна, А. И. Роз-
ловского широко известны за пределами нашей страны.
Горение — одна из главных форм получения и преобразования
энергии, основа многих технологических процессов производств.
Поэтому вопросам горения, теории процессов горения, практике
применения этой теории посвящено большое количество учебной,
научной и технической литературы. Однако эта литература рас-
3
крывает главным образом вопросы правильной, научно обоснован-
ной организации процессов горения, их интенсификации, получе-
ния максимальной температуры, или теплонапряженности, либо
наибольшей полноты сгорания, максимальной скорости горения,
максимального давления взрыва и т. д., т. е. вопросы, которые
связаны с утилизацией процессов горения, их применением в
практически полезных целях. Это обусловливало не только на-
правление и методы исследования, но и сам предмет изучения.
Изучалось горение отдельных видов горючих веществ в опреде-
ленных, заранее заданных условиях, т. е. в специальном очаге,
топке, камере сгорания или другом техническом устройстве.
В данном учебном пособии рассматриваются вопросы, связан-
ные с процессом горения в неуправляемых, нерегулируемых усло-
виях, т. е. «вне специального очага», как сказано в определении
пожара по ГОСТ 12.1.064—76, когда в качестве горючего материа-
ла выступают вещества и материалы, совершенно не предназна-
ченные для горения (или по крайней мере не предназначенные
для горения при пожаре).
Горение есть главный и основной процесс на пожаре, и туше-
ние пожара (с физической точки зрения) всегда сводится к пре-
кращению процесса горения во всех его видах и формах.
Лучшим, наиболее эффективным способом обеспечения пожа-
ровзрывобезопасности объектов народного хозяйства является соз-
дание таких условий, при которых процесс непроизвольного горе-
ния вообще не может возникнуть.
Приемы и методы обеспечения пожаровзрывобезопасности объ-
ектов народного хозяйства изучаются в нескольких дисциплинах,
предусмотренных учебным планом подготовки инженеров противо-
пожарной техники и безопасности. Но все эти дисциплины зиж-
дятся на глубоком знании закономерностей условий возникнове-
ния п развития процессов горения. Поэтому для научно обосно-
ванной разработки комплекса мер профилактики и предотвраще-
ния пожаров и взрывов необходимо знание фундаментальных за-
конов возникновения и развития процессов горения.
Для слушателей ВИПТШ МВД СССР написано несколько
учебных пособий и монографий [6—10, 12], связанных с процесса-
ми горения, однако они не в полной мере отвечают программе
курса «Процессы горения». Поэтому авторы данного учебного по-
собия сделали попытку создания книги, максимально приближен-
ной к указанной выше программе.
Введение и гл. 1, § 4.1—4.4, 5.1—5.3, гл. 9, 10 написаны докто-
ром технических наук профессором И. М. Абдурагимовым; гл. 6,
7, 8 — кандидатом технических наук А. С. Андросовым; гл. 3,
§ 4.5- 4.10 — кандидатом химических наук доцентом Л. К- Исае-
вой; гл. 2 — инженером Е. В. Крыловым; § 5.4 — И. М. Абдура-
гимовым и А. С. Андросовым.
Авторы благодарны доценту П. Г. Демидову за полезные сове-
ты, высказанные в процессе подготовки рукописи.
4'
Раздел I
ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ
Глава 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРИРОДЕ ГОРЕНИЯ. ОСНОВНЫЕ
ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ, ВИДЫ И РЕЖИМЫ
ГОРЕНИЯ НА ПОЖАРЕ
§ 1.1. Определение процесса горения как физического
явления
Несмотря иа то, что процесс горения как физическое явление
изучен достаточно полно и всесторонне, дать ему единое, исчер-
пывающее определение довольно трудно. Сложность состоит в
том, что формулировка определения зависит от той позиции, той
утилитарной цели, с которой подходят к изучению этого явления.
Для технологов оно звучит несколько иначе, чем для энергети-
ков — теплофизиков и т. д.
Общим во всех определениях является то, что в основе про-
цессов горения лежат быстротекущие экзотермические обратимые
(с химической точки зрения) окислительно-восстановительные ре-
акции, которые подчиняются законам химической кинетики, хими-
ческой термодинамики и другим фундаментальным законам при-
роды (законахМ сохранения массы, энергии и др.).
В связи с тем, что определение процесса горения в каждом
отдельном случае звучит несколько иначе, специфично для каж-
дой инженерной специальности, дадим определение процесса го-
рения для инженеров противопожарной техники и безопасности.
Процессом горения называется сложный физико-химический
процесс, при котором горючие вещества и материалы под воздей-
ствием высоких температур вступают в химическое взаимодейст-
вие с окислителем (кислородом воздуха), превращаясь в продук-
5
ты горения, и который сопровождается интенсивным выделением
тепла и световым излучением.
Учитывая, что содержание аргона и друпих инертных газов в
воздухе очень мало (около 1,1%), их количество условно объеди-
няют с азотом и состав воздуха принимают таким:
Вещество Объемные проценты Весовые проценты
Кислород 21 23
Азот 79 77
Таким образом, при горении в воздухе на один объем кислоро-
да, участвующего в реакциях окисления, приходится 79:21=3,76
объема азота, химически не участвующего в реакциях горения,
или на один моль кислорода приходится 3,76 моля азота.
И хотя в химических реакциях процесса горения азот воздуха
не участвует, его присутствие в зоне горения обязательно следует
учитывать, так как он участвует в физических процессах. Во-пер-
вых, на его нагревание в зоне горения затрачивается большое ко-
личество тепла, выделяемого при горении (чем в значительной
степени определяется температура продуктов горения); а во-вто-
рых, его присутствие в зоне химических реакций влияет на ско-
рость их протекания, так как азот воздуха выступает в роли ней-
трального разбавителя реагирующих компонентов: горючего и
окислителя. Очевидно, что скорость горения, интенсивность про-
цессов горения в атмосфере чистого кислорода значительно выше,
чем в воздухе. Поэтому уравнение реакции горения в воздухе сле-
дует записывать, прибавляя в левую и правую части этих уравне-
ний по 3,76 моля азота на каждый реагирующий моль кислорода.
Например, уравнение реакции горения природного газа (метана)
в воздухе можно записать так:
СН4 + 2О2 + 2 • 3,76N2=CO2 + 2Н2О + 2 • 3,76N2.
Для осуществления процесса горения по этому уравнению не-
обходимо, чтобы в зоне горения на 1 м3 горючего газа приходи-
лось ~ 9,5 м3 воздуха (в которых и будут содержаться требуемые
2 м3 кислорода) и чтобы горючей смеси (или части ее) был со-
общен тепловой импульс достаточной мощности для начала реак-
ций горения. Тогда в результате полного сгорания 1 м3 метана
выделится примерно 36000 кДж тепла (или 803 кДж/моль) и об-
разуется более 10,5 м3 продуктов горения (смеои двуокиси угле-
рода, паров воды и азота).
Понятие стехиометрии и удельного расхода воздуха на процесс
горения. Горючие смеси, которые по своему составу (соотношению
компонентов горючего и окислителя) отвечают уравнению хими-
ческой реакции, называются смесями стехиометрического состава.
6
Такие смеси являются наиболее реакционноспособными!, т. е. наи-
более опасными в пожарном отношении. Они легче воспламеняют-
ся, интенсивнее горят, быстрее распространяют процесс горения
и выделяют максимальное количество тепла. Минимальное коли-
чество воздуха, необходимое для полного сгорания единицы мас-
сы или единицы объема того или иного горючего вещества, опре-
деляется по уравнению химической реакции горения данного ве-
щества. Для большинства углеводородных горючих требуемый
удельный расход воздуха находится в пределах
VB ~4—15 м3/кг.
Количество воздуха, необходимое для полного сгорания еди-
ницы массы или единицы объема некоторых горючих веществ,
приведено в табл. 20 приложения.
В условиях пожара процесс горения всегда идет при фактиче-
ском недостатке воздуха, несмотря на установившееся в практике
понятие «избытка воздуха на пожаре». Требуемое его количество,
приведенное в табл. 20 приложения, или несколько большее по-
дается в зону горения только в специальных устройствах, печах,
топках, котлах, камерах сгорания двигателей и т. д. Поэтому со-
став продуктов горения па пожаре и при горении в специальных
технических устройствах различен. В составе продуктов горения
на пожаре будет содержаться большое количество опасных, горю-
чих, взрывоопасных сильно токсичных продуктов неполного горе-
ния, например. С, СО, СН и др.
В условиях пожара главными параметрами процесса горения,
приводящими к гибели людей и наносящими моральный и мате-
риальный ущерб, являются большое количество тепла, выделяе-
мого в зоне горения, высокая температура, возникающая в резуль-
тате интенсивного тепловыделения, и токсичный состав продуктов
горения, который в значительной степени зависит от вида горяще-
го материала и фактического расхода воздуха, участвующего в
процессе горения.
Теплота, выделяемая при горении веществ и материалов в ус-
ловиях пожара. Из физики горения и взрыва известно, что при
полном сгорании единицы массы какого-либо горючего вещества
выделяется определенное количество тепла. Количество тепла, вы-
деляемое при сгорании единицы массы или единицы объема го-
рючего вещества, называется удельной теплотой сгорания.
Низшей теплотой сгорания по рабочей массе горючего вещест-
ва Q„ называется количество тепла, которое выделяется при пол-
ном сгорании единицы количества горючего вещества и условии,
что влага, содержащаяся в продуктах горения, находится в паро-
образном состоянии. Для индивидуальных веществ Q? — величи-
на постоянная и находится по справочникам, а для сложных мно-
гокомпонентных горючих веществ и материалов зависит от их со-
става и может быть рассчитана по формуле Д. И. /Менделеева:
7
qp=339,4C+ 1257H— 108,9(0- S)—25,1 (9 H - W) , (1.1)
где С, H, S, W — содержание углерода, водорода, серы и влаги в
горючем веществе, %;
О — сумма кислорода и азота в горючем вещест-
ве, %.
На пожарах практически не встречаются горючие вещества и
материалы с Q„< 12000 кДж/кг и выше 50000 кДж/кг. Численные
значения низшей теплоты сгорания для некоторых видов горючих
веществ и материалов приведены в табл. 11 приложения.
При горении в условиях пожара количество воздуха, требуемое
для полного сгорания горючего материала, как правило, не дости-
гает непосредственно зоны химических реакций горения. Поэтому
сгорание в условиях пожара бывает неполным. В результате это-
го и удельное количество тепла, выделяемого при горении на по-
жаре, несколько меньше приведенного в табл. 11 приложения.
В уравнениях горения на пожаре это обстоятельство учиты-
вается введением в уравнения теплового баланса коэффициента
физического и химического недожога р. При горении на пожаре
этот коэффициент колеблется от 0,98 до 0,75, в зависимости от
вида горючего материала и внешних условий протекания процесса
горения. Например, для горения керосина [3 — 0,87, длр бензина
0 — 0,82, для бензола 0 — 0,76, а для древесины [3 — 0,75—0,85 в за-
висимости от условий газообмена в зоне горения (т. е. плотности
и формы укладки древесины, размеров и влажности горящих об-
разцов и др.).
Состав и количество продуктов горения при пожаре. По урав-
нению химических реакций горения можно рассчитать не только
общий объем, но и мольные или объемные доли отдельных ком-
понентов в составе продуктов полного горения. Па практике для
расчета суммарного объема продуктов полного горения пользуют-
ся формулами, удобными для расчета. Его вычисляют по упро-
щенным формулам, отличающимся по форме записи в зависимо-
сти от вида и агрегатного состояния горючего вещества.
При горении индивидуальных химических соединений объем
VO
п. i-определяется из уравнения реакции горе-
ния. Для большинства видов горючих веществ и материалов
удельный объем продуктов полного горения, приведенный к нор-
мальным условиям ТИр«То. Pnp^Poi лежит в пределах
«4-5-15 м3/кг, кроме водорода, для которого V’° г — 32 м3/кг.
Состав и объем продуктов полного горения (приведенный к
нормальным условиям) некоторых горючих веществ и материалов
приведены в табл. 21 приложения. Из-за фактического недостатка
воздуха в зоне химических реакций при горении на пожаре состав
продуктов горения будет несколько иным, чем указан в табл. 21
приложения. Во-первых, в нем, как правило, будут содержаться
8
многие продукты неполного горения: токсичная окись углерода
СО, частицы твердого углерода С (в виде сажи!), делающей дым
на пожарах черным и непрозрачным, и некоторые другие продук-
ты пиролиза горючих веществ. Во-вторых, в составе продуктов
горения будет избыточный азот и кислород воздуха, не успевший
прореагировать в зоне горения, т. е. при фактическом недостатке
воздуха в зоне горения в продуктах горения на пожаре будет со-
держаться воздух. Это также обусловлено физическими процесса-
ми газообмена непосредственно в зоне протекания химических ре-
акций горения и в окружающем пространстве вокруг зоны горе-
ния, где возникают спутные конвективные потоки воздуха, не уча-
ствовавшего в процессе горения, ио подмешивающегося к продук-
там горения. Из-за возникающего при горении на пожаре мнимо-
го избытка воздуха схв —2-4-3, подмешивающегося к продуктам
горения, суммарный объем смеси воздуха с продуктами горения
будет соответственно в 24-3 раза больше указанного в табл. 21
приложения. Учитывая, что температура этой смеси воздуха с
продуктами горения будет иметь температуру в 3-4-4 раза выше
принятой при нормальных условиях, Тп.г =3-4-4 7’0, а давление
в зоне пожара может быть отличным от нормального, фактичес-
кий объем продуктов горения следует рассчитывать в соответствии
с законом термодинамики:
(1.2)
* П.Г „ т '
. Р 1 о
Температура пламени, продуктов горения и пожара. Одним из
сложных вопросов при горении на пожаре является вопрос о тем-
пературе пламени и продуктов горения. Сложность ответа на этот
вопрос состоит в том, что при неорганизованном горении в усло-
виях пожара существует несколько видов потерь тепла, доли ко-
торых зависят в значительной степени не только от вида горюче-
го вещества, но и от условий горения. Один из видов потерь —
потери на химический и физический недожог, учитывается коэф-
фициентом неполноты сгорания или коэффициентом недожога 0.
Другой неизбежный вид потерь при горении — потери на излуче-
ние факела пламени (или продуктов горения). Доля этих потерь
зависит прежде всего от температуры излучающего тела, от его
агрегатного состояния и химической природы. Эта зависимость
определяется коэффициентом черноты излучающего тела е и дли-
ной волны для молекул различного строения.
Кроме того, значительную долю потерь составляют кондуктив-
но-конвективные потери тепла в окружающую среду. Поэтому в
процессах горения различают три основных вида температур: ка-
лориметрическую, теоретическую (расчетную) и фактическую.
Некоторые значения калориметрических температур горения ве-
ществ приведены в табл. 1.1.
9
Таблица 1.1
Горючее вещество
Калориметрическая тем-
пература горения, К
Бензол ...................
Бензин . ....
Водород . . ....
Древесина (47=40%) .
|Керосин .................
Природный газ ....
1 рф фрезерный (47=50%)
2533
2355
2503
1883
2360
2293
1773
При расчете теоретической температуры учитывают потери
тепла на диссоциацию продуктов горения (учитывая обратимость
реакций горения). Значительная диссоциация продуктов горения
углеводородных горючих начинается при температуре выше 2000 К.
Такие высокие температуры на пожаре практически не встречают-
ся, поэтому потери на диссоциацию можно не учитывать.
Практической температурой называется та, которую имеют
зона горения или продукты горения при учете всех видов потерь,
в том числе на неполноту сгорания (до 25 30%) и на излучение
(до 30—40%) от всего количества тепла, выделяемого при горе-
нии. Соответственно, практическая температура горения на пожа-
ре оказывается еще ниже и лежит в пределах 1300—1700 К.
Виды и режимы распространения горения; дефлаграция и де-
тонация. Для возникновения процесса горения и его длительного
существования необходимо выполнение определенных внешних
условий, без которых этот процесс невозможен.
Для возникновения процесса горения необходимо, во-первых,
наличие горючей системы: смеси горючего с окислителем и, во-
вторых, источника зажигания, под воздействием которого начнет-
ся интенсивное протекание химических реакций горения между
компонентами горючей смеси.
После возникновения процесса горения источником дальней-
шего поджигания новых порций горючей смеси обычно является
сама зона горения, в которой происходит интенсивное выделение
тепла. Это тепло и является причиной непрерывного поддержания
процесса горения. Таким образом, процесс горения схематически
можно представить как непрерывное последовательное воспламе-
нение и сгорание все новых и новых порций горючей смеси. В за-
висимости от механизма распространения зоны химических реак-
ций горения по горючей смеси различают два характерных режи-
ма горения: дефлаграционное (сравнительно медленное
распространение зоны химических реакций, со скоростью движе-
ния тепловой волны по горючей смеси от 0,5 до 50 м/с) и дето-
национное горение, распространяющееся со скоростью удар-
ной волны, т. с. от нескольких сот метров в секунду до нескольких
километров в секунду.
10
В условиях пожара горение протекает только в дефлаграцион-
ном режиме. Детонационное горение в виде взрыва горючих газо-
вых смесей встречается чрезвычайно редко.
Гомогенное и гетерогенное горение. В зависимости от агрегат-
ного состояния компонентов горючей смеси (т. е. горючего и
окислителя) непосредственно в зоне протекания химических реак-
ций взаимодействия горючего с окислителем различают два вида
пли два режима горения: гомогенное горение, когда оба компонен-
та находятся в одинаковой фазе, и гетерогенное (т. е. разнофаз-
ное) горение, когда агрегатное состояние у компонентов горючей
системы различное. Поскольку в качестве окислителя в реакциях
горения на пожаре чаще всего участвует кислород воздуха, т. е.
один из компонентов горючей системы находится всегда в газо-
образном состоянии, то гомогенным горение в условиях пожара
бывает в тех случаях, когда и второй компонент горючей систе-
мы — само горючее находится в таком же агрегатном состоя-
нии — газо- или парообразном.
Горючие жидкости и многие твердые горючие материалы так-
же горят на пожаре преимущественно в режиме гомогенного пла-
менного горения, так как в зону горения поступают не сами эти
жидкости и твердые вещества, а газо- и парообразные продукты
их испарения и термического разложения. Примером гетерогенно-
го, беспламенного горения в условиях пожара является тление
углеродного остатка твердых горючих материалов, когда все лету-
чие, все пиролизуемые компоненты уже выгорели из прогретого
слоя. Тогда наступает режим беспламенного, гетерогенного горе-
ния, называемого еще тлением (хотя оно может быть и очень ин-
тенсивным, с выделением большого количества тепла и возможно-
стью повторного перехода в пламенное горение). Тление может
возникнуть и *в начальной стадии пожара, когда мощности источ-
ника зажигания нс хватило для предварительного прогрева твер-
дых горючих материалов, который является необходимым усло-
вием их интенсивного пиролиза, следовательно, еще не образова-
лась горючая газовоздупшая смесь, способная к пламенному (го-
могенному) горению, а началось медленное тление. Затем, по ме-
ре накопления тепла в твердом горючем материале, повышения
его температуры и увеличения массы прогретого слоя, интенсифи-
цируется процесс пиролиза и выделения горючих летучих фрак-
ций. Смешиваясь с кислородом воздуха, они образуют горючую
газовоздушную смесь, которая воспламеняется под действием вы-
соких температур зоны тления. Начинается интенсивное пламен-
ное горение, быстро распространяющееся по поверхности твердых
горючих материалов. По такому механизму возникают мнопие по-
жары, связанные с горением твердых горючих материалов, начи-
нающиеся под воздействием слабых источников зажигания: искр,
тлеющих окурков, непотушенных спичек и т. д. Реже по такой же
примерно схеме начинаются пожары, связанные с самовозгорани-
ем твердых горючих материалов в результате медленно текущих
реакции окисления. Они также могут начаться с тления, перехо-
дящего затем в открытое пламенное горение. Характерным для
гетерогенного режима горения является наличие раздела фаз:
твердого горючего и газообразного окислителя. При этом химиче-
ские реакции окисления идут преимущественно на поверхности
раздела фаз (но при большой пористости материала могут идти
и в его толще, внутри пор, но тем нс менее — на границе раздела
твердое тело — газ).
Скорость распространения гетерогенных процессов горения
(тления), как правило, несколько ниже скорости распространения
гомогенного (пламенного) горения. Интенсивность процесса гете-
рогенного горения зависит от поступления горючих компонентов
в зону горения (преимущественно — кислорода воздуха) и степе-
ни развитости поверхности горючего материала, на которой идут
химические реакции окисления.
Кинетический и диффузионный режимы горения. В зависимо-
сти от условий смесеобразования горючих компонентов и от соот-
ношения скорости химических реакций горения и скорости смесе-
образования различают два характерных режима горения — кине-
тическое и диффузионное. Определяющим в этом случае является
вопрос о том, какая из стадий является лимитирующей в суммар-
ной скорости процесса горения: скорость смесеобразования или
скорость химического превращения компонентов смеси в продукты
горения.
Горение предварительно равномерно перемешанных газо- пли
паровоздушных смесей всегда происходит в кинетическом режиме,
так как смесь горючего с окислителем (равномерная на молеку-
лярном уровне смешения) существует еще до момента ее воспла-
менения и суммарная скорость процесса горения лимитируется
только скоростью (кинетикой) химических реакций окисления и
скоростью перемещения зоны реакций горения по горючей смеси.
Поэтому такое горение называется кинетическим. Если сгорание
такой газовоздушной смеси происходит в замкнутом или ограни-
ченном объеме, оно воспринимается как взрыв, так как энергия,
выделяющаяся при сгорании смеси, нс успевает отводиться за
пределы рассматриваемого объема, давление возрастает и приво-
дит к разрушению конструкции. Примером спокойного кинетичес-
кого горения является горение газовоздушной смеси на конфорках
кухонной газовой плиты, когда смесь хорошо подготовлена и пла-
мя имеет равномерную сине-голубую окраску (без желтых или
красноватых оконечностей язычков пламени). Появление желто-
оранжевых зон пламени — признак недостатка воздуха, плохого
смешения, образования продуктов неполного сгорания, в том чис-
ле светящихся желтым светом сажистых частиц.
Если же компоненты горючей смеси смешиваются непосредст-
венно перед зоной горения или в самой зоне, то наблюдается
диффузионный или диффузионно-кинетический режим горения.
Это зависит от интенсивности смешения, степени равномерности и
12
пропорций смешения горючих компонентов, как на плохо отрегу-
лированной газовой горелке кухонной плиты. При пожаре на
устье газового факела, при истечении метана под большим давле-
нием смесеобразование горючего газа с воздухом перед факелом
пламени будет столь интенсивным и равномерным, что пламя бу-
дет почти полностью кинетическим. При наличии! в горючем газе
конденсата оно будет диффузионно-кинетическим, а при горении
фонтанирующей нефти и прт пожарах в резервуарах с ЛВЖ, ГЖ
«или штабелей древесины режим горения будет диффузионным.
Гетерогенное горение на пожаре также всегда «идет в диффузион-
ном режиме.
Газодинамические режимы горения: ламинарное и турбулент-
ное. Важной характеристикой процессов горения на пожаре яв-
ляется также газодинамическое состояние компонентов горючей
смеси в зоне реакции. Оно, как правило, характеризуется интен-
сивностью их поступления в зону горения.
Если компоненты горючей смеси поступают в зону горения
сравнительно «спокойно», по законам молекулярной или слабой
(не сильно развитой) конвективной диффузии, и численное значе-
ние критерия Рейнольдса будет значительно меньше критического,
процесс горения будет ламинарным * (т. е. относительно спокой-
ным) с постепенным, плавным переходом от зоны смесеобразова-
ния к зоне горения и далее — к зоне формирования потока отте-
кающих продуктов горения.
Если численное значение критерия Рейнольдса для потока
компонентов горючей смеси будет близким к критическому или
находиться в переходной области значений (2300<Re< 10000),
процесс горения будет турбулентным. Это произойдет за счет то-
го, что автотурбулизация пламени свойственна самим процессам
горения, что приводит к потере газодинамической устойчивости
«слоистости» газовых потоков в зоне реакции, а также от уско-
рения газовых потоков в результате их интенсивного расширения
при нагревании в зоне химических реакций горения. Степень тур-
булентности в этом случае может быть различной в зонах горе-
ния. Непосредственно перед зоной горения она будет сравнитель-
но небольшой или почти невидимой, в зоне горения — уже более
заметной, а в зоне догорания и формирования потоков продуктов
горения в верхней части факела пламени — еще более интен-
сивной.
Такой режим горения характерен для слабых потоков горючего
газа, малых резервуаров с тяжелыми горючими жидкостями, не-
больших очагов горения твердых горючих материалов с неразвм-
От латинского слова lamina — пластина (слой).
13
той поверхностью горения * и для большинства внутренних по-
жаров, где приток компонентов горючей смеси в зону горения и
отток продуктов горения сдерживаются, ограничиваются геомет-
рическими конструктивными параметрами проемов зданий и по-
мещений.
Если потоки газообразного горючего или окислителя, или сме-
си горючего с окислителем в зону горения поступают достаточно
интенсивно и численное значение критерия Рейнольдса, характе-
ризующего газодинамический режим течения, значительно больше
критического ReKp, равного 2300, то режим горения будет турбу-
лентный**, т. е. с интенсивными завихрениями, перемешиванием
продуктов горения с нспрореагировавшейся смесью, отрывами
клубящихся зон горения от основного факела пламени. Характер-
ным примером такого горения является пожар на мощном газо-
вом фонтане, на крупном резервуаре, на большом штабеле дре-
весины с большим численным значением коэффициента поверх-
ности горения***, и на некоторых других крупных пожарах.
Таким образом, характеризовать процесс горения на пожаре
можно по механизму распространения зоны химической реакции
(дефлаграционное или детонационное горение), по его кинетиче-
ским параметрам (диффузионное или кинетическое горение), по
природе химических реакций (в зоне их протекания — гомоген-
ное или гетерогенное горение) и по газодинамическим парамет-
рам режима горения (ламинарное или турбулентное).
§ 1.2. Описание процессов горения с позиций
молекулярно-кинетической теории газов
В некоторых работах условия возникновения горения на пожа-
ре представлены в виде мнемонической схемы — классического
треугольника пожара: горючее — окислитель — источник зажи-
гания. Это качественная сторона явления. Количественный под-
ход требует более глубокого понимания физической сущности
процессов горения, физики и химии горения. Более строгие пред-
ставления о процессах воспламенения, распространения пламени,
о концентрационных и температурных пределах воспламенения,
условиях прекращения процессов горения и многих других явле-
ниях при горении можно получить при рассмотрении этих слож-
То есть с небольшим численным значением коэффициента поверхности
V ^ГОр
горения: Дп— —- , где г гор — площадь всех поверхностей горения, a Fn—
Г п
площадь пожара, т. е. площадь проекции зоны горения на горизонтальную
плоскость.
** От латинского слова turbulenze — вихрь.
тгм п°жг1Рах жидкостей в резервуарах Кп =1, на внутренних пожарах
ИМ Дп ~2-=-3, на пожарах штабелей древесины возможны А‘п «50—100 и
более.
14
ных процессов с позиций молекулярно-кинетической теории (МКТ)
строения материи.
С точки зрения молекулярно-кинетической теории строения
материи химические реакции между двумя компонентами, нахо-
дящимися в газовой фазе, следует рассматривать как взаимодсй-
стине молекул реагирующих газов *, т. с. взаимодействие молекул
горючего, например, водорода Н2, с молекулами окислителя О2.
Известно, что силы молекулярного взаимодействия, т. е. взаимно-
го притяжения и отталкивания молекул, находящихся в непрерыв-
ном хаотическом тепловом движении, проявляются лишь при
очень малых расстояниях между ними, а с увеличением расстоя-
ния резко убывают. Поэтому взаимодействие между молекулами
горючего и окислителя возможно только при полном их сближе-
нии, которое можно рассматривать как соударение молекул. Без
соударения молекул невозможно какое-либо их взаимодействие,
а тем более столь сильное, как химическая реакция, связанная с
разрывом существующих в молекуле связей между атомами, пе-
рераспределением атомов и т. д. Следовательно, химической реак-
ции взаимодействия горючего с окислителем должен предшество-
вать процесс смешения горючего с окислителем и физический акт
сближения молекул горючего и окислителя, рассматриваемый как
упругое соударение молекул.
Рис. 1.1. Схема соуда-
рения молекул горю-
чего (/) и окислите-
ля (2)
В элементарной кинетической теории газов взаимодействие
движущихся молекул рассматривается как упругое соударение
жестких шаров радиусом г} и г2 (рис. 1.1). Величина г} и г2 для
большинства молекул веществ порядка (l-j-5) 10~8 см. При соуда-
рении двух молекул с радиусом rt и г2 центры молекул сближают-
ся до расстояния ri_2=^i + г2, а затем молекулы разлетаются в
противоположные стороны в соответствии с законами механики.
Введем понятие сечения соударения о как площадь круга с ради-
усом Г1_2, тогда а=лг21-2=л(Г14-г2)2- Выделим мысленно часть
пространства (ограниченного объема) из большого объема, запол-
ненного равномерно перемешанными молекулами двух газов, спо-
собных при взаимодействии вступать в химические реакции. Зная
* При гетерофазных реакциях картина принципиально не меняется. Просто
следует рассматривать взаимодействие более подвижной молекулы газа с менее
подвижной молекулой жидкости или «закрепленной» в кристаллической решетке
молекулой твердого горючего вещества.
15
плотность газов, по законам молекулярной физики можно рассчи-
тать число молекул того или другого газа (в зависимости от со-
става смеси). В выделенном объеме, в каждом кубическом санти-
метре, их число порядка п~3- 1019 см-3. Зная размеры тех и дру-
гих молекул, их количество в единице объема, температуру газов,
по законам молекулярной физики можно подсчитать среднюю
скорость движения молекул иср ~1,5-103 м/с или иср ~1,5«
- 105 см/с, длину свободного пробега до соударения /«(1-^-
-7-2)10“5 см и число соударений между молекулами горючего и
окислителя.
Расчеты показывают, что для смеси стехиометрического соста-
ва водорода с кислородом (2Н24-О2), находящейся при комнатной
температуре (/0=15°С или 288 К) и атмосферном давлении, число
соударений молекул Н2 и О2 за 1 с в 1 см3 достигает величины
Zi 2=8,3- 1028 см—Зс“*. Если бы все эти соударения были эффек-
тивны, т. е. приводили к химическому взаимодействию, то вся
смесь прореагировала бы за малое время, так как число молекул
водорода в этом объеме П\^ 1,7- 1019 см—3.
Практика же показывает, что в этих условиях реакция горе-
ния полностью отсутствует, т. е. что все эти соударения не приво-
дят к химической реакции. Это означает, что число эффективных
соударений молекул при этих условиях ничтожно мало. Молеку-
лы, которые при соударении с другими молекулами способны
вступать в реакцию, должны находиться в «возбужденном» состо-
янии. По своей природе такое возбуждение может быть химичес-
ким, когда атомы или молекулы вещества, обладая одной или
двумя свободными валентностями, называются радикалами и обо-
значаются СПз; О1Г; СНГ и т. д. и физическим, когда по зако-
нам Максвслл-Больцмановского распределения энергий часть мо-
лекул в результате медленного нагревания газа приобретает кине-
тическую энергию выше критического значения. Мерой уровня
теплового возбуждения является энергия, которой обладает моле-
кула в момент соударения с другой молекулой.
Молекулы, обладающие необходимым запасом энергии, доста-
точным для разрыва или ослабления существующих связей, назы-
ваются активными молекулами или активными центрами химиче-
ских реакций. Разность между средним уровнем запаса энергии
молекул в активном, возбужденном состоянии и средним уровнем
энергии остальной массы молекул, находящихся в «нормальном»,
т. е. неактивном, невозбужденном состоянии, называется энергией
активации Елкт . Чем выше численное значение Еякт , тем труднее
заставить данную пару компонентов вступить в химическую реак-
цию, чем ниже, тем легче эти компоненты вступают в химическое
взаимодействие. Поэтому величина энергии активации является
как бы косвенным показателем степени пожарной опасности дан-
ного вещества. Оценим величину энергии активации химических
реакций. Запас энергии, которой обладают две сталкивающиеся
16
молекулы Д hi В, при соударении выделится в виде кинетической
энергии:
-------2
Л ,п V„
(1.з)
। где т = —-—I 2---------приведенная масса молекул;
та 4- ти
и2 — нормальная составляющая относительной скорости
молекул.
Средняя относительная скорость движения молекул для газа с
температурой Т, согласно данным молекулярной физики, равна:
У пт'
где к — постоянная Больцмана.
Поскольку предполагается, что при соударении молекул горю-
чего с окислителем обе молекулы движутся навстречу друг другу,
то энергия их соударения суммируется, т. е. удваивается. Тогда
Есоуд =2£J, откуда после подстановки значения v в формулу
(1.3) получим:
2 т 8 кТ 8 кТ
^соуд = 2пт ~ ~п~ * (1-5)
Характерно, что энергия активации необходима не только в эн-
дотермических реакциях, когда она расходуется на создание но-
вых, более устойчивых связей в молекулах, но и при экзотерми-
ческих реакциях, когда молекулы переходят из неустойчивого со-
стояния в более устойчивое с выделением большого количества
I свободной энергии, как это бывает при горен (ля того, чтобы
началось выделение энергии от взаимодействия реагентов, надо
I сначала затратить ее. Энергия рас гея на ослабление или
разрыв старых связей в молекулах горючего и окислителя, чтобы
они вступили в реакцию взаимодействия. Тогда и произойдет вы-
деление энергии, значительно превышающее энергию, затрачен-
ную на активацию молекул горючего и окислителя. Дальше этот
процесс поддерживается самопроизвольно, за счет передачи части
тепловой энергии, выделившейся в результате реакции взаимодей-
ствия, новым молекулам.
Энергетическая модель процесса воспламенения. Иллюстрапм-
। ей этого явления в газовых смесях может служить механическая
модель. Представим себе шар массой ть лежащий на плоскости,
на высоте соответствующей определенному потенциальному
уровню запаса энергии (рис. 1.2, а). Система находится в по-
кое. но она неустойчива. Далее горизонтальная плоскость 1ц пе-
реходит в наклонную, которая снижается до потенциального уров-
ня /?>. меньшего, чем 1ц. Если шарик скатится с 1ц до /г,, что мо-
2—4609 17
I
I
жет произойти случайно, без затраты дополнительной энергии,
запас его потенциальной энергии изменится в количестве, пропор-
циональном h\—hi. Если шарик находится в устойчивом равнове-
сии (как «.холодные» водород и кислород), т. е. если перед ним
есть энергетический барьер (рис. 1.2, б), то, чтобы вывести его из
этого состояния, нужно затратить сначала дополнительную энер-
гию Е2 на подъем шарика на новый, более высокий энергетичес-
кий уровень h2. На это и затрачивается энергия активации
т
Рис. 1.2. Схема механической аналогии энергии активации
а — неустойчивое состояние системы: б — устойчивое со-
стояние системы с переходом через барьер энергии активации
Еакт = h2—h\. Теперь шарик «активизировался», перейдя из поло-
жения 1 в положение 2, он перешел в неустойчивое состояние и
приобрел возможность перейти на новый более низкий и более
устойчивый уровень Л3, что он и сделает. Скатится на новую плос-
кость, более низкую и более «глубокую», так как новое состояние
молекул более устойчиво. Новые связи более прочны, и чтобы их
разорвать, надо подвести большую дополнительную энергию, чем
прежде. На диссоциацию молекул и новое создание активизиро-
ванных молекул нужно затратить большее количество энергии.
При таком переходе выделится энергия в количестве h\—hi - это
и есть та энергия, которая выделяется при химическом взаимо-
действии молекул горючего с молекулами окислителя, т. е. при
реакциях горения.
Схема энергетических процессов химических реакций горения
очень похожа па схему перехода шарика из одного состояния (по-
ложения) в другое. Но, чтобы «спокойные» атомы в смеси «водо-
род — кислород» (или любой другой горючей смеси) перешли в
«агрессивное» состояние, г. е. стали химически активны, для их
химического взаимодействия необходимо повысить температуру
смеси газов. Как только повысим температуру газа (внешним по-
догревом или вводом внутрь рассматриваемого объема источника
18
тепловой энергии: нагретого тела, электрической искры или «ма-
ленького» открытого пламени), скорость движения молекул воз-
растет, а главное, увеличится число и энергия их соударений.
Две соударяющиеся молекулы перейдут в возбужденное состоя-
ние, ослабнут или даже разорвутся связи между атомами, появят-
ся атомарный водород и кислород (шарик поднят на высоту й2 и
попал в неустойчивое положение). Произойдет взаимодействие
между молекулами водорода и кислорода (шарик покатится вниз).
При этом выделится большое количество свободной энергии —
тепловой эффект реакции и образуется новое, более стабильное
соединение — вода. Энергия, выделившаяся в результате взаимо-
действия «первых» прореагировавших молекул, передалась сосед-
ним молекулам. Они возбудились еще больше, и процесс стал по-
вторяться вокруг прореагировавших молекул с большей частотой
н интенсивностью. Начался самоподдсрживающийся, самоускоря-
ющийся и самораспространяющийся на всю реакционноспособную
смесь процесс химического взаимодействия водорода с кислоро-
дом, сопровождающийся образованием молекул воды и выделени-
ем в окружающее пространство тепла и светового излучения, г. е.
возник и стал распространяться процесс горения. Так выглядит
схема возникновения и распространения процесса горения гомо-
генных газовых смесей с точки зрения молекулярно-кинетической
теории газов.
dN
РиС 1.3. .Максвелл — Больц.манов-
ский закон распределения скоро-
стей (энергий) между молекулами
Рис. 1.4. Зависимость чис-
ла активных молекул от
температуры газовой сме-
си и величины энергий
активации
1 — £акт~44 ккал/моль;
2 — 35 ккал/моль
Согласно законам статистической физики, в частности, в соот-
ветствии с законом Больцмана, доля молекул, имеющих энергию,
Е
близкую к Еакт, равна е Rr . Распределение энергии между хаоти-
чески движущимися молекулами подчиняется статистическому за-
кону Максвелл-Больцмановского распределения скоростей моле-
кул в газе (рис. 1.3). Поскольку при нормальных температурах
доля возбужденных молекул ничтожно мала, то число Эффектив-
на кт
ных соударений 7эфф ^Z\-2e яг будет мало, особенно при доста-
точно большом значении Еакт , порядка 25—50 ккал/моль, как это
имеет место для реакций горения. Порядок этих величин пример-
но' такой:
Т, К 288 500 1000 2000
е “^г6,7 • 10~34 7,7 - 10-20 2,8 • 10~10 1,7 • 10~5
(для Еякг — 44 ккал/моль). При комнатной температуре доля воз-
бужденных, химически активных молекул ничтожна, порядка
10—33. Поэтому реакция практически не идет. При повышении тем-
пературы она резко возрастает. При нагревании до 500 Кв 1014
раз, а при нагревании от 500 до 1000 К еще более, чем в милли-
ард раз. Графически зависимость доли активных молекул от тем-
пературы газовой смеси выше 1000 К и от численного значения
энергии активации Еакт показана на рис. 1.4. Число эффективных
соударений, равное
F Е
‘•акт акт
£ЭФФ = Zj_2e 7т“^8,3 • 1028е кт,
р
^-акт
получим, подставив численное значение е кт , приведенное вы-
ше, при
Т, К 288 500 1000
2эфф - 10-6 109 Ш19
Поэтому время полного реагирования смеси водорода с кислоро-
дом при температуре Т— 1000 К составляет величину порядка 1 с,
тр —1 с, так как число атомов водорода в 1 см3 п—1019 см—3.
Скорость химических реакций и скорость горения. Эти пара-
метры необходимо рассматривать с позиций конечных эффектов
химических превращений веществ, т. е. брутто-процессы. Если два
вещества (например, горючее и окислитель), условно Л и В, всту-
пают в реакцию, в результате которой образуются два новых ве-
щества, продукты горения, условно М и А7, и при этом возникает
какой-то тепловой эффект ±Q, то можно записать: Л + В^А! +
+ N±Q. В этом уравнении ставится знак (-*), так как реакции
горения, обратимые в том смысле, что при достаточно высокой
температуре происходит диссоциация продуктов горения. Знак
( + ) или (—) перед Q означает, что это экзотермическая или эн-
дотермическая реакции. Как известно, реакции горения, как пра-
вило, экзотермичны. Если концентрация реагентов и продуктов
реакции соответственно равны a, b, т, п, то можно записать, что
20
—— =/?; где k — константа равновесия. Этот коэффициент хаоак-
гпп
теризует соотношение компонентов в зоне реакции и по закону
Вант-Гоффа зависит от температуры и теплового эффекта
реакции:
din к Q
dT ~ RT* ’ (1 -6)
В процессах горения нас интересует и другая характеристи-
ка — скорость образования продуктов реакции и соответственно
скорость выделения тепловой энергии. Так как Q — это суммар-
ный тепловой эффект реакции, а интенсивность выделения тепло-
вой энергии , то интенсивность тепловыделения зависит от
dz
скорости протекания этих реакций, если режим горения кинети-
ческий, и от скорости образования горючей смеси, если режим го-
рения диффузионный.
Понятие скорости реакций горения. Скорость химических реак-
ций можно выразить через скорость превращения исходных ком-
понентов смеси или, наоборот, через скорость возникновения но-
вых веществ — продуктов реакции. Если изменение концентрации
С того или иного вещества в рассматриваемом объеме происходит
только в результате химической реакции, то скорость реакции
определяется по формуле
dC
w = ~ . (1.7)
Если наблюдать за концентрацией исчезающих реагентов (го-
рючего или окислителя), то скорость реакции будет соответствен-
da ds „ ,
но равна —— = —~ • а если за концентрацией образую-
щихся веществ, которая возрастает, то = и т. д. Так
dz dz
как реакции горения «обратимы» только в принципе, а при горе-
нии на пожаре, они, как правило, идут в сторону образования про-
дуктов горения и количества тепла, выделившегося в результате
реакции пропорционально количеству прореагировавших веществ,
dm
то численное значение скорости реакции w = есть в то же
dz
время и показатель скорости тепловыделения при горении:
dm dQ
Скорость протекания химических реакций горения зависит от
температуры, от химической природы реагентов, а также от кон-
центрационного состава смеси и давления.
Порядок реакции. Односторонние реакции (т. е. идущие в дан-
21
ных условиях только в одну сторону) различаются их порядком,
т. е. числом соударяющихся молекул.
Первый вид реакций — это мономолекулярные А = М -HV + ..
или реакции первого порядка. К ним относятся реакции разложе-
ния, когда сложная молекула вещества А распадается на две мо-
лекулы М и N (шли более). Например, так идет реакция разло-
жения озона О3 или распада ацетилена С2Н2.
Второй вид реакций — бимолекулярные Л-+-В = Л14-У + ...,
или реакции второго порядка, которые происходят лишь при со-
ударении двух различных молекул А и В. Например, реакции
окисления водорода Н2 + О2.
И наконец, тримолекулярные реакции Л+В + С=А1-ЬДО + ...,
или реакции третьего порядка, т. е. такие реакции, которые про-
текают лишь при одновременном соударении трех молекул. Реак-
ции более высокого порядка считаются невероятными, так как,
согласно молекулярно-кинетической теории газов, одновременное
соударение четырех молекул определенного вида считается мало-
вероятным.
Для этих трех типов реакций основной закон химии закон
действующих масс позволяет записать кинетические уравнения,
характеризующие скорость течения реакции в следующем виде:
для мономолекулярпой реакции:
dm dn
= к а или —— = к, а ,
а " d т 1
где к и К] — константы скорости реакции, которые зависят глав-
ным образом от вида реагента;
для бимолекулярной реакции:
dm
~~ = к а в ;
d т
для тримолекулярной реакции:
dm
—— = к а в с.
а т
Рассмотренные выше схемы механизма химических реакций и
краткие сведения о кинетике этих процессов предполагали, что в
зоне реакции в достаточном количестве (или в необходимом соот-
ношении) находятся оба реагента (в нашем случае — горючее и
окислитель). Именно для этого случая справедливы те количест-
венные соотношения, которые записаны для числа соударений мо-
лекул и для скорости протекания химических реакций в зависимо-
сти от температуры и концентрации реагентов, описываемой урав-
нением Аррениуса:
Е
® = к,>С?С?е ~ ят , (1.8)
22
где Са и Св— концентрации реагентов;
Vi и V2 — показатели порядка реакции.
В этом случае скорость химических реакций ш скорость самого
процесса горения зависит от кинетики химических реакций. По-
этому и сам процесс горения называется кинетическим.
Таким образом, скорость протекания химической реакции за-
висит не только от температуры, по и от давления в зоне реакции
и от состава смеси. Работников пожарной охраны интересуют, как
правило, процессы горения, происходящие при нормальном, атмос-
ферном давлении. Однако необходимо заметить, что в физике го-
рения установлено, что скорость химических реакций пропорцио-
нальна давлению в степени порядка реакции:
„ dm
для реакции первого порядка ---------~^р •
d 1 г
„ dm
для реакции второго порядка ---------р~ ;
d т *
. dm
для реакции третьего порядка --------.— ,р*
d т г
Роль и значение тепло- и массообмена в процессах горения.
Роль конвекции в механизме диффузионного горения при различ-
ных агрегатных состояниях горючего. Горение — это и есть не-
прерывный процесс тепловыделения, теплообмена и массообмена.
Более того, в современной зарубежной научной и технической ли-
тературе само горение называют иногда аэротермохимией, т. е.
химией в условиях интенсивных аэродинамических (массообмен-
ных) и теплообменных процессов.
Даже само химическое превращение веществ на молекулярном
уровне, с позиций молекулярно-кинетической теории строения ма-
терии, начинается с массообменных и теплообменных процессов:
молекулы соударяются, обмениваются энергией, и если энергия
соударения велика, происходит разрыв внутримолекулярных свя-
зей, перестройка молекул, обмен атомами между молекулами,
возникают новые химические соединения, а выделяющаяся при
этом тепловая энергия передается в окружающее пространство.
Она идет па тепловое возбуждение «ближайших» молекул, кото-
рые, в свою очередь, вступают в химическое взаимодействие, и це-
почка процесса реагирования продолжается. На этом уровне про-
цессы изучаются специальным разделом науки — химической фи-
зикой. Тем более существенны и очевидны процессы тепло- и
массообмена в горении при макрокинетическом рассмотрении
процессов горения. Процесс горения даже в однородной и изотер-
мической среде создаст неоднородность состава среды и поля
температур. Поэтому в зоне возникновения горения сразу возни-
кают процессы диффузии и теплопередачи. Даже в равномерно
перемешанной смеси горючего с окислителем, прогретой до одина-
ковой температуры, в момент воспламенения возникают повые
23
молекулы, которые по законам диффузии начинают распростра-
няться из зоны горения в окружающее пространство. Одновремен-
но с возникновением новых молекул — молекул продуктов горе-
ния, в зоне реакции выделяется тепловая энергия, которая создает
высокую температуру продуктов горения и начинает распростра-
няться в окружающее пространство на еще непрореагировавшую
горючую смесь, — возникает процесс теплопередачи, теплообмена.
Поэтому при исследовании процессов горения возникает необ-
ходимость решения нестационарных задач массо- и теплообмена и
химической кинетики в движущихся потоках, причем нередко —
в условиях турбулентности, вызванной самим процессом горения.
В простейшем случае (первоначально неподвижной и изотропной,
однородной среде) задача сводится к решению системы двух диф-
ференциальных уравнений:
Е
_^£= _^ = div|'— gradCTl — kaC'e ~ RT ; (1.9)
di di \T J
E
c„fd— = C„№- = div(>. grad T) + qk0C<e ~ RT . (1.10)
и d i 01
Решение нелинейной системы уравнений в общем виде пред-
ставляет исключительные математические трудности. Описание
реальных задач горения еще сложнее. Поэтому в процессе иссле-
дований приходится вводить определенные упрощения, сводя за-
дачу либо к стационарной, либо к изотермической, либо заменяя
аналитическое решение некоторых промежуточных уравнений под-
становкой экспериментально полученных результатов.
С точки зрения процессов массообмена особую роль в процес-
сах горения, особенно диффузионного горения, играют явления
конвекции. Именно конвективные потоки над зоной горения явля-
ются механизмом уноса горячих продуктов горения из зоны реак-
ции. Эти же конвективные потоки обусловливают приток свежего,
богатого кислородом воздуха из окружающего пространства в зо-
ну горения. Конвективные же потоки газов определяют интенсив-
ность процессов диффузионного горения, они формируют размеры
и форму факела пламени, температуру факела и другие парамет-
ры процессов диффузионного горения.
Особенно велико влияние конвективных потоков при горении
жидких и твердых горючих материалов.
Если при горении горючих газов газовоздушная смесь может
создаваться за счет кинетической энергии вытекающего газа
(рис. 1.5), то при горении сжиженных газов, горючих жидкостей
(рис. 1.6) и твердых горючих материалов (рис. 1.7) их пары и
продукты термического разложения, которые и вступают в реак-
цию горения над поверхностью жидкого или твердого горючего
материала, смешиваются с окружающим воздухом и образуют го-
рючую смесь только по механизму молекулярной и конвективной
24
диффузии. Причем количественно—конвективная диффузия на не-
сколько порядков интенсивнее молекулярной (более того, иссле-
дования в условиях невесомости, когда исключаются силы конвек-
Pic. 1.5. Схема
диффузионного
или диффузною
нс-кинетическо-
гс факела пла-
мени интенсив-
но вытекающе-
го горючего газа
/ — горючий
газ; 2 — под-
сасываемый воз-
дух; 3 — про-
дукты горения
Рис. 1.6. Схема диффузион-
ного режима горения горю-
чей жидкости со свободной
поверхности
1 — пары горючей жидко-
сти; 2 — воздух, подсасы-
ваемый в зону горения по
законам газовой конвекции;
3 — продукты горения
Рис. 1.7. Схема диффузион-
ного режима пламенного го-
рения твердых горючих ма-
териалов (на примере шта-
беля древесины)
1 — газопарообразные про-
дукты пиролиза ТЕМ; 2 —
воздух, подсасываемый в
зону горения по законам
газовой конвекции; 3 —
продукты горения
ции, показали, что диффузионное горение
ся вообще невозможным).
в невесомости становит-
Глава 2
МАТЕРИАЛЬНЫЙ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС
ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ
Основой горения является быстропротекающая химическая ре-
акци-я превращения исходных компонентов горючей смеси в про-
дукты горения, имеющая положительный тепловой эффект. Как и
любой другой химический процесс, горение подчиняется таким ос-
новным законам природы, как законы сохранения вещества м
энергии. Это позволяет расчетным путем определить количество
воздуха или другой окислительной среды, необходимое для горе-
ния веществ и материалов, объем и состав продуктов полного го-
рения, температуру горения и др.
! 25
§ 2.1» Уравнения материального и теплового баланса
процесса горения
При горении происходят активные соударения молекул горю-
чего и окислителя, в результате которых образуются молекулы
новых веществ, называемых продуктами реакции «или продуктами
горения, «и выделяется тепло:
k
п[{Г\ + п0\С\=^т,\ПГ\, + С)х„ , (2.1)
i 1
где [Г] — химическая формула горючего вещества;
[О] —- химическая формула окислителя;
[///Д— химическая формула i-ro вещества, образовавшегося
в результате реакции горения;
лг, n0, ntj —стехиометрические коэффициенты при соответствую-
щих веществах;
к— количество веществ, образовавшихся в результате
химической реакции;
Qx.p — тепловой эффект реакции горения, кДж.
Уравнение (2.1) является обобщенной записью материального
и теплового баланса любой химической реакции, в том числе и ре-
актив горения.
Следует иметь в виду, что в большинстве химических процес-
сов уравнение (2.1) отражает лишь исходное и конечное состоя-
ние реагирующей системы, но ни в коей мере не дает сведений о
тех путях и промежуточных фазах, через которые этот переход I
осуществляется. Поэтому уравнение (2.1) называется уравнением
суммарной реакции или брутто-реакцией. Для практических ана-
лизов и расчетов оказывается, как правило, достаточным рассмот-
рение только этого уравнения.
Главной особенностью реакций горения является то, что при I
их протекании выделяется большое количество тепла.
Одной из причин повышенной опасности горения на пожаре
является большой тепловой эффект, возникающее вследствие его
повышение температуры в зоне реакции и тепловое взаимодейст-
вие очага горения с окружающей средой (с расположенными
около него горючими материалами и веществами, со строительны-
ми конструкциями, с организмом человека, технологическими ап-
паратами, техникой и т. д.).
В расчете на единицу количества горючего вещества тепловой
баланс зоны горения можно записать так:
Qh + Qncx — Фнедож = фп.г QIIOt » (2.2)(
где Q„= —низшая теплота сгорания горючего вещества;
Пг
Qncx— количество тепла, поступающее в зону горения с
горючим веществом и окислителем;
26
Фнедож— количество тепла, не реализуемое в зоне горения
вследствие химического и механического недо-
жога;
Qn.r— количество тепла, затрачиваемое на нагрев про-
дуктов горения единицы количества горючего;
Quot — количество тепла, теряемое из зоны горения.
Слагаемые правой части уравнения (2.2) формируют специфи-
ческую обстановку пожара. За счет Qn.r , например, до сравни-
тельно высоких температур (5>1000°С) нагреваются продукты го-
рения, создающие опасность людям, прогревающие горящие и еще
нс горящие горючие вещества и материалы, а также строительные
конструкции до наступления предела их огнестойкости. Нагретые
до высокой температуры продукты горения создают конвективные
потоки, способствующие притоку воздуха к очагу горения и интен-
сифицирующие процесс распространения пожара, вплоть до пере-
носа горящих частиц и элементов пожарной нагрузки на большие
расстояния.
Потери тепла от зоны горения излучением также способствуют
прогреву горючих материалов и строительных конструкций, созда-
ют опасность перехода огня через противопожарные разрывы ме-
жду зданиями и сооружениями. Лучистый тепловой поток от оча-
га горения опасен также для людей и пожарной техники. Как по-
казывают расчеты, величина потерь тепла из зоны горения излу-
чением может достигать Qn01 = 0,4QH.
Большой практический интерес в уравнении теплового баланса
процесса горения (2.2) представляет величина Q п.г, т. е. то тепло,
которое расходуется на нагрев продуктов горения, на создание
температуры горения, а в конечном итоге — температуры пожара:
• Qn.r = Qu 4" Qhcx Qiieao» Quot • (2.3)
Величина Q1ICX определяется как теплосодержание горючего
и окислительной смеси, поступающих в зону реакции горения, и
составляет, например, для горения древесины в воздухе при
а* = 1 и Г = 293 К-~3% от QH. Для метана при тех же условиях
Qhcx <0,01 QH .
Количество тепла, не реализуемое вследствие химического и
механического недожога СНеДОж. зависит от вида горючего мате-
риала и условий горения, в частности, эта величина растет с уве-
личением количества воздуха, необходимого для полного сгора-
ния единицы количества горючего вещества, и изменяется в пре-
делах (5ч-25%) QH .
Таким образом, количество тепла, расходуемое на нагрев про-
дуктов горения, изменяется в зависимости от условий взаимодей-
ствия зоны горения с окружающей средой и может составлять
(0,4-5-1,0) Q,,.
* Определение а и его физический смысл см. § 2.2.
27
§ 2.2. Воздух, необходимый для горения веществ
и материалов. Избыток воздуха
Как правило, окислителем в процессах горения на пожаре яв-
ляется кислород воздуха. Поэтому для решения некоторых прак-
тических задач противопожарной защиты необходимо знать коли-
чество воздуха, требуемое для полного сгорания единицы количе-
ства различных веществ и материалов. Значения этой величины
нужны, например, для того, чтобы определить, какое количество
того или иного вещества может выгореть до самопроизвольного
потухания в замкнутом помещении, содержащем заданный объем
воздуха.
Минимальное количество воздуха (кмоль; м3), необходимое
для полного сгорания единицы количества горючего вещества
(1 кмоль; 1 кг; 1 м3), называется удельным теоретическим коли-
чеством воздуха и обозначается Кв0 . Численное значение этой ве-
личины для некоторых наиболее часто встречающихся горючих
веществ и материалов приведено в табл. 20 приложения.
При горении вещества в теоретическом количестве воздуха
происходит образование продуктов только полного горения и в их
составе отсутствует избыточный кислород.
Теоретическое количество воздуха (и любого другого окисли-
теля) рассчитывается по уравнению химической реакции горючего
с данной окислительной средой с учетом стехиометрических коэф-
фициентов. Например, смесь, состоящая из одного объема кисло-
рода и двух объемов водорода, сгорает с очень большой скоростью
(со взрывом), вследствие чего она известна под названием «гре-
мучей» смеси. Из уравнения 2Н24-О2 = 2Н2О видно, что соотно-
шение Vo : Ун = 1 : 2 соответствует составу стехиометрической
кислородно-водородной смеси.
Теоретическое количество окислительной среды определяется
из уравнения материального баланса процесса горения. В случае
горения веществ в воздухе уравнение (2.1) принимает вид:
к
пт [Г] 4-ла, |О2] + лО23,76 [\т2] —т,-\ПГ]( -J- по. • 3,76 [N2] 4-
i=l
+ Qx.p , (2.4)
где nr,2 —стехиометрический коэффициент перед кислородом;
3,76 — коэффициент, показывающий, сколько объемов азота
приходится в воздухе на один объем кислорода
/ 79 \
3 76= 21 .
\ 21 /
Для удобства расчетов теоретического количества воздуха для
горения всю совокупность горючих веществ разделяют на три
группы, для которых существуют некоторые особенности методики
решения этого уравнения:
28
индивидуальные химические вещества, состав которых выра-
жается химической формулой, например, СН4, СО, С3Н7ОН,
C6H50i?N и т. д.;
сложные смеси веществ, состав которых задается весовым про-
центным содержанием в них различных элементов, такие, напри-
мер, как древесина, торф, резина, керосин, нефть и т. д.;
смеси газов, такие, например, как природный газ, водяной газ,
генераторный газ, коксовый газ и др.
Горючее вещество — индивидуальное химическое соединение.
Для таких веществ теоретическое количество воздуха определяет-
ся непосредственно из уравнения (2.4) с использованием закона
Авогадро и следствия из него. Теоретическое количество воздуха
можно рассчитать в кмолях на 1 кмоль горючего или в м3 на 1 м3
горючего газа или пара по формуле
.14° =4,76 3 ,
а в м3 на 1 кг горючего по формуле
4.76 3 Ге
(2.5)
(2.6)
4,76 — количество воздуха, кмоль (м3), в котором содер-
жится 1 кмоль (м3) кислорода;
1',—объем одного киломоля воздуха при заданных ус-
ловиях:
где Т -температура, К;
Ро — нормальное давление (101325 Па);
То — нормальная температура (273 К);
р—давление, Па;
Л4(г) — вес одного киломоля горючего, кг/кмоль.
Формула (2.5) справедлива лишь для случая, когда горючий
газ (пар) и воздух находятся при одних п тех же условиях. При
других условиях формула принимает вид-
V н = 4,76 ?
(2.8)
где V*0®* — объем 1 кмоля газа пр|и температуре и давлении, при
которых находится воздух, расходуемый на горение,
м3/кмоль;
— объем 1 кмоля газа в условиях, при которых нахо-
дится горючий газ (пар), м3/кмоль.
Пример 1. Определить объем воздуха, необходимый для полного сгорания
бензола и его паров при Г = ЗОО К и р=90 000 Па в следующих размерностях:
кмоль/кмоль; м3/м3; м’/кг.
Решение. В расчетные формулы (2.5) — (2.7) входит величина 3. Для
определения которой необходимо знать стехиометрические коэффициенты п02 и
лг , поэтому запишем уравнение реакции горения бензола в воздухе:
С,;Н6 4- 7,5 О2 4- 7,5 • 3,76xV2 = 6СО24-ЗН»О4-7,5 • 3.76N-. 4- Qx.p .
7,5
Откуда ,1 = — =7,5. Тогда из уравнения (2.5)
Р°= 4,76.7,3=35,7 кмоль,-кмоль (м3/м3).
Для использования формулы (2.6) найдем V/ и Afr:
22,4.300-101325
273,15-90000
=27,69 м3/кмоль;
Л4Г = 12-6+1 - 6 = 78 кг/кмоль.
и 4,76-7.5-27,69 „ ,
Тогда V' =----------------- =12,67 м3;кг.
0 78
Горючее — сложная смесь веществ. К этому типу веществ от-
носятся различные естественные и искусственные полимерные ма-
териалы, такие, как древесина, торф, каменный уголь, нефть и
продукты се переработки, резина, пластмассы и др. Состав таких
веществ определяется по известным методикам в лабораториях и
выражается, как правило, весовым процентным содержанием в
них химических элементов. Для распространенных горючих мате-
риалов — это С, II, О, S,N. Кроме этого, в состав горючих мате-
риалов входят также влага (Й7) и зола, неорганический остаток
(Л). Например, вещество состава: С = 50%, Н = 5%, S=5%,
0=10%, N=10%, U7=10%, .4=10% показывает, что в 1 кг ве-
щества содержится 0,5 кг углерода, 0,05 кг водорода, столько же
серы, по 0,1 кг кислорода и азота, а также по 0,1 кг влаги и
золы.
Кислород воздуха при горении таких веществ будет расходо-
ваться на окисление С, II и S, причем следует при этом учиты-
вать, что кислород, содержащийся в веществе, уже использован
на их частичное окисление. Таким образом, общий объем воздуха,
необходимый для горения единицы массы вещества, будет склады-
ваться из объемов воздуха, необходимых для горения каждого
из названных элементов, за вычетом объема воздуха, соответству-
ющего количеству кислорода, содержащегося в веществе:
, (2.9)
где Vв(с),(н),(м— количество воздуха, необходимое для горения еди-
ницы массы соответствующего элемента, м3/кг;
Тв(о)— количество воздуха, в котором содержится 1 кг
кислорода, м3/кг;
С, II, S, О — содержание соответствующего элемента в горю-
чем веществе, весовые проценты.
30
Величины Vb|c),(h),(s) определим по формуле (2.6). Для этого,,
составив уравнения реакций nix горения, найдем коэффициенты
лг и
С+О2=СО2; Н2 + 0,502 = Н20; S + O2 = SO2;
«С = 1 ; «Ог = 1 : «н = 1 ; «о. = °’5 > = 1 ; пО2 = 1 ;
? (с) = 1 ?(н) = 0,5 p(S) = 1
1/0 4,76. Wt .,о 4,76 • 0,5Vf 1/0 4,76 . 1F/
Тогда VB(C) =------------- ; V в(н)--------------; 1/^=-------------- .
1
Величину V Jo) определим из следующих соображений: 1 кмоль
О2 (32 кг) занимает объем V t, м3. Так как в воздухе на каждый
объем кислорода приходится 79:21=3,76 объема азота, то 32 кг
кислорода будут содержаться в 4,76 • Vt , м3. Тогда
VB°(O) =
4,76 ТТ
32
Подставляя полученные значения VB(C), VjH), V£(s) и VB°(0)
в уравнение (2.9), получим:
V°B =
4,76 • Vt /С . . S— О\
I “4" 11 “Т" I
4 . 100 \ 3 8 )
(2.10)
Для нормальных условий, когда Vt =22,4 м3/кмоль, уравне*
вне (2.10) примет вид:
(2.11)
Пример 2. При проведении экспертизы пожара в замкнутом помещении
объемом 100 м3 выяснилось, что в результате сгорания торфа состава: С = 40%,
Н=4%, 0=10%, N=16%, А=15%, U"=I5% концентрация кислорода снизилась
до 16%. Для определения ориентировочного времени начала пожара необходи-
мо рассчитать количество сгоревшего вещества, если Т =300 К, а р = 90000 Па.
Решение. 1. Считая, что изменение концентрации кислорода в среде
помещения происходило только за счет его расходования на горение, определим
объем израсходованного на горение воздуха и приведем его к нормальным ус-
ловиям:
у = У„ом(21 — ?112) 4,76 А,Т = 100-5-4,76- 101325-300 =29 4 м3
я
100 То р 100-273,15-90000
2. По формуле (2.11) найдем удельное теоретическое количество воздуха
п /40 10 \
горения торфа: V® =0,267 (— 4-4 — — =4,29 м3/кг.
\ 3 8 /
3. Определим количество сгоревшего торфа:
FB 29,4 сос
—— = —— =6,85 кг.
vo 4,29
г в
31
Горючее вещество — смесь газов. Объем воздуха, необходи-
мый для полного сгорания смеси газов, можно определить по
формулам (2.5) или (2.7). Для этого необходимо провести расчет
для каждого компонента смеси отдельно и полученные результа-
ты сложить. Когда газовая смесь и воздух находятся в одинако-
вых условиях, объем воздуха, необходимый для полного сгорания
смеси газов, определяется по формуле:
4 76 л
100
п
-О' т' ) — то
\ <= 1 *
Г°2> - —---------------
(2.12)
где ф/— содержание i-ro горючего компонента в газовой сме-
си, объемные проценты;
п — количество горючих компонентов в газовой смеси;
— содержание кислорода в газовой смеси, объемные
проценты.
Пример 3. Для определения температуры среды в помещении па момент
прекращения горения необходимо рассчитать количество газовой смеси (м3)
состава:
?СН4=6Й. ?со=Ю%. ?м=10%, то2=10%’ ?со2=10%.
выгоревшей в помещении объемом 750 м3, если известно, что горение прекра-
тилось при концентрации кислорода' 1 /%. Разбавлением среды продуктами го-
рения пренебречь, считать, что изменение концентрации происходило только за
счет расходования кислорода на горение.
Решение. 1. Определяем объем воздуха, израсходованный на горение:
21__~ост
Vn = Упом------2k 4,76= 142.8 м3.
100
По формуле (2.12) находим объем воздуха, необходимый для полного
сгорания I м3 газовой смеси, написав предварительно уравнения реакций горе-
ния горючих компонентов и определив ,3/. ‘
СЫ4 + 2О2= СО2 + 2Н?О;
2СО + О2=2СО2;
Зсщ=2: 1 = 2;
,’СО= 1 : 2 = 0,5;
ио = 2-60 + 0,5- 10-10
=5,48 м’.’м3.
3. Определим количество сгоревшей смеси:
Формулы (2.5), (2.6), (2.7), (2.8), (2.10), (2.11), (2.12) можно
использовать для расчета объема окислительной среты, необхо-
32
димого для полного сгорания веществ, содержание кислорода в
которой отличается от 21%:
Ус’реды = V° --'°0-- = VS — , (2.13)
4’7b ro2 ?°2
где У°— объем воздуха, рассчитанный по формулам (2.5), (2.6),
(2.7), (2.8), (2.10), (2.11), (2.12);
<р0, — содержание кислорода в окислительной среде, объем-
ные проценты.
Пример 4. Для анализа пожаркой опасности помещения, содержащего среду
с повышенным содержанием кислорода, нужно найти объем окислительной
среды, состоящей из 50% О2 и 50% N», необходимый для полного сгорания
1 кг бензола при 7=300 К и р = 90000 Па.
Решение. Объем окислительной среды определим по формуле (2.13),
взяв значение V° из примера 1:
21
;4 Череды =12,67 —— =5,32 м3/кг.
i Dv
Избыток воздуха. В реальных условиях количество поступаю-
щего в зону горения воздуха отличается от теоретически требуе-
мого для полного сгорания горючего вещества. Для характеристи-
ки степени обеспеченности зоны горения окислителем (воздухом)
вводят понятие коэффициента избытка воздуха а„,
который показывает, во сколько раз объем воздуха, поступающий
в зону горения, больше объема воздуха, теоретически необходи-
мого для полного сгорания единицы кол1ичества горючего веще-
ства:
упр
ав=— , (2.14)
где Увр—объем воздуха, поступающий в зону горения па еди-
ницу количества горючего вещества, кмоль/кмоль;
м3/кг; м3/м3.
В случае кинетического горения при У^’Р = Уэв и ав = 1 смесь
горючего с воздухом является стехиометрической. При ав<1 —
смесь богатая, характерной чертой процесса горения является об-
разование продуктов неполного горения. При ав >1 — смесь
бедная и часть воздуха, не израсходованная на горение (избыток
воздуха), переходит в продукты горения:
Д 1/в = 1/впр _ 17° = У°(а _ I) . (2.15)
Существуют предельные значения коэффициента избытка воз-
духа ctmin и amax , соответствующие смесям горючего с воздухом
предельного состава. Минимальный коэффициент избытка воздуха
amin соответствует верхнему концентрационному предел)7 воспла-
3—4609 fe 33
менения, a amax — нижнему концентрационному пределу воспла-
менения. Для парогазовоздушных смесей их значения могут быть
вычислены по формуле
1оо_э
Яппп(тах) — ----‘В * (2.16)
Vb ?в(н)
где фВ(н)—соответственно верхний или нижний концентрационные
пределы воспламенения горючего в смеси с воздухом,
объемные проценты;
•V°— теоретический объем воздуха, необходимый для полно-
го сгорания единицы количества горючего, кмоль/кмоль,
М3/М3.
Если известно содержание кислорода в продуктах горения, то
ав можно оценить по формуле
где <р"-г — концентрация кислорода в продуктах горения, объем-
иые проценты.
Несмотря на то, что в реальных условиях горения на пожаре
в помещениях коэффициент избытка воздуха брутто-процесса, как
правило, превышает единицу, имеет место образование продуктов
неполного горения. Это связано с тем, что в контакт и реакцию
горения с горючими веществами за счет молекулярной и мольной
(турбулентной) диффузии вступает только часть поступающего в
помещение воздуха, а остальной воздух смешивается с продукта-
ми горения.
Следует подчеркнуть, что достаточно строго прогнозировать
параметры процесса горения, например, объем и состав продуктов
горения, температуру, можно только для горючих смесей, коэффи-
циент избытка воздуха которых удовлетворяет условию а>1. Для
богатых смесей такого анализа провести не удастся из-за слож-
ности кинетики образования продуктов неполного горения.
§ 2.3. Объем и состав продуктов горения веществ
и материалов
Продукты химической реакции взаимодействия горючего веще-
ства с окислительной средой называются продуктами горения.
Различают продукты полного и неполного горения. В том случае,
когда в зону реакции горения окислительная среда поступает в
количестве, достаточном для полного окисления компонентов го-
рючего вещества (ав =1), образуются продукты полного горения,
34
в состав которых входят такие вещества, как СО2, пары Н2О,
SO2, N2. Так как в условиях пожара окислительной средой являет-
ся воздух, то, кроме азота, образующегося в результате химичес-
кого превращения горючего, в состав продуктов горения всегда
будет входить азот, поступающий в зону горения вместе с кисло-
родом воздуха. В случаях, когда в зону горения поступает больше
воздуха, чем его требуется для полного сгорания горючего
(а>1), в состав продуктов горения будет входить кисло-
род. Если в зону горения поступает воздуха меньше, чем необхо-
димо для полного сгорания горючего вещества, образуются про-
дукты неполного горения, к которым относятся окись углерода,
углерод (сажа), различные продукты термоокислительного разло-
жения исходного горючего вещества.
При горении веществ и материалов при условии а>1 можно
рассчитать состав и объем продуктов горения, который необхо-
дим для определения температуры горения веществ и материалов.
В общем случае объем продуктов горения определяется по
формуле
Vn.r= Г + Д , (2.18)
где V® г—теоретический объем продуктов горения, кмоль/кмоль,
м3/кг; м3/м3;
AVB—избыток воздуха, кмоль/кмоль; м3/кг; м3/м3.
Расчетный объем продуктов горения определяется также для
трех различных групп веществ и материалов.
Горючее вещество — индивидуальное химическое соединение.
Объем продуктов горения так же, как и воздуха для горения оп-
ределяется из уравнения химической реакции (2.4), только все
соотношения берутся между количеством горючего и образующи-
мися в результате реакции продуктами горения. Например, для
расчета количества продуктов горения в киломолях на 1 кмоль
горючего используется формула
к «л
С„° Г = S+ 3,76 —г ; (2.19)
пг пг
в м3 на 1 кг горючего — формула
(к \ V"-г
2—+3,76 -^77- ; (2.20)
i-1/lr Пг]М(г)
а в м3 на 1 м3 горючего газа или пара — формула
где V'1-1’— объем 1 кмоля газа при температуре и давлении про-
дуктов горения, м3/кмоль. Остальные условные обо-
значения аналогичны обозначениям, принятым в фор-
мулах (2.1), (2.4), (2.5)4-(2.8).
Пример 5. Определить объем и состав продуктов горения бензола и его
паров в кмоль/кмоль; м3/м3; м3/кг, если ав=1,5, Тп. г =1600 К и р = 90000 Па.
3* 35
Решение. Объем продуктов горения определим по формуле (2.18)
Vn. г = К°п. г 4- Д VB .
1. Для расчета V® г воспользуемся формулами (2.19) н-(2.21) и уравне-
нием реакции горения бензола в воздухе из примера 1. Из уравнения реакции
можно записать:
WCQ, = 6’ '"н.о = 3; «Г = 1; ЯОа = 7,5 .
2. Найдем расчетный объем продуктов горения по уравнению (2.19)
^п. г = -р(СО2) + ~ (Н2О) -f- -------j-----—(No) = 37,2 кмоль/кмоль .
3. Определим избыточный объем воздуха по формуле (2.15), взяв значение
из примера 1 : Д Рв =35,7(1,5—1) = 17,85 кмоль/кмоль.
6-100
----- =10,9%;
4. Рассчитаем общий объем продуктов горения по формуле (2.18) Vn. г=
= Уп.г“Ь^ VB =37,2 + 17,85=55,05 кмоль/кмоль.
Таким образом, при сгорании 1 кмоля бензола при а =1,5 выделится
55,05 кмолей продуктов горения, имеющих следующий состав:
а VCOi . 100
•со^ =------------
V п. г
_ vH 0. 100
--------------
’ П. Г
55,05
3-100
----- =5.45%;
55,05
4-Д^в • 0,79) 100 (3,76 • 7,5+17,85 • 0,79) 100
----------—!------ =---------------------------- =76,8%;
Vn. г 55,05
АУВ - 0,21 - 100 _ 17,85-0,21 - 1ОО
Vn. г “ 55,05
=6,85%.
Для нахождения объема продуктов горения в м3/кг и м3/м3 определим
объем кнлограммоля газа при условиях, в которых находятся продукты го-
рения:
22,4- 1600- 101325
273 • 90000
= 147,8 м3/кмоль.
Тогда в соответствии с (2.20):
1-’° г= Г-Г (СОд + 4 (Н2О) + 3,76 •7,5 (N2)l =70.5 М-/КГ.
L 1 I 1 ] / о
Избыток воздуха определим по формулам (2.15) и (2.6):
4,76-7,5-147,8
-----—--------- (1,5^1)=33.8 м3/кг.
1 • / О
Общий объем продуктов горения составит:
Уп. г =70,5+ 33,8= 104,3 м3/кг.
Считая, что пары бензола имеют нормальную температуру (273 К), опре-
делим теоретический объем продуктов горения в м3/м3 по формуле (2.21):
”. - [т ™ + т »« - —«м I
36
Для расчета избыточного объема воздуха используем уравнения (2.15)
и (2.8):
ДГВ=
4,76 • 7,5 • 147,8
22,4
(1,5—1 ) = 117,7 м3/м3.
Тогда Vn. г=218,14-117,7 = 335,8 м3/м3.
Горючее вещество — сложная смесь химических соединений.
Общий теоретический объем продуктов горения таких веществ
будет складываться из объема продуктов, выделяющихся при сго-
рании каждого (из элементов, входящих в состав горючего. Для
расчета запишем уравнения реакции горения углерода, серы, во-
дорода и определим объем продуктов горения:
С + О2 + 3,76 N2 = СО2 4- 3,76 N2 ;
S 4- О2 4- 3,76 N2 = SO2 + 3,76 N2 ;
Н2 4- 0,5 О2 4- 0,5 • 3,76 Na = Н2О 4- 0,5 • 3,76 N2 .
Другие компоненты этих веществ N, UZ, А, О к горению не
способны, однако следует учитывать, что влага и азот вещества
будут переходить в продукты горения, а содержание кислорода в
Таблица 2.1
Компонент горючего вещества Объем продуктов горения (м3) на 1 кг компонентов
СО2 Н2О so, n2
22,4 3,76.22,4
Углерод (С) = 1,86 —• =7
12 12
22,4 0,5.3,76 • 22,4
Водород (Н) — 2 -1U 2 -21
Сера (S) — 22.4 =0,7 32 -2,63 32
Влага (W) — 22,4 —7—= 1,24 18 —
Азот (N) «to. to« . 22,4 =0.8
28
Кислород 3,76.22,4
(О) =—2,63 32
веществе будет снижать расчетный объем азота в продуктах го-
рения. Таким образом, в теоретический объем продуктов горения
будут входить:
СОг, образующийся при горении углерода;
37
водяной пар, образующийся при горении водорода и 'испаре-
нии влаги;
SO2, образующийся при горении серы;
N2, образующийся из горючего вещества и переходящий в про-
дукты горения из воздуха, расходуемого на горение элементов
С, Н si S.
Для нормальных условий объемы продуктов горения основных
компонентов сложных веществ приведены в табл. 2.1.
Таким образом, теоретический объем продуктов горения веще-
ства сложного химического состава при нормальных условиях
можно определить из следующих выражений:
1/002 = 1,867^; (2.22)
IW
Н W
1/и2°= 11,2 Joo + l,24ioo ; (2.23)
S
l/so2 = 0,7 1-53 ; (2.24)
Vn2 = 0,01 [7G + 21Н 4- 0,8N 4- 2,63(S — О)] (2.25)
или
N
VS2 = 0,79 к0 + 0,8-j^. (2.26)
1 w
где С, H, S, N, О и IF — содержание соответствующих элементов
и влаги в горючем веществе, весовые
проценты.
Пример 6. Определить состав и количество (м3) продуктов горения при
горении 1 кг керосина состава: С=85%, H=ll%, S=0,5%, 0=1%, N= 1%,
№=1,5%, если температура продуктов горения составляет 130О°С, давление
101325 Па, а коэффициент избытка воздуха ав=1,5.
Решение. 1. Используя формулы (2.22) 4-(2,26), определим расчетный
объем продуктов горения:
85
Усо3=1,86 ---- =1,58 м3/кг:
100 '
11 1.5
Vh,0=11,2 ----+ 1,24 —-— =1,24 м3/кг;
100 100
О 5
Vso. =0,7 —:— =0,0035 м3/кг;
100 '
VR =0,01(7 -85+21 - 11+0,8-1+2,63(0,5—1)] = 8,263 м3/кг;
V “ r= 1,58 +1,24+0,0035 + 8,263 = 11,087 м3/кг.
2. По уравнениям (2.15) и (2.10) рассчитаем избыток воздуха:
38
ДУВ = V° (i — l) = 0,267
1,5 —
=0.266
85
5.24 м3/кг.
8
3. Определим общий объем продуктов горения при нормальных условиях:
Гп. г = Г°.г +AVB =11,087 + 5,24 = 16,33 м3/кг.
4. Найдем процентный состав продуктов горения:
?СО3 =
Vco, -ЮО 1,58-100
Ип. г 16,33
=9,68%;
1,24- 100
ФН3О=------------
т ' 116,33
=7,6%;
_ 0,0035-100
tS°j ~ 16,33
= 0,02%;
5,223-0,21 • 100
<?О2 =
16,33
=6,72%;
. (8.236 + 5.223 • 0,79) • 100
<₽Na —------------------------------
16,33
= 75,79%.
5. Приведем объем продуктов горения к заданным условиям
tr=1300°C, р = 101325 Па:
|Ar-Vn.r^_A> =16.зз
Т’о Р
(1300 + 273) - 101325
273-101325
=94,1 м3/кг.
Горючее вещество — смесь газов. Объем и состав продуктов
горения для смеси газов определяются по уравнению реакции го-
рения для каждого горючего компонента, входящего в смесь. Не-
горючие компоненты смеси переходят в продукты горения, а со-
держание кислорода в смеси снижает количество азота в них.
Пример 7. Определить объем и состав продуктов горения 1 м3 газовой
смеси состава: ?с.Н..=50%, <рсо =10%, ?h2s =10%.?со1 = 10%, ?N, =10%, =
= 10%, если избыток воздуха составлял 40% , а температура продуктов
горения 1000°С. Давление нормальное. Температура газовой смеси 20°С.
Решение 1. Запишем уравнения реакций горения горючих компонентов
смеси в воздухе:
С2Н2+ 2,5О2 + 2,5 • 3,76N2= 2СО2 + Н2О+2,5 • 3,76 N2;
С0+0,502 + 0,5 • 3,76N2= СОг+0,5 • 3,76N2;
H2S +1,502 +1,5 • 3,76Х2=Н2О + SO2 +1,5 • 3,76N2.
39
2. Найденные объемы продуктов горения для различных газов смеси при-
ведены в табл. 2.2.
Таблица 2.2
Компонент смеси Содержание в 1 м3 Объем продуктов горения, м3
СО2 Н£) SOs n2
С2Н2 0,5 2.0,5 1 .0,5 - 2,5.3,76.0,5
СО 0,1 1 .0,1 — —— 0,5.3:76.0,1
H2S 0,1 — 1.0,1 1 . 0,1 1,5.3,76.0,1
СО2 0,1 0,1 I—.
N3 0.1 — — — 0,1
о2 0,1 — — — —3,76.0,1
Итого 1,0 1,2 0,6 0.1 5,18
Таким образом, при сгорании 1 м3 газовой смеси образуются продукты
горения, состоящие при 20°С и нормальном давлении из 1,2 м3 СО*, 0,6 м3 Н2О,
0,1 м3 SO2 и 5,18 м3 Ns.
3. Кроме того, в состав продуктов горения будет входить избыток воздуха:
найдем по формуле (2.12)
_,о 2,5* 50+0,5 • 10+1,5-10—10
--------------=6,43 м3/м«;
21
Vn.r= 1,2+0,6 + 0,1+5,1.8+6,43(1,4—1) =9,65 м3'м3.
4. В процентном отношении продукты горения будут состоять из:
?СОа =
У со,
100 =
У п. г
1,2- 100
9|.65
= 12,43%;
0,6- 100
= 6,21%;
0,1 • 100
<psoa = —— =1,04%;
0,6э
?N,=
5,18 + 0.79-2,57
9,65
100 = 74,72%;
0,21 -2,57- 100
f°J “ 0,65
= 5,6%.
5. При температуре горения объем продуктов горения составит:
= 9 65 I273'101325
273-101325
=41,9 mW-
Дым. При горении веществ и материалов в условиях реальных
пожаров, кроме газообразных продуктов полного и неполного го-
40
рения, .могут образовываться различные твердые и жидкие части-
цы, такие, как смола, оюислы, соли, вода и др.
Дисперсная система, состоящая из мельчайших твердых и
жидких частиц (дисперсной фазы), взвешенных в дисперсионной
газообразной среде (продуктах горения), называется дымом.
Размер частиц дисперсной фазы дыма колеблется в пределах
(10-8-и 10-5) м.
Эти частицы, обладая малой массой и высокой удельной по-
верхностью, медленно оседают в дисперсионной среде, что делает
систему устойчивой. Их размеры соизмеримы со средней длиной
свободного пробега молекул, поэтому устойчивости системы спо-
собствует броуновское движение, в котором находятся частицы
под действием ударов молекул. В этом случае говорят о кинети-
ческой устойчивости дыма. Кроме этого, дым как дис-
персная система обладает агрегативной у с т о й ч in в О с т ь ю„
которая возникает за счет наличия на частицах одноименного
электрического заряда. Этот заряд частицы могут приобретать при
трении о дисперсионную газовую среду или за счет адсорбции! об-
разующихся в зоне горения тонов. Одноименные заряды частиц
препятствуют их коагуляции, слипанию, созданию из мелких ча-
стиц более крупных образований, способных к интенсивному осе-
данию, т. е. способствуют сохранению кинетической устойчивости
дыма.
Дым, образующийся при пожарах, представляет большую опас-
ность по следующим причинам:
высокая температура;
токсичность некоторых продуктов горения и термоокислитель-
ного разложения, входящих в его состав (HCN, СО, НС1, Na2O,
СО2 и др.);
непрозрачность дыма, снижающая видимость и затрудняющая
действия людей при пожаре;
возможность образования продуктами термоокислит^тыюго-
разложения и неполного горения, входящими в состав дыма, взры-
воопасных смесей с воздухом.
Таким образом, опасность дыма обусловливается как его дис-
персной фазой, так и компонентами, входящими в его дисперси-
онную среду. Так, дым, выходящий непосредственно из зоны реак-
ции, может иметь температуру более 1000°С, а критической тем-
пературой среды, в которой человек может пребывать длительное
время, является температура 60°С.
Наличие в составе дисперсионной среды дыма таких газов, как
HCN, НС1, СО, делает его опасным для вдыхания даже при низ-
ких концентрациях. Так, вдыхание воздуха, содержащего 0,4% СО
в течение 300 с, приводит к летальному исходу. Содержание СО?
в продуктах горения также делает дым опасным: пребывание в
атмосфере с концентрацией 8-т-10% двуокиси углерода вызывает
быструю потерю сознания и смерть. В продуктах горения, как
видно из примеров 5ч-7, этого газа содержится 10-4-12%.
4t
Существует несколько способов борьбы с дымом, снижающих
его устойчивость. К ним относятся использование распыленных
водяных струй, при этом снижается температура дыма, увеличи-
вается его влажность, происходит нейтрализация заряженных ча-
стиц, их слипание и снижение агрегативной и кинетической устой-
чивости дисперсной системы. Кроме этого, борьба с дымом может
осуществляться путем его механического удаления из задымлен-
ных помещений с помощью дымососов или созданием естествен-
ных конвективных потоков, например, с помощью дымовых люков.
§ 2.4. Теплота горения
Основная доля тепла поступает в зону горения за счет тепло-
выделения химической реакции горючего с окислителем. Вещества
при сгорании выделяют различные количества тепла. Количество
тепла, выделяющегося при сгорании единицы количества вещества
с образованием продуктов полного горения, называется тепло-
той горения (кДж/моль, кДж/кг, кДж/м1 * 3). Различают низ-
шую и высшую теплоту горения.
Высшая теплота горения предполагает реализацию скрытой
теплоты конденсации паров воды, входящих в состав продуктов
горения.
Низшая теплота горения реализуется, когда вода в продуктах
горения остается в виде паров.
Так как в условиях пожаров продукты горения имеют, как пра-
вило, температуру, превышающую температуру кипения воды, в
дальнейшем будем оперировать только низшей теплотой горения
'Q,,. Для некоторых горючих веществ значение Qlt приведено в
табл. 11 приложения. Существуют и расчетные методы нахожде-
ния этой величины, отличающиеся для различных классов ве-
ществ.
Горючее вещество — индивидуальное химическое соединение.
Для этого класса веществ низшую теплоту горения определяют
по закону Гесса, записав предварительно уравнение реакции го-
рения вещества. При горении индивидуального вещества в возду-
хе расчетное уравнение будет иметь вид
1 (ДЯ/п. г m) — А Я / пг
Qn = -Ь2------—----------- , (2.27)
лг
где г » ‘—соответственно стандартные теплоты
образования i-ro продукта горения и
горючего, кДж/моль;
пг и mi —стехиометрические коэффициенты в
уравнении реакции горения.
42
Эти величины для большинства веществ приведены в термо-
динамических справочниках.
При «использовании формулы (2.27) следует помнить, что стан-
дартные теплоты образования простых веществ (О2, N2 и т. д.)
равны нулю.
Пример 8. Рассчитать по закону Гесса низшую теплоту горения бензола
(кДж/моль, кДж/кг, кДж/м3).
Решение. 1. Запишем уравнение реакции горения бензола в воздухе:
CsH6 + 7,5О2 + 7,5 • 3,76N2, =6СО2 + ЗН2О + 7,5 • 3,76N2 ,
откуда
^cOj= 6; тн2о =3; лг = 1.
2. Уравнение закона Гесса для этого случая будет выглядеть так:
Qu = 6 Д + 3 о .
Значения величиныД/// для СО2, Н2О и С6Нв возьмем из табл. 16 прило-
жения:
QH =6 • 396,9+3 • 242,2—(—34,8} = 3142,8 кДж/моль=
= 3142,8 • 103 кДж/кмоль.
3. Низшую теплоту’ сгорания 1 кг бензола найдем, исходя из закона Аво-
гадро и определения киломоля. При сгорании 1 кмоля = 78 кг выделяется тепла
3142,8-Ю3 кДж; при сгорании 1 кг выделяется тепла Q'н кДж:
л 31'42,8 - 1О3
Q’H=-----—------=40292,3 кДж/кг.
4. Теплоту’ сгорания 1 м3 паров бензола при нормальных условиях опре-
делим, используя следствие из закона Авогадро. При сгорании 1 кмоля = 22.4 м3
паров выделяется тепла 3142,8-Ю3 кДж. При сгорании 1 м3 паров выделяется
тепла Q"H кДж:
3142,8-103
Q”н=-----—------=140303,6 кДж/м3.
Горючее вещество — сложная смесь химических соединений.
В этом случае для определения низшей теплоты горения исполь-
зуется формула Д. И. Менделеева (1.1).
Пример 9. Определить по формуле Д. И. Менделеева низшую теплоту горе-
ния 4-метил-5-3 оксиэтилтиазола (CeHuONS).
* Так как необходимо определить низшую теплоту’ горения, величину Д/7*цю
выбираем для газообразной воды. 7
43
к Определим весовом состав вещества:
Л1=12-6+1 -9+1 • 16+1 • 14+1 • 32=143 у. е. — 109%;
12-6 — С%;
1-9 — Н%;
1-16 — 0%;
1-14 — N%;
1-32 — S%.
„ 12-6-100 n, 1-9-100
откуда С= -------—------= 50,3%; Н = ------—------=6,3%;
14-0 143
1 • 16- 100
О =------------
143
= 1'1,2%; N =
1-14-100
143
= 9.8%;
1-32-100
143
= 223%.
2. Определим низшую теплоту горения вещества:
QH =339,4 • 50,3+1257 • 6.3—108,9 (11,2+9,8—22,4)—25,1 (9 • 6,3+0) =
= 23720,2 кДж/кг.
Горючее вещество — смесь газов. В этом случае теплота горе-
ния определяется как сумма теплот сгорания горючих компонен-
тов смеси:
(2.28)
где QH/ — низшая теплота сгорания /-го горючего компонента га-
зовой смесн, кДж/м3; кДж/моль;
ср/— содержание /-го горючего компонента в газовой смеси,
объемные проценты;
/ — число горючих компонентов газовой смеси.
Величины можно определить из справочников или рас-
четом.
Пример 10. Определить низшую теплоту сгорания (кДж/м3, кДж/кмоль)
газовой смеси, имеющей следующий состав:
?СО=20%- ?Н,= 10%> ?СН, = 2|°1%’ Тс,Нив20|%’ ?со2=,0%>
Фи., = Ю%, зо= 10%. Условия нормальные.
Решение. 1. Из справочника определяем теплоты сгорания компонентов:
QhC0 = 12650 кДж/м3; QhHj= 10770 кДж/м3;
9ИСН. =35820 кДж/м3; Q(ICjH =63690 кДж/м3.
44
2. По формуле (2.17) находим теплоту сгорания 1 м3 смеси:
Qn“ = 12650 — 4- 10770 — + 35820 — 4- 63690 — = 23509 кДж/м3.
100 100 100 100
3. Теплоту сгорания 1 моля газовой смеси найдем, используя следствие из
закона Авогадро (1 кмоль газа при нормальных условиях занимает объем
22,4 м3):
23509 • 22,4
Q'и =---—----- =526,6 кДж/.моль.
§ 2.5. Температура горения
Часть тепла, выделяющегося в зоне горения, расходуется на
нагрев продуктов горения. Максимальная температура, до кото-
рой нагреваются продукты горения, называется температурой
горения.
Учитывая, что теплоемкости продуктов горения несущественно
отличаются от теплоемкостей исходных веществ, можно записать:
Лор == Л + г~Оисх . (2.29)
где Ггор — температура горения, К;
То — начальная температура горючего и окислителя, К;
0п. г — количество тепла, затраченное на нагрев продуктов
горентя, кДж/моль, кДж/кг; кДж м3;
Qhcx — количество тепла, поступившее в зону горения с го-
рючим и окислительной средой, кДж/моль, кДж/кг,
кДж/м3;
Vn. г. —объем i-го компонента продуктов горения, кмоль/
кмоль, м3/кг, м3/м3;
ср —удельная теплоемкость /-го компонента продуктов
горения при Тг , кДж/(кмоль• К), кДж/(м3-К).
Различают калориметрическую, адиабатическую, теоретичес-
кую и действительную температуры горения.
Под калориметрической температурой горения пони-
мается та температура, до которой нагреваются продукты горе-
ния, если будут выполнены следующие условия:
Го =273,15 К, ав =1, Q.,. г =QH-
При определении адиабатической температуры горения
учитывается состав горючей смеси ав ? 1.
Теоретическая температура горения имеет место в том
случае, когда часть тепла расходуется на диссоциацию продуктов
горения (Qn. г =QH—Qдне )•
45
Действительной температурой горения называется та
температура, до которой нагреваются продукты горения в реаль-
ных условиях.
Уравнение теплового баланса процесса горения позволяет рас-
четом определять температуру горения. При этой температуре
суммарное теплосодержание (энтальпия) компонентов продуктов
горения равно количеству тепла, затраченному на их нагрев:
QnT =XVn.r.cpTrop . (2.30>
;=1 * 1
Решить это уравнение относительно Г гор непосредственно
нельзя, так как удельная теплоемкость газов является функцией
температуры. Поэтому задачу по определению Т гор решают ме-
тодом последовательных приближений: задаваясь величиной Т, на-
ходят теплосодержание (энтальпию) продуктов горения при ней.
Для удобства вычислений значения удельных теплосодержаний
(энтальпий) компонентов продуктов горения при различных тем-
пературах приведены в таблицах 3 (кДж/кмоль) и 4 (кДж/м3)
приложения. Та температура продуктов горения, при которой вы-
полняется равенство (2.30), и является температурой горения. Бо-
лее подробно метод определения температуры горения рассмот-
рим на примере.
Пример 11. Определить действительную температуру горения древесины
состава: С = 45%, Н = 50%, 0 = 35%, N = 1’%, S = 0%, №=10%, .4 = 4%, если го-
рение протекало при ав = 1,4. Недожог составил 5%QH, а потери тепла излу-
чением ранились 10% Qu. Начальные условия — нормальные.
Решение. 1. Определим количество тепла, затраченного на нагрев про-
дуктов горения:
а) из уравнения (2.3):
Qn. г = @н + Фисх—Рнедож—QnoT = Qn + O’—0,15QH = 0,85Q H;
б) по формуле Д. И. Менделеева найдем низшую теплоту горения дре-
весины:
QH = 339,4 • 45+1257 • 5 — 108,9(1+35 — 0) — 25,1 (9 • 5+10) = 16257 кДж/кг;
Qn г = 0,85- 16257= 13819 кДж/кг.
Таким образом, на нагрев продуктов горения 1 кг древесины будет затра-
чиваться 13819 кДж тепла.
2. Определим объем и состав продуктов горения 1 кг древесины:
45
Уро =1,86 ---- =0,84 м3/кг;
со, ’юо 1
5 10
VH1O = 1I‘2 —— +1,24 —— =0,68 м’/кг;
1 U U 1
VNa=0,01 7 • 45+21 • 5+2,63(1 — 35) =3,31 м3/кг;
ДУВ = 0,266
+5 —
35 \
——| (1,4— Ь) = 1.66 м3/кг.
О
* Qнсх =0, так как начальные условия нормальные, /о=О°С и энтальпия
исходных реагентов также нулевая.
46
При нормальных условиях продукты горения 1 кг древесины будут состоять
из 0,84 м3 СО2 0,68 м3 паров Н2О, 3,31 m3N2 и 1,66 м3 воздуха. Общий объем
продуктов горения составит 6,49 м3/кг.
3. Найдем температуру горения, для чего:
определим среднее теплосодержание единицы объема продуктов горения:
qI*°P 13819
Д/7ср= . п-.г =------ =2129,3 кДж/м3.
V£pr 6,49
Это значит, что в каждом кубометре продуктов горения при температуре горе-
3,31 +1,66 • 0,79
ния будет содержаться 2129,3 кДж тепла; учитывая, что на--------------100=
6,49
= 71,2% продукты горения состоят из азота, по таблице 4 приложения находим,
при какой температуре удельное теплосодержание азота соответствует найден-
ной величине (2129.3 кДж/м3). Видим, что эта температура находится между
(14004-1500)+273 К. Принимая во внимание, что в состав продуктов горения
входят СО2 и Н2О, которые обладают таким теплосодержанием при более низ-
ких температурах, задаемся температурой (1300 + 273) К и определяем при ней
суммарное теплосодержание продуктов горения:
Q1573 к__у д/у1573 к V ____
п. Г п. г- *п. г.
= 1861,2 • 3,31 +1877,5 • 1,66 + 2979,1 • 0,84 + 2345,5 • 0,68= 13374,6 кДж, где величи-
ны Д//п. rz определены но таблице 4 приложения.
Так как теплосодержание продуктов горения при Т=1573 К ниже Qn г II
= 13819 кДж, 7’гОр>1573 К.
Задаемся Т= (1400 + 273) К и вновь определяем теплосодержание продук-
тов горения.
Q1673 к = 2018,8-3,31+2035,5- 1,66+3241,4-0,84 + 2560,9-0,68= 14525.3 кДж.
т
Так как теплосодержание продуктов горения при 7"= 1673 К выше Qnr°p »
Тгор<1673 К.
Таким образом, температура горения находится в интервале 1573-s- 1673 К.
Точное значение температуры горения найдем интерполяцией, считая, что
в этом интервале температур теплосодержание продуктов горения линейно зави.
сит от температуры:
Т гор —15/3 +
(1673—1573) (13819—13374.6)
-------14525.3—13374.6--------16"1’8 К
Методика определения температуры горения других классов
веществ аналогична. В случае горения индивидуальных химичес-
ких соединений удобнее пользоваться размерностями кмоль/кмоль
при определении Vn.₽r и кДж/кмоль при нахождении и д^ср .
В этом случае в расчете необходимо использовать данные табли-
цы 3 приложения.
ОЦЕНКА ГОРЮЧЕСТИ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ
Под пожарной опасностью обычно принято понимать вероят-
ность возникновения и развития пожара, заключенную в вещест-
47
ве, состоянии! или процессе. В значительной степени она зависит
от горючести применяемых веществ и материалов.
Горючесть характеризует способность вещества, материала,
смеси, конструкции к самостоятельному горению (ГОСТ
12.1.033—81). Следовательно, пожарная опасность — более общее
понятие, включающее горючесть, учитывающее условия сущест-
вования горючей смеси и развитие процесса воспламенения.
Правильная оценка пожарной опасности материалов, техноло-
гических процессов, объектов в целом имеет большое народно-
хозяйственное значение, так как определяет степень потребности
и объем материальных затрат на методы и средства обеспечения
профилактических мероприятий и тушение уже возникших пожа-
ров. Обоснованная оценка пожарной опасности производства и
принятие соответствующих предохранительных мер обеспечивает
безопасные условия труда, а значит — здоровье и жизнь людей,
т. е. имеет и большое социальное значение. Однако разработка
методов определения показателей пожарной опасности — чрезвы-
чайно сложная проблема и единых приемов и методов ее опреде-
ления на сегодня не существует. Это объясняется отчасти слож-
ностью и неоднозначностью самих понятий пожарной опасности,
горючести и т. д., а также технически мт трудностями определения
оценки и сравнения этих показателей.
§ 3.1. Понятие пожарной опасности веществ
и ее показатели
Понятие пожарной опасности складывается ие только из собст-
венно склонности вещества к горению как окислительному про-
цессу, но и зависит от состояния внешней среды, в которой это
вещество (материал, объект) находится. Пожарная опасность оп-
ределяется не только способностью вещества воспламеняться, но
и интенсивностью процесса горения и сопутствующих горению яв-
лений (дымообразование, токсичность) и, наконец, возможностью
прекращения этого процесса. Для оценки степени пожарной опас-
ности необходимы количественные параметры этих процессов. Од-
нако при нахождении количественных параметров возникают оп-
ределенные трудности, так как эти показатели не являются посто-
янными. Они зависят от природы горючего вещества, его агрегат-
ного состояния, концентрации горючего и окислителя, температу-
ры, условий тепловыделения и теплоотвода и т. д. В большинстве
случаев на характеристики горения оказывают решающее влияние
чисто физические процессы и явления: процессы массо- и тепло-
передачи, геометрия и пространственное расположение горючих
объектов, аэродинамические условия, энерпия источника зажига-
ния, время его воздействия. Перечисленные обстоятельства, кото-
рые оказывают влияние на параметры воспламенения и горения,
48
являются причиной существования множества методов оценки по-
жарной опасности.
Пожарную опасность веществ нельзя охарактеризовать каким-
то одним показателем, а только определенным набором, отражаю-
щим взрыво- и пожароопасность вещества на разных стадиях раз-
вития процесса горения. Число этих показателей зависит также
от агрегатного состояния вещества.
Поскольку все совокупности изменения и комбинаций внешних
факторов учесть нельзя, то система оценки пожароопасных
свойств, принятая в настоящее время, унифицирована именно по
показателям, характеризующим свойства горючих материалов,
окислительной среды hi средств пожаротушения, определяемым в
нормальных условиях. При иных условиях, например, при повы-
шенных температурах, давлении и т. д., те же параметры пожар-
ной опасности оцениваются дополнительно, учитывая в экспери-
ментальных и расчетных методах заданные начальные условия.
Практически любой из существующих методов оценки того
или другого показателя пожарной опасности позволяет учитывать
влияние только некоторых факторов на степень пожарной опасно-
сти, и поэтому методик его определения оказывается несколько.
Примером служит определение концентрационных пределов
воспламенения, температуры вспышки в приборах закрытого и от-
крытого пипа, различные способы нахождения температуры само-
воспламенения и т. д. В других методиках оценивают показатели
пожарной опасности независимо от реальных внешних условий
(например, калориметрические измерения).
Более полное представление о пожарной опасности могут дать
натурные крупномасштабные испытания, но in они не отражают
всего многообразия ситуаций, в которых может оказаться матери-
ал при воспламенении и горении.
Наиболее общим показателем пожарной опасности является-го-
рючесть материала или вещества, независимо от его агрегатного
состояния. Согласно этому показателю, все материалы (вещества)
можно разделить на трт группы: негорючие, горючие и трудного-
рючие Этот показатель характеризуется качественно и количест-
венно. Качественная классификация основывается на способности
к горению при воздействии источника зажигания и после его уда-
ления.
Негорючими считаются вещества, не способные горсть при по-
следовательном нагревании вплоть до температуры 900°С. Тем не
менее некоторые из них являются пожароопасными.
Наиболее распространенными группами негорючих, но пожаро-
опасных веществ являются следующие [13].
1. Окислители (перманганат калтя КМпО<, азотная кислота
HNO . кислород О2, перекисные соединения, например NazOz. и
т- Д ).
4—4609 49
I
I
I
I
I
I
I
I
2. Вещества, реагирующие с водой, например, негашеная из-
весть СаО.
3. Вещества, при нагревании которых в закрытых объемах и
сосудах происходит повышение давления, например, сжатые и
сжиженные газы, а также термически неустойчивые вещества,
которые при разложении выделяют газы, например, NH4OH.
4. Вещества, выделяющие горючие газы, при реакциях с водой
(например, карбид кальция СаС2).
5. Вещества, способные к взрывчатым превращениям без уча-
стия кислорода воздуха.
Трудногорючие вещества при нагревании способны воспламе-
няться при воздействии щеточника зажигания, но после его уда-
ления самостоятельно не горят.
Горюйте вещества способны самовоспламеняться, самовозго-
раться и самостоятельно гореть после удаления источника зажи-
гания. Их разделяют на легко- и трудновоспламеняющисся.
Трудногорючие и горючие вещества имеют область воспламе-
нения, характеризуются температурными показателями пожарной
опасности, скоростью горения, для nix тушения применяются огне-
тушащис вещества и т. д. Число и вид показателей для оценки
пожароопасных свойств трудногорючих и горючих веществ опре-
деляется в зависимости от их агрегатного состояния. У жидкостей
и твердых веществ пожароопасных показателей больше, чем у га-
зов. Эти дополнительные показатели по существу характеризуют
процессы испарения и выделения летучих, а поэтому связаны с
температурами при нагревании жидкостей и твердых веществ. На-
пример, для воспламенения и устойчивого горения необходимо,
чтобы поверхность жидкости в достаточном количестве «питала»
пламя летучими продуктами, а скорость (испарения жидкости свя-
зана с се температурой, поэтому вводят понятия температуры
вспышки и воспламенения. То же относится и к твердым вещест-
вам. Вместе с тем для твердых и жидких трудногорючих и горю-
чих веществ и материалов некоторые показатели, применимые для
газов, теряют смысл, так как нс могут быть реализованы. Напри-
мер, понятие верхнего концентрационного предела воспламенения
неприменимо для жидкостей, находящихся в открытых резервуа-
рах, твердых горючих — на открытом воздухе.
В табл. 3.1 приведены показатели! пожаро- и взрывоопасных
свойств веществ, принятые в нашей стране. В основу классифика-
ции положен принцип деления материалов по агрегатному состо-
янию.
Для большинства горючих веществ в качестве критериев их по-
жаро- и взрывоопасных свойств выбирают характеристики, кото-
рые дают представление о безопасных условиях их эксплуатации,
хранения, транспортировки. Если экспериментальные методы оп-
ределения этих показателей не требуют для своего использования
теоретических обоснований, то расчетные методы как раз строятся
на выявлении, если это возможно, взаимосвязи термодинамических
50 ।
характеристик вещества и кинетики процесса горения с показате-
лями пожарной опасности.
Расчетные методы можно разделить на две группы: теоретиче-
ские и эмпирические.
Таблица 3.1
Показатель Агрегатное состояние вещества
таз жидкость твердое
Группа горючести 4-, + 4*'
Температура вспышки .... — 4- 4-
Температура воспламенения . —• 4- 4-
Температура самовоспламенения . 4- 4“ 4-
НКПВ 4- 4-. 4-
вкпв +’ 4-
ТПВ — 4- —
Температура самонагревания . — +
Температурные условия теплового самовозгорания ——1 —— 4-
Минимальная энергия зажигания . 4- — 4- (пыли)
Кислородный индекс .... — —— 4-
Скорость выгорания .... — 4- 4-
Коэффициент дымообразования . —- 4-
Удельная скорость дымообразова- ния 4-
Токсичность продуктов горения . 4- 4- 4-
Минимальное взрывоопасное со- держание кислорода 4- 4- 4- (пыли)
Флегматизирующая концентрация . + 4- "4“
Минимальная огнетушащая кон- центрация средств объемного туше- ния 4- 4- 4-
Характер взаимодействия с водо- пенными средствами тушения . + 4-
Категория взрывоопасной смеси . 4- 4- —
Максимальное давление взрыва . + 4“ 4- (взвеси)
Скорость нарастания давления при взрыве 4- 4- 4- (взвеси)
В основу теоретических расчетных методов положены термоди-
намические параметры веществ: теплоты образования, сгорания,
испарения, температуры кипения, а также константы химических
реакций в пламени, характеристики диффузионных процессов и па-
раметры теплопередачи. К сожалению, па практике использование
перечисленных параметров в расчетных формулах ограничено в
связи со сложностью их взаимосвязи с показателями пожарной
опасности. Примером теоретического метода расчета показателя
пожарной опасности может служить расчет нормальной скорости
горения, но его применение ограничено отсутствием необходимых
исходных данных (например, энергии активации реакции горения)
для большинства веществ.
4* 51
Существующие эмпирические методы, как правило, учитывают
физико-химические и термодинамические свойства веществ, но вво-
дят упрощающие предположения, так как в большинстве случаев
невозможно найти прямой взаимосвязи между этими свойствами и
показателями пожарной опасности, например, для ТВС11, Тсв и т. д.
Поэтому эмпирические методы не являются точными, а их кор-
ректность устанавливается путем сопоставления результатов рас-
чета с данными прямых экспериментов. Так обстоит дело с расче-
том концентрационных пределов воспламенения, температурой са-
мовоспламенения, вспышки и т. д.
Расчетные методы определения показателей пожарной опасно-
сти позволяют значительно сократить объем эксперимента, выя-
вить недостоверные величины в эксперименте, а также помогают
в тех случаях, когда специалисты не располагают соответствую-
щим лабораторным оборудованием.
Для оценки пожароопасных свойств веществ все показатели
можно разделить на несколько групп, характеризующих различ-
ные этапы и стороны развития и прекращения горения.
Первая группа на основании расчета или эксперимента решает
вопрос о горючести: негорючее, трудногорючее или горючее ве-
щество.
Вторая группа показателей характеризует способность вещест-
ва к самовоспламенению и зажиганию от внешних источников:
температура самовоспламенения, вспышки, энергия зажигания, .
температурные условия самовозгорания, кислородный индекс, ми-
нимальное взрывоопасное содержание кислорода, значения кон-
центрационных и температурных пределов горения (воспламене-
ния), критический гасящий диаметр и т. д.
В третью группу входят показатели, характеризующие способ-
ность вещества к распространению пламени: скорость выгорания
и скорость распространения пламени и показатели, косвенно ха-
рактеризующие процесс горения; коэффициент дымообразования,
удельная скорость дымообразования, токсичность продуктов го-
рения.
Четвертая группа показателей относится к средствам тушения:
концентрация флегматизатора, минимальная концентрация средств
объемного тушения, характер взаимодействия с водопенными сред-
ствами тушения.
Такое категорирование показателей пожарной опасности объяс-
няет необходимость пользования комплексом параметров и спо-
собствует более строгому и научно обоснованному подходу к оцен-
ке пожарной опасности веществ и материалов.
§ 3.2. Методы определения группы горючести
Горючесть является важнейшим физико-химическим свойством,
от этой характеристики зависит пожарная безопасность объектов
народного хозяйства. Установление горючести веществ связано с
52
нахождением предельных условий горения. Исследование же пре-
дельных условий горения в настоящее время рассматривается с
различных сторон: с позиций механизма кинетики, физики и термо-
динамики явления превращения веществ при горении.
Все многообразие методов, по которым оценивают пожарную
опасность веществ, можно разделить на экспериментальные и рас-
четные, причем экспериментальные методы делятся на лаборатор-
ные и натурные. Лабораторные методики определения того или
иного показателя проводятся в тщательно контролируемых услови-
ях воздухообмена, температуры, мощности и длительности воздей-
ствия источника зажигания и т. д. Натурные испытания соответст-
вуют условиям испытаний, имитирующих реальный пожар.
Рассмотрим методы определения группы горючести материалов
и веществ. Определение группы горючести газов состоит в нахож-
дении области воспламенения (ГОСТ 13919—68). Газы, имеющие
область воспламенения при нормальных условиях, относят к го-
рючим. У трудногорючих газов при отсутствии области воспламе-
нения находят температуру самовоспламенения методом впуска,
рекомендованным ВНИИПО и ГОСТ 12.1.017—80, приложение 6.
Газы, не имеющие температуры самовоспламенения при нагрева-
нии до 900°С, считаются негорючими.
Определение группы горючести жид-
2 х костей проводят по методу тигельной
печи ГОСТ 12.1.017—80, приложение 3
(рекомендуемое), а критерием деления
^на негорючие и трудногорючие служит
У "’температура 900°С. Если жидкости в этих
/ условиях самовоспламеняются за время
менее 3 мин, то их относят к горючим,
те жидкости, горючесть которых не уда-
ется установить этим методом, испыты-
3 вают на наличие области воспламенения
и температуры вспышки (ГОСТы 1421 —
53, 6356—52, 13921—68), воспламенения
(ГОСТы 13921—68, 1369—42, 4333—48).
Для твердых веществ набор экспери-
ментальных методов установления груп-
Рис. 3.1. Схема установ-
ки для определения го-
рючести твердых веществ
методом огневой трубы
/ — металлическая тру-
ба диаметром 50 мм, вы-
сотой 165 мм; 2 — дер-
жатель образца; 3 — об-
разец; 4 — газовая го-
релка; 5 — смотровое
стекло; 6 — штатив
пы горючести шире. Объясняется это,
главным образом, отсутствием в разных
странах общепринятых стандартных ме-
тодов. Метод огневой трубы (рис. 3.1)
ГОСТ 17088—71 считается экспресс-ме-
тодом, с его помощью удается разделить
вещества на негорючие и горючие; кри-
терий горючести — наличие пламени,
продолжительность самостоятельного го-
рения в течение 60 с, потеря массы не
менее 20%.
53
В методах керамической трубы (ГОСТ 16363—70) и тигельной
печи (рис. 3.2.) критерием горючеспи служит температура 900°С,
до которой должно произойти воспламенение вещества, в против-
ном случае оно считается негорючим. В керамической трубе (рис.
3.3.) продолжительность нагрева в установке составляет 2 мин,
после чего наблюдают за поведением образца визуально и по из-
менению температуры. При прекращении пламенного горения да-
ют образцу остыть и после 12-часовой выдержки взвешивают. По
результатам испытаний оценивают условную интенсивность тепло-
выделения. Если потеря массы и условная интенсивность тепловы-
деления превышает некоторые заданные значения (9% массопоте-
ри и 8000 К-с), то вещество считают горючим, а при меньших
значениях критических величин — трудногорючим.
Рис. 3.2. Схема установки для опре-
деления группы горючести жидких и
твердых веществ
J — тигельная печь; 2 — кварцевый
стакан; 3 — фарфоровый тигель;
4 — держатель тигля; 5 — смотро-
вое стекло; 6 — термоэлектрический
термометр; 7 — пирометрический
милливольтметр; 8 — штатив
Рис. 3.3. Схема установки для опре-
деления горючести твердых веществ
методом керамической трубы
1 — подставка; 2 — дверца подстав-
ки; 3 — газовая горелка; 4 — кера-
мический короб; 5 — образец; 6 —
держатель образца; 7 — вытяжной
зонт; 8 — термоэлектрический тер-
мометр; 9 — милливольтметр; 10 —
штатив; 11 — реометр или ротаметр;
12 — под дом
Метод распространения пламени служит для выявления легко-
воспламеняющихся материалов из числа горючих; критерий горю-
чести — распространение пламени по горизонтальному образцу
54
стандартных размеров (ЗООХ4ОХ(1—10) мм после поджигания
у одного из концов в течение 120 с.
Калориметрическими методами оценивают группу горючести по
количеству выделившегося тепла, сравнивая его с количеством теп-
ла от самого источника зажигания. Показатель горючести — от-
ношение этих величин. 1Метод позволяет определять негорючие,
трудногорючие и горючие материалы (в том числе и трудновоспла-
меняющиеся).
В зависимости от величины отношения количеств тепла, выде-
ленного горючим материалом, и тепла от источника зажигания
вещества делятся на группы горючести. Это отношение называют
показателем горючести. В табл. 3.2 приведена классификация ве-
ществ по группам горючести.
Таблица 3.2
Группа горючести Величина показателя горючести
Негорючая 0—0,1
Трудногорючая 0,1—0,5
Горючая Более 0,5
По методу международной организации стандартов (ИСО) об-
разец испытывают на появление пламени в печи при температуре
750GC и на изменение температуры. Критерием горючести служит
для горючих материалов повышение температуры в печи на 50°С
и горение пламенем более 10 с, в противном случае вещество от-
носят к негорючим.
Горючесть твердых материалов можно определять методом кис-
лородного индекса (КИ) (ГОСТы 17088—71, 21793—76). Прибор
для определения кислородного индекса показан на рис. 3.4. Кис-
лородный индекс отвечает минимальной концентрации кислорода
в потоке кислородо-азотной смеси, при которой у вертикального
образца в течение 3 мни наблюдается самостоятельное горение.
Для ориентировочной оценки значения КП используют формулу
КИ — 190/QH, где QH — низшая удельная теплота сгорания ве-
щества. Метод КИ является очень чувствительным, простым и до-
вольно широко применяется в качестве экспресс-метода для оцен-
ки горючести материалов.
Показателем горючести служит условный безразмерный пока-
затель, называемый индексом распространения пламени, который
применяют для большого круга строительных материалов, в том
числе тканей и пленок.
Прибор для определения индекса распространения пламени
приведен на рис. 3.5. Образец размером 300x140 мм устанавли-
вают под углом к вертикально расположенной радиационной па-
55
7
Рис. 3.4. Схема установки для оп-
ределения кислородного индекса
1 — колонка; 2 — держатель об-
разца; 3 — проволочная сетка;
4 — шарики; 5 — реометры; 6 —
вентили тонкой регулировки; 7 —
вентили грубой регулировки; 8 —
горелка
Рис. 3.5. Схема уста-
новки для определе-
ния горючести по ин-
дексу распростране-
ния пламени
1 — стойка; 2 —
кронштейн; 3 — ра-
диационная панель;
4 — держатель об-
разца; 5 — запальная
газовая горелка; 6 —
вытяжной зонт; 7 —
термоэлектрический
термометр
пели. Угол наклона образца регулируется. Температура излучаю-
щей поверхности равна 900°С. В верхней части держателя с об-
разцом устанавливается запальная горелка для поджигания об-
разца. Ирш испытании материала на горючесть фиксируют началь-
ную температуру в вытяжном зонте, время прохождения пламени
по образцу, максимальную температуру отходящих газов. Полу-
ченные данные используют для вычисления индекса распростране-
ния пламени.
В зависимости от величины индекса распространения пламени
материалы классифицируют по их способности распространять
пламя по поверхности в условиях пожара.
В табл. 3.3 приведены условные (безразмерные) индексы рас-
пространения пламени, по которым оценивается горючесть мате-
риалов.
56
Таблица 3.3-
Классификация материала Индекс пожароопасности
Быстро распространяющееся пла- мя 20
Медленно распространяющееся пламя 1—20
Нераспростраияющееся пламя . 1
Группу горючести веществ in материалов можно определить,
как указывалось выше, расчетными методами. К числу парамет-
ров, характеризующих горючесть материалов, относится теплота
сгорания, энергия Гиббса (изобарно-изотермический потенциал,
адиабатическая температура горения) и потенциал горючести [13].
В табл. 3.4 приведены расчетные способы определения и кри-
терии горючести.
Таблица 3.4
№ П/П Метод определения Критерий горючести Группа горючести
1 2 3 Теплота сгорания: а) по закону Гесса; 6) по методу Конова- лова — Хендрика; в) по формуле Д. И. Менделеева Адиабатическая тем- пература горению Критическая темпера- тура горения, Тх Низшая теплота горения, кДж/кг Критическая температура горе- ния Г, К Критическая температура горе- ния 7\, К Негорючее вещество имеет теплоту сгорания ниже 2095 кДж/кг Трудногорючие вещества имеют температуру горения ниже 1373 К, выше — вещест- во горючее 7\<О — горючее, Т х>0 — трудногорючее или негорючее
1 т 373 1 £ркон п + Т'о Д Ср Qo
'х — ДСр
4 Изобарно-изотермиче- ский потенциал (энергия Гиббса) Знак величины энергии Гиббса, кДж/моль Чем меньше алгебраическая величина энергии Гиббса, тем больше пожароопасность. Опас- ными считаются вещества, имеющие отрицательное значе- ние энергии Гиббса
Р аз дел II
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ
Глава 4
САМОВОСПЛАМЕНЕНИЕ И САМОВОЗГОРАНИЕ
ГОРЮЧИХ СИСТЕМ
§ 4.1. Воспламенение как начало процесса горения
и его значение
В физике горения различают два характерных вида возникно-
вения процесса горения: самовоспламенение и вынужденное (при-
нудительное) зажигание (которое иногда для краткости называют
просто воспламенением или зажиганием). На практике более
часто встречается второй вид воспламенения, т. е. вынужденное
воспламенение, — зажигание.
Для рассмотрения условий возникновения реальных процессов
горения анализ процессов воспламенения следует проводить на
макрокинетическом, т. е. на термодинамическом уровне, позво-
ляющем установить количественные закономерности, связываю-
щие между собой параметры системы и параметры воспламенения.
Процесс самовоспламенения горючей смеси является наиболее
научно разработанным и легко описывается математически. По-
этому с его рассмотрения обычно начинают изучение вопросов
возникновения процессов горения.
В основе процесса самовоспламенения горючих смесей лежит
особенность кинетики химических реакций окисления, которая
состоит в неравномерном изменении скорости протекания этих
реакций в зависимости от изменения параметров, при которых
они реализуются.
В химической кинетике различают два характерных типа реак-
ций: химические реакции, медленно развивающиеся во времени
при изменении условий их протекания, и химические реакции,
«взрывообразно» изменяющие скорость течения при самом незна-
чительном изменении какого-либо из определяющих (лимитирую-
58
щих) параметров. Причем взрывообразное изменение скорости
течения реакции! сопровождается иногда неожиданными проявле-
ниями типа вспышки, звукового эффекта, скачкообразного роста
давления или температуры в зоне реакции.
Отличие характера течения реакций «спокойного» типа от
взрывного наглядно видно из сравнения кинетических параметров
(рис. 4.1, 4.2 и 4.3).
Рис. 4.1. Изменение концентрации
реагентов во времени
/, 2, 3 — соответственно кинети-
ческие кривые при температуре
/], /о И /з
О
Рис. 4.2. Изменение
скорости реакции во
времени
/, 2, 3 — соответст-
венно кинетические
кривые при темпера-
туре /1, /2 и 6
В ходе реакции концентрация реагентов постепенно снижается,
в результате этого уменьшается и скорость реакции (рис. 4.2).
При более высокой температуре (кривая 3, рис. 4.2) реакция
протекает быстрее, чем при низкой (кривая /), поэтому процесс
превращения исходных компонентов в продукты реакции затяги-
вается во времени (рис. 4.1).
Увеличение скорости реакции при повышении температуры реа-
гирующей смеси происходит плавно, постепенно (для реакций, по-
казанных на рис. 4.1, скорость реакции возрастает примерно вдвое
на каждые 10°С повышения температуры). В отличие от реакций
спокойного типа, реакции «взрывного» характера, наоборот, прак-
тически не протекают при температурах, давлениях, или концент-
рациях ниже критических значений, а выше этих значений скоро-
сти реакций резко возрастают (рис. 4.3 и 4.4.).
Особенности кинетики реакции взрывного типа были описаны
еще в середине прошлого века Бунзеном и Вант-Гоффом. При
изменении температуры или давления в зоне этих реакций ско-
рость протекания их резко изменяется. Например, при комнатной
59
температуре и атмосферном давлении смесь водорода с кислоро-
дом даже состава, близкого к стехиометрическому, не вступает
в реакцию в течение многих лет. При повышении температуры
смеси скорость реакции практически не возрастает, вплоть до
некоторого критического значения порядка 550°С. При дальней-
шем повышении температуры скорость химической реакции вза-
имодействия водорода с кислородом резко возрастает. После по-
вышения температуры смеои всего на несколько градусов выше
,, dm.
Рис. 4.3. Изменение скоро-
сти реакции взрывного типа
во времени
'-Инд — индукционный пе-
риод
Рис. 4.4. Изменение температуры
среды при реакциях взрывного типа
во времени
/ — стационарный разогрев горючей
смеси до ТА (воспламенение отсут-
ствует); 2 — предельное состояние
на границе воспламенения; 3 — кри-
вая с точкой перегиба, после которой
происходит скачок температуры —
воспламенение
критической происходит бурное взаимодействие реагентов, ско-
рость химической реакции! возрастает почти скачком, давление
резко увеличивается и может появиться открытое пламя с одно-
временным разрушением сосуда, если его прочность окажется не-
достаточной. Воспламенение сопровождается резким внезапным
хлопком, за что эта смесь называется «гремучей». Такое же рез-
60
кое изменение скорости некоторых реакций «взрывного» типа
можно получить, если увеличивать давление смеси при постоянной
температуре. При некоторых значениях давления реакция совсем
не идет или протекает чрезвычайно медленно. Теперь повысим
давление выше критического значения, реакция пройдет мгновен-
но, также с хлопком и видимым свечением зоны реакции. Иногда
Рис. 4.5. Изменение давле-
ния в замкнутом сосуде во
времени при реакциях
взрывного типа
такое резкое изменение скорости химических реакций происходит
при изменении концентрации реагентов или других параметров
системы. Характерный вид кривой изменения скорости реакции
взрывного типа показан на рис. 4.3, температуры — на рис. 4.4,
а изменение давления водородо-воздушной смеси, сгорающей в
замкнутом сосуде, показан на рис. 4.5. Из графиков (рис.4.3ч-4.5)
видны две характерные особенности кинетики реакций взрывного
типа: наличие периода индукции и существование критических
условий. Критическое значение температуры, при которой скорость
химической реакции изменяется почти скачком, условно называет-
ся температурой самовоспламенения. Скачкообразное изменение
скорости протекания многих химических реакций горения часто
-объясняется цепным характером ее развития, т. е. зависимостью
скорости реакции от концентрации активных центров (атомов и
радикалов), образующихся в ходе реакции.
§ 4.2. Цепной механизм самовоспламенения
реакционных смесей
Химические реакции окисления, и особенно цепные, идут через
образование активных частиц. Скорость протекания таких реак-
ций зависит от концентрации этих частиц в зоне горения. В ходе
реакции количество их может возрастать по двум причинам. Ак-
тивные молекулы могут возникать в результате повышения скоро-
61
сти теплового движения молекул, но скорость этого процесса
сравнительно мала. А могут возникать активные центры химиче-
ской реакции в результате разветвления цепей, когда после эле-
ментарного химического акта с участием одного атома или ради-
кала возникают два атома или химически активных радикала.
Скорость образования активных радикалов пропорциональна кон-
центрации активных частиц. Скорость образования новых актив-
ных центров химической реакции пропорциональна их концентра-
ции и определяет основные закономерности кинетики цепных ре-
акций. Параллельно с образованием активных центров реакции
идут процессы их гибели, т. с. дезактивации атомов и радикалов.
Скорость гибели активных центров в результате их столкновения
со стабильными или нейтральными молекулами или дезактивации
молекул в результате диффузии к стенкам реакционного сосуда
также пропорциональна их концентрации.
Поэтому выражение для изменения концетрации активных
центров химической реакции во времени запишем в следующем
виде:
dn
Z~z = ^a+fn~gn , (4.1)
где п — количество активных центров в зоне реакции;
w0 — скорость зарождения активных центров;
[ — константа скорости разветвления цепей;
g — константа скорости обрыва цепей.
Обозначив f — g = (р, получим:
^=ш0 + ?,1 . (4 2)
d т
Изменение внешних условий протекания химической реакции
(давления и температуры) вызывает изменение скорости обоих
процессов — и разветвления, и обрыва цепей, т. е. и f, и g. При-
чем с ростом или понижением температуры f изменяется значи-
тельно быстрее, чем g, так как для гибели активного центра реак-
ции не требуется энергия активации в отличие от f. Поэтому с
изменением температуры в зоне реакции знак перед <р изменяется,
потому что при достаточно высоких температурах процесс может
быть разветвленным, развивающимся, а при низких — регресси-
рующим, затухающим.
Анализ основного уравнения развития цепных реакций (4.1)
показывает возможность осуществления цепного механизма про-
цесса воспламенения, который можно рассмотреть на примере
реакции водорода с кислородом.
Из .химической физики протекания реакций окисления извест-
но, что записанная в конечном виде реакция сгорания водорода
в кислороде: 2Н2+О2 = 2Н2О на самом деле протекает через ряд
элементарных промежуточных реакций, в которых важную роль
62
•играют реакций с участием активных частиц — радикала ОН»
и атомов водорода Н* и кислорода О”:
ОН- + Н2 = Н2О 4- Н- ; (4.3)
Н- + Оа = ОН- + О" ; (4.4)
О+Н2 = ОН- + Н- . (4.5)
Таким образом, если в системе водород—кислород появился
радикал ОН*, то, вступив во взаимодействие с молекулой водо-
рода (4.3), он образует молекулу воды, выделив при этом опреде-
ленное количество тепла, идущее на разогрев окружающей горю-
чей смеси, а главное — создаст новый активный центр химиче-
ской реакции окисления: атом водорода Н -. Этот новый актив-
ный центр, вступая в реакцию с молекулой кислорода Ог (4.4),
образует уже два новых активных центра химической реакции
радикалы ОН - и 0“ , т. е. произойдет разветвление цепи химиче-
ских реакций и, кроме того, вновь выделится некоторое количест-
во тепла. Оно также пойдет на повышение температуры в зоне
реакции. Наконец атомарный кислород О”, вступая в химиче-
скую реакцию взаимодействия с молекулой водорода На (4.5),
вновь создаст два новых активных центра: один гидроксильный
радикал ОН’ и один активный атом водорода Н*. Опять про-
изойдет разветвление цепи зарождения активных центров и выде-
лится тепло при образовании нового гидроксила ОН*, которое
также пойдет на повышение температуры реагентов в зоне хими-
ческой реакции горения.
Анализируя промежуточные реакции (4.3, 4.4, 4.5) окисления
водорода кислородом, видно, что реакция (4.3) является продол-
жением цепи, а две другие (4.4, 4.5) — разветвлением цепи,
когда в результате взаимодействия одного активного центра хи-
мической реакции (Н или О) возникают два новых: ОН- и О" ;
и ОН- и Н*. Складывая удвоенную реакцию (4.3) с (4.4) и с
(4.5), суммарное стехиометрическое уравнение этой цепи можно
записать в таком виде:
Н + ЗН2 4- 02 = ЗН 4- 2Н2О . (4.6)
Поэтому достаточно в системе водород—кислород, находя-
щейся внутри концентрационных пределов воспламенения при со-
ответствующих температуре и давлении, возникнуть одному атому
водорода, чтобы вызвать лавинообразно возрастающее появление
активных центров химических реакций горения, образование кото-
рых прекратится лишь после израсходования исходных реагентов.
Установлено, что на начальных стадиях реакции этой системы
химическая энергия реагирующих веществ переходит не столько
в тепловую энергию, сколько в химическую энергию образования
новых активных частиц — атомов и радикалов, по цепному ме-
ханизму.
63
§ 4.3. Тепловое самовоспламенение
Для предотвращения случаев самопроизвольного воспламене-
ния горючих смесей и предупреждения таким образом пожаров и
взрывов по механизму самовоспламенения важное значение име-
ет понятие температуры самовоспламенения, т. е. той наименьшей
температуры горючей смеси, при которой бесконечно медленный
процесс окисления с накоплением тепла, выделяемого в результа-
те реакции, может перейти во взрывное горение. Зависимость
температуры самовоспламенения от вида горючего вещества, со-
става смеси и других параметров системы проще всего устано-
вить из тепловой теории самовоспламенения, разработанной Се-
меновым Н. Н. и его учениками.
Рис. 4.6. Схема процесса самовоспламенения гопючей смеси
а — внешний подогрев смеси от То до Г'о; б — саморазогрев
до теплового равновесия; в — саморазогрев смеси и отвод
избытка тепла наружу
Рассмотрим процесс развития экзотермической химической
реакции смеси горючего с окислителем в закрытом сосуде, стенки
которого имеют постоянную температуру То. Если Tq<Tk^Tc, в ,
реакции окисления практически! отсутствуют. Повысим температу-
ру сосуда и содержащейся в нем смеси до Т0'^Т кр , сообщив
системе некоторое количество тепла извне (рис. 4.6,а). Скорость
химических реакций окисления и, соответственно, скорость тепло-
выделения в системе резко возрастут. При этом скорость тепловы-
деления будет соответствовать уравнению вида
q+ = QVw , (4.7)
где <7 + — количество тепла, выделившегося в результате химиче-
ских реакций компонентов газовой смеои внутри сосуда
в единицу времени, кДж/с;
Q — теплота реакций горения горючего газа, кДж/моль;
V — объем сосуда, м3;
w — скорость химической реакции, моль/(м3-с).
64
Подставляя в уравнение (4.7) значение скорости химической
реакции по закону Аррениуса, выраженное через состав горючей
смеси, константу химической реакции и энергию активации
С2, kQ и Е, получим:
Е
q+ = QVk0C?C^e , (4.8)
где ko — константа скорости химической реакции;
Cj, С2 — соответственно концентрация горючего и окислителя;
vi, V2 — порядок реакции по горючему и окислителю;
Е — энергия активации реакций горения, кДж/моль;
R — универсальная газовая постоянная, кДж/(моль • К);
Т — температура реагирующей смеси, К.
Такое количество тепла выделяется в реагирующей системе в
единицу времени и идет на повышение ее температуры (и соответ-
ственно — на повышение скорости реакции), т. е. процесс тепло-
выделения в системе возрастает по экспоненте (рис. 4.7). Как
только температура реагирующей газовой среды внутри сосуда
повысится за счет накопления в ней тепла (рис. 4.6,в) и станет
выше температуры стенок сосуда, возникнет конвективный тепло-
вой поток к стенкам сосуда и далее — в окружающую среду.
Интенсивность теплового потока (теплоотвода от реагирующей
системы) q_ будет пропорциональна разности температур среды
в сосуде и термостате (температуры стенок сосуда) — (Гсм — Го'),
плошали поверхности сосуда и коэффициенту теплоотдачи а:
5—4609 65
4_ = aS(7c„-T0') , (4.9)-
где q—— количество тепла, отводимого от реагирующей смеси в
единицу времени, кДж/с (кВт);
и — коэффициент теплоотдачи от реагирующей смеси к стен-
ке сосуда, кВт/(м2-К);
S — площадь поверхности стенок сосуда, м2;
Т — температура реакционной смеси, К;
Tq' — термостатированная температура стенок сосуда, К-
Если пренебречь изменением концентрации горючей смеси в
результате процесса химического взаимодействия горючего с
окислителем и С2 и влиянием этого изменения на скорость хи-
мической реакции w (рассматривать квазистац1ионарный процесс
выгорания), то можно проанализировать тепловое состояние си-
стемы.
Если <?+ > <7— , смесь будет продолжать нагреваться с тече-
нием времени по мере развития реакции горения и скорость реак-
ции будет возрастать. Пусть = , система выйдет на
стационарный режим, температура и скорость окисления смеси
будут постоянны.
Если q + , система охладится до равновесной темпера-
туры и скорость реакции будет соответствовать первоначальной.
q+ растет с температурой так же, как и скорость реакции,
по закону Аррениуса (4.8), а скорость отвода тепла — линейно
(4.9).
Проанализируем состояние и поведение данной системы при
различном соотношении значений q+=f(T) и <?_=/(Т), что соот-
ветствующим образом отразится на взаиморасположении кривых
(рис. 4.7, 4.8, 4.9).
Допустим, что коэффициент теплоотдачи у системы настолько
велик, что интенсивность теплоотвода q~=f(T) больше интен-
сивности тепловыделения q+=f(T). Повышая температуру
с То до Гл ♦ температура системы перестанет возрастать, так как
после пересечения кривых q^ и q~ в точке А интенсивность
теплоотвода q_—f(T) будет выше интенсивности тепловыде-
ления q +=f(T) . Система стабилизируется в точке А при
температуре Тд , и дальнейшего ускорения процесса химического
взаимодействия горючего с окислителем не произойдет, так как
в этой точке интенсивность тепловыделения и теплоотвода равны,
q+ = q_ , и система придет в состояние теплового равно-
весия.
Если даже условно вывести ее из этого состояния, слегка по-
высив температуру системы с Та до Та 4-АТ, то она вновь вер-
нется в свое прежнее состояние при температуре Тд , так как при
ТА +ДТ интенсивность теплоотвода q_=f(T) выше интенсивно-
сти тепловыделения q+=f(T). Самовоспламенения или тепло-
вого взрыва не произойдет. Сообщим системе большой запас
внешнего тепла и переведем ее в новое состояние при темпера-
туре Тв , тогда характер процесса существенно изменится. Вновь
q+ будет равна q_, так как кривые q+=f(T) и = f(T)
пересекутся в точке В, но теперь система придет в неустойчивое
состояние. Если температуру снизить до значения ниже Тв,
т. е. до температуры Тв — А Г, то интенсивность теплоотвода с/ _
окажется выше интенсивности тепловыделения q+ и си-
стема самопроизвольно охладится до температуры 7д В точ-
ке А система находится в состоянии устойчивого теплового равно-
весия, но теплового взрыва не произойдет. Окисление проходило
очень медленно. Если же систему перевести в состояние чуть пра-
вее точки В, т. е. разогреть ее до температуры Тв то она
самопроизвольно выйдет из состояния теплового равновесия, так
как интенсивность тепловыделения q+ станет выше интенсивности
теплоотвода q~, система быстро разогреется, скорость химиче-
ских реакций резко возрастет и температура системы повысится
до температуры горения Тгор . Возникнет пламенное горение. Этот
случай не будет носить характера теплового взрыва или самовос-
пламенения, так как процесс горения начался в результате под-
вода к системе большого количества тепла +Q и принудительно-
го разогрева ее до высокой температуры Т в пли, точнее, >Т в.
Изменим внешние или внутренние условия эксперимента, резко
уменьшим коэффициент теплоотдачи а, например, вдвое до
«1—0,5а (рис. 4.8). Тогда, как только разогреется система до тем-
пературы термостатмрования То', произойдет воспламенение горю-
чей смеси, так как при температуре То' интенсивность тепловыде-
ления q+ = f(T) выше интенсивности теплоотвода =/(Т).
Этот случай (рис. 4.8) также не носит характера теплового взры-
ва, так как система изначально приведена в состояние, при кото-
Рис. 4.8. Зависимость ин-
тенсивности теплоотвода
от изменения коэффици-
ента теплопередачи
67
ром воспламенение ее неизбежно. Это принудительное зажига-
йте системы, за счет внешней энергии.
Наибольший интерес с позиции теплового самовоспламенения
горючей смеси представляет такой случай, когда численное зна-
чение коэффициента теплоотвода и, соответственно, интенсивно-
сти теплоотвода приобретает промежуточное значение при а „
лежащем между u «и «ь равном a2:ai<a2<a. Подберем значение
а-2 таким, чтобы кривая интенсивности теплоотвода являлась ка-
сательной к кривой интенсивности тепловыделения и «имела с ней
одну общую точку С, соответствующую температуре на оси абс-
цисс Тс (рис. 4.8). Если систему довести до температуры То'
и термостатировать при этой температуре, то в ней начнет выде-
ляться и аккумулироваться тепло, повышая постепенно темпера-
туру системы до Тс . При температуре Тс ?+=?-", т. е. ин-
тенсивность тепловыделения становится равной интенсивности
теплоотвода и система приходит в неустойчивое состояние. Если
температура несколько понизится до Т=Т с— АТ, система вновь
разогреется до Тс за счет того, что снова q+ > q_ . Если же
температура чуть изменится в большую сторону, до Т=ТС+\Т,
система резко, самопроизвольно, перейдет к «интенсивному само-
разогреву смеси, так как справа + тоже больше q В системе
начнется бурное повышение скорости химической реакции окисле-
ния «и появление открытого пламени, без видимых внешних при-
чин. Это и есть случай самовоспламенения горючей смеси.
Рис. 4.9. Зависимость ин-
тенсивности теплоотвода
от изменения начальной
температуры смеси
Если, не меняя интенсивности! тепловыделения q+=f(T) и
коэффициента теплоотдачи а, изменять интенсивность теплоотвода
от системы q_=f(rV) за счет изменения начальной температу-
68
ры термостатирования То (рис. 4.9), то можно подобрать такое
значение То", при котором также произойдет тепловое самовос-
пламенение. Из рис. 4.9 видно, что. при начальной температуре
термостатирования TOi график q_=f(T) дважды пересечет
кривую зависимости q±=f(T). Первый раз в точке Аг
при температуре Гд , когда q+=q_ и система попадает в ста-
ционарное состояние медленного окисления без теплового взрыва,
как в рассмотренном выше случае. Теперь системе сообщим до-
полнительное тепло + Q и переведем ее в точку В второго пере-
сечения, тогда вновь q будет равно , система опять перейдет
в состояние неустойчивого равновесия. При температуре Гв —ДГ
система охладится до Гд и перейдет в стабильное состояние в
точке А, так как левее точки В q_>q+ , а при переводе ее
в состояние Тя 4-АГ произойдет зажигание смеси вследствие
того, что справа от точки В q+> q~ . Это случай принуди-
тельного поджигания смеси за счет подвода к пей большого коли-
чества внешней энергии 4-Q и разогрева ее до высокой начальной
температуры Г> Тв .
Воспламенение смеси произойдет, если систему разогреть до
начальной температуры То. . При этой температуре интенсив-
ность тепловыделения <7+=/(Т) выше интенсивности теплоот-
вода q"-=f(T) . Поэтому произойдет принудительное зажига-
ние горючей смеси при температуре То. •
Рассмотрим случай теплового самовоспламенения, когда на-
чальная температура термостатирования системы равна Го. кри-
вая q'—=f(T) занимает предельное положение касательной
к кривой q4=/(T) (рис. 4.9). При этом система без видимых
внешних причин перейдет из Го в равновесное состояние при тем-
пературе Гс , так как до этой точки (/<></'_ . Затем самопро-
извольно, бурно, без внешнего воздействия перейдет к открытому
пламенному горению, потому что правее точки С интенсивность
тепловыделения q+ выше интенсивности теплоотвода q'~ .
Аналогичную картину теплового самовоспламенения можно
реализовать и при других условиях протекания процесса (само-
воспламенения. Если коэффициент теплоотдачи а, начальная тем-
пература смеси Го, интенсивность теплоотвода будут постоянны,
а интенсивность тепловыделения ^4-=/fT) изменять за счет
давления в системе, концентрации смеси или других параметров
(рис. 4.10), в этом случае q'+=f(T) будет соответствовать вы-
нужденному зажиганию. Интенсивность тепловыделения q”'+=f(T)
будет соответствовать либо медленному стабильному окислению,
без воспламенения, при температуре Гд , либо вынужденному
зажиганию при температуре Гв . И только -^/(Т)
ответствовать случаю теплового воспламенения. Когда до
точки касания кривых q",=f(T) л q_^f(T) идет мед-
ленный «скрытый > самораз в горючей смеси за счет того, что
7 q , а после разогрева до критической температуры Гс
произойдет бурное самоускорение с переходом реакции окисления
Рис. 4.10. Зависимость
интенсивности тепловы-
деления от изменения
давления или концентра-
ции горючей смеси
в тепловой взрыв, сопровождаемый хлопком и появлением от-
крытого пламени. Принципиальной особенностью описанного ме-
ханизма теплового взрыва является то, что для анализа нестацио-
нарного процесса применяется стационарный подход, т. е. условия
появления нестационарного режима, взрыва, формулируются как
невозможность дальнейшего развития стационарного процесса
медленной химической реакции при непрерывно возрастающей ин-
тенсивности тепловыделения, которое не может компенсироваться
стационарным теплоотводом.
§ 4.4. Температура самовоспламенения
Начало реакции рассмотренной выше водородо-кислородной
смеси стехиометрического состава при атмосферном давлении
возникает при температуре выше 580°С, а ускоренный ход реак-
ции начинается при 600°С. Это не означает, что при этой темпе-
ратуре возникает тепловой взрыв. Фактически он возникает
после индукционного периода саморазогрсва системы до темпе-
ратуры 1000-ь2000°С, при которой скорость химической реакции
так велика, что появляется свечение пламени и звук взорвавшей-
ся смеси. Тем не менее за температуру теплового взрыва, темпе-
ратуру теплового самовоспламенения принимают температуру
590—600"С, т. с. ту наименьшую температуру, начиная с которой
возможен медленный саморазогрев системы, приводящий к ускоре-
70
нию химических реакции окисления, завершающихся тепловым
самовоспламенением.
Интенсивное саморазогревание горючей смеси и резкое повы-
шение скорости химических реакций окисления за счет саморазо-
грсва смеси во всех случаях (рис. 4.8, 4.9, 4.10) начиналось после
повышения температуры до Тс , т. е. после точки С — общей точ-
ки кривых интенсивности тепловыделения q+=*f(T) и интен-
сивности теплоотвода q_=f(T) . Так как это точка общая, то в
ней интенсивность тепловыделения в системе равна интенсивности
теплоотвода от нее
q+=/(T) = q_=f(T) . (4.10)
Поскольку кривая q_=J(T) является одновременно и каса-
тельной к кривой q+=f(T) в точке С, соответствующей темпера-
туре Тс , значит, и их первые производные в этой точке по тем-
пературе тоже равны:
dq,\
— = — . (4.11)
dT /Тс \dT /Тс v '
Эти условия однозначно определяют истинную температуру
начала интенсивного саморазогрева горючей смеси или начала
теплового взрыва. Поскольку экспериментально замерить истин-
ное значение температуры реагирующей системы довольно труд-
но, за температуру самовоспламенения системы условно прини-
мают температуру начала саморазогрева, т. с. температуру стен-
ки сосуда То', с которой начинается медленный самоускоряющнй-
ся саморазогрев, приводящий к тепловому самовоспламенению
системы. Таким образом, температура стенки То' является пре-
дельной температурой, до которой нельзя разогревать смесь без
опасности ее самопроизвольного воспламенения, которое про-
изойдет при температуре Тс .
Определим температуру самовоспламенения Тс и погреш-
ность, допускаемую тем, что за температуру самовоспламенения
принимается нс Тс , а температура стенки сосуда То'. Подставив
в уравнения (4.10 и 4.11) значение функций q+=f(T) и q~—f(T),
выраженное через параметры реагирующей системы, получим:
Е
QVk0C^C^e *rc = aS(Tc-T'o) . (4.12)
Продифференцировав уравнение (4.12) по температуре систе-
мы, получим:
Е
QVk0C\iC^e **c=aS . (4.13)
71
Разделив почленно уравнение (4.12) на (4.13), получим:
—^-=ТС-ГО' . (4.14)
Решая уравнение (4.14) относительно температуры сатиовос-
пламенения, получим квадратное уравнение вида
откуда
или . (4.16)
7 = - - I 7 1 _
7с 22/? | ' Е
Определим наименьшую температуру самовоспламенения, для
этого возьмем только значение второго’корня уравнения (4.16):
Т - — _ — I А 4/?г°
с 2R 2R У 1 Е
Приближенное значение Тс получают разложением корня
квадратного в степенной ряд:
= _ Е_ I _ 2RT'O 2&Т'О*\
с 2 R 2 R \ 1 Е ~ £2 ' ’
Ограничиваясь двумя первыми членами! ряда, получим:
или Тс = То' Д А Т , где
л 'г г о
А7’=-7-2. (4.18)
с.
Оценим величину погрешности АГ, которую допустили, прини-
мая за температуру самовоспламенения Т с температуру стенки
Tq- она равна —_ . Температура самовоспламенения угле-
водородов в воздухе редко бывает ниже 500 К. Примем условно
Го ~ 500 К. Энергия активации реакции окисления углеводородов
в воздухе равна — 80 кДж/моль, а газовая постоянная А* = 8,38 - 10~3
кДж/(моль-К). Подставляя эти значения в выражение (4.18), по-
лучим:
8,38 • Ю -з , 5QQ2
~~80
25 К .
72
Поэтому за температуру самовоспламенения обычно и прини-
мают наименьшую температуру стенки сосуда То', при которой
происходит самовоспламенение горючей смеси.
Индукционный период теплового самовоспламенения. Рассмат-
ривая механизм теплового самовоспламенения горючих смесей,
доведенных до критической температуры самовоспламенения, не-
однократно отмечали, что фактическое появление пламени про-
изойдет нс в момент достижения системой температуры начала
саморазогрсва То' и даже не в момент разогрева до температуры
Тс , а спустя еще некоторый промежуток времени. Промежуток
времени саморазогрева системы с То до появления пламени
условно и называется индукционным периодом теплового взрыва.
Представим процесс изменения температуры саморазогреваю-
щейся системы во времени Т—[(т), соответствующий условиям
теплового взрыва (рис. 4.4).
При разогреве системы от начальной температуры Т0\ до тем-
пературы Гд интенсивность тепловыделения больше интенсивно-
сти теплоотвода (кривая /, рис. 4.4). После выхода системы на
температуру ГА процесс стабилизируется Qi(T)--q2(T) и время ре-
акции уходит в бесконечность.
Уменьшим интенсивность теплоотвода, система разогреется до
температуры Гс . За счет интенсивного самоускорения химиче-
ских реакций горения резко возрастет гу/Т) и температурная
кривая 3 пойдет вверх (рис. 4.4). Величина индукционного перио-
да теплового взрыва составляет 1—2 с и зависит от вида горюче-
го, состава смеси, условий процесса самовоспламенения и других
обстоятельств. Чем точнее определяется температура самовоспла-
менения, тем больше индукционный период теплового взрыва.
Индукционный период теплового взрыва, как и температура само-
воспламенения, не является физической константой горючего ве-
щества или системы, но может быть использован в качестве по-
казателя степени пожарной опасности горючих веществ и мате-
риалов.
Таким образом, температура самовоспламенения (материала,,
смеси) — самая низкая температура, при которой происходит
резкое увеличение скорости экзотермической реакции, заканчи-
вающаяся возникновением пламенного горения. Поскольку Гсв
зависит от ряда факторов, то стандартная температура самовос-
пламенения, которую приводят для горючих веществ в справоч-
никах, определяется регламентированными методами.
§ 4.5. Границы самовоспламенения
Существуют такие состояния горючей смеси, при которых са-
мовоспламенение невозможно. Из уравнений (4.8, 4.12), выра-
жающих условия воспламенения, можно назвать параметры, свя-
занные функциональной зависимостью с Твс , и определить для
каждой такой зависимости граничные условия.
Рассмотрим эти зависимости отдельно, предполагая, что иссле-
дуется изменение температуры самовоспламенения от одного па-
раметра, сохраняя все другие постоянными для данной горючей
смеси.
Если скорость тепловыделения является функцией химической
реакции, то существуют такие концентрации горючего или окисли-
теля. при которых тепловыделения будет недостаточно для само-
разогрева системы с последующим самовоспламенением.
С ростом концентрации компонентов скорость тепловыделения
растет и достигает своего максимального значения в стехиометри-
ческой смеси. Поэтому в стехиометрической смеси температура
самовоспламенения минимальная, а самые высокие температуры
будут наблюдаться при минимальной и максимальной концентра-
циях, т. е. у концентрационных пределов воспламенения. Зависи-
мость Т св от состава смеси показана на рис. 4.11.
Рис. 4.11. Зависимость температуры
самовоспламенения от состава смеси
Рис. 4.12. Зависимость скоро-
сти тепловыделения и тепло-
отвода от размеров сосуда
При возникновении пожара наиболее опасны стехиометриче-
ские и близкие к ним составы горючей смеси, так как они имеют
наименьшие температуры самовоспламенения.
Температура самовоспламенения также зависит и от давления,
т. е. существует область воспламенения по давлению. Можно
было бы ожидать, что характер кривой тот же, что и при
св = /6?) » по не следует забывать о цепном механизме окис-
лительно-восстановительных реакций. Эта особенность делает за-
висимость Г Св от давления очень сложной. С ростом давления
1 св падает. При высоких и низких давлениях характер кривых
различен, в зависимости от вида горючей смеои.
74
Рассмотрим случай самовоспламенения системы, когда состав
смеси постоянен, а изменяется объем сосуда с реагирующей
смесью. На рис. 4.12 кривая, описывающая скорость тепловыделе-
ния, не изменяет своего положения в координатах q = f(T).
Изменение размеров сосуда или его формы приводит к тому,
что саморазогрев системы начинается при разной начальной тем-
пературе, так как наклон прямых, описывающих скорость теплоот-
вода, определяется отношением поверхности сосуда к его объему
при разных размерах сосуда с горючей смесью: S / V d2 / d3 1/tZ
и оказывается различным.
Видно, что при изменении отношения S/V из трех прямых, ко-
торые приведены на рис. 4.12, большой наклон имеет кривая
которая относится к сосуду меньшего объема, скорость теплоот-
вода наибольшая.
Соответственно и Тсв (точка Д, рис. 4.12) в этом случае наи-
большая, с увеличением объема или размеров сосуда при малых
отношениях S/V наклон прямых уменьшается и Тсв также ста-
новится ниже (точки Б и В, рис. 4.12).
Период индукции в случае увеличения объема сосуда, как
видно из рис. 4.12, если его считать как период достижения Гсв,
уменьшается соответственно уменьшению \/d.
Таким образом, при заданных значениях концентрации, дав-
ления, начальной температуры может быть найден критический
диаметр, при повышении которого происходит тепловой взрыв,
а при его уменьшении — нет.
При изменении линейных размеров сосуда изменяется и темпе-
ратура самовоспламенения, увеличиваясь с уменьшением линей-
ных размеров сосуда. Указанное явление используют для созда-
ния огнепреградителей. Изменяя форму и размеры сосуда с го-
рючей смесью, добиваются таких условий теплоотвода за счет
большой поверхности, когда самовоспламенение становится не-
возможным.
Следует иметь в виду, что существуют такие большие сосуды,
что увеличение их размеров не сказывается на условия теплоот-
вода и температура самовоспламенения в них пракпическм не
изменяется. Экспериментом найдено, что таким объемом являет-
ся 0,012 м3.
§ 4.6. Зависимость температуры самовоспламенения
от химического строения горючего вещества
и действия катализаторов
Различные соединения отличаются численными значениями
Т'св , так как склонность горючих смесей к реакциям окисления
неодинакова. Окислительно-восстановительные реакции, лежащие
в основе воспламенения и горения, протекают по цепному меха-
низму, через разрыв связей в молекулах и образование проме-
75
жуточных активных молекул и радикалов. Чем выше энергия
разрыва связи, тем труднее идет реакция окисления, а следова-
тельно, выше температура самовоспламенения.
Так, энергия разрыва С—Н связи в молекуле метана равна
425,0 кДж/моль, а у этана, следующего соединения гомолопиче-
ского ряда парафинов, — 410,1 кДж/моль, а температуры самовос-
пламенения соответственно равны 810 и 788 К. Закономерность
изменения Тсв одного гомологического ряда показывает, что
наибольшей температурой самовоспламенения обладают первые
члены ряда. По мере увеличения длины углеродной цепи энергия
связи С—II ослабевает потому, что значительное количество ее
расходуется на внутренние степени свободы: вращение и колеба-
ние. Происходит изменение геометрической конфигурации моле-
кулы и облегчается возможность реагирования горючего с окис-
лителем. При увеличении длины неразветвленной цепи в молеку-
лах одного гомологического ряда начиная с С^ч-Сю энергия свя-
зей и Гсв отличаются друг от друга незначительно.
Для углеводородов изостроения соблюдается следующее пра-
вило: способность к самовоспламенению ( реакции окисления)
понижается с увеличением разветвлений в молекуле. В табл. 4.1
приведена температура самовоспламенения некоторых предельных
углеводородов в зависимости от их строения.
В общем случае Тсв уменьшается с увеличением длины угле-
родной цепи и молекулярной массы. На рис. 4.13 показана зави-
симость температуры самовоспламенения предельных углеводо-
родов от их строения и средней длины углеродной цепочки.
Аналогичная зависимость Тсв от длины углеродной цепи мо-
лекулы наблюдается и для других классов органических соеди-
нений.
В табл. 4.2 дана Тсв некоторых соединений разных классов.
Из табл. 4.2 видно, что температура самовоспламенения у раз-
ных классов соединений зависит от склонности этих соединений
к реакции окисления, например, соединения с кратными связями
окисляются легче, чем насыщенные.
В каждом гомологическом ряду с увеличением молекулярной
массы происходит изменение агрегатного состояния соединений:
от газов к жидкостям и твердым веществам. Поэтому с перехо-
дом к высшим гомологам ряда зависимость Тса от химического
строения уже не проявляется так наглядно: сказываются физиче-
ские эффекты взаимодействия в конденсированной фазе.
Впервые взгляды на горение как окислительно-восстанови-
тельные реакции, протекающие с участием радикалов, были вы-
сказаны в 1897 году Бахом и Энглером, которые предположили,
что окисление кислородом воздуха протекает через стадию обра-
зования перекисных радикалов, способных в дальнейшем распа-
даться и передавать свой кислород другим соединениям. С увели-
чением ненасыщенности соединения, появлением неспаренных
электронов способность к таким превращениям увеличивается,
76
Таблица 4.1
Название соединения ?<• , К Примечание
Н-гексан 507 Число углеродных атомов
во всех соединениях равно ше-
2,3-диметилбутан . . . . 693 сти
2-метилпентан . . . . 580
1,2-димети лбу тан . . . . 698
Таблица 4.2
Название и класс соединения Химическая формула (брутто) Гс», к
Предельные
Метан сп4 810
Этан . , С2Н6 788
Пропан с3н8 777
Бутан С4Н10 704
Пентан СзН12 557
Гексан с6н14 534
Непредельные
Этилен с2н4 813
Пропилен С3Н6 638
Бутилен . . . . • . С4Н8 657
Амилен СйН,о 571
Гексилен с6н12 545
Ароматические
Бензол СбНв 864
Толуол C7Hs 841
Этилбензол С8Н,о 733
Диэтнлбензол . ...... СюН14 677
77
Рис. 4.13. Изменение температуры самовоспламе-
нения предельных углеводородов в зависимости
от их строения
а следовательно, увеличивается их склонность к самовоспламене-
нию. Процесс самовоспламенения ускоряют также посторонние
примеси, стенки сосуда и всякие другие вещества, которые явля-
ются катализаторами окислительно-восстановительной реакции.
Это необходимо учитывать во всех случаях, когда горючие смеси
соприкасаются с каталитическими поверхностями. Например, для
бензола Тсп меняется от 853 до 1026 К при определении ее в
стеклянном или железном сосудах одинакового размера, т. е.
диапазон изменения стандартной величины достигает 173 К. По-
этому в СССР определение Тсп по методу капли проводится в
стеклянном сосуде.
§ 4.7. Методы определения температуры
самовоспламенения
Существует целый ряд методов определения температуры са-
мовоспламенения, которые отличаются, главным образом, спо-
соба.ми нагрева смеси и смешения горючего с окислителем. Стан-
дартную температуру самовоспламенения определяют для стехио-
метрического состава смеси в сосудах стандартных размеров.
Метод впуска впервые предложен Ле-Шателье и рекомендован
ВМИИПО для определения Т св и периода индукции. Газообраз-
ную смесь горючего с окислителем впускают "в предварительно
эвакуированный до остаточного давления 400—670 Па реакцион-
ный сосуд (рис. 4.14). Сосуд помещен в печь с регулируемым
нагревом. За температуру самовоспламенения принимают темпе-
ратуру стенок, при которой после установления нормального дав-
ления горючей смеси наблюдается самовоспламенение.
Рис. 4.14. Схема установки для определения температуры самовоспламе-
нения газов методом впуска
1 — нагревательная печь; 2 — термопары; 3 — реакционный сосуд; 4 —
датчики давления; 5 — блок записи давления; 6 — электромагнитный
клапан; 7 — огнепреградитель; 8 — смеситель; 9 — предохранительный
клапан; 10 — ртутный манометр; // — насос-мешалка; 12 — краны
При самовоспламенении от сжатия нагрев осуществляется
быстрым сжатием горючей смеси поршнем. Характерной особен-
ностью метода является то, что снижается возможность непо-
средственного участия стенок в реакциях воспламенения, т. с. ка-
тализирование процесса.
В методе струй, впервые примененном Диксоном, потоки газа
и окислителя нагреваются раздельно в концентрических трубках*
Самовоспламенение происходит при смешении потоков, при про-
извольном и неопределенном составе смеси.
Метод капли (ГОСТ 13920-68) очень прост: в предварительно
разогретую колбу подаются пипеткой вещества, составляющие с
воздухом в объеме колбы стехиометрическую смесь (рис. 4.15).
Температуру, при которой происходит самовоспламенение капли,
принимают за стандартную температуру самовоспламенения.
79.
Рис. 4.15. Прибор для определения температуры самовоспла-
менения паров в воздухе (ГОСТ 13920—68)
1 — коническая стеклянная колба; 2 — нагревательная печь;
3 — съемная крышка нагревательной печи; 4 — тепмопары
Таблица 4.3
Метод измерения
Гсв. К
Состав смеси
Впуск.
Сжатие
Струя
Капли
749—821
589
873, 582
852
ав = 0,5—1,6
ав =1, Рс = 13 атм
Измеренные несколькими методами! температуры самовоспла-
менения могут отличаться друг от друга, так как условия и вре-
мя, отводимое на саморазогрев горючей смеси, оказываются раз-
личными. Кроме того, условия нагрева, влияние стенок также
неодинаково. В табл. 4.3 приведены температуры самовоспламе-
нения смеси пентана с воздухом, измеренные различными мето-
дами.
80
§ 4.8. Расчет температуры самовоспламенения
Экспериментально установлено, что температура самовоспла-
менения в пределах гомологического ряда снижается с увеличе-
нием длины углеродной цепи. Значения Тсп , соответствующие
средним длинам углеродных цепей для разных классов органиче-
ских соединений, даются в таблицах. Поэтому методика нахожде-
ния Гсв сводится к определению средней длины углеродной
цепи в молекуле данного класса соединения. Расчет длины цепей
для каждого класса соединений имеет свои особенности. Расчет-
ная формула условной средней длины цепи в молекуле имеет
вид
п
1 л,- а
. (4-19)
Л/
где с{ — длина i-ой углеродной цепи в молекуле;
п{ — число цепей, длина которых составляет .
Общее число цепей в молекуле находят по формуле
2 — 9
(4.20)
где AI — число концевых групп в молекуле, которыми принято
считать метильные группы — СН3, ароматический ра-
дикал СбН5 —или СбН4 —и т. д.
Формула радикала определяется числом заместителей в бен-
зольном ядре. Для спиртов алифатического ряда концевой счи-
тается и гидроксильная группа ОН. Из общего числа цепей после-
довательно выбирают цепи с одинаковым числом углерддных ато-
мов, причем для ароматических соединений атомы углерода аро-
матического ядра в расчет не включаются. Для спиртов расчетная
длина цепи, содержащая гидроксильную группу, увеличивается на
единицу по сравнению с фактической углеродной цепью. Для
ароматических соединений длина цепи, содержащая арильный
радикал, уменьшается на единицу по сравнению с фактической
длиной. С расчетом Тсв других классов соединений можно позна-
комиться в книге В. Т. Монахова [131.
Пример 1. Рассчитать температуру самовоспламенения 3,3-диэтилпснтана.
6—4609 81
Решение. Записываем структурную формулу соединения и находим об-
щее число цепей. Нумеруем все атомы углерода в молекуле:
6СН3
I
7С№
'СНз—2СНз—3С—4СНг—5 бСН3
I
8СН2
I
9СН3
ЛЦМ—1) 4(4—1)
1~ 2 2
Находим состав цепей с одинаковым числом атомов углерода — С.-,. Их 6:
]—2г-3—4—5; 1—2—3—8—9; 1—2—3—7—6; 5—4—3—7—6; 5—4—3—8—9;
6-7—3—8—9. Видим, что в данном соединении длина всех цепей одинакова.
Находим среднюю длину цепи:
По табл. 6 приложения для предельных углеводородов находим по средней
длине цепи температуру самовоспламенения Тсв=560 К.
При необходимости сравниваем с экспериментальной величиной и оцени-
ваем ошибку расчетного метода.
Пример 2. Рассчитать температуру самовоспламенения 2,2-диметилбута-
нола-li
Решение. Записываем структурную формулу и находим общее число це-
пей. Нумеруем последовательно все углеродные атомы:
5СНз
I
*СНз—3СН2—2С—*CHs—ОН
бСНз
Находим по числу концевых групп число цепей в молекуле. Учитывая, что
гидроксильная группа считается концевой:
v M(Af-l) 4(4-1)
2 2
Первая цепь имеет четыре углеродных атома и гидроксил, общая длина
равна пяти (ОН—1—2—3—4). Число таких цепей равно единице. Число цепей
с тремя атомами углерода и одной гидроксильной группы равно четырем:
4—3—2—5, ОН—1—21— 5, ОН—11—2—6, 4—3—2—6. Число цепей с тремя атома-
ми углерода равно единице: 5—2—6.
82
Вычисляем среднюю длину цепи:
п
Z niCi 5-1+4-4+3-1
——
=3,81.
По табл. 7 приложения для алифатических спиртов находим, что Гсв равна
642 К. Экспериментальное значение 652 К. Относительная ошибка расчета со-
ставляет:
651—642
о=----------
651
= 1,38%.
Пример 3. Вычислить температуру
бензола.
самовоспламенения 1,4-диизопропил-
Решение. Записываем структурную формулу соединения, нумеруем угле-
родные атомы алифатических цепей. Учитываем, что арильный радикал—С6Н»—
выполняет функцию концевой группы и промежуточной, но уменьшает факти-
ческую длину цепи, куда он входит на единицу:
5СНз
€СНз
Вычисляем число цепей:
5(5-1)
я'=——
= 10.
Подсчитываем число цепей с одинаковым числом углеродных атомов При
длине цепи, равной трем, число цепей равно четырем: 1—3—СПН^—4—5;
2—3—СВН«—4—5; —3—СвН<—4—5; 2—3—СвН«—4—6 (фактическое число угле-
родных атомов в перечисленных цепях равно четырем, но правилом предусмот-
рено уменьшение цепи на единицу). С тремя углеродными атомами еще есть
две цепи: 1^-3—2, 5-4-6. В четырех цепях: 1^3—С«Н.; 2— 3—CJh;
5—4— СвН«; 6—4—С«Н« — фактическое число углеродных цепей равно двум,
расчетное — одному.
Вычисляем среднюю длину цепи в молекуле диизопропилбензола:
п
- Ъ Ci
Ы
4р—
- rii
4-3+2-3+4-1
= 2,2.
10
Находим по табл. 8 приложения для ароматических углеводородов темпе-
ратуру самовоспламенения, она равна 701 К. Экспериментальное значение —
/ 22 К-
6*
83
§ 4.9. Самовоспламенение аэродисперсных систем
и твердых горючих материалов
Процесс воспламенения жидких и твердых веществ принципи-
ально не отличается от воспламенения газов: необходимо, чтобы
соотношение тепловыделения и теплоотвода в материале обеспе-
чивало самоускорение химической реакции окисления. Так как
твердые и жидкие горючие имеют границу раздела фаз, то вели-
чина удельной поверхности S/V определяет скорость диффузион-
ных процессов, т. е. интенсивность тепловыделения и теплоотвода.
Для жидкостей наибольшее испарение при нагревании наблю-
дается, когда они находятся в диспергированном состоянии, на-
пример, аэрозоли, так как скорость испарения зависит от разме-
ров поверхности раздела фаз. Поэтому самовоспламенение аэро-
золей наступает при более низких температурах, чем если жид-
кость находится в открытой емкости. Но в обоих случаях кон-
центрация пара в воздухе должна достигать критических значе-
ний (концентрационных пределов), при которых начинается устой-
чивый самоускоряющийся процесс, приводящий к горению.
Самовоспламенение твердых веществ связано с разнообразием
процессов, происходящих с твердыми горючими материалами
при нагревании. Органические твердые вещества и материалы при
нагревании, как правило, разлагаются (пиролизуются) с образо-
ванием горючих газообразных, парообразных, которые, смеши-
ваясь с кислородом воздуха, образуют взрывоопасные смеси;
оставшийся твердый остаток (кокс) также способен к окисле-
нию, а следовательно, при определенных условиях самовоспла-
меняется.
Вопрос о том, что раньше самовоспламенится: твердый остаток
или газовая фаза, зависит от многих факторов, например, хими-
ческого состава газообразных продуктов разложения; температу-
ры, при которой они смешиваются с воздухом; условий массо-
и теплообмена в конденсированной фазе горючего. У хлопка, на-
пример, твердый остаток имеет Тсв =478 К, а газы воспламенят-
ся при температуре 680 К.
Самовоспламенению неорганических твердых веществ (метал-
лов, сплавов) также предшествует плавление и испарение самих
материалов и поверхностных пленок окислов, при этом увеличива-
ется поверхность контакта с воздухом и процесс окисления облег-
чается.
Таким образом, величина удельной поверхности S/V, ее физи-
ческое состояние (сплошной массив твердого горючего, пористый
дисперсный слой материала и аэрозоль) оказывают существен-
ное влияние на условия самовоспламенения.
На практике наибольшую пожарную опасность представляют
пыли. Аэрозоли по воспламенению во многом сходны с газовы-
ми системами. При нагревании их до определенной температуры
они самовоспламеняются, если сравнивать Тса геля и золя,
84
то более низкой температурой обладает аэрогель, так как кон-
центрация его в единице объема выше, чем золя и условия тепло-
вого равновесия наступят при более н<изкой температуре. Напри-
мер, гель древесной муки самовоспламеняется при температуре
548 К, а аэрозоль — при 1048 К. Поскольку при проведении! техно-
логических процессов (сушка, дробление, транспортировка) аэро-
гели образуются очень легко, то при оценке пожарной опасности
пылей необходимо ориентироваться на Тсв аэрогелей.
§ 4.10. Самовозгорание веществ и материалов
L Самовозгорание как начальная стадия горения принципиально
не отличается от самовоспламенения./ Склонность вещества к са-
мовозгоранию можно характеризовать как функцию теплоты сго-
рания соединения, скорости реакции окисления, теплопроводно-
сти, теплоемкости, влажности, наличия примесей, объемной плот-
ности, удельной поверхности, теплопотерь и т. д.
Появление пламени — видимого признака начавшегося про-
цесса — начинается при значительно более низких температурах,
чем при самовоспламенении. Самовозгорание материала обычно
происходит при температуре окружающей среды от 273 до
343—373 К.
Причиной самонагревания, приводящей к воспламенению, мо-
жет быть ряд факторов: микробиологический процесс, полимери-
зация, адсорбция, теплота реакции окисления при прямом кон-
такте с кислородом воздуха или другим окислителем, тепловой
импульс.
Тепловое самовозгорание возникает при нагревании вещества
до температуры, обеспечивающей его термическое разложение и
дальнейшее самоускоряющееся самонагревание за счет тепла
экзотермических реакций в объеме горючего. При этом большую
роль играют реакции окисления продуктов термического разло-
жения. Сам процесс протекает в форме тления в глубине мате-
риала, которое затем переходит в пламенное горение на поверх-
ности. Химическое самовозгорание возникает в месте контакта
взаимодействующих веществ, реагирующих с выделением тепла.
В этом случае самовозгорание наблюдается обычно на поверхно-
сти материала, а затем распространяется вглубь.
Микробиологическое самовозгорание характерно для материа-
лов, в которых возможна жизнедеятельность микроорганизмов,
обычно в объеме материала. Схема процесса самовозгорания
твердых веществ и материалов приведена на рис. 4.16. Как пра-
вило, самовозгорание возникает в том случае, когда отношение
внешней поверхности материала к объему небольшое, а площадь
поверхности реагирования много больше внешней поверхности
материала, так как в противном случае за счет большого тепло-
отвода саморазогрев и самовозгорание маловероятны. Характер-
ным признаком самовозгорания является довольно значительный
во времени период индукции.
К самовозгоранию склонны горючие жидкости и твердые ве-
щества. В качестве характеристики пожарной опасности принима-
ют самуТСг''низкую температуру вещества, при которой возникает
его самонагревание, заканчивающееся самовоспламенением.! Эту
температуру называют температурой самонагревания. Вещества
же, склонные к самовозгоранию при их самонагревании, называ-
ют самовозгорающимися. Самовозгорающиеся вещества делят на
три группы: масла, жиры и другие продукты растительного про-
исхождения; самовозгорающиеся химические вещества; ископае-
мые горючие материалы.
Рис. 4.16. Схемы развития процесса возгорания i(a) и само-
возгорания (6) твердых веществ и материалов
1, 2, 3 — импульсы самонагревания (самовозгорания) соот-
ветственно тепловой, химический, микробиологический; /из и /св—
температуры источника зажигания и вещества при самовоз-
горании; /ц — минимальная температура окружающей среды
при самовозгорании определенного объема вещества в данных
условиях
О © ©
К первой группе относят масла и жиры растительного и мине-
рального происхождения, самонагревание которых возникает в
результате окислительных процессов под действием кислорода
воздуха при развитой поверхности контакта с ним. Период индук-
ции при самовозгорании промасленных материалов составляет
от нескольких часов до нескольких дней. Склонность масел к
самовозгоранию оценивается по йодному числу, характеризующе-
му число двойных связей в молекулах, так как окислению под-
вергаются в первую очередь непредельные соединения.
^Различные вещества органического происхождения: сено, со-
86
лома, торф, овощи и другие вещества подвержены самовозгора-
нию под действием микробиологических процессов. Их самона-
гревание происходит в результате деятельности микроорганизмов,
адсорбции паров и газов, выделяющихся в результате разложе-
ния и окисления. Из-за плохой теплопроводности выделяющееся
тепло аккумулируется в них и повышает температуру, что, в свою
очередь, ведет к интенсификации процессов окисления и тепловы-
деления. Так, торф самонагревается при 343 К, некоторые расти-
тельные продукты самонагреваются при 370—400 К J
Некоторые химические соединения склонны к самонагреванию
в результате контакта с кислородом воздуха и другими окислите-
лями. Причиной самовозгорания служит их высокая реакционная
способность в контакте с другими соединениями. Поскольку этот
процесс происходит большей частью при комнатных температурах,
его также относят к самовозгоранию. На самом деле, заметный
процесс взаимодействия компонентов наблюдается при значитель-
но более высоких температурах, и поэтому в качестве темпера-
турного показателя пожарной опасности таких веществ приводят
их Т св . Например, алюминиевая пудра самовозгорается на воз-
духе. Однако реакция образования окиси алюминия протекает
прги 913 К: А1+О2 -> А12О3. Металлический натрий также
способен самовозгораться на воздухе или при действии воды, хотя
обе реакции протекают при более высоких температурах. В ре-
зультате взаимодействия, например, карбида кальция с водой
происходит самовозгорание не этого вещества, а продукта реакции:
ацетилена, Тсв которого равна 603 К.
Низкой температурой самовоспламенения обладают некото-
рые металлоорганические соединения, например, триметилалюми-
ний, диэтилцинк и т. д. Такие вещества, как сурьма, этилен, ди-
этиловый эфир и т. д., имеющие высокие Т св на воздухе, само-
разогреваются при более низких температурах в среде хлора,
фтора и других активных окислителей.
Ископаемые горючие материалы, например, уголь, сульфид
железа и другие окисляются на воздухе, а экзотермичность реак-
ции способствует развитию процесса самовозгорания. При погло-
щении паров воды 0,01 г угля выделяется 22,6Дж тепла, при
этом материал нагревается до 65 —70°С и в дальнейшем возмож-
но его самовозгорание. Наконец, возникновение пожаров в ре-
зультате самовозгорания часто связано с присутствием в трудно-
горючих и негорючих веществах посторонних примесей, способ-
ных к самовозгоранию.]Так, температура разложения аммиачной
селитры находится в интервале 468—478 К, поэтому она не пред-
ставляет опасности при хранении и транспортировке, но се смеси
с горючими веществами: деревом, смолой, торфом, льном часто’
самовозгораются. Это происходит в результате реакции нитрова-
ния, которая экзотермична и вызывает разогрев смеси. Присут-
ствие примесей металлов катализирует процесс.
f Таким образом, самовозгорание и самонагревание горючих
87
смесей и веществ, которые протекают при низюих температурах,
имеют ту же природу, что и самовоспламенение, но вследствие
своей большей распространенности служат причиной пожаров
гораздо чаще, чем самовоспламенение. /
Глава 5
ВЫНУЖДЕННОЕ ВОСПЛАМЕНЕНИЕ ГОРЮЧЕЙ СИСТЕМЫ
§ 5.1. Вынужденное воспламенение (зажигание)
Самовоспламенение горючих систем, рассмотренное выше, на
практике почти не встречается. Изучение этого механизма более
важно с научной, познавательной точки зрения и с точки зрения
предотвращения процессов непроизвольного самовоспламенения
и самовозгорания горючих веществ и материалов, которое иногда
все-таки приводит к взрыву или пожару.
В практике применения процессов горения чаще всего пользу-
ются не механизмом самовоспламенения, а способом вынужден-
ного воспламенения (зажигания) горючих смесей или горючих
веществ и материалов. И пожары, соответственно, значительно-
чаще возникают нс в результате самовоспламенения и самовозго-
рания, а вследствие зажигания горючих газовых смесей или го-
рючих жидкостей и твердых горючих материалов.
Понятие и механизм зажигания. Принципиально, по своей фи-
зической сущности, зажигание или вынужденное воспламенение
не отличается от процесса самовоспламенения, так как и в этом
случае самоускорение реакции взаимодействия горючего и окис-
лителя наступает после повышения температуры системы выше
определенного значения.
Разница в условиях возникновения и в механизмах протекания
этих процессов сводится к следующему.' Первое, что при само-
воспламенении вся смесь разогревалась равномерно и доводи-
лась постепенно до температуры самовоспламенения. В резуль-
тате этого реакции окисления возникали и ускорялись во всем
объеме газовой смеси и процесс горения мог возникнуть равно-
вероятно в любой точке рассматриваемого пространства или во
всем объеме одновременно. А в случае зажигания вся масса
реакционноспособной горючей смеси может оставаться относи-
тельно холодной, до температуры воспламенения достаточно быст-
ро нагревается только незначительная ее часть. Второе отличие
состоит в том, что при самовоспламенении процесс самоускоре-
ния реакций горения нарастал сравнительно медленно, т. е. был
велик период индукции, а при зажигании процесс воспламенения
происходит значительно быстрее, так как разогрев смеси от внеш-
него источника тепла производится локально, но значительно
быстрее и до более высокой температуры. Поэтому индукционный
период зажигания почти отсутствует или очень мал, а возникшее
88
пламя распространяется (из зоны его возникновения на всю ос-
тальную реакционноспособную смесь с определенной скоростью.
’ В зависимости от вида внешнего 'источника тепла <и его осо-
бенностей различают разные способы или виды зажигания. Источ-
ником зажигания может быть разогретое постороннее тело шли
локально разогретая стенка сосуда с горючей газовой смесью,
электрическая искра* (емкостная или индукционная), посторон-
нее пламя, внезапное адиабатическое сжатие или ударная волна.
При адиабатическом сжатии горючей смеси вынужденное зажи-
гание по своему механизму несколько отличается от других слу-
чаев. При этом вся смесь одновременно и равномерно разогрева-
ется до высокой температуры, при которой и происходит ее одно-
временное воспламенение во всем объеме. Этот процесс происхо-
дит значительно быстрее, чем медленный квазнстационарный
подогрев газовой смеои при самовоспламенении, а температура
зажигания при адиабатическом сжатии значительно выше, чем
при самовоспламенении, и поэтому при адиабатическом сжатии
индукционный период воспламенения так же, как при других ви-
дах зажигания, сокращен до минимума.
§ 5.2. Зажигание от нагретой поверхности
Рассмотрим случай зажигания горючей смеси от нагретого
тела. Упростим для наглядности процесс зажигания до следую-
щей схемы: представим себе «холодную» горючую газовую смесь,
заключенную в какой-либо сосуд. Сосуд возьмем «плоский»,
горизонтальный и подогреваемую стенку расположим сверху,
чтобы исключить конвективную теплопередачу, сохранив только
кондуктивную передачу тепла за счет теплопроводности газа. При-
мем горизонтальную ось, параллельную плоской стенке сосуда,
за ось температур и предположим, что температура То верхней
стенки сосуда равномерна по всей площади и постепенно подни-
мается до более высоких значений Т\, Т3 и т. д. В нейтральной
среде кривая изменения температуры в газе внутри сосуда имела
бы вид линейной зависимости T=f(u) (рис. 5.1,а), т. о. она по-
степенно снижалась бы до начальной температуры газовой смеси
по линейному закону по мерс удаления от горячей до противо-
положной, холодной стенки. В реакционноспособной смеси в связи
с некоторым выделением теплоты реакции в наиболее разогретой
части газовой смеои, вблизи горячей стенки, кривая пойдет не-
сколько круче и линейность ее вблизи стенки нарушится
* Под электрической искрой понимается электрический разряд в газе, че-
рез газовый промежуток, а не брызги или капли расплавленного металла, кото-
рые тоже, как и искры, разлетаются в стороны при коротком замыкании в
электроцепях или при электросварке. Такие искры очень опасны с точки зрения
пожарной опасности, но их следует рассматривать как раскаленные тела малого
размера, а механизм зажигания — как зажигание от нагретого тела.
89
(рис. 5.1,6). Если повысить температуру стенки до некоторого
значения Т2, кривая температур в нейтральной среде имела бы
вид такой, как показано на рис. 5.1,а, т. е. опа снижалась бы до
начальной температуры газа Го, но в реакционноспособной среде,
за счет повышения скорости реакций пр<и Т2 и, соответственно,
более интенсивного тепловыделения в пристеночном слое газовой
смеси вблизи горячей стенки кривая пойдет еще круче и, в прин-
ципе, можно подобрать такое значение Тз, когда скорость тепло-
выделения от реакций в газе возле стенки будет так
велика, что температура газа по мере удаления от стенки будет
оставаться примерно одинаковой. График температур примет вид
/ ==/fy)(pHC. 5.1,6), когда Tr— Т, и q1== f(T) = q2f(T), как при са-
мовоспламенении.
Рис. 5.1. Распределение темпе-
ратуры в газовой среде при
воздействии нагретого тела
а — инертная среда при ква-
зистапионарном нагреве стенки;
б — горючая среда при квази-
стационарном нагреве стенки
Если предположить, что температура стенки была квазистацио-
нарно поднята до значения 7'4>Гз, то система выйдет из стацио-
нарного состояния. Газовая смесь вблизи горячей стенки сосуда
при температуре Г4 начнет реагировать так интенсивно, что в ре-
зультате интенсивного тепловыделения в газе его температура
возрастет выше Т4, соответственно произойдет самоускорение хи-
мических реакций, резко возрастет интенсивность тепловыделения
и кривая температур примет вид Ti'=f(y). Произойдет воспла-
90
менение горючей смеси возле стенки сосуда и пламя начнет рас-
пространяться вниз на остальную реакционноспособную горючую
газовую смесь. Соответственно, «горячая» стенка из источника
тепла станет стоком тепла. Тепловой поток изменит свое направ-
ление на противоположное, так как температура газа возле
стенки станет больше ТГ>Т4 (как при самовоспламенении),
^1=/(Тг)>^2 =/(Т4). По принятой схеме нарастания темпера-
туры Т3 — предельная температура, при которой еще нс происхо-
дит зажигание горючей газовой смеем, хотя Т3 и больше Т св .
Температура Т3 является в этом случае как бы предельной, кри-
тической температурой, при которой не произойдет вынужденное
зажигание, так как это нагрев с «одной стороны», поэтому от го-
рячей стенки происходит теплоотвод, чего нет при самовоспламе-
нении, где система изотермична в начальный момент и адиабапич-
на по своей схеме. Температура зажигания Т4 соответственно еще
выше Гзаж >ТСЬ , так как Т4>Т3. Согласно тепловой теории
воспламенения Зельдовича Я. Б., предельным критическим усло-
/ dT \
вием зажигания является (------) =0, где п — нормаль к под-
\ dn /ст
жнгающей поверхности.
Обозначим вертикальную ось через у (направление вниз).
Тогда
= 0 .
ст
Скорость химических реакций зависит от температуры. Поэто-
му, если скорость химических реакций была ощутимой при Т3,
то при удалении от стенки, где Т<Т3, она снизится. Это значит,
что существенная скорость химических реакций будет иметь место
лишь в тонком приграничном слое б, где Т^Т3.
Если б<^/. то средний градиент температуры между горячей
и холодной стенками сосуда можно выразить, как в нейтральной
газовой среде, через ~ Гг-ст. Тепловой поток от
о
от стенки к газу, прилегающему к
тепла к нижележащим слоям газа
как и прежде, это означает, что
выделяемое в результате хими-
горячей стенки к газу соответственно будет равен:
dT Тг. ст
dy I
где X — теплопроводность газовой смеси.
Если при Т3 поток тепла
стенке, прекратится, а поток
из зоны 6 будет таким же,
Чет = Ч'> , где q§ — тепло,
ческих реакций в пристеночном слое газа.
Для упрощения задачи сначала пренебрежем изменением кон-
центрации горючего в результате относительно медленных пред-
пламенных реакций в приграничном слое. Тогда можно нс рас-
сматривать п процессов молекулярной диффузии, возникающей
91
в результате изменения концентрационного состава смеси в-
пограничном слое газа. Это означает, что все выделяющееся в
результате химических реакций тепло расходуется только на теп-
лопередачу теплопроводностью. Тогда уравнение сохранения
энергии можно записать так:
XV + ^(r) = 0’ (52>
где q — тепловой эффект химических реакций в пограничном слое.
Скорость химических реакций в простейшем случае можно
записать так:
Е
w(T) = K0C"e~ «т . (5.3)
Граничные условия процесса теплопередачи при у=0 Т=Т„ у
при у=1 Т=Т0.
Произведем замену переменных и выразим-^-через г=-^-
dy dy
dz q
тогда ——w(7). (5.4)
Интегрируя уравнение (5.4), получим:
dT
z~zCT= —
dy
(5.5)
При температура в зоне реакции 6 мало отличается от
Тст ‘(см. рис. 5.1, б). чПоэтому в этой зоне Тст — Т <£ Тст.
Используя приближенное преобразование, введенное Франк-Каме-
нецким Д. Л., справедливое при Т^Т ст, и учитывая, что
/ dT \
--- =0, после интегрирования уравнения
\ dy /Тст
dT
w\T)dT
с учетом уравнения (5.3)
получим для критических условий ('—) приближенное вы-
\ dy /кр
ражение в виде:
I — ) = । / "2 ~ , ЛТст’
иНкр I т?да(гст)~ • <56>
множив получившийся постоянный градиент температуры
на /., получим тепловой поток из зоны реакции в пограничном
92
слое газа в момент воспламенения газовой смеси от нагретой
стенки (нагретого тела). Подставив значение теплового потока в
уравнение (5.1) и возведя обе части уравнения в квадрат, после
сокращения на л2 получим:
9 / т 'г \ 2
— д w (Т„) —Н = Гст~ ° • <57>
Л £ ' I /
Уравнение (5.7) позволяет установить связь геометрических
размеров системы I с температурой нагретого тела м физико-хи-
мическими! параметрами горючей газовой смеси при ее воспламе-
нении. Если в качестве источника поджигания взять не нагретую
стенку сосуда, толщина которого была принята равной /, а по-
верхность нагретого тела, с характеристическим размером d (на-
пример, диаметр нагретого металлического шарика, внесенного
в горючую смесь), то в формулу (5.7) в качестве характерного
линейного размера системы следует подставить d. Решая уравне-
ние (5.7) относительно d, получим:
d = 1 /А(Гст ~Г-о)2 —— . (5.7, а)
Г 29w(TCT) RT*cr
Задавшись размерами нагретого тела d, можно определить
концентрационные пределы зажигания горючих смесей ?г= /(Тст/
пределы зажигания по давлению Ркр=ЛТст) и другие преде-
лы в зависимости от мощности источника зажигания.
Рассмотренная схема механизма вынужденного воспламене-
ния горючей газовой смеси от нагретого тела показала, что тем-
пература тела при зажигании выше, чем при самовоспламенении
смеси, уже из-за наличия теплоотвода от горячей стенки в горю-
чий газ. Поэтому, чтобы разогреть этот газ до температуры его
самовоспламенения и выше, температура нагретого тела должна
быть выше температуры самовоспламенения горючей смеси Тсв,
При этом не учитывался расход горючих компонентов в пристен-
ном слое.
В реальных условиях такой расход неизбежен. Тогда концент-
рация горючего в реагирующем слое будет постепенно падать.
Как известно, скорость реакции зависит от состава смеси, поэто-
му по мере снижения концентрации горючего скорость химиче-
ской реакции также будет падать, а следовательно, станет умень-
шаться и скорость тепловыделения в реагирующем пограничном
слое. Поэтому для возникновения горения, т. е. для зажигания
смеси, потребуется еще более высокая температура нагретой
стенки Т4 Тсв, чтобы за счет ускорения реакции окисления
при более высоких температурах компенсировать снижение скоро-
сти химических реакций, обусловленное расходом горючих ком-
понентов смеси.
Этот вывод хорошо подтверждается экспериментальными дан-
ными по зажиганию горючих газовоздушных смесей от нагретой
93
поверхности. Критическая температура, необходимая для зажи-
гания горючих газовых смесей, у нагретых тел, обладающих ка-
талитическими свойствами, значительно выше, чем у некаталити-
ческих поверхностей. Этот парадоксальный на первый взгляд
вывод обусловлен именно интенсивным расходом компонентов
горючей смеси вблизи каталитической поверхности. В погранич-
ном слое так интенсивно расходуется горючее, что распростране-
ние химических реакций окисления за пределы прилегающей зоны
и возникновение процесса горения во всей смеси становится не-
возможным при тех температурах, при которых оно возникает от
некаталитических металлических поверхностей. Особенно хорошо
это видно в экспериментах с применением в качестве поджигаю-
щего элемента металлической платины (рис. 5.2).
Рис. 5.2. Зависимость температуры зажигания на-
гретым телом от состава горючей смеси
1 — платина; 2 — никель; 3 — молибден; 4 —
сталь; 5 — золото
Так выглядит решение стационарной задачи о вынужденном
воспламенении (зажигании) горючих газовых смесей потоком
тепла от нагретого тела. Более наглядна и более характерна зада-
ча нестационарная. Опа и более реальна, так как стационарная
задача совсем близка к механизму самовоспламенения, но неста-
94
ционарная задача намного сложнее. При внезапном разогреве
стенки до температуры Т2 или Г3 или внесении в горючую
смесь постороннего тела с температурой выше Т3 процесс зажи-
гания качественно будет выглядеть так, как показано на рис. 5.3,
т. е. за короткое время зажигания от нагретой стенки (или нагре-
того тела) прогреется не весь газ, а лишь небольшой пограничный
слой газа толщиной 6. Температура газовой смеси по всей толщи-
не сосуда / останется почти такой же, как и была, т. е. (Тг)1
hi почти весь градиент температур от Г,, до То установится в слое
б. Соответственно этому, тепловой поток от горячей стенюи будет
значителен только в слое 6,
Рис. 5.3. Распределение температуры в горючей
газовой среде при быстром нагреве стенки
<72 =
dTi
dr /"
(5.8>
о
а тепловой поток в остальной части газовой смеси будет менее
интенсивен:
Яг = * -
dTi
~^СР?
(5.8, а)
I
о
Если в качестве источника зажигания в горючую газовоздуш-
ную смесь внезапно вносится нагретое до высокой температуры
твердое тело конечных размеров J, то картина процесса зажига-
ния будет аналогична рассмотренной выше. Но при этом размер
и термодинамические параметры зоны разогрева горючей газовой
смеси (толщина слоя смеси, ее температура, скорость прогрева
и др.) будут зависеть от размеров, формы и температуры поджи-
гающего тела, количества запасенного тепла (т. е. запаса энер-
гии), источшика зажигания и других факторов.
Очевидно, что чем меньше площадь поверхности источника
зажигания, тем выше должна быть температура его поверхно-
сти для обеспечения требуемого запаса тепла в прогретом слое
95
горючего газа; чем меньше собственная теплоемкость источника
поджигания (его собственная масса), тем выше должна быть его
начальная температура для сообщения горючей смеси требуемого
начального импульса, необходимого для возникновения процессов
горения; чем выше температура воспламенения (самовоспламе-
нения) данного вида горючей смеои, тем, соответственно, выше
должна быть температура поверхности источника поджигания
и т. д.
Эти общие соображения и зависимости хорошо подтверждают-
ся как аналитическими (исследованиями уравнений (5.7), (5.7,а),
(5.8, а), так и обширными экспериментальными данными по изу-
чению закономерностей процессов зажигания горючих систем.
Рис. 5.4. Зависимость температуры за-
жигания горючей смеси от размеров
тела
1 — пентан; 2 — светильный газ; 3 —
водород
Рис. 5.5. Зависимость темпера-
туры зажигания горючей
смеси от площади нагретой
поверхности
Данные экспериментов по зажиганию горючих газовых смесей
показаны на графиках (рис. 5.2, 5.4—5.8). Из экспериментальных
данных по зажиганию газовоздушных смесей природного газа
нагретыми поверхностями различных металлов видно, что наи-
большая температура поджигающей поверхности у каталитически
активной платины несколько ниже у золота, еще ниже у никеля
и молибдена, а самая низкая — у некаталитмческой поверхности
из обычной стали (кривая 4, рис. 5.2). Причем характерно, что
температура поджигающей поверхности у каталитически активной
платины тем выше, чем состав горючей смеои ближе к стехиомет-
рическому: Сг^ 9,4%. Она на 200—300°С выше, чем для смеси
другого состава, т. е. для бедных и богатых смесей. Этот пара-
доксальный на первый взгляд факт хорошо объясняется рассмот-
ренным выше механизмом интенсивного расходования горючих
компонентов в пристенном слое горючей смеси, вблизи поджи-
гающей поверхности. И чем состав смеси ближе к стехиометри-
ческому, тем больше скорость химических реакций взаимодейст-
96
вия горючего с окислителем, т. е. больше скорость расходования
компонентов в пристенном слое и, соответственно, выше требуе-
мая температура поджигающей поверхности платины (чего нет
у менее каталитически активных поверхностей, таких, как никель
и молибден, хотя их критическая температура поджигания и
выше, чем у каталитически нейтральной стали). Зависимость
температуры поджигающей поверхности шара от его диаметра
Т3 = f(d) , вида горючего газа и материала поверхности
шара показана на рис. 5.4.
Из этих экспериментальных данных видно, что, во-первых,
с увеличением диаметра поджигающего шарика с d ш = 1мм до
(/ш=5м.м температура поджигающей поверхности нагретого тела
и для металлического шарика, и для кварцевого шарика моно-
тонно снижается для всех трех видов горючей смеси примерно на
250—400°С, в зависимости от вида горючего. Во-вторых, у легко-
воспламенимых водородо-воздушных смесей температура воспла-
менения во всех случаях остается наименьшей.
Рис. 5.6. Зависимость температуры
зажигания горючей метано-воздушной
смеси от давления
/ — 0,5 с; 2—1 с; ? — 2 с; 4 — 3 с
Рис. 5.7. Зависимость темпе-
ратуры зажигания паров
горючих жидкостей от дав-
ления
1 — бензол; 2 — цилиндро-
вое масло; 3 — бензин;
4 — нефть
Зависимость температуры поджигания от величины площади
поджигающей поверхности Т3 — f(S) наиболее наглядно видна
на рис. 5.5. При достаточно большой площади поджигающей по-
верхности (Sn >200см2) критическая температура поджигания сме-
ри природного газа с воздухом асимптотически приближается к
рвоему минимальному значению Тзаж~ 975°С. При уменьшении
рлощади поджигающей поверхности до 50см2 опа слабо возра-
стает выше 1000°С, а при дальнейшем уменьшении площади по-
7—4609
97
верхности резко возрастает до 1200°С, стремясь к «бесконечности»
при приближении размеров поджигающей поверхности к нулю,
т. е. нагретые тела очень маленьких размеров (dlu<^l мм) прак-
тически не способны поджечь горючую смесь даже при очень вы-
соких значениях температуры. (Особенно наглядно это видно из
анализа механизма вынужденного зажигания горючих газовых
смесей электрическими искрами, рассмотренного в следующем
параграфе).
Зависимость температуры зажигающей поверхности от давле-
ния и вида горючей смеси показана на рис. 5.6 и 5.7. Из экспери-
ментальных данных, представленных на этих рисунках, видно, что
температура вынужденного зажигания горючих газовых смесей
и паровоздушных смесей паров горючих жидкостей монотонно
снижается до 600—650°С для метано-воздушных смесей и до ми-
нимальной температуры воспламенения углеводородов порядка
200°С для смеси паров нефти с воздухом, при высоком давлении
порядка 25—ЗОатм. Эти закономерности изменения допустимой
(критической) температуры, близкой к температуре зажигания
пожароопасных газо- и паровоздушных смесей, от вида горючего,
состава смеси, давления, размеров поджигающего тела и других
параметров воспламенения необходимо знать и с точки зрения
обеспечения пожарной безопасности технологических процессов
производства, и для научно обоснованной экспертизы пожаров,
•и в ряде друпих ситуаций, связанных с обеспечением пожарной
безопасности объектов народного хозяйства.
Несмотря на то, что индукционный период задержки воспла-
менения при вынужденном воспламенении, т. е. зажигании, ока-
зывается наименьшим, он все-таки существует, и величина его
зависит от параметров процесса зажигания, главным образом от
температуры источника зажигания, вида и состава смеси.
На рис. 5.6 видно, как с понижением температуры поджигающей
поверхности период задержки воспламенения метано-воздушной
смеси возрастает с 0,5 до 2-ьЗс. Наибольшим он получается, ког-
да в него включают и фазовые превращения горючих компонен-
тов (чаще всего горючего), в процессе образования горючей сме-
си, например, при определении температуры зажигания капель-
ных ЛВЖ, ГЖ тигельным методом. В этом случае он, как при
самовоспламенении, возрастает до 20-ь 25с (рис. 5.8).
Зависимость периода задержки воспламенения жидких топлив
(бензина) от температуры зажигающей поверхности (капельный
метод в платиновом тигле) показана на рис. 5.8. При предельно
низких температурах (Тпов~ 285-ь290°С) период задержки вос-
пламенения очень велик, порядка 15-ь25с. При температурах вы-
ше 310-ь320°С индукционный период задержки воспламенения со-
кращается до 1-ьЗс.
Большой практический и научный интерес представляют явле-
ния вынужденного зажигания движущихся газовых смесей (или
неподвижных газовых смесей движущимся источником зажига-
98
Рис. 5.8. Зависимость перио-
да задержки воспламенения
от температуры зажигания
бензина в кислороде (ка-
пельный метод)
ния: летящими искрами, падающими каплями расплавленного
металла и др.). Во-первых, потому, что они наиболее рациональ-
ны <и чаще встречаются на практике, а, во-вторых, потому, что
эти закономерности подтверждают и наглядно иллюстрируют
механизм тепловой картины зажигания, которая была рассмотре-
на выше. Очевидно, что при поджигании газовой смеои движу-
щимся нагретым телом шли движущейся газовой смеси нагретой
стенкой теплообмен газа с нагретым телом или стенкой (интенсив-
нее. И интенсивнее «размывание» теплового поля вокруг нагре-
того тела. Поэтому, чтобы нагреть горючую смесь до температуры
зажигания (т. е. до температуры интенсивного протекания хими-
ческих реакций в газовой смеои) нужны более мощные источники
тепла: нагретое тело больших размеров или тело, нагретое до
значительно больших температур. Причем чем выше относитель-
ная скорость движения горючей газовой смеси или источника под-
жигания, тем сильнее эта зависимость (например, тем выше крити-
ческая температура поджигания).
Рис. 5.9. Зависимость
температуры зажигания
горючей смеси от скоро-
сти потока
/ — пентан; 2 — окись
пропилена; 3 — окись
этилена; 4 — сероугле-
род; 5 — ацетилен; 6 —
водород
7*
99
Экспериментальные данные по зажиганию движущихся газо-
воздушных смесей нагретыми металлическими стержнями приве-
дены на рис. 5.9. Из приведенных зависимостей видно, что мини-
мальное значение температуры поджигающей поверхности стерж-
ня, обтекаемого потоком горючей газовоздушной смеси, у таких
легковоспламенимых горючих, как водород и ацетилен. Но и для
них с увеличением скорости потока температура поджигающей
поверхности возрастает. Но наиболее крутой характер зависимо-
сти температуры поджигающей поверхности от скорости газового
потока у таких горючих, как сероуглерод, окись пропилена,
и у пентана. У этих горючих с увеличением скорости потока в два
раза температура поджигающей поверхности повышается на
200ч-400°С. Эти закономерности изменения температуры поджи-
гания горючих смесей при тех или иных физических условиях
протекания процесса зажигания также необходимо учитывать, как
при экспертизе пожара (табличное значение минимальной темпе-
ратуры воспламенения сероуглерода всего 100-*-120°С), так и при
оценке пожаро-, взрывобезопасности тех или иных технологиче-
ских процессов производств, связанных с обращением, перера-
боткой или сжиганием углеводородных горючих.
§ 5.3. Зажигание электрической искрой
Зажигание горючих газовых смесей электрической искрой —
один из наиболее распространенных видов вынужденного воспла-
менения, особенно в двигателях и теплосиловых установках. Ме-
ханизм этого процесса значительно сложнее, чем рассмотренный
тепловой механизм поджигания нагретым телом уже потому, что
сам электрический разряд в газовом пространстве — сложное
физическое явление. Сложность его состоит в том, что в зоне раз-
ряда, в зоне проскока электрической искры, возникает очень ин-
тенсивное возбуждение молекул газа и их ионизация. Это объяс-
няется тем, что в очень малом по объему «канале» проскока тер-
модинамическая температура газа возрастает мгновенно до не-
скольких тысяч (и даже десятков тысяч) градусов. Время дейст-
вия разряда ничтожно мало, это тысячные доли секунды, но вре-
мя тепловой релаксации системы достаточно велико. Настолько
велико, что его можно рассматривать с позиций термодинамиче-
ского равновесия при мгновенном выделении тепла и более мед-
ленном распространении тепла от первоначально нагретого газа
в окружающее пространство, т. е. рассматривать поджигающую
искру как своеобразное разогретое газообразное тело.
В соответствии с этим существует две концепции искрового
зажигания: ионная теория искрового зажигания и тепловая.
Кроме очевидных фактов мощной ионизации газов в зоне
электрического разряда и образования сильно возбужденных мо-
лекул, способствующих интенсивному течению химических реак-
1(0
г
ций, в пользу ионной теории зажигания говорит хорошее согласо-
вание некоторых экспериментальных результатов с теорией. Так,
например, согласно ионной теории, рассматривающей механизм
I зажигания с чисто химической точки зрения, эффективность зажи-
гания газовых смесей должна прямо зависеть от силы тока в се-
ти, перед ее размыканием, т. е. должна быть прямо пропорцио-
нальна силе тока в первой степени. Это достаточно убедительно
подтверждается количественными результатами ряда исследова-
ний. В случае теплового механизма зажигания, тепловой приро-
ды этого явления зажигающая способность искры должна быть
пропорциональна квадрату силы тока, так как из курса физики
известно, что количество тепла, выделяющегося в электрической
сети, пропорционально квадрат}' силы тока, Q— . Однако
опыт показывает, что зажинающая способность электрической
искры пропорциональна первой степени силы гока, что подтверж-
дает ионную теорию искрового зажигания. Эти противоречия
J дали право на существование двух теорий процесса зажигания
искрой: ионной ш тепловой.
Так как в процессе искрового зажигания имеется наличие
элементов того и другого механизма, то можно полагать, что оба
они существенны. Вопрос только в том, какой тз них является
доминирующим и при каких условиях, т. е. когда преобладают
одни факторы, а когда другие. Это необходимо знать как для
усиления поджигающего действия электрической искры в тепло-
силовых установках, двигателях и других устройствах, так и для
предотвращения непроизвольных воспламенений горючих газовых
смесей — с целью исключения пожаров и случайных взрывов
газовоздушных и паровозушных смесей.
При искровом зажигании для каждого вида горючего, каждо-
го состава смеси газов существует некоторое предельное наимень-
шее значение мощности электрического разряда, начиная с ко-
торого смесь способна воспламениться, т. е. возникнет фронт
пламени и произойдет его дальнейшее распространение за пре-
делы зоны зажигания.
Минимальная мощность искры является функцией состава
। смеси, ее давления, температуры и некоторых других параметров
системы. Наименьшее из этих значений мощности электрической
искры, способной поджечь горючую смесь данного вида и соста-
ва, называется критической энергией зажигания.
Для каждого газа имеется наименьшая из минимальных М >Щ-
ностей, при которой газ не воспламеняется ни при каком соотно-
шении его смесей с воздухом и даже с кислородом, даже несмот-
ря на то, что критическая энергия зажигания кислородных сме-
сей некоторых видов горючих в 10 и даже в 100 раз ниже крити-
ческой энергии поджигания смеси этого горючего газа с возду.хом.
Например, критическая энергия искрового зажигания метаио-воз-
101
душной смеои стехиометрического состава при атмосферном дав-
лении £кр=0,4мДж, а метано-кислородной смеси при прочих
равных условиях Е кр= 0,004 мДж.
Рассмотрим механизм вынужденного зажигания газовых сме-
сей электрической искрой с позиций тепловой теории воспламе-
нения. Согласно модели этого процесса, предложенной Зельдови-
чем Я. Б., электрическая искра заменяется точечным источником
тепла, который в момент времени т=0 выделяет некоторое коли-
чество тепла, равное (?Дж. Уравнение нестационарной теплопро-
водности для нейтральной среды с постоянным коэффициентом
температуропроводности а в декартовой системе координат имеет
вид:
dT
— = аЬ2Т, (5 9)
dz
где Л2Т — оператор Лапласса,
d2 Т (PT d2T
Д2 Г =---4-----+---- .
dx2 ~ dy2 dz2
Преобразуем уравнение (5.9) в сферическую систему коорди-
dT
нат, для граничных условий /?т=оо; Т=ТН и -^- = 0.
Учитывая, что
со
Q-ivC'f'JtT-TJIVdR, (5.10)
о
получим решение уравнения о распределении температуры во-
круг точечного источника тепла в следующем виде:
7'=Т„ +------5----— е 4az . (5.11)
Ср Рем (4" az) ,2
Здесь Т н , рсм и ср — параметры свежей газовой смеои; —
радиус сферы, приведенной к начальной плотности горючей газо-
вой смеси рсм .
Для различных последовательных моментов времени вид поля
температур вокруг мгновенного источника тепла показан на
рис. 5.10. ♦
Закон изменения температуры во времени, при /?т >0, описы-
вается кривой вида Т = f(~) (рис. 5.11). Если полученное
газом количество тепла достаточно велико и объем газового
пространства, разогретого до температуры выше температуры
горения Тг , больше критической величины, определяемой радиу-
сом приведенной сферы /?/ > /?ко , то произойдет воспламене-
ние поджигаемой горючей смеси. Если радиус сферы разогретого
102
газа меньше критического, — зажигания горючей смеси не про-
изойдет. Значение критического объема приведенной сферы по-
лучают из следующих соображений.
Рис. 5.10. Распределение температу-
ры в газовой среде в различные мо-
менты времени
1 — без воспламенения; 2 — после
воспламенения
времени
Л"
во
— время охлаждения
Если время охлаждения тохл разогретого
зового объемчика от температуры Тt
жуточной температуры Т/
мент химических реакций горения т
си произойдет, а если это время
смесь не воспламенится.
За начало отсчета температуры Т t принимают температур}'
горения данного вида горючей смеси Тг , а за 7/ — на одни
характеристический интервал 8 ниже температуры горения,
о W
где Н —-
Е
ператур, в котором скорость химической реакции снижается при-
мерно в е раз. Подставляя входящие в уравнение Т=/(т) вели-
чины, выраженные через теплофизнческие параметры газовой
смеси, получим численное значение критического радиуса эквива-
лентной сферы разогретых газов, которая способна воспламенить
горючую смесь данного вида и состава. В физике горения эта ве-
личина
энергиси искры га-
до некоторой проме-
больше характеристического вре-
х, то зажигание горючей сме-
меньше 10с-4 , то
С.
— тот интервал тем-
где 6ПЛ
Для
дается неравенством вида:
^экв 5,7 опл
— толщина фронта пл а мент,
большинства горючих газовых смесей состава, близкого
к стехиометрическому, при нормальном давлении и ламинарном
103
(5-12)
режиме горения Зпл 0.1мм, т. е. R3Ka 0,44-0,5мм. Счита-
ют, что слои газовой смеси, прилежащие к сферической поверхно-
сти разогретого объема газа, успевают воспламениться прежде,
чем рассматриваемый объем газа охладится до температуры ниже
температуры поджигания. Количество тепла, которое нагреет
такой объем смеси от То до Тг , можно подсчитать по формуле
Q = 2 Кэкв Г — 7о) .
Выраженное через параметры горючей газовой смеси и ско-
рость нормального распространения пламени vn , это уравнение
дает соотношение критического количества тепла, необходимого
для поджигания смеси электрической искрой:
Это выражение позволяет проанализировать влияние различ-
ных физико-химических параметров горючей газовой смеси па
энергию вынужденного зажигания Е3аж^Ф • Известно, что л,
гр , и особенно vn , зависят от вида горючего, состава смеси и
других условий воспламенения. Соответственно от их изменения
меняется и величина Q или Езаж , необходимая для зажигания
горючей смеси данного вида и состава. Количественно энергия
вынужденного воспламенения горючих газовых смесей ничтожно
малая величина, она колеблется для различных газовых смесей
от десятых долей до нескольких миллиджоулей. Минимальное
значение критической энергии зажигания наиболее распространен-
ных горючих газовоздушных смесей Еко^ 0,2ч-0,3 нДж
(рис. 5.12).
В ряде работ приведены наглядные иллюстрации процесса
вынужденного зажигания горючих газовых смесей электрической
искрой, полученные экспериментальным методом скоростной кино-
съемки. Из этих кинограмм видно, что, если к моменту т0Х1^-х^10~4С
объем сферы разогретых газов и зародившийся очаг горе-
ния достигал определенного размера dp. г «1 мм, процесс горе-
ния распространялся на всю смесь. Если нет, — зона разогретых
газов размывалась и горения в той же смеси, но при энергии
искры Ez<£Kp меньше критической, не возникало.
Зная величину критического радиуса зажигающего объема
газовой смеси и минимальную температуру вынужденного зажи-
гания углеводородных горючих газовоздушных смесей, критиче-
скую энергию зажигания можно рассчитать и аналитическим пу-
тем. Минимальное количество тепла Q mjn , которое следует за
достаточно короткое время (т<10-4 с) подвести к газовоздушной
смеси, равно:
О • —17 7тт'п~ 4 - з7 rmin
хкр ХИПП у кр cpJ за ж " Ккр Ср 1 заЖ ,
О
104
3 /?кр ЯЭКв 0,5 ММ.
Тогда QKp~0,5 . . (5.14)
Учитывая, что минимальная температура самовоспламенения
углеводородов 200°С, примем условно температуру вы-
нужденного зажигания 300°С, так как Т^>ТСВ.
Средняя теплоемкость газовой смеси в этом диапазоне температур
ср 1,4 кДж/(м3-°С), откуда QKp 0,5-10~9-1,4-300 или
QkP~ 0,21 • 10~6 кДж. Вычисленное аналитически Q кр получи-
лось равным указанному выше QKp^ £кр~ 0,2 рДж. С учетом
того факта, что для некоторых углеводородов QKp может ока-
заться несколько ниже, и того, что по соображениям техники без-
опасности следует ввести поправочный коэффициент запаса, кри-
тическую энергию зажигания горючих и взрывоопасных углеводо-
родных смесей с воздухом условно можно принять равной
Екр^ 0,1 рДж.
Рис. 5.12. Зависимость минимальной
энергии зажигания от состава горю-
чей смеси
/ — метан; 2 — этан; 3 — пропан;
4 — бутан; 5 — гексан; 6 — гептан;
7 — бензол; 8 — циклопропан; 9 —
диэтиловый эфир
105
При воспламенении газовоздушных смесей неизбежны потери
энергии на «излучение за счет высоких температур газа в электри-
ческой искре, теплопотерн на нагрев электродов, а с учетом гася-
щего действия тела электродов фактическая энерпия зажигания
будет несколько больше. Поэтому указанное выше значение кри-
тической энергии зажигания 0,1 рДж, полученное по теп-
ловой теории, может быть принято в качестве предельного.
Кроме перечисленных факторов, минимальная критическая
энергия зажигания углеводородовоздушных смесей зависит от
вида горючего, концентрационного состава горючей смеси, давле-
ния, диаметра и вида материала электродов и др.
Оценим количественно влияние газового потока. Время про-
должительности электрической искры в зависимости от ее мощно-
сти Е колеблется в очень широких пределах от — 0,01 до
''‘-1000 мкс. Возьмем среднюю продолжительность искры — 10 мкс,
а характеристическое время тепловых процессов при вынужден-
ном зажигании горючих газовых смесей электрической искрой при-
нято равным характеристическому времени химической реакции
тх^10~4 с, т. е. 0,1 миллисекунды, или 100 микросекунд. Тогда
при скорости потока в 100 м/с горючая газовая смесь сместится
от оси проскока искры на расстояние в 10 мм, т. е. в 10 раз боль-
ше характеристического диаметра начального объема разогретой
газовой смеси. При скорости газа всего 10 м/с — на 1 мм, т. е. на
величину, вполне соизмеримую с критическим радиусом сферы
разогретого газа. Поэтому при расмотрении вынужденного зажи-
гания движущихся горючих смесей вводят поправку на П-образ-
ную форму разогретой зоны и другие осложняющие факторы
типа мелкомасштабной турбулентности, влияющей на условия
теплообмена, режим горения и прочие уточнения. Очевидно, что
для воспламенения движущихся газовых смесей необходимо
большее тепловыделение в электрической искре, и, соответствен-
но, большая электрическая энергия Еэ , пропорционально объему
нагреваемой горючей смеси.
В физике горения дается следующее примерное соотношение:
<2.™ = Qo + A Uc^, (5.15)
где Qo — энергия воспламенения неподвижной смеси того же
состава;
U см — скорость течения газовой смеси.
Графически эта зависимость выглядит, как показано на
рис. 5.13. Из графика (рис. 5.13) видно, что с увеличением скоро-
сти течения газовой пропано-воздушной смеси энергия вынужден-
ного зажигания растет. Возрастает она и с понижением давления
в газовой смеси.
Для пропано- и метано-воздушных смесей стехиометрического
состава при нормальном давлении энергия вынужденного зажи-
гания равна 0,2 нДж (см. рис. 5.12), при давлении 230 мм рт. ст.
она возрастает до 2 рДж (рис. 5.14), а при снижении давления до
106
125 мм рт. ст. возрастает до 6 рДж (см. рис. 9.2). Дальнейшее
повышение критической энергии подж!иган1ия пропано-воздушной
смеси на р«ис. 5.13 обусловлено повышением скорости газовоздуш-
ного потока и изменением степени его турбулентности, но не пре-
вышает 100 рДж даже при зажигании движущихся газовых сме-
сей при пониженном давлении. Для неподвижных смесей hi при
нормальных условиях (р0, То, а = аСТех) эта величина редко пре-
вышает 24-3 миллиджоуля. Минимальное ее значение еще мень-
ше, порядка 0,2ч-0,3 миллиджоуля.
Рис. 5.13. Зависимость мини- Рис. 5.14. Зависимость мини-
мальной энергии зажигания ма.тьной энергии зажигания от
пропано-воздушной смеси от состава метано-воздушной сме-
скорости и режима течения си при давлении 0.3 атм
при давлении 125 мм рт. ст.
1 — без турбулизатора; 2 —
^турб==0Л5 мм; 3 — JTypg=
:— 1 мм; 4 — dтурб —2,э мм
Примерно так выглядит физическая картина и некоторые ко-
личественные зависимости основных видов зажигания горючих
газовых смесей нагретым телом и электрической искрой.
Существуют еще такие виды вынужденного воспламенения,
как заж1иган1ие горячими струями газа, зажигание от посторонне-
му
го источника пламени, зажигание в результате адиабатического
сжатия.
Первый и третий виды зажигания применяются преимущест-
венно в технике, в специальных устройствах по сжиганию горю-
чих газов и паров горючих жидкостей, а второй вид зажигания,
от постороннего пламени, мало чем отличается от механизма
распространения фронта пламени.
При этом в поджигаемую горючую смесь вводятся активные
центры химических реакций горения и подводится тепло, способ-
ное инициировать процессы воспламенения и горения поджигае-
мой газовой смеси. Механизм этих процессов более подробно
рассмотрен в 111 разделе учебного пособия, посвященном явлениям
распространения процессов горения.
Зажигание паров горючих жидкостей зависит от вида жидко-
сти и ее температуры. Если она находится при температуре
вспышки или несколько выше нее и над ее поверхностью образо-
валась горючая газовоздушная смесь соответствующей концентра-
ции, то процесс се поджигания мало отличается от рассмотрен-
ного выше. Если температура жидкости ниже температуры вспыш-
ки, то энергии поджигающего тела (раскаленного тела, искр
твердого материала или серии электрических искр) должно хва-
тить па испарение некоторого количества ЛВЖ, ГЖ для созда-
ния горючей газовоздушпой смеои, а затем на ее последующее
зажигание по механизму, рассмотренному выше.
Для поджигания твердых горючих веществ и материалов не-
обходим такой запас тепловой энергии искры или другого внеш-
него источника зажигания, чтобы его хватило либо на пиролиз
части материала и образование горючей газовоздушной смеси,
либо на создание малого очага гетерогенного горения — тления,
которое при определенных условиях может развиться и перейти
в открытое пламенное горение, приводящее к пожару. Поэтому,
очевидно, что минимальной энергией поджигания обладают горю-
чие газовоздушные и паровоздушные смеси. Именно они являют-
ся наиболее пожаро- и взрывоопасными.
Опасность же тех или иных источников зажигания при воспла-
менении конденсированных видов горючих (горючих жидкостей и
твердых горючих материалов) зависит от многих дополнительных
факторов и в каждом конкретном случае должны тщательно
анализироваться. Они зависят от вида горючей жидкости, ее
температуры, теплоты испарения, условий газообмена и т. д., а при
поджигании твердых горючих материалов — от их вида, влажно-
сти, температуры, дисперсности и др. При этом индукционный
период зажигания, в который входят и время фазового превра-
щения горючего, и время смесеобразования, и собственно время
поджигания, увеличивается в сотни и тысячи раз (см. рис. 5.8).
Знание этих данных существенно как с точки зрения изучения
физики процесса вынужденного зажигания, так и при расследова-
108
нии различных причин и обстоятельств возникновения пожаров
и загораний при экспертизе пожаров.
В частности, температура зажигания твердых горючих мате-
риалов также сильно зависит от парциального давления кислоро-
да в окружающей атмосфере (рис. 5.15) и других факторов.
Рис. 5.15. Зависимость температу-
ры зажигания твердых материалов
в кислороде от давления
/ — алюминизироваппая ткань;
2 — прорезиненная ткань; 3 — ко-
жа галантерейная; 4 — резина
ОМ-12
Для оценки степени пожаро- и взрывобезопасности тех или
шых технологических процессов производств, при экспертизе Про-
стов и экспертизе пожаров нередко возникает необходимость
нания численных значений критических энергий зажигания
онкрстных видов горючих смесей, горючих веществ и материа-
!ов. В справочной литературе такие данные для большинства
овых видов горючих материалов отсутствуют, и возникает необ-
оди мость аналитического расчета этих параметров. Для этих
елей рекомендуют [13], например, сравнительный метод расчета
[инимальной энергии зажигания, выраженной через нормальную
корость горения:
(5.16)
_ (О2
^кр (ОнЭ2
Если сравниваемые вещества близки по своему химическому
роению, результаты расчета оказываются удовлетворительными
я практических целей. Если в качестве стандартного вещества
109
для сравнения принять н-бутан (ЕКр = 0,25 рДж, vH = 0,38 м/с),
то минимальную критическую энерпию зажигания горючих газов
и паров горючих жидкостей в смеси с воздухом прн комнатной
температуре и атмосферном давлении можно рассчитать по фор-
муле
0,036
^кр= »н2 ’ (5-17)
если известна нормальная скорость распространения пламени
для данного вида горючего. Если ин неизвестна, критическая
энергия заж!иган1ия паров и газов в воздухе может быть рассчита-
на и по эмпирической формуле, выраженной через критический
диаметр гашения dKP [13]:
£кр^0,014р .
(5.18)
Для веществ и композиций, для которых неизвестны и dKp ,
и он , и Екр, эту величину приходится определять эксперимен-
тально. Определение критических энергий зажигания аэродисперс-
ных смесей, гелей и других композиций — задача более сложная.
Описание методов ее определения, соответствующих прибороз и
аппаратуры изложены в работе [13].
§ 5.4. Концентрационные пределы воспламенения
паро- и газовоздушных смесей
Из рассмотренной выше схемы механизма вынужденного вос-
пламенения горючих смесей следует, что для возникновения и
развития процесса горения необходимо наличие горючего, окис-
лителя и высокотемпературного источника зажигания. Роль по-
следнего заключается в активации некоторой части молекул, т. е.
сообщении им энергии, соизмеримой с энергией активации. Та-
ким образом, в горючей системе создаются условия для протека-
ния химической реакции.
Согласно положениям молекулярно-кинетической теории строе-
ния материи, в химическую реакцию могут вступить лишь моле-
кулы горючего и окислителя, энергия которых в момент соуда-
рения превышает энергию активации. В этом случае образуются
новые вещества (продукты реакции), а химическая энергия
(энергия химических связей) переходит в тепловую. Выделяю-
щееся тепло передается соседним молекулам, увеличивая их
энергию, т. е. активируя их и продолжая тем самым непрерывную
цепь последовательных превращений компонентов горючей смеси
в продукты горения.
Очевидно, что в системе, содержащей молекулы горючего и
окислителя, возможны три вида соударений молекул: окислитель-
окислитель, горючее—горючее, окислитель—горючее. При этом
110
только последний вид соударений является эффективным, т. е.
только в этом случае может произойти химическая реакция с вы-
делением тепла.
Вероятность того или другого вида соударений (Р/ ) от ко-
личества тех или других молекул в системе (Л/, ) определяется
по формуле
Ni
п
X AZ(
1
Отсюда следует, что для систем, в которых содержится значи-
тельный избыток окислителя (бедная смесь, а>1), с большей ве-
роятностью будут протекать соударения молекул окислителя. Для
систем, содержащих избыток горючего (богатая смесь, а<1),
наоборот, наиболее вероятными будут соударения друг с другом
молекул горючего. Вероятность активных соударений (горючее —
окислитель) будет наибольшей в системе, содержащей горючее
«I окислитель в стехиометрическом соотношении (а—1).
Следовательно, при отклонении от стехиометрического соотно-
шения горючего и окислителя как в сторону бедных, так и в сто-
рону богатых смесей скорость химической реакции, а следователь-
но, и скорость тепловыделения будут снижаться. Выделяющееся
при относительно редких активных соударениях тепло будет в
этом случае активировать, главным образом, неэффективные
процессы, которые не приводят к дальнейшему тепловыделению.
Я. Б. Зельдовичем было показано, что при снижении скорости
химической реакции во фронте пламени в е раз самопроизвольного
развития процесса горения не происходит. Это достигается при
снижении температуры во фронте пламени на величину
Н — Е ’
где Тг — адиабатическая температура горения, К;
Е — энергия активации химической реакции, кДж/моль.
Согласно уравнению теплового баланса процесса горения,
температура горения в числе прочих факторов зависит и от объе-
ма продуктов горения. Максимальная температура горения будет
при стехиометрическом соотношении горючего и окислителя, ког-
да количество продуктов горения минимально и равно теоретиче-
скому, а скорость тепловыделения максимальна (т. е. доля теп-
лопотерь в окружающее пространство относительно мала). Если
смесь бедная, то появляется избыток воздуха, если богатая —
избыток горючего. Чем беднее или богаче смесь, тем, следова-
тельно, ниже температура горения. При некотором избытке воз-
духа или горючего температура горения снизится на величину
характеристического интервала 0 и самопроизвольное развитие
реакции горения станет невозможным.
111
Таким образом, для воспламенения и последующего распро-
странения горения по смеси необходимо, чтобы концентрация
недостающего компонента (горючего или окислителя) смеси была
не ниже некоторого минимального предела.
Действительно, смеси горючего с окислителем способны к
воспламенению, только будучи смешанными в определенных соот-
ношениях. Область концентраций горючего вещества, внутри ко-
торой его смеси с окислителем способны к воспламенению от
источника зажигания с последующим распространением пламени,
называется областью воспламенения.
Минимальная концентрация горючего в области воспламенения
называется нижним концентрационным пределом воспламенения
(НКПВ).
Максимальная концентрация горючего в области воспламене-
ния называется верхним концентрационным пределом воспламене-
ния (ВКПВ).
Следовательно, смеси, содержащие горючее ниже НКПВ (не-
достающий компонент — горючее) и выше ВКПВ (недостающий
компонент — окислитель), образуют области негорючих концент-
раций, так как энергии инициирования процессов горения за пре-
делами КПВ уходят в бесконечность. Зависимости минимальных
энергий поджигания парогазовоздушных смесей от их концентра-
ционного состава примерно одинаковы для различных видов го-
рючих веществ. Некоторые из этих зависимостей показаны на
рис. 5.12 и 5.14. На рис. 5.12 видно, что для большинства газо-
воздушных смесей углеводородных горючих парафинового ряда,
некоторых циклических углеводородов, спиртов, эфиров и других
характер зависимости Екр =f(aB ) критической энергии поджи-
гания от концентрационного состава смеси примерно одинаков.
Минимальное значение Екр порядка 0,2 рДж и соответствует со-
ставу, близкому к стехиометрическому (т. е. когда ав~1, точнее,
в диапазоне изменения ав от 0,6 до 1,2). По мере обогащения
или обеднения горючей смеси Екр возрастает, уходя в беско-
нечность на концентрационных пределах воспламенения.
Это обстоятельство еще раз подтверждает вывод о том, что
за концентрационными пределами воспламенения смеси становят-
ся негорючими, т. с. пожаровзрывобезопасными при сколь угодно
большой мощности источника поджигания.
Концентрационные пределы воспламенения характерны не
только для газо- и паровоздушных смесей, их способны образо-
вывать и частицы твердого горючего, распыленного в воздухе,
т. е. аэрозоли. В практике пожарной охраны нижнему концентра-
ционному пределу воспламенения газов, паров горючих жидко-
стей и аэрозолей придают большое значение ,так как он характе-
ризует степень пожаров и взрывоопасности производств, где они
образуются.
Значения концентрационных пределов рассчитывают или опре-
112
деляют экспериментально в стеклянных трубах диаметром 55 мм
и высотой 1,5 м*.
Расчетные методы оценки концентрационных пределов вос-
пламенения газовоздушных смесей. Нижний концентрационный
предел воспламенения паро- и газовоздушных смесей рассчитыва-
ют по предельной теплоте сгорания. Установлено, что количество
тепла, выделяющееся при горении смесей на нижнем концентра-
ционном пределе, представляет собой почти для всех горючих
веществ примерно постоянную величину, равную в среднем
1830 кДж/'М3 (табл. 5.1).
Т а б л и ц а 5.1
Газ Низшая теплота горения, кДж м3 нкпв, % об. Теплота горения газо- воздушной смеси, кДж/м3
Метай . 35875 5,0 1793
Этан . . . . 60960 3.0 1790
Бутан . 110810 1,86 2058
Ацетилен 56090 3,28 1793
Из выражения для предельной теплоты горения
Qu тн
100
Q..P =
можно определись нижний концентрационный предел:
Qnp 100
© = -------
•Н Qh
(5.19)
где <рн — нижний концентрационный предел воспламенения,
% объем н.;
Qnp— предельная теплота горения, 1830 кДж/м3;
QH— низшая теплота горения, кДж м3.
Верхний и нижний пределы воспламенения могут быть рассчи-
таны по аппроксимационной формуле
100 X
?н(в)= ап + м , (5.20)
где п — число молекул кислорода, необходимое для полного
окисления молекулы горючего;
а, в — константы, значения которых приведены в табл. 5.2.
* Монахов В. Т. Методы исследования пожарной опасности веществ. —
М., Химия, 1979.
8—4609 113
Таблица 5.2
Пределы воспламенения Значения констант
а b
нквп 8,684 4,679
ВКПВ
п<7,5 1,550 0.560
п>7,5 0,768 6,554
В производстве чаще всего обращаются не индивидуальные хи-
мические соединения, а смеси горючих веществ. Для вычисления
КПВ смеси, состоящей из нескольких горючих компонентов, ис-
пользуют правило Ле-Шателье, согласно которому:
?си=^7 . (5 21)
У ——
i-1 ?/
где ср см — КПВ смеси, % об.;
Ф, — КПВ /-го компонента, % об.;
tn i — мольная доля i-ro компонента.
При расчете КПВ по формуле (5.21) следует иметь в виду,
что 1, т. е. суммарная концентрация горючих компонентов
смеси составляет 100%.
Влияние различных факторов на
концентрационные пределы воспламенения
Пределы воспламенения, как и большинство других парамет-
ров горения, зависят от ряда условий, сопутствующих процессу
воспламенения.
Влияние мощности (температуры) источника воспламенения.
С увеличением мощности, например, электрической искры, область
воспламенения несколько расширяется, т. е. НКПВ понижается,
а ВКПВ возрастает (см. рис. 9.3). Однако расширение пределов
при увеличении мощности источника не беспредельно. При неко-
торой мощности, называемой насыщенной, дальнейшее изменение
КПВ не происходит. При снижении мощности источника область
воспламенения сужается и при некотором критическом ее значе-
нии происходит смыкание верхнего и нижнего пределов, т. е.
смесь не способна воспламеняться при любом (в том числе и
стехиометрическом) соотношении горючего и окислителя.
Влияние начальной температуры горючей смеси. С повыше-
нием начальной температуры смеси область ее воспламенения
114
расширяется (рис. 5.16), так как происходит увеличение энталь-
пии исходной смеси (ДЙсм=£срТ 0), а следовательно, и энтальпии
продуктов горения. Оказалось, что повышение То приводит к та-
кому снижению НКПВ, при котором температура горения оста-
ется практически неизменной (1350ч-1400 К).
ЧГЛ
Рис. 5.16. Влияние начальной тем-
пературы на концентрационные
пределы воспламенения газовоз-
душных смесей
/ — верхний концентрационный
предел; 2 — нижний концентраци-
онный предел
Влияние давления в смеси. При снижении давления ниже ат-
мосферного область воспламенения всех смесей сужается. При
некотором давлении, характерном для данного горючего, смесь
становится пожаро- и взрывобезопасной, т. е. нижний и верхний
пределы смыкаются. В табл. 5.3 приведено изменение концентра-
ционных пределов воспламенения окиси углерода в воздухе при
уменьшении давления ниже атмосферного.
Таблица 5.3
Давление 10—3, Па НКПВ,% ВКПВ, %
10!>в 15,5 68,0
53,3 19,5 57,7
40.0 22,5 51,5
31,9 37,4 37,4
26,0 Воспламенения нет
£*
115
Понижение давления равнозначно уменьшению количества мо-
лекул горючего и окислителя в системе. При некотором давлении
вероятность соударений молекул снизится, скорость химической
реакции уменьшится, скорость тепловыделения достигнет крити-
ческого значения и самопроизвольного развития химической реак-
ции в результате влияния источника зажигания не произойдет. Из
рис. 5.14 видно, что при снижении давления горючей смеси до
0,3 атм минимальное значение критической энергии зажигания
пропановоздушных смесей возрастает примерно в 10 раз,
£кр~2рДж. Но характер зависимости £кР =/(ф) от концентра-
ционного состава смеси остается таким же, как при нормальном
давлении: £кр возрастает до бесконечности на нижнем (<₽н~
— 5% СН4) и верхнем (фв 14% СН4) концентрационных пре-
делах.
При изменении давления выше атмосферного различные горю-
чие смеси ведут себя неодинаково. Например, смесь водорода с
воздухом при повышении давления не изменяет своих пределов,
а у метана с воздухом возрастает только верхний предел, нижний
почти не изменяется.
Лроцьн~чог содержание КИСЛОРОДА в смеси
Рис. 5.17. Концентрационные пределы горения метана при
разбавлении атмосферы нейтральными газами
Влияние инертных газов. При введении инертных газов в горю-
чую смесь область воспламенения последней сужается, при этом
в основном за счет уменьшения верхнего предела (рис. 5.17).
116
h
При некоторой концентрации флегматмзатора, называемой ми-
нимальной флегматизмрующей концентрацией, оба предела сли-
ваются и смесь становится пожаробезопасной. Флегматизирую-
щее действие инертных примесей находится в согласии с их теп-
лофизичесюими характеристиками: теплоемкостью ср и тепло-
проводностью X. Установлено, что с увеличением отношения Ср
К
флегматизирующая эффективность добавок увеличивается.
Добавление галоидопроизводных углеводородов приводит к
значительно более эффективному сужению области воспламенения
(рис. 5.18).
Рис. 5.18. Влияние ингибиторов на
концентрационные пределы воспла-
менения пентано-воздушной смеси
1 — бромхлорметан; 2 — бромтри-
*/а фторметан; 3 — дибромдифтормстан
Введение в горючую систему инертных газов (азот, двуокись
углерода, пары воды и т. п.), которые не способны вступать в
.химическую реакцию, разбавляют систему, снижая концентрацию
горючего и окислителя. Это, естественно, уменьшает вероятность
эффективных соударений молекул горючего и окислителя, понижа-
ет скорость химической реакции и скорость тепловыделения. При
некотором содержании флегматизатора скорость тепловыделения
достигает критического уровня и развития химической реакции
ют источника зажигания не происходит.
При этом соответствующим образом снижается и скорость
распространения пламени по зафлегматизированным газовоздуш-
иым смесям. В точке флегматизацим скорость химической реак-
щии достигает критического значения уже для наиболее опасной
стехиометрической смеси.
Кроме чисто разбавляющего эффекта, флегматизатор ока ил-
117
вает влияние на систему за счет теплофизических параметров,
понижая температуру горения.
Так, флегматизатор с большей теплоемкостью сильнее снижа-
ет температуру горения, следовательно, и скорость химической
реакции, и поэтому его влияние на концентрационные пределы
будет выше;
флегматизатор с большей теплопроводностью интенсивнее
отводит тепло от зоны протекания химической реакции, т. е.
интенсивнее распространяет тепловую волну от зоны реакции
и увеличивает скорость распространения зоны химических
реакций.
Химически активные ингибиторы (галоидосодержащие углево-
дороды) являются значительно более эффективными, так как
влияют на скорость химической реакции по механизму обрыва
цепных реакций.
Поэтому порядок эффективности пропорционален дроби. Ин-
тенсификация теплопередачи в свежую горючую смесь ускоряет
процесс горения. Поэтому коэффициент 7, стоит в знаменателе дро-
би, определяющей флегматизирующую эффективность нейтраль-
ных газов. Произведем количественный анализ эффективности
нейтральных газов, начиная с простейшего, — азота, которого в
воздухе и без того около 80%. Его флегматнзирующая концентра-
ция а равна примерно 35—40%, при этом концентрация кислоро-
да снижается до 14—15%, при которой происходит прекращение
диффузионного горения (из-за низкой концентрации кислорода в
смеси). Примерно такова же (чуть ниже) флегматнзирующая эф-
фективность гелия. Но теплопроводность гелия в 6 раз выше теп-
лопроводности азота. Зато и теплоемкость гелия в 5 раз вы-
ше теплоемкости азота.ХНе 6 kNij , а с/)(Не) 5 . Поэтому
/ Ср \ / Ср \
\Т'не~1.Т/к, и’ соответственно, ане^ац,.
Анализ этих параметров для аргона и двуокиси углерода по-
казывает, что теплопроводность этих разбавителей примерно оди-
накова:
^со, — 13,6 Вт/(м-К), а Хдг = 16,6 Вт/(м-К),
а теплоемкости их различаются почти в 2 раза:
ср(сод = 0,91 кДж (кг-К), а ср(АГ) = 0,53 кДж/(кг-К).
Соответственно комплекс для двуокиси углерода
будет равен:
I £р । 0,9il
' — !со = 136~ = 6,7- 10“2 , а для аргона
/ Ср \ 0,53
I ~7~ I» ~ |дё~~ = 3,2- 10~2 . Отношение этих комплексов
118
будет равно
i Ср )
\ А /сю, _ 6,7 • 10—2 _ ।
/ ср \ 3,2 • 10-2 “ ’ ’
\ А /Аг
значит, флегматизирующая эффективность С02 должна быть
примерно в 2 раза выше эффективности аргона.
Экспериментальные 'исследования по определению предельных
концентраций при флегматнзации метано-воздушных смесей (от 5
до 15% метана в воздухе) показали (см. рис, 5.17), что для пол-
ного предотвращения реакции их горения нужно довести содер-
жание аргона до 53%, а двуокиси углерода до 27% по объему.
Флегматизирующая концентрация аргона почти в 2 раза выше,
чем С02, т. с. обратно пропорциональна отношению комплексов
/ Ср \
• Отсюда следует, что составы действуют «и по меха-
низму разбавления и снижения скорости тепловыделения,
и по механизму теплоотвода на нагревание вводимых НГ, и по
механизму интенсификации теплоотвода из зоны реакции и т. д.
Раздел III
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ГОРЕНИЯ
Одним из фундаментальных свойств пламени, впервые уста-
новленным В. А. Михельсоном, является способность его к само-
произвольному распространению. Возникнув в результате воздей-
ствия источника зажигания, пламя в дальнейшем самостоятельно
перемещается по горючей смеси с некоторой скоростью. Установ-
ление связи скорости распространения пламени со скоростью хи-
мической реакции и теплофизическими свойствами горючей сме-
си представляет одну из основных задач теории горения.
Рассматриваемые ниже явления имеют также самое непосред-
ственное отношение к повседневной практической деятельности
органов пожарной охраны, так как пожар — это прежде всего
система с распространяющимся горением. Основные количествен-
ные параметры, характеризующие этот процесс, — скорость рас-
пространения пламени и скорость выгорания в основном и опре-
деляют изменение площади и температурного режима пожара во
времени. Поэтому знание законов распространения горения по-
зволяет в принципе определять или прогнозировать динамику
развития пожара, т. е. направление и скорость горения.
Горение на пожаре является чрезвычайно сложным много-
факторным процессом. Классические законы организованного го-
рения проявляются и на пожаре, но они существенно осложнены
рядом случайных факторов, предвидеть которые заранее или да-
же установить в процессе пожара не всегда удается. Поэтому
умение правильно прогнозировать поведение вещества или мате-
риала в условиях пожара, оценить влияние тех или иных усло-
вий, при которых возможно протекание горения, немыслимо без
глубоких знаний современных представлений по теории горения.
Глава 6
ГОРЕНИЕ ГАЗОВ
§ 6.1. Кинетическое горение газов
Кинетическое горение представляет собой горение предвари-
тельно перемешанных смесей горючего и окислителя. Это наибо-
120
лее простои, поддающийся теоретическому анализу вид горентя,
вследствие чего он является и наиболее изученным.
На пожаре этот в»ид горения встречается сравнительно редко.
Его можно наблюдать, главным образом, на стадии воспламене-
1ия: при самовоспламенении или зажигании. Иногда он имеет
место при пожарах технологического оборудования, и по внешне-
му проявлению этот режим горения обычно воспринимается
лак взрыв или вспышка.
V/. Т,К
Рис. 6.1. Схема распростране-
ния пламени по предваритель-
но перемешанной гомогенной
смеси
1 — исходная горючая смесь;
2 — фронт пламени; 3 — про-
дукты горения; оф. п_ толщина
фронта пламени
Z-
Исходная
СМЕСЬ
Продукты
горения
Рис.
туры
х них
6.2. Изменение темпсра-
и концентрации неход-
ком понентов во фронте
пламени
Структура кинетического пламени. Для понимания механизма
распространения пламени по смеси газообразного горючего и
окислителя приведем следующую принципиальную схему, поха-
ванную на рис. 6.1. При распространении горения по некоторой
системе «сходную смесь 1 от продуктов горения 3 отделяет узкая
.'ветящаяся зона 2, называемая фронтом пламени. Фронт пламе-
121
ни представляет собой трехмерную область, в которой начинается
и завершается химическая реакция взаимодействия горючего с
окислителем. В этой зоне в виде теплоты сгорания выделяется
вся потенциальная (химическая) энергия топлива и температура
повышается до максимального значения — температуры горения
(рис. 6.2). В зоне перед фронтом пламени концентрация исход-
ных компонентов почти не меняется, поскольку химическое взаи-
модействие между ними не протекает и температура горючей
смеси равна начальной. Непосредственно перед фронтом пламени
(зоной химической реакции) концентрация реагентов понижается,
главным образом, вследствие разбавления ее продуктами реак-
ции. Во фронте пламени в результате химической реакции горе-
ния концентрация исходных компонентов резко снижается до
нуля, а температура достигает максимального значения. Вследст-
вие молекулярной теплопроводности температура перед зоной
химической реакции монотонно повышается от начальной темпе-
ратуры горючей смеси до температуры, близкой к температуре
горения, образуя зону физического прогрева.
Для большинства углеводородных смесей фронт пламени
представляет собой яркую зону свечения, которую можно наблю-
дать визуально или зарегистрировать с помощью фотосъемки.
‘Свечение фронта пламени имеет химическую природу, является
результатом превращения вещества и определяется радикалами
С2, СН и НСО. При этом толщина зоны свечения соответствует
толщине зоны реакции.
Если к пламени приложить электрическое напряжение, то в
поперечном поле оно искажается, отклоняясь к отрицательному
электроду. При этом при горении металлов натрия, калия, магния,
а также углеводородов наблюдали заметное уменьшение скоро-
сти горения.
Эти данные (первые опыты были проведены Вольтом в 1801
году) показывают, что в пламени существуют электрические за-
ряды — ноны и электроны, концентрация которых составляет
1016-т-1017 ионов на 1 м3. К настоящему времени можно считать
доказанным, что в пламени имеет место как термическая иониза-
ция газа, так и ионизация за счет элементарных химических ак-
тов (хемиионизация).
При высоких температурах, какие имеют место в пламени, ки-
нетическая энергия соударяющихся частиц (атомов, молекул)
может быть достаточна не только для их возбуждения, ио и иони-
зации, т. е. отщепления электронов. Естественно, возможен и
обратный процесс — рекомбинация заряженных частиц с образо-
ванием нейтральных молекул. Однако теоретический анализ про-
цесса термоионизацип и прямые измерения концентрации заря-
женных частиц в зоне пламени дают основание утверждать, что
основной причиной образования ионов и электронов в зоне пламе-
ни является хемиионизация, механизм которой еще недостаточно
изучен.
122
Как будет показано ниже, толщина зоны пламени не превы-
шает, как правило, долей миллиметра, поэтому условно фронт
пламени считают поверхностью. Это значительно облегчает рас-
смотрение и теоретический анализ явления, позволяя параметры
горения относить не к единице объема, а к единице поверхности
фронта пламени.
Стационарные и нестационарные пламена. В зависимости от
условий протекания процесса горения фронт пламени может быть
неподвижным или движущимся. В первом случае имеет место
стационарное пламя, а во втором — нестационарное или движу-
щееся.
Стационарное пламя можно наблюдать на бунзеновской го-
релке, где пространственное расположение фронта пламени фик-
сированно. В этом случае устанавливается динамическое равно-
весие между вытекающим из сопла горелки потоком свежей го-
рючей смеси и встречным перемещением фронта пламени.
Нестационарное сферическое пламя образуется при иницииро-
вании (зажигании) горения в большом объеме невозмущенной
горючей смеси. В этом случае фронт пламени представляет со-
бой сферическую поверхность, диаметр которой возрастает про-
порционально скорости и времени горения. Нестационарное пла-
мя с плоским или искривленным фронтом пламени можно наблю-
дать в трубе Коварда—Джонса, представляющей собой верти-
кально расположенный стеклянный сосуд, заполненный горючей
смесью.
Рис. 6.3. Схема распространения пламени по гомогенной
горючей смеси
а — труба Коварда — Джонса; б — горелка Бунзена
Понятие нормальной скорости распространения пламени.
В теории горения различают видимую и нормальную скорости
123
горения. Если представить, что пламя распространяется по не-
подвижной газовой смеси в стеклянной трубе Коварда—Джонса,
а его фронт имеет форму, показанную на рис. 6.3,а, то наблю-
даемой или видимой скоростью является скорость перемещения
фронта пламени относительно стенок трубы:
dl
11 я = d Т ’ (6*1)
где ин — наблюдаемая скорость перемещения пламени, м/с;
/ — расстояние, пройденное фронтом пламени, м, за вре-
мя т, с.
Если горючую смесь направить навстречу пламени снизу вверх
СО скоростью VCM иа , то можно получить неподвижный
стационарный фронт пламени, т. е. в этом случае скорость рас-
пространения пламени, согласно определению, будет равна ско-
рости истечения свежей смеси (рис. 6.3, б):
РСм
^СМ » (6.2)
где г»см — скорость истечения горючей газовой смеси, м/с;
Км — расход свежей смеси, м3/с;
S — площадь поперечного сечения трубы, м2.
Под нормальной или фундаментальной скоростью понимают
скорость распространения фронта пламени относительно свежей
смеси в направлении по нормали к его поверхности (рис. 6.3, а):
dn
и** = d т > (6.3)
где ин — нормальная скорость распространения пламени, м/с;
п — расстояние, пройденное фронтом пламени, м, по норма-
ли к поверхности фронта за время т, с.
Очевидно, что в случае стационарного пламени, когда его
фронт неподвижен (рис. 6.3,6), по аналогии с (6.2):
Км
= — , (6.4)
где F — поверхность фронта пламени, м2.
Из (6.2) « (6.4) следует, что:
Ин =«в у , (6.5)
т. е. нормальная скорость во столько раз меньше видимой, во
сколько поверхность фронта пламени больше площади поперечно-
го сечения трубы. Если угол между векторами видимой и нор-
мальной скорости обозначить через <р (рис. 6.3), тогда:
124
UH = ZZB COS Ср . (6.6)
Соотношение (6.6), предложенное Михельсоном, называется
законом косинуса.
Различают еще и массовую скорость горения, которая пока-
зывает массу вещества, сгорающую в единицу времени с единицы
поверхности фронта пламени:
/я = zzH ро , (6.7)
где т — массовая скорость, кг/(м2-с);
р0 — плотность исходной горючей смеси, кг/м3.
Формула (6.7) устанавливает взаимосвязь массовой и нор-
мальной скоростей горения.
Элементы тепловой теории распространения пламени. Сущест-
вуют две теории, объясняющие природу распространения пламени
по горючей смеси — диффузионная и тепловая.
Согласно первой теории, перемещение зоны химической реак-
ции в пространстве связано с диффузией активных частиц — ра-
дикалов из зоны химической реакции, где при высокой темпера-
туре они образуются в избытке в свежую смесь. Обладая чрезвы-
чайно высокой реакционной способностью (т. е. очень малым зна-
чением энергии активации), они способны уже при нормальной
температуре являться центрами химической реакции взаимодей-
ствия горючего с окислителем. Поэтому, попадая в относительно
холодную свежую горючую смесь перед фронтом пламени, они
инициируют химическую реакцию горения и тем самым осуществ-
ляется перемещение фронта пламени в пространстве.
Сущность тепловой теории заключается в том, что от поверх-
ности фронта пламени, где достигается максимальная температу-
ра, к свежей смеси за счет теплопроводности передастся поток
тепла. Под его действием происходит разогрев смеси до темпе-
ратуры самовоспламенения, в результате происходит самопроиз-
вольная химическая реакция. Поскольку тепловой поток переда-
ется непрерывно, происходит последовательное воспламенение
горючей смеси, т. с. перемещение фронта пламени по свежей го-
рючей смеси.
Деление механизма распространения пламени на тепловой и
диффузионный является условным и отражает недостаточно
полное представление о фактическом механизме процесса. Тепло-
вая теория может быть применима при различных механизмах
реакции в пламени, если только соблюдается подобие полей тем-
ператур и концентраций. Диффузионная теория применяется при
цепном механизме в пламени и особенно в тех случаях, когда
велика концентрация атомов водорода в зоне реакции. По-види-
мому, на самом деле в процессе перемещения фронта пламени
по свежей горючей смеси существенны оба фактора: и тепловой,
и диффузионный, т. е. имеет место диффузионно-тепловой меха-
низм распространения пламени.
125
Однако наиболее разработанной в настоящее время является
тепловая теория, которая позволяет с введением ряда упрощаю-
щих допущений вывести выражение для нормальной скорости
распространения пламени. В основе тепловой теории, разработан-
ной главным образом Зельдовичем Я. Б. и Франк—Каменец-
ким Д. А. при непосредственном участии Семенова Н. Н., лежит
представление о подобии поля температур и концентраций в зоне
пламени:
?О--? — Тп
?О То
Таким образом, температура и концентрация связаны линей-
ной зависимостью, следовательно, уравнение для скорости хими-
ческой реакции можно представить в виде функции только тем-
пературы. В этой теории принято, что химическая реакция горе-
ния протекает лишь при температуре, близкой к максималь-
ной температуре горения, и все тепловыделение сосредоточено
в узкой области температур шириной порядка “ (рис. 6.4).
Лишь в зоне достижения максимальной температуры проис-
ходит снижение концентрации горючего от начальной кон-
центрации до нуля. Некоторое снижение концентрации перед зо-
ной реакции обусловлено разбавлением смеси за счет диффузии
продуктов реакции.
Для вывода уравнения нормальной скорости был предложен
метод дискретного решения общего уравнения теплопроводности:
= G » (6.8)
а х1 и d х
где Z, ср, ро — соответственно теплопроводность, теплоемкость и
плотность горючей смеси;
ин — нормальная скорость распространения пламени;
Q — тепловой эффект химической реакции;
w— скорость химической реакции.
Для уравнения (6.8) можно записать граничные условия: при
х= —оо (со стороны свежей смеси) Т = 7'о, при х= + ос (со
d Т
стороны продуктов горения) Т = ТГ. При х=±оо •- =0.
Первый член уравнения (6.8) характеризует тепловой поток
вследствие молекулярной теплопроводности, второй — вследствие
конвективного потока, третий — вследствие тепла химической
реакции.
Разделим зону пламени на две части (рис. 6.4): первую зону
от Г о до Т' (зона подогрева) и вторую — от Т' до Т г (зона
химической реакции). Согласно допущению Зельдовича Я. Б.,
126
Рис. 6.4. Изменение температу-
ры в зоне пламени
1 — зона подогрева; 2 — зона
химической реакции; 3 — точка
перегиба
в первой зоне химическая реакция не идет (рис. 6.4), следова-
тельно, третий член в уравнении (6.8) равен нулю:
Jd2T
К , Ср Ро «Н
ах2 и
Интегрирование этого уравнения
ента температуры в первой зоне:
dT
— =0-
d х
дает выражение для гради-
!dT\ _ ср р0 цн
х/1 X
(Г-70).
Для второй зовы, согласно принятому
можно полагать, что градиент температуры
d*T
к нулю, но при этом резко возрастает —
выше допущению,
быстро стремится
(рис. 6.4). Отсюда
127
следует, что для второй зоны можно пренебречь вторым слагае-
мым уравнения (6.8):
d2 Т
k^ + Qw = 0 .
а хг
Приближенное интегрирование этого выражения с учетом ар-
рениусовской зависимости скорости химической реакции от тем-
пературы дает следующее выражение:
Исходя из непрерывности функции Т (х) при температуре Т',
можно записать:
d_T \ = jdT\
d х/1 \d х/2
или
Ср 0 и" (Г~7'о)= ./
Х у л Е
Принимая во внимание, что Т'~ТГ , можно вывести выраже-
ние для нормальной скорости:
/ RT 2
|/
= СрЯо^г-То) • <6 В 9)
С учетом уравнения Аррениуса (для скорости химической ре-
акции) выражение (6.9) примет следующий вид:
]/ 2QkK<!rn^Mn~-e~TT~—
II н = -------------------------
ср Ро (Тг
Это выражение показывает, что нормальная скорость распро-
странения пламени является функцией ряда физико-химических
свойств смеси и скорости химической реакции при температуре
горения, а именно:
Е
ия^тв)Х/г ^e2RTr . (6.Ю)
Как следует из рис. 6.4, толщина фронта пламени может быть
представлена как сумма толщин зон физического подогрева
и химической реакции. Она изменяется обратно пропорционально
скорости горения.
В табл. 6.1 приведены значения нормальной скорости распро-
странения пламени и толщины зоны пламени (свечения) некото-
рых стехиометрических смесей при давлении 0,2 МПа.
128
Таблица 6.!
Горючая смесь Нормальная скорость, м/с Толщина зоны пламени, мм
Ацетилен — кислород .... 8,0 0,021
Ацетилен — воздух .... 1,5 0,061
Бутан — воздух . . 0.4 0,2
Из табл. 6.1 видно, что с увеличением скорости горения тол-
щина зоны пламени уменьшается. Для большинства смесей угле-
водородных топлив в воздухе, у которых нормальная скорость
не превышает 1,0м-с-1, толщина зоны пламени составляет
0,1 ч-1,0 мм.
Влияние некоторых факторов на величину нормальной скоро-
сти горения. Нормальная скорость распространения пламени яв-
ляется одной из важных характеристик пожарной опасности
газообразных веществ. Как следует из (6.9), ее величина зависит
от химической природы горючего и окислителя, физических и теп-
лофизических параметров горючей смеси (ср , р 0 , Л, То , Тг , Q),
т. е. она определяется физико-химическими свойствами горючей
смеси, являясь, по определению В. А. Михельсона, се фундамен-
тальной характеристикой. Сущность горения заключается в том,
что оно не может существовать, не распространяясь, и изменение
условий его протекания приводит к изменению величины нор-
мальной скорости распространения горения.
Влияние состава смеси. Поскольку, согласно (6.9), uH~w1/2,
то теоретически максимальное значение нормальной скорости
должно быть при стехиометрическом соотношении горючего и
окислителя, т. е. когда скорость химической реакции максималь-
ная. Однако, как показывают экспериментальные исследования
(рис. 6.5), максимум скорости несколько сдвинут в область бога-
тых смесей (а<1).
Таблица 6.2
Горючий таз Стехиометриче- ская концентра- ция, % Нормальная скорость, м/)е Максимальная Нормальная скорость, м/с Концентрация горючего при максимальной скорости, %
Водород . . 29,5 1,6 2,67 42,0
Окись углерода 29,5 аз 0,41 43,0
Ацетилен 7,7 1„о 1,35 10,0
Этилен . 6,5 0,6 0,63 7,0
9—4609
129
В табл. 6.2 приведены значения нормальных скоростей горе-
ния газовоздушных смесей при нормальных условиях.
Из табл. 6.2 видно, что нормальная скорость распространения
пламени имеет определенные пределы изменения. Она редко пре-
вышает 2,5 м/с, а для углеводородо-воздушных пламен составля-
ет в среднем 0,4 4-0,8 м/с. Природа нормальной скорости опреде-
ляет ее минимальное значение, которое приходится на предель-
ные смеси и составляет ~ 0,04 м/с. Смеси с меньшей нормальной
скоростью уже не способны к распространению горения.
> |м/с
Рис. 6.5. Зависимость нормаль-
ной скорости распространения
пламени от состава пропано-
воздушной смеси при различ-
ной начальной температуре
1 — 311 К; 2 — 644,3 К; 3 —
811 К
Влияние флегматизаторов и ингибиторов. Молекулы флегма-
тизатора (азот, двуокись углерода, водяной пар, инертные газы),
разбавляя горючую смесь, снижают вероятность активных соуда-
рений между молекулами горючего и окислителя. Вследствие
этого скорость химической реакции падает и, как следует из
(6.10), уменьшается скорость распространения пламени.
Кроме разбавляющего эффекта скорость распространения пла-
мени снижается при введении флегматизаторов в результате умень-
шения температуры в зоне химической реакции — температуры
горения. Обладая определенной теплоемкостью, газы-флегматиза-
торы поступают в зону химической реакции, нагреваются, отби-
рая тепло. Очевидно, что чем больше теплоемкость флег.матиза-
тора, тем выше его эффективность.
Как следует из экспериментальных данных, представленных
на рис. 6.6, введение в пропано-воздушную смесь двуокиси угле-
рода (ср = 36,87 Дж/(моль* К) значительно сильнее снижает
нормальную скорость, чем добавление аргона = 21,2 Дж/
(моль-К). Однако экспериментальные данные показывают, что
эффективность флегматизаторов определяется не только их тепло-
емкостью, но зависит и от теплопроводности. Газы-флсгматиза-
торы изменяют теплофизические характеристики горючей смеси
(теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность), влияя
тем самым на процесс передачи тепла от фронта пламени к све-
130
жей смеси. Из формулы (6.9) следует, что повышение теплоемко-
сти горючей смеси и снижение ее коэффициента теплопроводно-
сти при всех прочих равных параметрах снижает нормальную
скорость. Действительно, из экспериментальных данных, приве-
денных на рис. 6.6, следует, что эффективности аргона и азота
практически одинаковы, хотя теплоемкость последнего в 1,4 раза
выше (для азота ср =29,4 Дж/(моль-К). Однако у азота выше,
чем у аргона, и коэффициент теплопроводности (Xn, =0,0228 Вт/
(М’К), Ха г =0,0173 Вт/(м-К), при этом отношение ср /к у них
практически одинаковой составляет для азота 1,29 (м*с)/кмоль,
а для аргона 1,23 (м* с)/кмоль. Для двуокиси углерода это отно-
шение равно 2,69 (М‘С)/кмоль.
Рис. 6.6. Влияние флегматиза-
торов и ингибиторов на нор-
мальную скорость распростра-
нения пламени в пропано-воз-
душной смеси ( а =1,15)
1 — азот; 2 — аргон; 3 — дву-
окись углерода; 4 — фреон
114В2
Таким образом, эффективность газов-флегматизаторов опреде-
ляется их теплофизическими свойствами: чем выше отношение
теплоемкости к коэффициенту теплопроводности, тем сильнее
снижают они нормальную скорость распространения пламени.
Сложное влияние на нормальную скорость горения смеси оки-
си углерода с кислородом оказывают пары воды. Так, высушен-
ная окись углерода с кислородом не воспламеняется. Введение
паров воды приводит к возникновению горения от источника
зажигания. При увеличении содержания паров воды до 9% ско-
рость горения смеси растет, однако при дальнейшем повышении
концентрации воды нормальная скорость падает. Установлено,
что в реакции окиси углерода с кислородом вода играет роль
катализатора, ускоряя процесс окисления. Однако при большом
се количестве (более 9%) разбавляющее действие паров воды
начинает превалировать над каталитическим эффектом, вследст-
вие чего скорость горения снижается. При введении в горючую
смесь химически активных ингибиторов (галоидзамещенные угле-
водороды) скорость распространения пламени снижается значи-
тельно сильнее, чем в случае флегматизаторов. Из рис. 6.6 видно,
что если прекращение горения пропано-воздушной смеси (срыв
пламени) наступает при добавлении 20-ь40% флегматизаторов,
9* 131
то для фреона 114В2 (1,2 дибромтетрафторэтан) этот процесс
наступает при содержании его в количестве, равном 2,5%. Столь
высокую эффективность этого класса соединений связывают с их
непосредственным участием в элементарных актах химических ре-
акций горения. При высокой температуре во фронте пламени про-
исходит разложение фреона с образованием галоидных радика-
лов, которые нейтрализуют активные реакции, приводя к обрыву
цепных реакций. Эффективность ингибиторов зависит от вида
галоидов, их содержания в молекуле вещества и состава горючей
смеси. С увеличением степени замещения водорода эффектив-
ность ингибиторов возрастает при этом значительно сильнее для
богатых смесей, чем для бедных.
Влияние начальной температуры горючей смеси. Влияние на-
чальной температуры смеси на нормальную скорость распростра-
нения пламени можно проследить, анализируя выражение (6.9).
С возрастанием То увеличивается температура горения смеси:
ТГ=Т„ + —%---------- , (6.11)
Icp,.F„.r(
а, следовательно, и скорость химической реакции. На рис. 6.7
показано влияние начальной температуры на скорость распрост-
ранения пламени по смеси паров бензина с воздухом.
Рис. 6.7. Зависимость скорости
распространения пламени по
смеси паров бензина с возду-
хом (коэффициент избытка воз
духа — 0,95) от начальной
температуры
Рис. 6.8. К раочету нор-
мальной скорости распро-
странения пламени
Методы определения нормальной скорости распространения
пламени. Являясь важным параметром пожарной опасности ве-
ществ, нормальная скорость распространения пламени требует
своего количественного определения. Ее расчет по (6.9) для
большинства горючих смесей затруднителен из-за отсутствия дан-
132
ных по кинетическим параметрам и теплофизическим характери-
стикам многих горючих смесей.
В связи с этим разработано и предложено несколько экспе-
риментальных методов: метод горелки, метод плоского пламени»
метод цилиндрической трубы, метод мыльного пузыря и сосуда
постоянного объема. Коротко остановимся на первых трех ме-
тодах.
Метод горелки. Он является наиболее простым и широко при-
меняемым в практике. В результате динамического равновесия
между количествами сгорающей и поступающей смеси устанавли-
вается неподвижный фронт пламени, поверхность которого может
быть представлена боковой поверхностью конуса (рис. 6.8). Для
расчета им можно приметить соотношение (6.5), в котором:
Л = л/7, а 5 = лг2. Приняв во внимание, что I А2 4-г2, получим:
с
где ии — скорость движения горючей смеси (видимая скорость
распространения пламени), м'с;
г — радиус горелки, м;
h — высота конуса пламени, м;
I — длина образующей конуса, м.
Скорость движения горючей смеси можно или замерить, или
вычислить по (6.2), зная се расход. Измерение нормальной ско-
рости распространения пламени по этому методу связано со
следующими систематическими ошибками.
1. Непостоянство нормальной скорости по образующей кону-
са. В вершине конуса (рис. 6.8) нормальная скорость несколько
выше за счет взаимного теплового влияния близко расположен-
ных зон химической реакции. По этой причине вершина конуса
пламени не острая, а слегка закругленная, как это показано на
рис. 6.8. У основания конуса вследствие теплоотвода из зоны
реакции в стенку горелки скорость распространения пламени
снижается вплоть до предельного значения —0,04 м С, поэтому
основание конуса несколько приподнято над краем горелки
(рис. 6.8).
2. Конус пламени не только приподнят над устьем горелки,
но и расширен по сравнению с диаметром отверстия. Установ-
лено, что расширение конуса пламени составляет величину по-
рядка толщины зоны прогрева, которая определяется, как изве-
стно, нормальной скоростью. Поэтому для снижения ошибки
рекомендуются различные размеры горелок: если ин— 0,34-0,5 мЧ?,
то 8 мм, а если ин~ 1,54-2,5 м/с, то dmin> 3 мм.
3. При определении нормальной скорости для богатых смесей
имеет место влияние примешивания воздуха <из окружающей
среды. Это несколько завышает величину нормальной скорости.
133
Метод плоского пламени. Метод предложен Паулингом и Эд-
жертоном, схема установки показана на рис. 6.9. Горючая смесь
поступает в нижнюю часть горелки диаметром 6 см, затем она
проходит ряд узких каналов (сотовые решетки) длиной 25 см и
диаметром каждого из них менее 1 мм. Над каналами располо-
жен слой стеклянных шариков, затем вновь ряд сотовых решеток.
Для защиты горючей смеси от подсоса воздуха вокруг горелки
установлена более широкая труба, в которую подается инертный
Рис. 6.9. Схема горелки
плоского пламени
/ — корпус горелки; 2 —
сотовые решетки; 3 — стек-
лянные шарики; 4 — трубка
для защиты от подсоса воз-
духа; 5 — проволочная сет-
ка; 6 — плоское пламя
газ. В верхней части трубы устанавливается проволочная сетка,
которая оказывает влияние на пламя, регулируя отток продуктов
сгорания. Подбирая скорость потока смеси, при которой пламя
становится плоским, замеряют его диаметр. Зная расход газовоз-
душнои смеси и площадь пламени, определяют нормальную
скорость:
По этому методу можно определять небольшие скорости (до
0,15 м/с). Недостатком метода является разогрев сотовой решетки
о г пламени, в результате чего изменяется начальная температура
смеси и значения нормальной скорости получаются несколько
завышенными.
Метод цилиндрической трубы. Сущность метода заключается
в том, что стеклянную трубу (труба Коварда—Джонса) запол-
няют исследуемой горючей смесью и поджигают сверху у откры-
того конца электрической искрой. Наряду с измерением видимой
.134
скорости распространения пламени с помощью электросекундо-
мера или ионизационных датчиков, производят моментальные
фотографии фронта пл а мент, по которым затем рассчитывают его
поверхность. Зная диаметр трубы, определив скорость перемеще-
ния фронта пламени и его поверхность по формуле (6.5), рассчи-
тывают нормальную скорость.
Для смесей с высокой скоростью распространения форма
фронта пламени приближается к полусфере, что значительно об-
легчает расчет поверхности фронта пламени. В медленно горя-
щих смесях форма фронта пламени значительно сложнее и это
затрудняет вычисления, снижая его точность. Поэтому этот метод
применяется для быстрогорящих смесей.
Другим недостатком этого метода является охлаждающий
эффект стенок. Вследствие теплоотвода в стенки трубы горение
смеси замедляется, и определенная этим методом скорость будет
меньше скорости горения в свободном объеме. Охлаждающий
эффект стенок с увеличением диаметра трубы снижается, и при
достижении диаметра 4 см становится незначительным. Поэтому
экспериментальное определение скорости проводят в трубах диа-
метром более 5 см.
§ 6.2. Диффузионное горение газа
На пожаре в основном встречается диффузионное горение,
когда скорость лимитируется (определяется) скоростью образова-
ния горючей смеси, т. е. смешением горючего с окислителем
(кислородом воздуха) за счет диффузии.
Типичное диффузионное пламя образуется при сгорании го-
рючего газа, вытекающего из трубки в атмосферу воздуха. Когда
скорость струи невелика, граница пламени устойчивая, пламя на
вид «гладкое», горение протекает спокойно. С увеличением ско-
рости истечения высота пламени пропорционально возрастает
(рис. 6.10). Такое горение является ламинарным.
Хотя в большинстве случаев на практике приходится иметь
дело с диффузионными турбулентными пламенами, большая
часть научных работ посвящена исследованию ламинарных диф-
фузионных пламен, более доступных для лабораторных исследо-
ваний и теоретического анализа.
Структура диффузионного пламени. Согласно общепринятым
представлениям, при горении вытекающего горючего газа в ат-
мосферу воздуха кислород последнего, диффундируя через слои
продуктов горения, поступает к зоне горения, где вступает в
химическую реакцию окисления с горючим (рис. 6.11,а).
Вследствие диффузии окислителя из окружающей среды кон-
центрация горючего на некотором расстоянии от среза горелки
хв снизится с 100% до верхнего концентрационного предела
воспламенения и с этого момента станет возможным протекание
135
Рис. 6.10. Изменение высоты пламени от скорости
истечения газа из горелки постоянного диаметра
' ламинарный режим горения; 2 — переходный
режим горения; 3 — турбулентный режим горения
5
ламинарного пламени
а
Рис. 6.1(1. Структура диффузионного
пнГЛп^’.3 гор,е"ия газового фонтана; б — нзмененне’концёнтра-
ц горючего (/) и скорости химической пеакпии (2\
и скорости химической реакции (2) во фронте
пламени
химической реакции (рис. 6.11,6). Из-за большого .избытка горю-
чего в этой области образуются в основном продукты неполного
окисления (СО, СН4, углерод и т. п.). Образование'в этой области
углерода обусловливает ярко-желтое свечение диффузионного
пламени. По мере расходования горючего и повышения' концент-
136
эации окислителя вследствие диффузии последнего происходит
юнижение концентрации горючего, и как только на расстоянии
она снизится до нижнего концентрационного предела воспла-
менения, химическая реакция завершится. По мере изменения
чонцентрации горючего в зоне реакции (хв—хн ) от верхнего
по нижнего концентрационных пределов воспламенения она про-
ходит через стехиометрическую хст , при которой скорость хими
ческой реакции окисления максимальная (рис. 6.11).
Экспериментальные данные показывают, что за счет опреде-
ляющего влияния диффузии на скорость химической реакции
ширина зоны реакции в диффузионных пламенах значительно
больше, чем в кинетических, и составляет, по оценкам Гейдона и
Вольфгарда, от нескольких миллиметров до сантиметра. Соответ-
ственно уменьшается и скорость выделения тепла в единице
эбъема зоны реакции. Так, для диффузионного пламени СП4 О2
эасход кислорода составляет 60 моль'(м3*с), а скорость тепловы-
деления — 41,8 • 103 кДж/(м3 • с); в случае горения этой смеои в
кинетическом режиме расход кислорода составляет 4‘10-моль/
(м3-с), а скорость тепловыделения 16,7-103 кДж/(м3-с). Таким
эбразо.м, теплонапряженность(скорость тепловыделения) единицы
объема зоны химической реакции кинетического пламени в ~4 • 104
раза выше, чем диффузионного.
Высота диффузионного пламени. Ее зависимость от различных
факторов. В работах по диффузионным пламенам нормальная
скорость горения, как это принято для кинетических смесей, как
правило, не определяется. В отличие от кинетического горения
скорость диффузионного горения, рассчитанная, например, как
расход газа, отнесенный к элементу конической поверхности
пламени, зависит от коэффициента диффузии окислителя, диамет-
ра горелки, т. е. не является константой процесса горения.
Поэтому для диффузионных пламен в настоящее время огра-
ничиваются определением лишь высоты факела пламени. Исходя
из соображений размерности,
где Нпл — высота пламени, м;
v — скорость истечения газа, м/с;
г — радиус струи горючего газа (горелки), м;
D — коэффициент диффузии окислителя в продуктах реак-
ции, м2/с.
В работах Блинова В. И. и Худякова Г. Н. получена более
полная зависимость для определения высоты диффузионного фа-
<кела пламени:
к р v гг
(6.14)
137
где к. — количество граммов окислителя, необходимое для окис-
ления 1 г горючего;
р — плотность горючего газа, кг/м3;
<р0 — концентрация окислителя вдали от пламени, кг/м3.
Проведем анализ выражения (6.14) с точки зрения соответст-
вия их опыту. Из формулы следует, что отношение высоты факе-
ла пламени Нпл к объемному расходу газа иг2, или весовому рас-
ходу риг2, не должно зависеть от расхода горючего газа, так как,
согласно (6.14):
#пл _ к р
v г2 ~ 4 v0D •
Действительно, согласно данным Бурке и Шумана, при измене-
нии расхода метана в воздухе от 17,9- 10~б до 5,9- 10-6 м3/с высо-
та пламени изменяется с 25,1 • 10-2 до 8,6- 10~2 м, при этом отно-
шение высоты пламени к объемному расходу газа остается прак-
тически постоянным и составляет 1,2- 104с/м2.
При постоянном расходе газа (6.14) высота диффузионного
пламени не зависит от размеров (диаметра) горелки. Экспери-
ментальные данные Вооля подтверждают этот вывод: при изме-
нении расхода от 1 до 100см3/с в горелках диаметром от 4 до
10 мм высота пламени остается неизменной.
При всех прочих равных условиях высота пламени обратно
пропорциональна коэффициентам диффузии. Установлено, что для
водорода в воздухе и СО в воздухе отношение высоты пламени
водорода в воздухе равно 2,5. Однако соотношение коэффициен-
тов диффузии водорода и окиси углерода равно 4,0. Таким обра-
зом, имеется некоторое несоответствие теории данным экспери-
мента. Однако это может иметь место вследствие того, что в дан-
ном расчете коэффициенты диффузии взяты для температуры
273 К. Фактически же диффузионные процессы протекают в ос-
новном при температурах, близких к температурам горения.
Для определения значений коэффициента диффузии в газах
при изменении давления и температуры используют формулу
р0 / Т \п
D = Da — {T-] , (6.15)
г Vo/
где Dq — коэффициент диффузии при давлении ро=1О1325Па
и температуре Т0 = 273К;
п — эмпирический коэффициент, значение которого меня-
ется в пределах от 1,5 до 2,0.
Для оценочных расчетов чаще берут п=1,75. В зависимости
от природы смеси значение Do может меняться на порядок. Вы-
деляются высоким значением коэффициента диффузии смеси с
водородом. Для предельных углеводородов коэффициент диффу-
138
зии монотонно снижается с увеличением длины цепи углеводо-
родов (табл. 6.3).
Таблица 6.3
Газ Коэффициент диффузии, м2/с • 105 Газ Коэффициент диффузии, м2}с • 105
Водород Двуокись угле- 6,11 Этан 1,08
рода V38 Пентан . 0,67
Метан . 1,96 Декан . 0,46
Для иллюстрации влияния давления на величину коэффици-
ента диффузии в табл. 6.4 приведены его значения для системы
водород—азот при нормальных условиях.
Таблица 6.4
Давление, Коэффициент диффузии, м2/с. 105
МПа Эксперимент Расчет по (6.15)
мм
0,1 7,08 7,08
! 5 0,11 1,416
г 10 0,057 0,708
20 0,028 0,354
Из табл. 6.4 видно, что зависимость коэффициента диффузии
газа от давления, которая следует из формулы (6.15), заметно
слабее реальной.
Оценим по формуле (6.15) значения коэффициента диффузии
при температурах, соизмеримых с температурой горения.
Для бинарных газовых смесей значение Do лежит в пределах
(0,5ч-10) 10~° м2/с. Приняв п = 1,75, получим довольно надежную
оценку интервала изменения коэффициента диффузии при
1300 К—(7ч-150) 10—5 м2/с. При 2300 К можно дать лишь грубую
оценку, поскольку слишком далека экстраполяция (есть данные,
что значение п зависит от температуры). При п=1,75 £>=(20ч-
4-400) 10—5 м2/с.
§ 6.3. Распространение пламени в турбулентном потоке
Турбулентное горение является наиболее распространенным
видом горения, встречающимся на практике. Ведущее место в
139
теоретическом и экспериментальном •исследовании турбулентного
горения занимают работы Щелкина К. И., Хитрина Л- Н., Щетни-
кова Е. С., Талантова А. В., Соколика А. С. и др.
Диффузионное турбулентное горение можно наблюдать в лабо-
раторных условиях. При истечении горючего газа, начиная с неко-
торой скорости, когда число Рейнольдса больше 2300, граница
пламени становится неустойчивой, причем неустойчивость возни-
кает вначале лишь у вершины пламени, а затем, по мере увели-
чения скорости подачи горючего, распространяется к срезу горел-
ки. При этом наблюдается заметное уменьшение высоты пламени
(см. рис. 6.10). При большем увеличении расхода газа высота
пламени или слабо меняется, или остается практически постоян-
ной, пламя отрывается от среза горелки и устанавливается на не-
котором расстоянии. Такое пламя называют приподнятым.
Турбулентное движение характеризуется беспорядочным нере-
гулярным изменением величины и вектора скорости со временем
в каждой точке потока.
Картина турбулентного движения в принципе аналогична мо-
лекулярному движению, где вместо хаотического движения моле-
кул происходит такое же движение макрочастиц - отдельных
объемов газа, при этом сами эти объемы не являются устойчивы-
ми в пространстве и во времени. Траектории объемов газа при
развитой турбулентности очень сложны, что приводит к его силь-
ному перемешиванию, вследствие чего весьма сильно интенсифи-
цируется горение, в частности, увеличивается скорость распрост-
ранения пламени. Турбулизация потока происходит от следующих
причин:
при движении смеси, при котором число Рейнольдса боль-
ше 2300;
от воздействия завихрителей и тел с плохо обтекаемой формой;
от обратного воздействия процесса горения на характер дви-
жения смеси.
Турбулентность имеет статистическую природу: в течение дли-
тельного промежутка времени средняя скорость потока в данной
точке является постоянной величиной. Однако мгновенная ско-
рость потока непрерывно отклоняется от среднего значения.
Разность между мгновенной и средней скоростями движения
потока называют пульсационной скоростью:
Д v = Vl — г»ср ,
где Ли — пульсационная скорость, м/с;
Di — мгновенная скорость, м/с;
иСр — средняя скорость, м-с.
Кроме пульсационной скорости, различают среднеквадратич-
ную пульсационную скорость иСк , которая является одной из
основных величин, характеризующих турбулентность:
140
'Уск = )/Л (Vt — ^ср)2 . (6.16)
Другой характерной величиной для турбулентного горения
является масштаб турбулентности или длина пути смешения
/т , представляющий собой путь, на протяжении которого переме-
щающийся объем газа не изменяет своей скорости, температуры
и состава.
По аналогии с молекулярным переносом при турбулентном
движении за скорость молекул может быть принята среднеквад-
ратичная пульсационная скорость, а за длину их свободного про-
бега — масштаб турбулентности. В этом случае к турбулентному
едвижению можно применить положения кинетической теории га-
зов, согласно которой, коэффициенты массо- и теплопереноса
(коэффициент температуропроводности, коэффициент диффузии,
коэффициент кинематической вязкости) пропорциональны произ-
ведению среднеквадратичной пульсационной скорости на масштаб
турбулентности:
(2Т »
где £>т, >т — соответственно коэффициенты температуропро-
водности. диффузии и кинематической вязкости
турбулентного переноса.
Турбулентные коэффициенты переноса в сотни и тысячи раз
больше соответствующих коэффициентов молекулярного переноса.
Поэтому и перенос массы и тепла в турбулентном потоке в тыся-
чи раз выше, чем в ламинарно движущемся или неподвижном га-
зе. Это связано главным образом с тем, что длина пути смеше-
ния (масштаб турбулентности) на несколько порядков выше дли-
ны свободного пробега молекул. Величина же пульсационной
j скорости меньше скорости движения молекул. Пульсации скоро-
। сти в турбулетном потоке вызывают также и пульсации концент-
! рации, давления и температуры. Под температурой турбулентного
движущегося газа понимают ее усредненное по времени значение.
Истинная температура газа испытывает такие же нерегулярные
хаотические пульсации, как и скорость. Следует особо подчерк-
нуть при этом, что скорость химической реакции, например, реак-
ции горения, нельзя рассматривать как функцию средней темпе-
ратуры, поскольку она весьма сильно зависит от температуры
(уравнение Аррениуса).
В случае горения предварительно перемешанной кинетической
смеси различают мелкомасштабную и крупномасштабную турбу-
лентность. Если масштаб турбулентности /т меньше толщины
фронта пламени б, турбулентность является мелкомасштабной,
в том случае, когда масштаб турбулентности больше толщины
фронта пламени, — крупномасштабной.
При мелкомасштабной турбулентности повышение скорости
-сгорания объясняется увеличением скорости массо- и теплопере-
141
носа в зоне пламени. Увеличение скорости распространения пла-
мени в этом случае по сравнению с нормальной скоростью в не-
подвижной горючей смеси пропорционально значению коэффи-
циентов температуропроводности при турбулентном и молекуляр-
ном теплопереносе:
где «м.т> wH— соответственно скорость распространения пламе-
ни при мелкомасштабной турбулентности и нор-
мальная скорость в неподвижной и ламинарно
движущейся горючей смеси;
ат, а — соответственно коэффициенты турбулентной и мо-
лекулярной температуропроводности.
Согласно модели, разработанной Щелкиным К. И., при крупно-
масштабной турбулентности происходит раздробление фронта
пламени. Турбулентное пламя состоит как бы из отдельных объе-
мов свежей смеси, горящих с нормальной скоростью и окружен-
ных со всех сторон продуктами горения, «имеющими высокую тем-
пературу — температуру горения. Распространение горения про-
исходит за счет «забрасывания» пламени в свежую смесь в ре-
зультате турбулентных пульсаций. Эта модель известна как эста-
фетная передача горения. Исходя из ее положений, величина
турбулентной скорости пропорциональна нормальной скорости и
относительному увеличению поверхности горения:
ziT = ип —— , (6.17)
•'о
где F — суммарная поверхность фронта горения при крупно-
масштабной турбулентности;
Fo — поверхность фронта пламени при горении в неподвиж-
ной или ламинарно движущейся смеси.
В дальнейшем Талантов А. В., анализируя увеличение поверх-
ности фронта пламени, предложил скорость турбулентного горе-
ния принимать равной сумме нормальной скорости и среднеквад-
ратичной скорости пульсаций, что более полно соответствует
модели «забрасывания» пламени турбулентными пульсациями:
//г = и.н Э- *уск . (6.18)
Наряду с турбулентностью, вызванной характером движения
горючей смеси, имеет место и турбулентность, порождаемая пла-
менем. Она существует лишь в зоне турбулентного горения.
Модель поверхностного турбулентного горения имеет границы
142
применения. Она справедлива лишь в условиях, когда характер-
- Л-
ное время турбулентного горения тт = — выше для тако-
го к
о
зого в случае нормального горения тн = — .
ии
Если тт <тн , т. е. когда характерное время турбулентного
юрения ниже нормального, справедлив механизм объемного го-
те ши я. Ведущее место в разработке теории объемного турбулент-
зого горения принадлежит Щетинкову Е. С. и Саммерфильду М.
В противоположность поверхностной модели, в которой ско-
рость горения не зависит от масштаба турбулентности, скорость
эбъемного турбулентного горения пропорциональна квадратному
корню из масштаба турбулентности.
Поверхностная in объемная модели представляют собой пре-
цельные случаи турбулентного горения. В реальных условиях
возможны любые промежуточные стадии.
Горение на пожаре, как уже отмечалось, в подавляющем
большинстве случаев протекает в диффузионном режиме в усло-
виях развитой турбулентности. Появление пульсационной скоро-
сти приводит к взаимному переносу целых объемов воздуха и
горючего. Это резко интенсифицирует процесс массообмена, и сле-
довательно, скорость горения.
На рис. 6.12 приведена экспериментально полученная зависи-
мость высоты турбулентного факела пламени газа от его расхода.
Из рис. 6.12 видно (табл. 6.5), что для турбулентного режима,
.когда высота пламени возрастает до 16 м и выше, отношение
высоты пламени к объемной скорости истечения газа непостоянно,
как это имело место при ламинарном горении. По физическому
смыслу это отношение является величиной, обратной эффектив-
ному коэффициенту диффузии. Таким образом, по его значению
можно характеризовать процесс смешения компонентов, а следо-
|вательно, и скорость горения. Сравним величины Н пГ. 1ЛЯ
ламинарного и турбулентного пламени природного газа (табл. 6.5.).
I 143
Таблица 6.5
Режим горения Расход газа. m3/ic Высота пламени, м Величина HnJJVr, с,1м2
Ламинарный 2,97. 10-6 3,1 • 10-2 1,04.104
7,86. 10-6 111,3.10-2 1,44. 104
12,9. 1Q-6 18,4 . 10-2 1,43. 104
17,9. 1О-6 25,1 • 10—2 1,40.104
Турбулентный 5,0 16,0 3,2
10,0 22,0 2,2
20,0 28,0 1,4
30,0 35,0 1,17
Из табл. 6.5 видно, что при турбулентном режиме горения от-
ношение высоты пламени к расходу газа в 104 раза больше, чем
при ламинарном. Отсюда следует, что интенсивность турбулент-
ного горения на несколько порядков выше ламинарного. На уча-
стке турбулентного горения с увеличением расхода газа величина
несколько снижается. Так, при увеличении расхода в 6 раз,
с 5 до 30 м3/с, значение Нпл Иг снизилось в 2,5 раза. Эти ре-
зультаты показывают, что с повышением скорости истечения струи
на участке турбулентного горения продолжается интенсификация
процесса смешения горючего с окислителем и, следовательно,
растет скорость диффузионного горения.
Глава 7
ГОРЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ
Потребление жидкого топлива в .мировом хозяйстве достигает
в настоящее время гигантских масштабов и продолжает неуклон-
но расти. Это приводит к постоянному развитию нефтедобываю-
щей и нефтеперерабатывающей промышленности.
Жидкое топливо превратилось в настоящее время в важней-
шее стратегическое сырье, и это обстоятельство приводит к необ-
ходимости создания громадных его запасов. Обеспечение пожар-
ной безопасности при добыче, транспортировке, переработке
и .храпении жидкого топлива является важнейшей задачей орга-
нов пожарной охраны.
§ 7.1. Воспламенение жидкости
Важнейшим свойством жидкости является ее способность к
испарению. В результате теплового движения часть молекул,
преодолевая силы поверхностного натяжения жидкости, переходит
144
в газовую зону, образуя над поверхностью ЛВЖ, ГЖ паровоз-
душную смесь. За счет броуновского движения в газовой зоне
имеет место и обратный процесс — конденсация. Если объем
над жидкостью замкнутый, то при любой температуре жидкости
устанавливается динамическое равновесие между процессами ис-
парения и конденсации.
Таким образом, над поверхностью (зеркалом) жидкости всег-
да существует паровоздушная смесь, которая в состоянии равно-
весия характеризуется давлением насыщенных паров жидкости
или их концентрацией. С ростом температуры давление насыщен-
ных паров возрастает согласно уравнению Клайперона-Клазиуса:
4 1П Ри. П _ РиСП / 7 । ч
dT RT* *
или в интегральной форме:
Qucn
P=PQC RT2 ,
W р нп — давление насыщенного пара, Па;
Qucn — теплота испарения — количество тепла, необходимое
для перевода в парообразное состояние единицы
массы жидкости, кДж/моль;
Т — температура жидкости, К.
Рис. 7.!. Изменение концентрации
паров над жидкостью от ее тем-
пературы
/ — концентрация насыщенных
паров; 2 — концентрация ненасы-
щенных паров
Из (7.1) следует, что с увеличением температуры жидкости
давление насыщенных паров (или их концентрация) возрастают
экспоненциально (рис. 7.1). Таким образом, для любой жидкости
всегда существует такой интервал температур, при котором кон-
центрация насыщенных паров над зеркалом будет находиться
в области воспламенения, т. е. НКПВ П<С ВКПВ (рис. 7.1).
Для создания НКПВ паров над поверхностью жидкости доста-
10—1509 145
точно нагреть до температуры, равной НТПВ, не всю массу жид-
кости, а лишь только се поверхностный слой.
При наличии источника зажигания такая смесь будет способ-
на к воспламенению. На практике чаще используются понятия
температура вспышки и воспламенения.
Под температурой вспышки понимают наименьшую темпера-
туру жидкости, при которой над ее поверхностью в условиях спе-
циальных испытаний образуется концентрация паров жидкости,
способная к воспламенению от источника зажигания, но скорость
их образования недостаточна для последующего горения. Таким
образом, как при температуре вспышки, так и при нижнем тем-
пературном пределе воспламенения над поверхностью жидкости
образуется нижний концентрационный предел воспламенения,
однако в последнем случае НКПВ создается насыщенными пара-
ми. Поэтому температура вспышки всегда несколько выше, чем
НТПВ (см. рис. 7.1). Хотя при температуре вспышки имеет место
кратковременное воспламенение паров в воздухе, которое не спо-
собно перейти в устойчивое горение жидкости, тем не менее при
определенных условиях вспышка паров жидкости способна явить-
ся источником возникновения пожара.
Температура вспышки принята за основу классификации жид-
костей на легковоспламеняющиеся (ЛВЖ) и горючие жидкости
(ГЖ). К ЛВЖ относятся жидкости, имеющие температуру вспыш-
ки в закрытом сосуде 6ГС и ниже, к горючим — с температурой
вспышки более 6ГС.
Кроме температуры вспышки, различают еще температуру вос-
пламенения. Это наименьшая температура жидкости, при которой
после воспламенения паров от источника зажигания устанавли-
вается стационарное горение.
Экспериментально температуру вспышки определяют в прибо-
рах открытого и закрытого типа *. В сосудах закрытого типа зна-
чения температуры вспышки всегда ниже, чем в открытом, по-
скольку в этом случае нары жидкости имеют возможность диф-
фундировать в атмосферу и для создания горючей концентрации
над поверхностью требуется более высокая температура.
Таблица 7.1
Жидкость Температура вспышки, К
Прибор закрытого типа Прибор открытого типа
Нефть 303 319
Мазут • • . . • 369 382
Масло цилиндровое . 488 509
* Монахов В. Т. Методы исследования пожарной опасности веществ. —
М., Химия, 1979.
146
В табл. 7.1 приведены значения температур вспышки некото-
рых жидкостей, определенных приборами открытого и закрытого
пипа.
У легковоспламеняющихся жидкостей температура воспламене-
ния выше, чем температура вспышки на 1=5°С. При этом чем
Н1иже температура вспышки, тем меньше разность между темпера-
турами воспламенения и вспышки.
У горючих жидкостей, имеющих высокую температуру вспыш-
ки, различие между этими температурами доходит до 25 = 35°С.
Между температурой вспышки в закрытом тигле и нижним тем-
пературным пределом воспламенения имеется корреляционная
связь, описываемая формулой:
(7.2)
где Тк
Р ВС
1 ВС 7 Н. П 1 пс Z, .
Это соотношение справедливо при Твс< 433 К.
Существенная зависимость температур вспышки и воспламене-
ния от условия эксперимента вызывает определенные трудности
при создании расчетного метода оценки их величин. Одним из
наиболее распространенных из них является полуэмпирический
метод, предложенный В. П. Блиновым:
7' - в
D„np3c ’
— температура вспышки (воспламенения), К;
— парциальное давление насыщенного пара жидкости
при температуре вспышки (воспламенения), Па;
— коэффициент диффузии паров жидкости, м2/с;
количество молекул кислорода, необходимое для пол-
ного окисления одной молекулы горючего;
— константа метода определения.
Рекомендуется при расчете температуры вспышки в замкнутом
сосуде принимать В = 28, в открытом сосуде В = 45, при расчете
температуры воспламенения В = 53.
Пример. Определить температуру вспышки бензола в открытом сосуде, если
коэффициент диффузии паров бензола н воздухе равен 9,62-10—G м2/с.
Решение. Непосредственно определить температуру воспламенения из
формулы (7.2) нельзя, так как давление насыщенного пара является функцией
температуры. Поэтому определяем вначале произведение
т В
Рнп 1 Bfi — _
Do n
Исходя из условия задачи, выбираем значение В = 45, затем рассчитываем
стехиометрический коэффициент при кислороде. Для этого запишем уравнение
реакции горения бензола в воздухе:
СбНь-Ь 7,50г «бСОг+ЗНгО.
Следовательно, п=7,5. Тогда
45
"" Л” “ 9,62-10-°. 7,5 =6237 ' '°’ ПЯ ' К-
147
Температуру вспышки бензола определяем методом последовательного
приближения по табл. 18 приложения.
Из табл. 18 приложения находим, что при температуре жидкости, равной
270,4 К, давление насыщенных паров над ее поверхностью будет 2666,4 Па, а
произведение составляет 721• 103 Па • К. Сравнивая полученное значение с ранее
вычисленным по формуле (7.2), делаем вывод, что истинное значение темпе-
ратуры вспышки ниже 270,4 К. Поэтому выбираем следующую меньшую
температуру жидкости — 261,5 К, давление насыщенных паров составляет
1333.3 Па. а их произведение 348,7 • 103 Па • К, что ниже вычисленного по фор-
муле (7.2). Таким образом, истинная температура вспышки находится
между 261,5 К и 270,4 К.
Определяем по методу линейной интерполяции:
7 вп — 261ъ54
(623.7 • 103—348,7 • 103) (270,4—261,5)
= 2оо,1 К.
721 • 103—348,7- Ю3
Температурные пределы воспламенения могут быть рассчи-
таны по известным значениям температуры кипения:
(в) /’ ^КИП » (7.3)
где 7Н(в) , /кип — соответственно нижний (верхний) температур-
ный предел воспламенения и температура ки-
пения, °C;
Ли/ — параметры, величины которых зависят от вида
горючей жидкости и определяются по табл. 6
приложения.
Температурные пределы воспламенения могут быть вычислены
по известным значениям концентрационных пределов. Определим
концентрацию насыщенных паров над поверхностью жидкости:
9н. п
рп. П • 100
Ро
(7.4)
где (рн.п — концентрация насыщенных паров, %;
Рм. п — давление насыщенных паров, Па;
р0 — внешнее (атмосферное) давление, Па.
Из формулы (7.4) следует:
Рп. П --
Гн. П Ро
Лоо
Определив по известному значению нижнего (верхнего) преде-
ла воспламенения давление насыщенного пара, находим темпера-
туру, при которой это давление достигается. Опа и является ниж-
ним (верхним) температурным пределом воспламенения.
Пример. Определить температурные пределы воспламенения ацетона, если
концентрационные пределы воспламенения составляют 2,2ч-13%. Атмосферное
давление — 101325 Па.
Решение. Находим давления насыщенных паров жидкости, соответствую-
щих нижнему и верхнему температурным пределам воспламенения:
„ 2,2-101325
Рн. п(н)= —------ =2229,2 Па;
148
13 • 101325 л ' „
Ри. п(в)=------------- = 13172,3 Па.
По табл. 18 приложения определяем, что нижний температурный предел вос-
пламенения ацетона находится между температурами 241,9 К и 252.2 К, а
верхний — 27,1,0 К и 280,7 К.
Методом линейной интерполяции определяем нижний и верхний темпера-
турные пределы воспламенения:
7,, =34'1,,9+
7*8=271,0+
(252,2—241,9) (2229,2—1333,2)
2666,4—13313,2
(280,7—271,0 (13172,3—7999,3)
-------------—------------------ =<280,4 К.
13332,2—7999,3
Справочное значение температурных пределов воспламенения составляет
соответственно 253 К и 279 К.
По формуле (7.4) можно решать и обратную задачу: рассчи-
тывать концентрационные пределы воспламенения по известным
значениям температурных пределов.
§ 7.2. Распространение пламени по поверхности жидкости.
Анализ влияния условий горения на скорость
распространения пламени
Свойство пламени к самопроизвольному распространению име-
ет место не только в случае горения смесей горючих газов с
окислителем, но и при горении жидкостей и твердых веществ.
При локальном воздействии тепловым источником, например,
открытым пламенем, жидкость будет прогреваться, возрастет ско-
рость испарения и при достижении поверхностью жидкости тем-
пературы воспламенения в месте воздействия источника произой-
дет зажигание паровоздушной смеси и установится устойчивое
пламя, которое затем с определенной скоростью будет распростра-
няться по поверхности холодной жидкости.
Что же является движущей силой распространения процесса
горения и каков его механизм?
Распространение пламени по поверхности жидкости протекает
в результате теплопередачи излучением, конвекцией и молекуляр-
ной теплопроводностью от зоны пламени к поверхности зеркала
жидкости.
Основную роль в этом по современным представлениям играет
теплоизлучение от пламени. Пламя, обладая высокой температу-
рой (более 1000°С), способно, как известно, излучать тепловую
энергию. Согласно закону Стефана-Больцмана, интенсивность
149
лучистого теплового потока, отдаваемого нагретым телом, опре-
деляется соотношением:
Цл = еоз(Гг4 — 7'04) , (7.5)
где 7Л — интенсивность лучистого теплового потока, кВт/м2;
е0 — степень черноты тела (пламени) (е0 = 0,75ч-1,0);
з — постоянная Стефана-Больцмана, 5,7-10-11 кДЖ/(м2-с-К4);
Тг— температура тела (пламени), К;
То — температура среды, К-
Тепло, излучаясь во все стороны, частично поступает и на еще
не горящие участки поверхности жидкости, прогревая последние.
Вследствие повышения температуры поверхностного слоя интенси-
фицируется процесс испарения жидкости, и образования паровоз-
душной смеси над прогретым участком. Как только образуется
горючая паровоздушная смесь, т. е. концентрация паров жидко-
сти превысит нижний концентрационный предел воспламенения,
произойдет ее зажигание от пламени. Переместившись на этот уча-
сток поверхности жидкости, пламя интенсивнее прогревает сле-
дующий участок поверхности жидкости и т. д.
Таким образом, скорость распространения пламени по жидко-
сти, т. е. путь, пройденный пламенем в единицу времени, опреде-
ляется скоростью прогрева поверхности жидкости, под воздейст-
вием лучистого теплового потока от пламени, т. е. скоростью
образования горючей паровоздушной смеси над зеркалом жид-
кости.
Рассмотрим влияние на скорость процесса горения таких фак-
торов, как природа горючей жидкости и ее начальная темпера-
тура.
Природа жидкости. Па скорость распространения пламени
влияет теплота испарения жидкости, ее температура вспышки и
интенсивность теплового потока.
Поскольку при диффузионном горении жидкостей температура
пламени и е0 изменяются в относительно узких пределах, то ос-
новное влияние на скорость распространения пламени оказывает
температура вспышки и теплота ее испарения. Чем выше их зна-
чения для той или другой жидкости, тем более длительное время
необходимо, чтобы ее прогреть до образования горючей паровоз-
душной смеси, тем, следовательно, ниже скорость распростране-
ния пламени. С увеличением молекулярной массы вещества в
пределах одного гомологического ряда снижается давление паров
упругости, как известно, возрастает теплота испарения и темпера-
тура вспышки и соответственно снижается скорость распростра-
нения пламени.
Увеличение начальной температуры жидкости повышает ско-
рость распространения пламени, так как время, необходимое для
прогрева жидкости до температуры вспышки перед зоной горения,
сокращается (рис. 7.2). Когда начальная температура жидкости
150
достигает температуры вспышки, скорость распространения пла-
мени резко возрастает, так как над зеркалом образована смесь,
которая способна гореть уже без воздействия лучистого потока
от пламени на поверхность жидкости. Начиная с температуры
вспышки, скорость распространения пламени по зеркалу жидкости
будет по физическому смыслу представлять собой скорость рас-
пространения пламени по паровоздушной смеси состава, близкого
к НКПВ, т. е. 4ч-5см/с. При повышении начальной температуры
жидкости выше температуры вспышки скорость распространения
пламени будет изменяться аналогично зависимости видимой ско-
рости распространения пламени от состава горючей смеси. Дейст-
вительно, при увеличении температуры жидкости выше темпера-
туры ее вспышки концентрация паровоздушной смеси над поверх-
ностью зеркала будет возрастать от нижнего концентрационного
предела воспламенения до 100%, когда будет достигнута темпе-
ратура кипения.
Рис. 7.2. Зависимость скорости
распространения пламени от на-
чальной температуры жидкости
1 — изоамиловый спирт (7'вс=
= 316 К); 2 — бутиловый спирт
(Твс =307 К); 3 — этиловый
спирт (Гвс =286 К)
Следовательно, вначале при повышении температуры жидко-
сти от температуры вспышки до температуры, при которой над
поверхностью образуется концентрация насыщенных паров, рав-
ная стехиометрической (точнее, несколько выше, чем стехиомет-
рическая), скорость распространения пламени будет возрастать.
В закрытых сосудах, по мере дальнейшего повышения темпера-
туры жидкости, скорость распространения пламени начнет сни-
жаться, вплоть до начальной температуры жидкости, равной
верхнему температурному пределу воспламенения, при котором
распространение пламени по паровоздушной смеси станет уже
невозможным из-за недостатка кислорода в паровоздушной смеси
над поверхностью жидкости. Над поверхностью же открытого
резервуара концентрация паров по высоте будет различной:
у поверхности она будет максимальной и соответствовать кон-
центрации насыщенного пара при данной температуре, а по мерс
151
подъема над поверхностью постепенно снижается вследствие
конвективного и молекулярного уноса (р«нс. 7.3).
Рис. 7.3. Изменение концентрации паров жидкости
по высоте над ее зеркалом
?н’ ?в> ?ст— соответственно НКПВ, ВКПВ и сте-
хиометрическая концентрация паров жидкости в
воздухе; Гь Т2 и Тл — начальные температуры
жидкости (7'1<Т2<7*з); Нст — высота над зеркалом
жидкости, на которой создается стехиометрическая
концентрация
Таким образом, над поверхностью зеркала жидкости в откры-
том резервуаре при любой начальной температуре жидкости
выше, чем Гст , будет находиться область, в которой концентра-
ция паров в воздухе будет стехиометрической. При температуре
жидкости Т2 эта концентрация будет находиться на высоте НТ1
от поверхности жидкости, а при температуре Г3, большей Т2, —
на расстоянии Н При температуре, близкой к температуре
вспышки жидкости Т\, распространение пламени по поверхности
жидкости будет равной скорости его распространения по смеси
паров в воздухе, на НКПВ, т. с. 3-5-4 см/с. При этом фронт пла-
мени будет (рис. 7.3) расположен у поверхности жидкости. При
дальнейшем увеличении начальной температуры скорость распро-
странения пламени по жидкости будет возрастать аналогично
изменению нормальной скорости распространения пламени по
паровоздушной смеои с увеличением ее концентрации (см.
рис. 6.5). С максимальной скоростью пламя будет распростра-
няться по смеси с концентрацией, близкой к стехиометрической.
Следовательно, с увеличением начальной температуры жидкости
152
выше Тст скорость распространения пламени будет оставаться
постоянной, равной максимальному значению скорости распрост-
ранения горения по стехиометрической смеси или несколько боль-
ше нее (рис. 7.4).
Рис. 7.4. Изменение скорости
распространения пламени по
зеркалу жидкости от ее на-
чальной температуры
/ — горение жидкостей в за-
крытой емкости; 2 — горение
жидкости в открытой емкости
Таким образом, при изменении начальной температуры жидко-
сти в открытой емкости в широком диапазоне вплоть до темпера-
туры кипения скорость распространения пламени будет изменять-
ся от нескольких мм-с~ 1 до Зч-4м-с
С максимальной скоростью пламя всегда будет распростра-
няться по смеси, близкой к стехиометрической. С увеличением
температуры жидкости выше Тст будет лишь возрастать рас-
стояние Нет , на котором будет достигаться стехиометрическая
концентрация, а скорость распространения пламени будет оста-
ваться постоянной (рис. 7.4). Это обстоятельство всегда надо
иметь в виду как при организации профилактической работы, так
и при тушении пожаров, когда, например, возникает опасность
подсоса воздуха в закрытую емкость, ее разгерметизация.
§ 7.3. Выгорание жидкости. Анализ влияния условий
горения на скорость выгорания
После воспламенения жидкости и распространения пламени
по се поверхности устанавливается диффузионный режим ее вы-
горания, который характеризуется удельной массовой m и линей-
ной ил скоростями. Удельная массовая скорость — количество
вещества, выгорающего с единицы площади зеркала жидкости
в единицу времени (кг-м~2 • с—’)• Линейная скорость — расстоя-
ние, на которое перемещается уровень зеркала жидкости в еди-
«нтщу времени за счет ее выгорания (м-с~’). Массовая и линейная
153
скорости выгорания взаимосвязаны друг с другом через плот-
ность жидкости р:
т = илр . (7.6)
После воспламенения жидкости температура ее поверхности
повышается от температуры воспламенения до кипения, происхо-
дит формирование прогретого слоя. В этот период скорость вы-
горания жидкости постепенно повышается, возрастает высота
факела пламени в зависимости от диаметра резервуара и вида
горючей жидкости. После 1-г-10ммн горения наступает стабили-
зация процесса: скорость выгорания и размеры пламени остаются
в дальнейшем неизменными.
Рис. 7.5. Распределение температуры (поле температур)
при горении жидкости
То — начальная температура; Тк — температура кипе-
ния; Тг—температура горения; qK, q л — соответствен-
но конвективный и лучистый тепловые потоки; q0 —
тепловой поток, поступающий на поверхность жидкости
Высота и форма пламени пр»и диффузионном горении жидкости
и газа подчиняются одним и тем же закономерностям, поскольку
в обоих случаях процесс горения определяется взаимной диффу-
зией горючего и окислителя. Однако, если при диффузионном
горении газов скорость струи газа не зависит от процессов, про-
текающих в пламени, то при горении жидкости устанавливается
определенная скорость выгорания, которая зависит как от термо-
динамических параметров жидкости, так и от условий диффузии
кислорода воздуха и паров жидкости.
Между зоной горения «и поверхностью жидкости устанавлива-
154
ется определенный тепло- и массообмен, который схематично по-
казан на рис. 7.5.
Часть теплового потока, поступающего к поверхности жидко-
сти q0 , затрачивается на ее нагрев до температуры кипения
qK и испарения жидкости qHCn . Кроме того, тепло на нагрев
жидкости поступает от факела пламени теплопроводностью через
стенки резервуара qCT . При достаточно большом его диаметре
величиной qcr можно пренебречь, тогда q0 = qK 4- qitCn-
Очевидно, что
Як = с Р ^п. С (7 к 7 0) ;
^иси ~ 9 Qncn ,
где с — теплоемкость жидкости, кДж/(кг*К);
р — плотность жидкости, кг/м3;
Vn. с — скорость роста прогретого слоя, м/с;
ид — линейная скорость выгорания, м/с;
Qncn— теплота парообразования, кДж/кг;
Тк — температура кипения жидкости, К-
Принимая для простоты, что ил =vn.Z) получим:
q0 = Р «л [ с (7к - То)4- Q«n| . (7.7)
Из формулы (7.7) следует, что интенсивность теплового пото-
ка из зоны пламени обусловливает определенную скорость по-
ставки горючего в эту зону, химическое взаимодействие которого
с окислителем в свою очередь влияет на величину qo. В этом и
состоит взаимосвязь массо- и теплообмена зоны пламени и кон-
денсированной фазы при горении жидкостей и твердых веществ.
Оценку доли тепла от общего тепловыделения при горении
жидкости, которая затрачивается на ее подготовку, к горению qo
можно провести, исходя из следующих соображений.
Скорость тепловыделения с единицы поверхности зеркала жид-
кости (удельную теплоту пожара qn ) можно определить по фор-
муле
^n = QH/n3, (7.8)
где QH — низшая теплота сгорания вещества, кДж/кг;
Р — коэффициент полноты сгорания.
Тогда с учетом (7.6), разделив (7.7) на (7.8), получим:
<?о ^QHcn + c(Tx-T0)
Ч„ <2.,3
Например, для бензина = 43 800 кДж/кг, Q^n =272
кДж/кг, с = 3,0кДж/(кг-К), р = 1, 7\=470 К. При То = 293 К
Q о
получим, что— = 0,019.
<hi
155
Из приведенных расчетов следует, что менее 2% от общего
тепловыделения npui горении жидкости затрачивается на поставку
ее паров в зону горения. В момент установления процесса выгора-
ния температура поверхности жидкости резко возрастает от тем-
пературы воспламенения до температуры кипения, которая в
дальнейшем по мере выгорания остается неизменной. Однако это
справедливо только для индивидуальных жидкостей. В процессе
горения смеси жидкостей, имеющих разную температуру кипения
(бензины, нефть и т. д.), происходит как бы их фракционная пе-
регонка. Вначале происходит выход легкокипящих фракций, за-
тем — все более высококипящих. Этот процесс сопровождается
постепенным (квазистационарным) повышением температуры на
поверхности жидкости (рис. 7.6).
Рис. 7.6. Изменение температуры
поверхности жидкости при горении
1 — этиловый спирт; 2 — бензин
Рис. 7.7. Изменение температуры
в прогретом слое бензина
1 — распределение температуры
первого рода; 2 — распределение
температуры второго рода
В принципе квазистационарный процесс повышения темпера-
туры поверхности жидкости можно условно представить в виде
ступенчатого роста температуры по мере выхода той или иной
фракции.
156
Прогрев жидкости по глубине. Нагрев поверхности жидкости
лучистым потоком от пламени сопровождается передачей тепла
вглубь ее. Этот теплоперенос осуществляется в основном тепло-
проводностью и ламинарной конвекцией за счет движения нагре-
тых in холодных слоев жидкости. Прогрев жидкости теплопровод-
ностью осуществляется на небольшую глубину (2ч-5 см) и может
быть описан уравнением вида
л-г0=(гх-г0)^,
где I х — температура слоя жидкости на глубине х, К:
I I Тк — температура поверхности (температура кипения), К;
к — коэффициент пропорциональности, м-1.
Этот пип температурного поля называется распределением тем-
пературы первого рода (рис. 7.7).
Ламинарная конвекция возникает в результате различной тем-
пературы жидкости у стенок резервуара и в его центре, а также
вследствие фракционной разгонки в верхнем слое при горении
смесей. Дополнительная передача тепла от нагретых стенок ре-
зервуара к жидкости приводит к прогреву ее слоев у стенок до
более высокой температуры, чем в центре. Болес нагретая у стенок
жидкость (или даже пузырьки пара в случае ее перегрева у сте-
нок выше температуры кипения) поднимается вверх, что способ-
ствует интенсивному перемешиванию и быстрому прогреву слоя
жидкости на большую глубину. Образуется так называемый
гомотермнческий слой, т. е. слой с практически постоянной темпе-
ратурой, толщина которого растет во времени горения. Такое
температурное поле называют распределением температуры вто-
рого рода (рис. 7.7). Образование гомогермпческого слоя воз-
можно также и в результате фракционной перегонки приповерх-
ностных слоев смесей жидкостей, имеющих различную температу-
ру кипения. По мерс выгорания таких жидкостей приповерхност-
ный слой обогащается более плотными высок япиими фрак-
циями, которые опускаются вниз, способствуя тем самым конвек-
тивному прогреву жидкости.
Определяющее влияние перегрева жидкости у стенок резервуа-
ра на формирование гомотермического слоя подтверждают сле-
дующие экспериментальные данные. При горении бензина в ре-
зервуаре диаметром 2.64 мм без охлаждения сгсиок приводило
к >чно быстрому образованию гомотермического слоя. При
1 интенсивном охлаждении стенок прогрев жидкости па глубину
осуществлялся главным образом теплопроводностью и в процес-
се всего времени! горения имело место распределение температу-
ры первого рода. Установлено, что чем выш мпература кипе-
ния жидкости (дизельное топливо, трансформаторное масло), тем
I тру 1нее образуется гомотермический слой. При их горении темпе-
ратура стенок резервуара редко превышает температуру кипения.
Однако при горении влажных высококипящих нефтепродуктов
' 157
Вероятность образования гомотермического слоя также высока.
При прогреве стенок резервуара до 100°С и выше образуются пу-
зырьки водяного пара, которые, устремляясь вверх, вызывают
интенсивное перемешивание всей жидкости и быстрый прогрев
вглубину. Изменение толщины гомотермического слоя от времени
горения описывается соотношением следующего в»ида:
х = х„(1 — ,
где х — толщина гомотермического слоя на некоторый момент
времени горения, м;
хп — предельная толщина гомотерм)нческого слоя, м;
т — время от начала формирования слоя, с;
р — коэффициент, с~
Возможность образования достаточно толстого гомотермиче-
ского слоя при горенши влажных нефтепродуктов чревата явле-
ниями вскипания и выброса жидкости.
Исходя из рассмотренных выше представлений о механизме
выгорания жидкости, проанализируем влияние некоторых факто-
ров на массовую скорость.
Влияние природы жидкости. Из уравнения (7.7) с учетом (7.6)
определим массовую скорость выгорания:
т =--------------- . (7.10)
c(7K-r0)+Q“n
Из формулы (7.10) видно, что на скорость выгорания оказы-
вают влияние и н те нои вн ость теплового потока, поступающего от
пламени к зеркалу жидкости и теплофизические параметры горю-
чего: температура кипения, теплоемкость и теплота (испарения.
Приведенные в табл. 7.2 данные показывают, что есть опреде-
ленное соответствие между скоростью выгорания и затратами
тепла на прогрев и испарение жидкости. Так, в ряду: бензол-
ксилол-глицерин с увеличением затрат тепла на прогрев и испа-
рение скорость выгорания снижается. Однако при переходе от
бензола к дмэтиловому эфиру затраты тепла на парообразование
уменьшаются более, чем в 1,5 раза, а скорость выгорания тем
не менее уменьшается с 0,052 до 0,048 мм-с”1. Это кажущееся не-
соответствие обусловлено различием в интенсивности тепловых
потоков, поступающих от факела к поверхности жидкости. Лучи-
стый поток достаточно велик для коптящего пламени бензола и
мал для относительно прозрачного пламени диэтилового эфира.
Как правило, отношение скоростей выгорания наиболее бысгро-
горящих жидкостей к наиболее медленно горящим относительно
невелико и составляет 3,0—4,5.
158
Таблица 7.2
№
Горючая Линейная скорость Величина р|с(Гк— Т^,) -h ,
жидкость выгорания, м • с—1 • 103 кДж • м—3 • 10—3
Бензол . . 0,052 440
Ди ЭТИЛ о-
вый эфир 0,048 283
Ксилол . . 0,033 488
Глицерин 0,007 1510
Влияние начальной температуры. Из (7.10) следует, что с уве-
личением То скорость выгорания возрастает, поскольку снижа-
ются затраты тепла на прогрев жидкости до температуры
кипения.
В табл. 7.3 приведено изменение скорости выгорания бензола
от начальной температуры.
Таблица 7.3
Начальная температура жидкости, К Скорость выгорания, м • с-' • 105
289 5,25
313 5,74
330 6,16
333 6,48
343 6,84
Приведенные в табл. 7.3 данные были получены в сосудах
диаметром 6,2см из кварцевого стекла.
Влияние диаметра резервуара. Опытные данные показывают,
что зависимость скорости выгорания от диаметра резервуара
весьма сложная (рис. 7.8). Эта зависимость условно может быть
разделена на три области. В первой области по мере увеличения
диаметра сосуда от нескольких миллиметров до дециметра ско-
рость выгорания резко снижается. Во второй области она возрас-
тает, и начиная с диаметра 1,3 м, расположена третья область,
в которой скорость выгорания постоянна и не зависит от диа-
метра.
Поскольку в практике пожарной охраны встречаются главным
образом резервуары, значительно превышающие диаметры 1,3 м,
то первые две области представляют собой лишь чисто познава-
тельный интерес.
Уменьшение скорости выгорания по мерс увеличения диаметра
связано с характером подвода тепла от зоны пламени к жидко-
сти. Количество тепла, поступающего к жидкости излучением,
159
пропорционально площади поперечного сечения сосуда, а количе-
ство тепла, поступающего теплопроводностью за счет прогревания
стенок сосуда, пропорционально периметру сосуда. Тогда доля
тепла от стенок к лучистому потоку, поступающему на зеркало
жидкости, будет пропорциональна отношению периметра к площа-
9ст
ди поперечного сечения сосуда: ——— , т. е- с ростом
диаметра теплоподвод от стенок сосуда снижается, следовательно,
скорость выгорания падает.
Рис. 7.8. Зависимость ско-
рости выгорания тракторно-
го керосина от диаметра
резервуара
Рост скорости выгорания при повышении диаметра более 0,1 м
(вторая область) удовлетворительно объясняется повышением
количества тепла, поступающего к поверхности жидкости от пла-
мени, за счет перехода от ламинарного режима горения к турбу-
лентному. Постоянное изменение в пространстве и во времени
формы пламени, характерное для переходного и турбулентного
режимов горения, повышает интенсивность тепло- и массообмена,
т. е. величину qo. \
При увеличении диаметра резервуара сверх 1,3 м (третья об-
ласть) устанавливается развитый турбулентный режим
(7?е>10 000), величина теплового потока от пламени стабилизи-
руется и скорость выгорания практически не изменяется.
В табл. 7.4 приведены скорости выгорания наиболее широко
распространенных жидкостей в резервуарах диаметром более 1,3 м.
350
Таблица 74
Горючая жидкость
Скорость выгорания,
м • с-1 • 105
Ацетон .................
Бензин Б-70
(Бензол .............
Диизопропиловын эфир
Диэтиловый эфир . .
Жирные спирты (Ст 4-С9
Изопентан ....
Изопропилбензол .
Изопропиловый спирт .
Керосин тракторный .
Мазут................
(Нефть .....
Пиробензол
Толуол ..............
Хлорбензол ....
Циклогексан
Циклогексанон .
Этиловый спирт
5,5
6,04-7,2
9,24-9,7
9,54-11,5
8,3
2,84-4,7
16,8
6,04-7,3
4,24-4,5
5,84-6,5
3,7
2,7
7,74-9,7
6,84-7,8
2,84-4,7
4,24-4,5
4,34-5,2
3,34-4,2
Влияние уровня жидкости в резервуаре. С понижением уровня
жидкости происходит снижение скороспи выгорания вплоть до
прекращения горения (рис. 7.9).
Рис. 7.9. Изменение скорости
выгорания бензина от его уров-
ня в горелке
1 — диаметр горелки, 11 мм;
2 — диаметр горелки, 23 мм
Поскольку подвод воздуха за счет диффузии из окружающей
среды, необходимого для горения, непосредственно вовнутрь ре-
зервуара невозможен, то при понижении уровня жидкости! проис-
111-4609 ' 161
ходит удаление зоны пламени от поверхности горения (рис. 7.10).
Величина лучистого потока к зеркалу жидкости снижается,
а следовательно, уменьшается и скорость выгорания вплоть до
затухания. Пр»и горении жидкостей в резервуарах большого диа-
метра предельная глубина И пр , при которой происходит затуха-
ние горения, очень большая. Так, для резервуара с диаметром 5 м
она составляет Нм, а с диаметром Им — около 35м (рис. 7.9).
Рис. 7.10. Схема отрыва зоны
пламени от поверхности жидкости
при понижении ее уровня в ре-
зервуаре
Влияние влажности жидкости. Содержание влаги понижает
скорость выгорания жидкости, во-первых, вследствие дополни-
тельных затрат тепла на ее испарение, а во-вторых, в результате
флегматизирующего влияния паров воды в газовой зоне. Послед-
нее приводит к снижению температуры пламени, а следовательно,
согласно (7.2), уменьшается и его излучательная способность.
Строго говоря, скорость выгорания влажной жидкости не посто-
янная, она увеличивается шли уменьшается в процессе горения в
зависимости от величины температуры кипения жидкости.
Влажное горючее может быть представлено как смесь двух
жидкостей (горючее + вода), в процессе горения которых проис-
ходит их фракционная разгонка. Если температура кипения горю-
чей жидкости меньше температуры кипения воды (100°С), то
происходит преимущественное выгорание горючего, смесь обога-
щается водой, скорость выгорания снижается и, наконец, горение
прекращается.
162
Если температура кипения жидкости! больше 100°С, напротив,
вначале преимущественно испаряется влага, концентрация ее
снижается: скорость выгорания жидкости возрастает, вплоть до
скорости горения чистого продукта (pine. 7.11).
Влияние скорости ветра. Как правило, с повышением скорости
ветра скорость выгорания жидкости увеличивается. Ветер интенси-
фицирует процесс смешения горючего с окислителем, повышая
температуру пламени (табл. 7.5) и приближая пламя к поверхно-
сти горения.
Рис. 7.11. Изменение скорости вы-
горания влажных жидкостей во
времени горения
/ — жидкость с температурой ки-
пения более 100°С; 2 — жидкость
с температурой кипения менее
100°С
Все это повышает интенсивность теплового потока, поступаю-
щего на нагрев и испарение жидкости, следовательно, приводит
к росту скорости выгорания. При большей скорости ветра пламя
может срываться, что приведет к прекращению горентя. Так, на-
пример, при горении тракторного керосина в резервуаре диамет-
ром Зм наступал срыв пламени при достижении скорости ветра
22 м • с-1.
Влияние концентрации кислорода в атмосфере. Больштнство
жидкостей не способны к горентю в атмосфере с содержанием
кислорода менее 15%. С повышением концентрации! кислорода
Таблица 7.5
Скорость ветра, м • с—’
Температура пламени, К
0,8
1.0
2,1
1393
1453
1463
11*
163
выше этого предела скорость выгорания возрастает (рис. 7.12).
В атмосфере, обогащенной кислородом, горение жидкости проте-
кает с выделением большого количества сажи в пламени и на-
блюдается интенсивное кипение жидкой фазы. Для многокомпо-
нентных жидкостей (бензин, керосин и т. п.) температура поверх-
ности с увеличением содержания кислорода в окружающей среде
возрастает (рис. 7.13).
О L
10
Рис. 7.12. Зависимость скоро-
сти выгорания жидкости от со-
держания кислорода в атмос-
фере
1 — бензин; 2 — дизельное
топливо
7 °с
Рис. 7.13. Изменение темпера-
туры поверхности дизельного
топлива в атмосфере с различ-
ным содержанием кислорода
Повышение скорости выгорания и температуры поверхности
жидкости с ростом концентрации кислорода в атмосфере обуслов-
лено увеличением излучающей способности пламени в результате
роста температуры горения « высокого содержания сажи в нем.
Глава 8
ГОРЕНИЕ ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ
Твердые вещества in материалы являются наиболее распрост-
раненными в производстве и быту. В настоящее время наряду
с материалами! естественного происхождения весьма широкое при-
менение находят твердые вещества, получаемые синтетически.
Мировое производство полимеров удваивается через каждые
пять лет. При этом в строительстве используется 20—25% от про-
изводимого количества полимерных материалов.
Несмотря на большую работу по огнезащите естественных и
особенно искусственных материалов, основная их масса относится
к группе горючих. Это обстоятельство является одной из причин
неуклонного увеличения количества пожаров твердых материалов
164
и ущерба от них. Большой проблемой в настоящее время явля-
ются и пожары естественных материалов. Так, еще в 50-х годах
на всех континентах возникало около 200 тысяч лесных пожаров
в год. Поэтому изучение механизмов возникновения и развития
горения твердых веществ и материалов является необходимым
условием для целенаправленной деятельности органов пожарной
охраны по предотвращению и ликвидации пожаров с наименьшим
ущербом для народного хозяйства. Большое значение эти знания
имеют при решении очень сложной проблемы создания негорю-
чих или трудногорючих полимерных материалов.
§ 8.1. Общие закономерности и отличительные
особенности горения веществ различного
агрегатного состояния
Анализ современных представлений о механизмах диффузион-
ного горения газов и жидкостей, рассмотренный в главах 6 и 7,
позволяет сделать вывод, что принципиального различия между
ними нет. Действительно, в обоих случаях химическому взаимо-
действию горючего и окислителя, которое протекает в газовой
зоне, предшествует смешение этих компонентов за счет процессов
молекулярной и конвективной диффузии. Факторы, ускоряющие эти
процессы, например, турбулизация, способствуют повышению ско-
рости горения. Диффузионные процессы обусловливают большую
протяженность (толщину) зоны химической реакции, неоднород-
ность ее по составу: взаимодействие горючего начинается при
недостатке кислорода, а завершается при его избытке, чем и объ-
ясняется образование в зоне пламени больших концентраций ча-
стиц углерода, которые дают ярко-желтое свечение при темпера-
турах пламени.
Главное отличие в горении газов и жидкостей заключается в
механизме доставки горючего в зону химической реакции. При
горении газов количество доставляемого горючего определяется
его расходом и не зависит от процессов, протекающих в зоне
пламени.
Размеры и форма пламени в этом случае формируются под
влиянием расхода газа. В случае горения жидкости в результате
тепло- и массообмёна устанавливается определенная взаимосвязь
между характеристиками зоны горения и скоростью поступления
горючего в зону пламени.
Таким образом, процесс горения жидкости в принципе аналоги-
чен диффузионному горению газов. При этом жидкая фаза может
быть представлена как газовая горелка, обеспечивающая некото-
рый расход или скорость поступления горючего в зону пламени.
Основным физическим процессом, определяющим закономерности
поставки горючего в зону пламени, является в этом случае испа-
165
ренпе, протекающее под воздействием теплового потока от зоны
реакции.
Подавляющее большинство твердых материалов также горят
в диффузионном режиме. Превращен1ие твердого вещества в про-
дукты горения, как и газообразных и жидких веществ, происходит
вследствие химической реакции в газовой зоне; при этом скорость
превращения лимитируется физическим процессом смешения газо-
образных продуктов термического разложения твердой фазы с
воздухом. Поэтому принципиального различия в механизме горе-
ния газообразных, жидких и большинства твердых веществ нет:
это гомогенный, диффузионный процесс превращения горючего
вещества в конечные продукты с интенсивным выделением тепла
и света.
Если рассматривать горение только жидких и твердых ве-
ществ, то, кроме принципиального сходства, отмеченного выше,
можно найти еще несколько общих закономерностей: зажигание
образца и распространение пламени происходит в результате
образования над его поверхностью газовоздушной смеси, кон-
центрация которой превышает НКПВ; распространение пламени
и выгорание протекает за счет потока тепла от высокотемператур-
ной зоны пламени.
Кроме общих черт с жидкостями, в процессах горения твер-
дых веществ существует и целый ряд особенностей, обусловлен-
ных агрегатным состоянием и различиями в строении.
Поведение при нагревании. Если при нагревании жидкостей
происходит лишь их испарение, то в случае твердых материалов
процессы, сопровождающие нагревание, значительно более слож-
ны и многообразны. Для одних твердых веществ процесс газифи-
кации сопровождается плавлением. При этом плавление может
протекать без разложения исходного вещества (парафин, стеарин
и др.) или с разложением (натуральный или искусственный
каучуки).
Для других веществ переход из твердой фазы в газообразную
протекает, минуя жидкую. Это может происходить или без обра-
зования остатка твердой фазы — возгонка (сублимация), или с
образованием нелетучего остатка. Без остатка, например, проис-
ходит превращение уротропина, нафталина и других, с остатком
разлагаются древесина, торф, сланцы.
Таким образом, если при горении жидкости тепловой поток,
поступающий к поверхности от зоны пламени, расходуется только
па нагрев и испарение жидкой фазы, то для твердых веществ,
кроме этого, необходимы тенлозатраты на плавление и разло-
жение.
Следовательно, для твердых веществ тепло- и массообмен
между зоной пламени и твердой фазой можно записать в виде
уравнения:
166
Чо = т [ с(Тая—Т0) + QnJI ч- С'(ГК — 7ПЛ) 4- QHC„ + QP4-QT. 0| . (8.1)
где д0 — интенсивность потока, поступающего от
зоны пламени к поверхности твердого ве-
щества, кВт/м2;
m— массовая скорость выгорания, кг/(м2-с);
с, с' — соответственно теплоемкости твердой фа-
зы и расплава, кДж/(кг«К);
Qni, Quon, QP — соответственно теплоты плавления, испа-
рения и разложения, кДж/кг;
QT. о — теплота, пошедшая па нагрев твердого
остатка, кДж/кг;
Тк, Тпл — соответственно температуры кипения и
плавления вещества, К;
То — начальная температура, К.
Режимы горения. Горение жидкостей, как и газов, протекает
по гомогенному режиму. Твердые вещества в зависимости от
строения и поведения при нагревании могут гореть по гомогенно-
му, гомогенно-гетерогенному или только гетерогенном}' режимам.
Тепловые эффекты термического разложения. Переход жид-
кости в парообразное состояние всегда является эндотермическим
процессом. Для твердых веществ этот процесс в большинстве слу-
чаев также является эндотермическим, однако известны случаи,
когда разложение сопровождается выделением тепла, при этом
превращение твердой фазы в газообразную может быть суммарно
экзотермическим. В практике известны случаи загорания в ре-
зультате длительного хранения древесных опилок при температу-
ре 100°С. Это происходит в результате интенсивного протекания
химических реакций между активными промежуточными соеди-
нениями первичного распада. Эти реакции, как правило, являют-
ся самоускоряющимися автокаталитическими реакциями, т. е. ка-
тализируются продуктами разложения.
Рассмотренные выше общие представления об особенностях
процессов горения твердых веществ и материалов показывают,
что, несмотря на их принципиальное сходство с горением газооб-
разных и особенно жидких веществ, они значительно более слож-
ны для экспериментального (исследования «и для теоретического
анализа.
Процессы плавления, испарения и термического разложения,
сопровождающие собственно горение, во многом определяют его
количественные параметры: скорость распространения пламени
по поверхности, скорость выгорания и пиролиза, скорость дымо-
образовання и т. и.
167
§ 8-2. Термическое разложение твердых материалов.
Пиролиз древесины
В связи с определяющим влиянием на параметры процесса
горения термического разложения твердых материалов рассмот-
рим основные его закономерности. При повышении температуры
твердого вещества происходит разрыв химических связей с обра-
зованием более простых компонентов (твердых, жидких и газо-
образных). Термическое разложение или пиролиз представляет
собой особый класс химических реакций, кинетика которых описы-
вается уравнением Аррениуса, согласно которому скорость реак-
ции экспоненциально возрастает с увеличением температуры. При
термическом разложении, как правило, одновременно протекает
большое количество последовательно-параллельных реакций, и
поэтому величина энергии активизации, определенная по опытным
данным, характеризует некоторый усредненный процесс. Для
большинства веществ ее значение изменяется в пределах
1404-250 кДж/моль.
Термическое разложение является чрезвычайно сложным про-
цессом, зависящим от множества параметров. Различают изо-
термический и неизотермический пиролиз. В первом случае тем-
пература образца постоянна и во время всего периода разложе-
ния не меняется. При неизотермическом пиролизе температура
может меняться как во времени, так и по глубине образца. При
горении имеет место неизотермический пиролиз твердой фазы.
Многочисленные исследования, проведенные для большого ко-
личества веществ, показывают, что закономерности разложения
существенно зависят не только от вида горючего, но и от темпе-
ратуры пиролиза, скорости ее изменения во времени, размеров
пиролизусмого образца, его формы, степени распада и т. д. Про-
цесс пиролиза существенно зависит от того, находится ли обра-
зец в контакте с продуктами разложения или последние удаля-
ются из реакционного сосуда.
В качестве примера схематично приведено разложение наибо-
лее распространенного горючего материала — древесины. Дое-
весина, как известно, представляет собой смесь большого коли-
чества веществ различного строения и свойства. Основными ее
компонентами являются гемицеллюлоза, целлюлоза и лигнин.
Целлюлоза является высокомолекулярным полисахаридом с
эмпирической формулой (СбНюОз)/?:. Молекулярный вес целлю-
лозы составляет свыше 1 500 000.
„ Гемицеллюлозы представляют собой смесь пентозанов
(СзНвОД, гексозанов (СбНюОз) и полиуронидов. В хвойной дре-
весине пентозаны и гексозаны содержатся почти в равных количе-
ствах, в лиственной древесине гемицеллюлозы состоят почти це-
ликом из пентозанов.
Лигнин является наименее изученным в химическом отношении
168
компонентом древесины. Полагают, что лигнин имеет ароматиче-
скую природу и содержит связанные с ароматическим веществом
углеводы. Элементный состав лигнина значительно колеблется.
В соответствии с этим неодинаковы и эмпирические формулы
лигнина, предложенные различными авторами: (СюН!0Оз)п,
(С22Н2о07)п, (С12оН138Оз5)п. Молекулярный вес лигнина достигает
нескольких тысяч. В зависимости от породы, возраста, места про-
израстания соотношение этих компонентов может быть различ-
ным, однако в среднем древесина состоит из 25% гемицеллюлозы,
50% целлюлозы и 25% лигнина. Древесина содержит — 50%
углерода, — 6% водорода и~ 44% кислорода. Это пористое ве-
щество, объем пор составляет 50ч-75% ее объема. Вещества,
входящие в состав древесины, обладают различным строением и
неодинаковой термической стойкостью. Наименее термоустойчи-
вы — гемицеллюлозы, наибольшей термической стойкостью обла-
дает лигнин. Так, если начало интенсивного разложения целлю-
лозы соответствует температуре 285°С, лигнин интенсивно разла-
гается лишь при достижении температуры 350-ь450°С. Большая
термическая устойчивость лигнина объясняется его химическим
строением. Как известно, ароматические соединения являются
более термостойкими, чем гетероциклические, к которым принад-
лежат гемицеллюлозы и целлюлоза. Поэтому породы древесины,
имеющие повышенное содержание гемицеллюлозы, способны к
более легкому воспламенению.
Рассмотрим разложение древесины, предельно упростив про-
цесс, полагая, что температура всей массы образца будет возра-
стать квазистационарно. Можно условно выделить несколько ха-
рактерных этапов пиролиза древесины.
При нагревании до температуры 120->150°С завершается про-
цесс сушки древесины, т. е. выделение физической ВОДЫ.
При дальнейшем нагревании до температуры 150-:- 180сС проис-
ходит выделение внутрнкапиллярной и химически связанной .
ги, разложение наименее термически стойких компонентов древе-
сины (луминовые кислоты) в основном с выделением двуокиси
] углерода и воды.
При температуре 250°С происходит пиролиз древесины (в ос-
новном гемицеллюлозы) с выделением таких газов, как СО. СН4,
Н2, СО2, Н2О и г. д. Образующаяся газовая смесь уже способна
к воспламенению от источника зажигания. По аналогии с жид-
костью эту температуру можно принять за температуру вспышки
древесины. При температуре 280ч-300°С начинается интенсивное
разложение древесины.
При температурах 350-к450°С происходит интенсивный пиро-
лиз древесины и выделяется основная масса горючих газов
40% от максимально возможного количества. Выделяющаяся в;
этой области пиролиза газообразная смесь состоит из 25%Н2
и 40% предельных и ненасыщенных углеводородов. Наиболее ха
рактерной особенностью этой температурной области является ее
169
экзотермичность. Здесь протекают интенсивные химические реак-
ции между продуктами первичного разложения — кислотами,
альдегидами и т. п., сопровождающиеся выделением тепла. В ли-
тературе приводятся данные, согласно которым количество выде-
ляющегося здесь тепла составляет 5—6% от низшей теплоты
сгорания древесины. В среднем для древесины она равна 15 000
кДж/кг. Таким образом, тепловой эффект экзотермических реак-
ций пиролиза равен 750ч-900 кДж/кг.
Рис. 8.1. Зависимость отно-
сительного выхода летучих
продуктов пиролиза твер-
дых веществ от температуры
1 — древесина; 2 — торф;
3 — каменный уголь
Следует иметь в виду, что эти результаты получены при мед-
ленном термическом распаде древесины в течение 8 ч. Чем мед-
леннее происходит пиролиз, тем больше экзотермичность процес-
са разложения. Так, если длительность пиролиза увеличить до
14 суток, тепловой эффект возрастает до 7,5% от низшей теп-
лоты горения. Напротив, при быстром нагреве образца древесины
от начальной температуры до температуры завершения термиче-
ского распада (550ч-600°С) экзотермичность процесса резко сни-
жается, поскольку уменьшается возможность для протекания вто-
170
ричных экзотермических реакций между продуктами первичного
распада с образованием двуокиси углерода и воды. Подтвержде-
нием сказанному могут служить результаты пиролиза древесины
в вакууме, когда роль вторичных реакций между активными про-
дуктами первичного распада сведена к минимуму. Так, при сни-
жении давления до 5ммрт. ст. экзотермический эффект пиролиза
березовой древесины снизится до 2,5% от низшей теплоты сгора-
ния. Согласно последним исследованиям, наибольший положи-
тельный тепловой эффект сопровождает разложение лигнина.
При температурах 500-ь550°С скорость термического разложе-
ния древесины резко снижается. Выход летучих практически пре-
кращается, поскольку разложение образца в основном заканчи-
вается при более низких температурах. При температуре 600°С
разложение древесины на газообразные продукты и углистый оста-
ток завершается.
Изменение скорости нагрева образца древесины от началь-
ной температуры до температуры завершения пиролиза приводит
к качественному и количественному смещению характерных
стадий пиролиза. Медленный нагрев приводит к смещению темпе-
ратурных границ стадий пиролиза в область более низких значе-
ний, наоборот, повышение скорости нагрева — в область более
высоких значений.
На рис. 8.1 показана зависимость относительного выхода лету-
чих продуктов пиролиза от температуры образца.
Аналогично древесине будет протекать пиролиз каменного
угля и торфа, однако максимальные скорости выхода летучих про-
дуктов у них будут иметь место при соответственно других тем-
пературах. Каменный уголь состоит из более термостойких угле-
родосодержащих компонентов и разложение его протекает менее
интенсивно и при более высоких температурах, чем древесины
и торфа.
§ 8.3. Воспламенение твердых веществ
При контакте твердых горючих веществ с нагретым до высо-
кой температуры источником зажигания возникает теплообмен,
i В реальных условиях могут иметь место все три вида теплообме-
। на: конвекция, излучение, кондукция. При этом, как правило,
I один из них является доминирующим. При воспламенении, напри-
мер, от открытого пламени (горящая спичка, газовая горелка
• и г. п.) превалирует теплообмен конвекцией, нагретая спираль,
I не имеющая непосредственного контакта с горючим материалом,
воспламеняет последний за счет лучистого тепла. Воспламенение
от тлеющих частиц (искр) протекает, главным образом, за счет
теплообмена теплопроводностью (кондукция).
Механизм воспламенения твердых материалов во многом схо-
I ден с воспламенением жидкости, однако имеет и ряд существен-
I ’ 171
ных отличительных особенностей. При воздействии теплового
потока от высокотемпературного источника зажигания горючий
материал нагревается, затем в некотором интервале температур
(для веществ растительного происхождения 50ч-150°С) из него
испаряется влага. После испарения влаги материал вновь нагре-
вается как инертное тело до температуры начала разложения,
которая для растительных материалов составляет 250сС. Процесс
разложения сопровождается выделением в окружающую атмосфе-
ру летучих продуктов. Параллельно с этим протекает смешение
летучих с окислителем и образование парогазовоздушной смеси.
Если мощность источника зажигания достаточна, то при достиже-
нии горючими продуктами разложения концентрации, равной
нижнему концентрационному пределу воспламенения, произойдет
зажигание парогазовой смеси с появлением пламенного горения.
Если же по каким-либо причинам парогазовая смесь не
воспламеняется, твердое тело будет нагреваться с выделением
продуктов пиролиза. Если горючее вещество в процессе пиролиза
образует углистый остаток (вещества растительного происхожде-
ния), то скорость термического распада по мере выхода летучих
продуктов будет снижаться. При определенных условиях может
возникнуть гетерогенное горение (тление) углистого слоя вслед-
ствие его взаимодействия с кислородом окружающей среды и с
продуктами разложения твердой фазы.
В свою очередь, при благоприятных условиях, а именно: если
концентрация парогазовой смеси будет находиться в области
воспламенения, может произойти ее зажигание от раскаленного
углистого слоя.
Таблица 8.1
Г орючий материал Влажность, % Температура печи, °C .Часеа об- разца, г Время воспла- менения, с ‘
Брусника . . . 52 558 0,6 8,0
0 553 0.29 1,0
Хвощ зимую- щий . . . . 61 565 0,8 33.0
0 571 0,3 2,0
Хвощ полевой . 74 543 1,7 5,4
0 575 0,3 —
Клевер . . . 80 559 0,9 6,2
0 563 0,02 —
Таким образом, общая продолжительность процесса воспла-
менения складывается из стадий нагрева влажного материала,
сушки, нагрева сухого материала, газификации и стадии нагрева
172
тлеродистого остатка в случае появления гетерогенного воспла-
тенения.
Ориентировочные оценки показывают, что для материалов
«астптельного происхождения наиболее продолжительными явля-
этся стадии сушки влажного и нагрева сухого материала, кото-
•ые составляют соответственно 55% и 25% от общей продолжи-
тельности процесса воспламенения.
В табл. 8.1 приведены результаты определения продолжитель-
1ости воспламенения влажных (числитель) и сухих (знамена-
тель) материалов в муфельной печи [11].
Из табл. 8.1 видно, что время воспламенения влажного мате-
жала значительно выше, чем сухого, т. е. основные затраты
Гепла при воспламенении связаны с сушкой материала.
Одним из источников воспламенения, приводящим к возникно-
вению пожара, является лучистый тепловой поток от тех или
(ругах высокотемпературных тел. С увеличением интенсивности
(злучения время воспламенения снижается. На рис. 8.2 прмведе-
ia зависимость времени воспламенения различных пород древе-
сины (влажность менее 2%) от интенсивности теплового потока,
юстулающего к поверхности образца толщиной 30 мм.
Рис. 8.2. Зависимость времени вос-
пламенения древесины от интенсив-
ности теплового потока
1 — бук и береза; 2 — ель
В качестве источника зажигания выделяющихся продуктов
шролиза применялось диффузионное пламя бытового газа, нахо-
дящееся на расстоянии 10—12 мм от поверхности образца.
С увеличением плотности древесины время воспламенения
растает. Математическая обработка результатов, представлен-
1ых на рис. 8.2, дает следующую зависимость времени появления
173
пламенного горения от иштенсивности излучения для различных
пород древесины:
•.=Л- - <82>
<1п
где тв — время воспламенения, с;
q — интенсивность теплового потока, кВт-м -2;
Л, п — эмпирические константы.
Значения параметров A in п приведены в табл. 8.2.
Таблица 8.2
Порода древесины Плотность, кг • м—3 Значения параметров Температура поверхности древесины в момент вос- пламенения, °C
А п кВт 20 ма кВт 24 м2 кВт 30 1 ма
Бук . . . . 680 2,4- 105 2,63 350 330 285
Береза . . 650 1,9 • 105 2,5 350 330 295
Ель . . . 470 8,1 • ГО5 3,1 360 345 300
Сосна . . . 450 — — 360 340 320
Из табл. 8.2 следует, что температура на поверхности древе-
сины в момент воспламенения почти не зависит от породы дре-
весины <и несколько снижается с увеличением интенсивности излу-
чения.
В отсутствие зажигающего пламени наступает гетерогенное
воспламенение (тление) образующегося при пиролизе углистого
слоя. Зависимость времени гетерогенного воспламенения сосны
от интенсивности теплового потока может быть представлена
в виде
где Тг.в— время гетерогенного воспламенения древесины, с;
q — интенсивность теплового потока, под воздействием
которого происходит нагрев поверхности, кВт-м—
Температура гетерогенного воспламенения древесины непосто-
янна и зависит от интенсивности теплового потока. При воздей-
ствии! потока интенсивностью 13 кВт-м—2 появление гетерогенно-
го горения на поверхности древесины сосны наступает при 380°С,
при увеличении его значения до 20 кВт-м—2 — при 430 С.
На рис. 8.3 приведена зависимость скорости разложения дре-
весины при воздействии тепловых потоков различной интеноивно-
174
сти. По мере разложения скорость пиролиза вначале возрастает
затем стабилизируется.
Рис. 8 3. Зависимость скорости тер-
мического разложения древесины от
времени пиролиза
/ — интенсивность теплового потока,
13,3 кВт • м—2; 2 — интенсивность
теплового потока, 27 кВт • м—2;
т г. в — время гетерогенного воспламе-
нения
Появление гетерогенного горения вновь интенсифицирует про-
цесс разложения материала, поскольку часть тепла, выделяюще-
гося при гетерогенном горении угля, затрачивается на нагрев кон-
денсированной фазы. Определено, что дополнительный тепловой
поток от гетерогенного горения углистого слоя в среднем состав-
ляет 13 кВт-м-2. При дальнейшем разложении! скорость выделе-
ния летучих начинает снижаться, так как возрастает толщина
углистого слоя и, следовательно, увеличивается его термическое
сопротивление. Это приводит к снижению скорости прогрева бо-
лее глубоких слоев твердой фазы, что и вызывает замедление
скорости пиролиза.
§ 8.4. Механизм распространения пламени по поверхности
твердых веществ. Анализ влияния условий горения
на скорость распространения пламени
После воспламенения твердого материала в месте воздействия-
высокотемпературного источника происходит перемещение фронта
пламени по его поверхности. Количественной характеристикой
процесса распространения пламени по поверхности твердых ве-
ществ, как и в случае горения жидкостей, является линейная
скорость распространения пламени, представляющая собой путь,
пройденный фронтом пламени в единицу времени.
Процесс распространения пламени по поверхности твердых
веществ протекает за счет передачи части тепла, выделяющегося
175.
в зоне пламени, к поверхности! горящего материала. Передача
тепла от факела пламени осуществляется за счет лучеиспускания,
конвекции и теплопроводности. В зависимости от условий горения
соотношение количеств тепла, поступающих этими видами тепло-
передачи, может быть различным. Это обстоятельство и является
одной из главных причин зависимости скорости распространения
пламени по поверхности твердых горючих материалов от условий
горения.
Прогрев участков поверхности, расположенных перед фронтом
пламени, за счет теплоподвода излучением, конвекцией и кондук-
цией приводит к разложению слоев твердого вещества с образо-
ванием летучих продуктов (рис. 8.4). Выделяющиеся продукты
пиролиза смешиваются с воздухом, образуя гомогенную кинетиче-
скую систему. При превышении концентрации горючих компонен-
тов нижнего предела их воспламенения смесь воспламеняется от
пламени и сгорает в кинетическом режиме. Таким образом, про-
цесс распространения пламени по твердым материалам (как и по
жидкостям) характеризуется двумя существенными признаками:
Рис. 8.4. Схема распро-
странения пламени по
поверхности твердого ма-
териала
1 — исходный образен;
2 — зона диффузионно-
го горения; 3 — зона
кинетического пламени
(носик); 4 — эона гази-
фикации твердого мате-
риала; 5 — зона газооб-
разных продуктов разло-
жения; 6 — зона разло-
жения твердого материа-
ла перед фронтом пла-
мени; 7 — продукты го-
рения
скорость перемещения пламени равна скорости образования
горючей (выше нижнего концентрационного предела воспламене-
ния) смеси над поверхностью материала;
горение на передней кромке пламени (носике) всегда протека-
ет в кинетическом режиме, т. е. горит предварительно переме-
шанная смесь горючего и окислителя.
По мнению большинства исследователей, условия теплообмена
между носиком пламени и поверхностью твердого материала в
основном и определяет скорость распространения пламени по го-
ризонтальным и вертикальным (сверху вниз) образцам.
Следует отметить, что до настоящего времени нет четких и
однозначных представлений об относительном влиянии излучения,
176
конвекции и кондукцин на величину скорости распространения
пламени по твердым материалам. Приводятся данные, согласно
которым при горении горизонтального слоя сосновой хвои доля
излучения составляет около 24% от общего потока тепла, посту-
пающего на поверхность материала.
На основании принципиальных представлений о механизме
распространения пламени по поверхности твердых веществ и ма-
териалов рассмотрим влияние некоторых условий горения на ско-
рость процесса.
Влияние влажности материала. На рис. 8.5 показан характер
изменения скорости распространения пламени по слою опавшей
хвои сосны от содержания влаги. С увеличением влажности горю-
чего материала скорость распространения пламени снижается,
!и при достижении влажности 14% горение прекращается. Но
мере приближения к этому пределу влажности фронт пламени те-
ряет сплошность, разбиваясь на ряд отдельных очагов.
Рис. 8.5. Зависимость скорости
распространения пламени от влаж-
ности слоя хвои
Снижение скорости распространения пламени с увеличением
влаги связано, главным образом, с затратами тепла на ее испа-
рение из поверхностных слоев материала, вследствие чего ско-
рость разложения вещества замедляется. Кроме того, пары воды,
являясь флегматизаторами, поступая в газовую зону, снижают
температуру пламени, понижая его излучательную способность.
Прямые измерения интенсивности лучистого потока, поступающего
к поверхности горизонтального слоя сосновой хвои разной влаж-
ности, подтверждают сказанное. В табл. 8.3 приведены данные,
показывающие изменение скорости распространения пламени и
интенсивности лучистого потока от влажности образца.
При изменении влажности хвои от 1,6 до 13% интенсивность
излучения у носика пламени снизилась с 29,4 до 21,0 кВт-м-2,
т. е. на 30%.
Влияние ориентации образца в пространстве. В отличие от
жидкостей поверхность твердых материалов может находиться
12—4609 177
под различным углом к горизонту. Соответственно этому изменя-
ется и скорость распространения пламени.
Таблица 8.3
Влажность, % Скорость распростра- нения пламени, мм-с—1 Интенсивность лучистого потока, кВт • м—2
0 3,3 —•
1,6 2,66 29,4
7,6 1,53 27,2
13,0 0,91 21,0
Как следует из приведенных данных (рис. 8.6), при отрица-
тельных углах наклона (направление движения пламени сверху
вниз) скорость распространения пламени или не изменяется, или
же слабо уменьшается. Напротив, при увеличении положитель-
ного утла наклона (направление движения пламени снизу вверх)
свыше 10—15° скорость распространения пламени резко возра-
стает. При этом имеет место эффект дополнительного наклона
факела пламени к поверхности горючего вещества.
Рис. 8.6. Зависимость скорости
распространения пламени по сос-
новой хвое от угла ее наклона
/ — при влажности образца до
2%; 2 — при влажности образца
12%
Так, методом киносъемки было установлено, что при угле на-
клона образца, равном 27°, угол между поверхностью образца
и пламенем составляет не 63°, как это следует из чисто геометри-
178
ческих соображений, а 30°, что объясняется поджатием пламени
к горящей поверхности спутными конвективными потоками окру-
жающего воздуха. При больших углах наклона отдельные вихри
пламени, касаясь поверхности горючего материала, вызывают его
воспламенение еще до подхода носика пламени.
Таким образом, при повышении угла наклона образца (рас-
пространение пламени снизу вверх) резко возрастает теплопере-
нос от зоны пламени к поверхности твердого материала за счет
конвекции. При малых углах наклона основной теплообмен по-
верхности материала осуществляется с зоной носика пламени
(рис. 8.4), при больших углах — со всей фронтальной поверх-
ностью диффузионного пламени. При этом доля излучения воз-
растает. В табл. 8.4 приведены экспериментальные данные, пока-
зывающие изменение интенсивности излучения у носика пламени
при распространении пламени по слою сосновой хвои (влажность
1,5%) в зависимости от угла наклона.
Таблица 8.4
Угол наклона к гори- зонту, град. Скорость распростране- ния пламени, мм • с—1 Интенсивность лучистого потока, кВт • м—2
0 2,7 29,4
7,7 2,9 33,5
21,5 8,5 37,7
26,5 13,2 41,9
Из табл. 8.4 видно, что при изменении угла наклона от 0 до
26,5° скорость распространения пламени возрастает в 5 раз,
а интенсивность лучистого потока — только в 1,4 раза.
Влияние скорости и направления воздушных потоков (ветра).
При увеличении скорости ветра в направлении распространения
пламени скорость вначале возрастает линейно, а затем описыва-
ется степенной или даже экспоненциальной зависимостью. Оче-
видно, в этом случае механизм влияния ветра аналогичен меха-
низму влияния угла наклона образца.
Рассмотрим, как изменяется скорость распространения пламе-
ни в зависимости от скорости воздушных потоков, направленных
против движения пламени (противоток).
Как следует из результатов, приведенных на рис. 8.7, вначале
с увеличением скорости противотока скорость распространения
пламени возрастает, а затем при скорости потока выше
70 мм-с-1 — начинает снижаться
Поток воздуха, направленный против движения пламени, ока-
зывает двоякое влияние на скорость распространения пламени.
В результате аэродинамического торможения и охлаждения про-
I 12* 179
I
гретых участков поверхности перед фронтом пламени скорость
распространения пламени! будет снижаться. С другой стороны,
поток воздуха интенсифицирует смешение продуктов пиролиза
с окислителем, быстрее происходит образование гомогенной го-
рючей смеои, носик пламени приближается к поверхности твер-
дого материала, что, в свою очередь, приводит к дальнейшему
увеличению интенсивности, и это ускоряет распространение пла-
мени. Кроме того, с помощью киносъемки было обнаружено, что
в этом случае имеет место образование перед фронтом пламени
ламинарных вихрей, которые способствуют появлению конвектив-
ного прогрева поверхности перед фронтом пламени. При малых
скоростях движения воздуха определяющее влияние оказывают
интенсификация смешения продуктов и появление ламинарных
вихрей и скорость распространения пламени растет. При дальней-
шем увеличении скорости ветра эффект аэродинамического тор-
можения и охлаждения поверхности образца возрастает и ско-
рость распространения пламени начинает уменьшаться вплоть
до его срыва.
Рис. 8.7. Изменение скорости рас-
пространения пламени по бумаге
в зависимости от скорости проти-
вотока воздуха
Влияние геометрических размеров горючего образца. Основ-
ное влияние на скорость распространения пламени оказывает
толщина образца. Различают термически толстые и термически
тонкие образцы. Такое деление основано на сравнении геометри-
ческой или физической толщины с термической, под которой по-
нимают толщину слоя твердого материала, прогретого перед
фронтом пламени выше начальной температуры к моменту рас-
пространения пламени на данный участок поверхности.
Если физическая толщина превышает термическую (рис. 8.8,а),
такой образец называют термически толстым, если наоборот
(рис. 8.8,6), — термически тонким. На рис. 8.8,а, б показано рас-
пределение температуры непосредственно перед фронтом пламени
в случае горения термически толстого и термически тонкого об-
ISO
разцов. Отсюда следует, что температура со стороны образца, про-
тивоположной той, по которой распространяется пламя, перед
фронтом пламени для термически толстого равна начальной темпе-
ратуре образца, а для термически тонкого — выше.
Рис. 8.8. Поле температур при распространении пламени по твердым
материалам
а — термически толстый образец; б — термически тонкий образец;
8Т — соответственно физическая и термическая толщины образцов:
Лх Т’п— соответственно начальная температура и температура вспышки
(на поверхности) материала
Рис. 8.9. Зависимость скорости
распространения пламени по по-
требительской бумаге от ее тол-
щины
На рис. 8.9 приведены экспериментальные данные по измене-
нию скорости распространения пламени по потребительской бу-
маге. Видно, что с увеличением ее толщины скорость распростра-
нения пламени снижается. При увеличении толщины в пределах
термически тонких образцов снижение скорости распространения
пламени происходит главным образом вследствие увеличения
теплоиотерь от поверхности горения, связанных с прогревом ма-
териала вглубь. Для термически толстых образцов скорость рас-
; 181
пространения пламени не зависит от их толщины. Действительно,
еслт физическая толщина превышает термическую, то дальней-
шее увеличение толщины не приведет к изменению характера
распределения температуры по глубине материала перед фронтом
пламени и скорость горения останется неизмененной. Большинство
материалов расгительного происхождения в виде термически тол-
стых образцов в горизонтальном или вертикальном (сверху вниз)
положении на воздухе при нормальной температуре не способны
к самостоятельному распространению пламени. Так, потребитель-
ская бумага толщиной более 0,7 мм уже не распространяет горе-
ние по вертикальному образцу сверху вниз.
Рис. 8.10. Зависимость предель-
ной толщины пленки полиме-
тилметакрилата от диаметра
стержней при горизонтальном
расположении
1 — стержень медный; 2 —
стержень стеклянный
Роль материала подложки. При анализе влияния толщины на
скорость распространения пламени предполагалось, что с обрат-
ной распространению пламени поверхности образца находится
воздух или другой газ. Однако в практике, например, при на-
клейке различных защитных декоративных покрытий на стены,
металл, при изоляции электрических проводов и т. и. горючий
образец (пленка) соприкасается с материалом (подложкой), теп-
лофизическис характеристики которого существенно отличаются
от таковых для газов. Если негорючая подложка обладает коэф-
фициентом теплопроводности большим, чем у горючего мате-
риала, то она интенсифицирует сток тепла, поступающего от зоны
пламени к поверхности горючего, вглубь твердой фазы. Чем мень-
182
ше толщина горючего слоя, тем выше скорость оттока тепла от
поверхности. Это замедляет рост температуры поверхностного
слоя и, следовательно, уменьшает скорость распространения пла-
мени. При достижении некоторой .минимальной предельной тол-
щины горючие покрытия уже не распространяют горение. Чем
выше теплопроводность подложки, тем сильнее теплоотвод от
поверхности горючего материала, тем при большей толщине горю-
чего материала наступает прекращение горения. Очевидно, что,
кроме теплопроводности, на величину предельной толщины по-
крытия будет оказывать влияние и масса подложки. Так, из
рис. 8.10 следует, что предельная критическая толщина полимера,
при которой становится возможным процесс распространения
пламени выше для меди, чем для стекла . При увеличении диа-
метра (массы) стержня предельная толщина возрастает сильнее
для более теплопроводного материала (меди). При относительно
небольших сечениях стержней (0,2 мм) на предельную толщину
горючей обмотки материал подложки заметного влияния не ока-
зывает.
§ 8.5. Механизм выгорания твердых веществ.
Анализ влияния условий горения на скорость процесса
Одновременно с распространением пламени по поверхности
материала наступает процесс его выгорания. Закономерности вы-
горания твердых материалов существенно зависят от характера
превращения твердой фазы в газообразные продукты.
Если разложение твердой фазы протекает в узком приповерх-
ностном слое без образования углистого слоя, то в этом случае
горение протекает с постоянной скоростью. На поверхности твер-
дой фазы после воспламенения устанавливается постоянная тем-
пература, равная температуре кипения или возгонки вещества.
Прогрев твердой фазы по глубине описывается уравнением Ми-
хельсона:
Л = То + (Тп-То)е “
(8.4)
где Тх — температура на глубине х от поверхности горения, К;
Т„, То — соответственно температура поверхности и началь-
ная температура образца, К;
ил — линейная скорость выгорания, м-с~
а — коэффициент температуропроводности твердой фа-
зы, м2*с~’.
Из (8.4) следует, что чем меньше скорость выгорания одного
и того же материала, тем больше толщина прогретого слоя. На
рис. 8.11 приведено распределение температуры по глубине твер-
183
дой фазы полиметилметакрилата для различных скоростей его
ВЫГОраНИЯ (аП1<ДИ2</Пз).
Рис. 8.11. Распределение температу-
ры в твердой фазе при горении по-
лиметилмстакрилата с различной ско-
ростью
1—0,95 • 10—2 кг • м-2 . с—1;
2—2 • 10-2 кг • м-2 • с-1;
3—4 • 10—2 кг • м-2 . с—1;
Количество тепла, необходимое для создания прогретого слоя,,
описываемого уравнением (8.4), можно определить по формуле
оо
s Q= рр(Л— T0)dx , (8.5)
0
где Q — приведенное теплосодержание прогретого слоя,
кДж • м ”2 ;
с — теплоемкость твердой фазы, кДж • кг-1 • К~’ ;
р — плотность материала, кг-м~3.
В зависимости от внешних факторов в твердой фазе устанав-
ливается определенное поле температур, которое в процессе вы-
горания не изменяется. Скорость выгорания также остается по-
стоянной. Изменение внешних условий, приводящее к изменению
скорости выгорания, неизбежно отражается па характере распре-
деления температуры в твердой фазе и, следовательно, на вели-
чине приведенного теплосодержания.
Решение уравнения (8.5) с учетом (8.4) дает выражение, не-
посредственно связывающее скорость выгорания и величину при-
веденного теплосодержания:
Q -Q, (8.6}
ил
где Q— приведенное теплосодержание твердой фазы, кДж-м ~2;
— скорость выгорания (линейная), м*с-1 ;
X — коэффициент теплопроводности твердой фазы,
кВт-м-!с-1 «К-1;
184
Tn — температура на поверхности горения, К;
То — начальная температура, К.
Из уравнения (8.6) следует, что с увеличением скороспи выго-
рания теплосодержание прогретого слоя, необходимое для под-
державши стационарного горения, снижается (рис. 8.12).
Рис. 8.12. Взаимосвязь теплосо-
держания прогретого слоя и мас-
совой скорости выгорания поли-
метилметакрилата
Рис. 8.13. Изменение темпе-
ратуры поверхности древе-
сины при нагреве и воспла-
менении ее от внешнего
теплового потока
/ — интенсивность потока,
30 кВт • м—2; 2 — интенсив-
ность потока, 20 кВт • м—2
Механизм горения твердых веществ, протекающий с образо-
ванием углистого остатка на поверхности горения, более сложен.
185
Так горят практически все вещества растительного происхожде-
ния, некоторые пластмассы, содержащие в своем составе него-
рючие или трудногорючие наполнители (тальк, сажу и т. п.).
К наиболее распространенным горючим веществам растительного
происхождения такого типа относится древесина. В момент вос-
пламенения за счет теплового потока от зоны пламени температу-
ра поверхностного слоя древесины быстро возрастает до
450—500°С. Происходит интенсивное разложение веществ с об-
разованием летучих продуктов и древесного угля, при этом тем-
пература на поверхности повышается до 600°С (рис. 8.13).
Таким образом, температура в твердой фазе древесины при ее
горении изменяется от 600 до 20°С (рис. 8.14). Поскольку дре-
весина является сложным веществом с различной термической
устойчивостью составляющих ее компонентов, то ее разложение
протекает не только с поверхности, но и по глубине прогретых
слоев твердой фазы.
Рис. 8.14. Распределение темпе-
ратуры в твердой фазе древесины
при ее горении
/ — время горения, 30 с; 2 —
время горения 90 с
В условиях горения температура начала разложения древе-
сины в среднем составляет 220°С. При температуре 330°С уста-
навливается максимальная скорость выхода летучих продуктов
пиролиза, а при достижении температуры 380°С происходит
аморфизация древесины, т. с. потеря материалом волокнистой
структуры.
В табл. 8.5 приведены приближенные значения некоторых ха-
рактерных для горения древесины температур.
Таким образом, по глубине горящей древесины имеют место
области с различными физическими и физико-химическими харак-
теристиками. Условно их можно разделить на четыре зоны.
I — древесный уголь, состоящий на 99% из углерода;
II — древесина с различной степенью пиролизованиости;
III — непнролизованная, сухая древесина;
IV — исходная древесина.
186
Таблица 8.5
Характерная температура Индекс Численное значение, °C
Температура начала пиролиза Температура вспышки (воспламене- ния) Температура достижения максималь- ной скорости пиролиза . . . . Температура аморфизацни Температура переугливания . Температура поверхностного слоя Температура горения Т Н.П Т В. С Tw Га Ту Г., Тг 220 250^-280 (350)* 330 ч-360 380 500 4- 600 6504-700 11504-11200
На рис. 8.15 приведено изменение плотности древесины в за-
висимости от температуры **.
Рис. 8.15. Изменение
плотности древесины от
температуры разложения
древесины
По мере выделения летучих продуктов из твердой фазы при
горении древесины протекает переугливание материала на все
большую глубину. Рост толщины углистого слоя обусловливает
повышение его термического сопротивления и, следовательно, сни-
жается скорость прогрева и пиролиза еще не разложившихся
слоев древесины и скорость пламенного горения постепенно сни-
* Температура воспламенения, равная 250—280°С, получена в условиях
медленного нагрева всей навески образца в виде опилок.
** Условия медленного нагрева образца в нейтральной среде.
187
жается. Сказанное вытекает также и из соотношения (8.6). Для
большей наглядности представим его в виде
В процессе выгорания древесины возрастает теплосодержание
прогретого слоя за счет нагрева углистого остатка и снижается
коэффициент теплопроводности (коэффициент теплопроводности
древесного угля составляет 25% от теплопроводности древесины)
и, следовательно, уменьшается скорость выгорания. Это под-
тверждается и экспериментальными данными, приведенными на
рис. 8.16.
Рис. 8.16. Изменение ско-
рости выгорания древе-
сины во времени горения
под влиянием тепловых
потоков
1 — интенсивность пото-
ка, 30 кВт • м—2; 2 — ин-
тенсивность потока,
20 кВт • м—2
При диффузионном горении твердых материалов, жидкостей
,1 газов размер и форма пламени определяются соотношением
между скоростью поступления в зону пламени газообразных го-
рючих компонентов термического разложения твердой фазы и
скоростью их превращения в конечные продукты. При этом, если
скорость доставки летучих продуктов по каким-либо причинам
станет ниже скорости их диффузионного горения, пламенное го-
рение прекращается. Согласно экспериментальным данным, пла-
менное горение древесины прекращается при снижении массовой
скорости выделения летучих до 0,005 кг м--’-с-*. Толщина слоя
угля при этом достигает 15ч-20 мм.
Прекращение пламенного горения древесины открывает до-
ступ кислорода воздуха к нагретому до температуры 650- 700°С
углю. Начинается второй этап горения древесины — гетерогенное
окисление углистого слоя в основном по реакции С + Ог = СОг.
В результате протекания этой реакции выделяется тепло в коли-
честве 33-103 кДж на 1кг углерода, температура углистого слоя
возрастает до 800°С и процесс гетерогенного горения угля еще
более интенсифицируется.
188
Реальная картина перехода гомогенного горения в гетероген-
ное несколько отличается от вышеприведенной. При горении дре-
весины углистый слой растрескивается и выход летучих продук-
тов разложения твердой фазы происходит преимущественно через
образовавшиеся трещины: наступает так называемый смешанный
или гомогенно-гетерогенный режим, когда пламя теряет сплош-
ность, разбиваясь на отдельные очаги. Над поверхностью трещин
протекает гомогенное горение, остальная часть поверхности окис-
ляется по гетерогенному механизму. Этот режим является пере-
ходным от гомогенного к гетерогенному.
В результате реакции гетерогенного окисления углерода умень-
шается толщина углистого слоя и возрастает доля тепла от по-
верхности окисления, поступающая теплопроводностью вглубь
твердой фазы. При определенных условиях это может интенсифи-
цировать дальнейшее разложение твердой фазы, т. с. скорость
выделения летучих продуктов разложения, которые при смеше-
нии с воздухом над поверхностью образуют горючую смесь, спо-
собную вновь воспламениться. При этом источником зажигания
может явиться раскаленный углистый слой. Так может вновь воз-
никнуть повторное гомогенное горение древесины.
Основным количественным параметром, характеризующим
процесс выгорания твердых материалов, является массовая ско-
рость выгорания. Важность этого параметра заключается прежде
всего в том, что он является одним из параметров, обусловливаю-
щих динамику пожара. Скорость выгорания определяет тепловой
режим пожара, т. е. величину и скорость изменения температуры
пожара. В свою очередь, это определяет допустимое время эва-
куации, фактическую огнестойкость конструкций и, кроме того,
влияет на скорость распространения пламени, а следовательно,
на изменение площади пожара. Как и в случае горения жидко-
I -стен, различают массовую и линейную скорости выгорания ТГМ.
Однако для твердых материалов в практике пожарно-технических
расчетов (расчет сил и средств, необходимых для тушения, рас
чет продолжительности пожара и т. п.) чаще используют приве-
денную массовую скорость выгорания. Приведенная массовая
скорость выгорания представляет собой количество вещества* вы-
горающего в единицу времени с единицы площади пожара. Связь
между приведенной и действительной скоростями выгорания вы-
ражается следующим соотношением:
тпр = т К„ , (8.7)
1
где ЩцР— приведенная массовая скорость, выгорания, кг-м ~2-с-1;
m — удельная массовая скорость выгорания (с единицы
поверхности горения), кг-м-2-с~
/<п — коэффициент поверхности горения;
189
K„= ^-s-
F„
где Fn. г— поверхность горения, м2;
Fn — площадь пожара, м2.
(8.8)
Например, при горении образца твердого материала в виде
куба, лежащего на одной из граней, Кп =5.
Как и линейная скорость распространения пламени по поверх-
ности материала, массовая скорость выгорания не является кон-
стантой горючего и даже не остается постоянной в процессе по-
жара, а существенно зависит от условий, в которых протекает
горение. По физической сущности скорость выгорания эквивалент-
на скорости пиролиза материала, приведенной к единице поверх-
ности, под влиянием теплового потока той или иной интенсивно-
сти. Этот тепловой поток формируется от собственного пламени
горящего образца и от внешних источников. В принципе, скорость
пиролиза определяется тепловым состоянием твердой фазы. т. е.
эпюрой температур. Это обстоятельство приводит к тому, что
несмотря на различный физический смысл скорости распростране-
ния пламени и скорости выгорания, качественно они одинаково
зависят от тех или иных условий горения (влажности и толщины
образцов, пространственной ориентации и др.), которые доста-
точно подробно были рассмотрены выше в § 8.4.
Таблица 8.6
Материал Массовая скорость выгорания т • 103 кг • м—2 • с—'
действительная приведенная
Бумага разрыхленная Древесина (бруски, мебель в поме- — 8,0
щении) 7—8 15,0
Калий металлический 17—23 —
Карболитовые изделия .... — 6,3
Каучук натуральный — 13,3
Каучук синтетический — 8,8
Книги па деревянных стеллажах . . — 5,5
Натрий металлический .... 12—15 —
Органическое стекло — 16,0
Полистирол — 14,3
Резина — 11,2
Текстолитовые изделия .... — 6,7
Торф в караванах (влажность 40%) — 3,0
Хлопок разрыхленный .... — 4,0
Штапельное волокно разрыхленное — 6,7
Фенопласты — 5,8
Па практике наиболее распространенным в настоящее время
лабораторным методом определения скорости выгорания твердых
190
материалов является установка «камера-весы». Она представляет
собой модель помещения, пол которого соединен с платформой
весов. Испытуемый материал загружают на пол камеры, перед
зажиганием равномерно смачивают керосином и в процессе горе-
ния фиксируют потери массы во времени. Производная кривой
потери массы горючего, отнесенная к площади пола камеры,
во времени представляет собой приведенную массовую скорость
выгорания.
В табл. 8.6 приведены массовые скорости выгорания некоторых
веществ и материалов, полученные по данному методу.
Массовая скорость выгорания на внутренних пожарах сущест-
венно зависит от условий газообмена, который определяется глав-
ным образом относительной площадью проема (отношение пло-
щади проема, через который осуществляется газообмен, к пло-
щади пожара). В табл. 8.6 приведены результаты для относи-
тельной площади проема, равной 0,16. При ее изменении от
0,085 до 0,25 массовая скорость выгорания может быть опреде-
лена по эмпирической формуле
mz=6,25/pnm , (8.9)
где f Пр — относительная площадь проема;
Щу — скорость выгорания при f { относительной площади
проема, кг’М-2 -с-1 ;
т — скорость выгорания при f = 0,16, кГ’М-2-с_|
(табл. 8.6).
§ 8.6. Горение металлов
По характеру горения металлов их делят на две группы: ле-
тучие и нелетучие. Летучие металлы обладают относительно
низкими температурами фазового перехода — температура плав-
ления менее 1000 К, температура кипения не превышает 1500 К.
К этой группе относятся щелочные металлы (литий, натрий, ка-
лий и др.) и щелочноземельные (магний, кальций). Температуры
фазового перехода нелетучих металлов значительно выше. Тем-
пература плавления, как правило, выше 1000 К. а температура
кипения — больше 2500 К (табл. 8.7).
Механизм горения металлов во многом определяется состоя-
нием их окисла. Температура плавления летучих металлов зна-
чительно ниже температуры плавления их окислов. При этом по-
следние представляют собой достаточно пористые образования.
При поднесении источника зажигания к поверхности металла
происходит его испарение и окисление. При достижении концент-
рации паров, равной нижнему концентрационному пределу, про-
исходит их воспламенение. Зона диффузионного горения устанав-
ливается у поверхности, большая доля тепла передается металлу
191
4f он нагревается до температуры кипения. Образующиеся пары,
свободно диффундируя через пористую окисную пленку, посту-
пают в зону горения. Кипение металла вызывает периодическое
разрушение окисной пленки, что интенсифицирует горение. Про-
дукты горения (окисли металлов) диффундируют не только к по-
верхности металла, способствуя образованию корки окисла, но и
в окружающее пространство, где, конденсируясь, образуют твер-
дые частички в виде белого дыма. Образование белого плотного
дыма является визуальным признаком горения летучих металлов.
Таблица 8.7
Группа Химическая формула Температура плавлен и я, К Температура кипения, К
Металл Окисел Металл Окисел Металл Окисел
Li Li3O 454 1700 1.620 2823
Летучие Na Na2O 317 1190 lil 56 2190
К K2O 337 700 1052 1(750
Mg MgO 923 3075 1381 3350
Al А12Оз 932 2418 2679 3800
Нелетучие Be BcO 1556 3823 2750 4123
Ti TiOa 1'950 2138 3550 4100
У нелетучих металлов, обладающих высокими температурами
фазового перехода, при горении на поверхности образуется весь-
ма плотная окисная пленка, которая хороню сцепляется с по-
верхностью металла. В результате этого скорость диффузии паров
металла через пленку резко снижается и крупные частицы, на-
пример, алюминия и бериллия, гореть не способны. Как правило,
пожары таких металлов имеют место в том случае, когда они
находятся в виде стружки, порошков и аэрозолей. Их горение
происходит без образования плотного дыма. Образование плот-
ной окисной пленки на поверхности металла приводит к взрыву
частицы. Это явление особенно часто наблюдается при движении
частицы в высокотемпературной окислительной среде, связывают
с накоплением паров металлов под окисной пленкой с последую-
щим внезапным ее рызрывом. Это, естественно, приводит к рез-
кой интенсификации горения-
Основными параметрами их горения являются время воспламе-
нения и сгорания. Из теории диффузионного горения следует, что
время сгорания частички металла тг пропорционально квадрату
ее диаметра d0. Экспериментальные данные показывают, что фак-
тическая зависимость несколько отличается от теоретической.
Так, для алюминия тг~d0] ,8 , магния тг—tZo2,6 , а для тита-
на . Повышение концентрации кислорода в атмо-
192
сфере 1интенаифиц1ирует горение металла. Частички алюминия
диаметром (534-66) 10 мм в атмосфере, содержащей 23% кис-
лорода, сгорают за 12,7-10~3 с, а при повышении концентрации
окислителя до 60% — за 4,5* 10 ~3 с.
Однако для пожарно-технических расчетов большой интерес
представляет не время сгорания частицы металла,, а скорость рас-
пространения пламени по потоку взвеси частиц металла в окис-
лителе. В табл. 8.8 приведены экспериментальные данные по
скорости распространения пламени и массовой скорости выгора-
ния взвеси частиц диаметрами менее 10~2мм и 3*10~"2мм алю-
миния в воздухе при различном коэффициенте избытка воздуха.
Таблица 8.8
Концентрация алюминия, г/л- 103 Коэффициент избытка воздуха Скорость рас- пространения пламени, м/с Массовая ско- рость выгора- ния, кг/(м2-с)
d< 10—2 мм d< 3- 10—1 мм d< IO-2 мм d< 3•10—2 мм
100 3,15 0,21 0,15 0,275 0.196
150 2,1 0,285 0,19 0,387 0,258
200 1,58 0,345 0,23 0,486 0,324
250 1,26 0,395 0„26 0,577 0,38
Анализ данных табл. 8.8 позволяет сделать следующие вы-
воды.
1. С увеличением размера частиц горючего в воздухе скорость
распространения пламени уменьшается.
2. При приближении состава горючей смеси (металл—воздух)
к стехиометрической (а=1) скорость распространения пламени
возрастает.
3. Скорость горения взвеои частиц металла в воздухе одного
порядка с нормальной скоростью распространения пламени по
стехиометрическим смесям предельных углеводородов в воздухе —
0,4 м/с (табл. 8.8).
Горение металлов возможно не только в окислительной среде,
но и в продуктах горения органических веществ. В этом случае
горение протекает за счет экзотермической реакции восстановле-
ния воды до водорода, а двуокиси углерода до его окисла но
реакции:
2AI Н-ЗН2О = А12О3+ ЗН2+ 1389,4 кДж/моль ;
2AI4-ЗСО2 = AI2O3 + ЗСО-j- 1345,3 кДж/моль.
13—4609
193
§ 8.7. Горение пылевоздушных смесей
Ранее процесс горения аэрозольных систем считали аналогич-
ным горению гомогенной газовой смеси и процесс перемещения
фронта пламени объясняли! передачей тепла из зоны пламени к
свежей смеси посредством теплопроводности (см. § 6.1). Однако
высокие скорости распространения пламени по органическим пы-
левоздушным смесям (свыше 10 м/с) не могли быть объяснены
с позиций этих представлений.
В последующем было выдвинуто и обосновано предположение,
что распространение пламени по пылевоздушным смесям проис-
ходит главным образом за счет прогрева холодной смеаи лучи-
стым тепловым потоком от фронта пламени. Твердые частицы, по-
глощая лучистый поток, нагреваются, разлагаются с выделением
горючих продуктов, которые образуют горючие смеси с воздухом.
Особенностью данного механизма распространения пламени яв-
ляется то, что глубина прогрева и разложения твердых частиц
лучистым потоком достаточно велика, вследствие чего перед фрон-
том пламени образуется значительный слой парогазовоздушной
смеси, прогретой до высокой температуры, соизмеримой с темпе-
ратурой разложения твердой фазы. Непосредственным подтверж-
дением определяющей роли излучения от фронта пламени на
процесс распространения горения по пылевоздушным смесям
можно считать экспериментально установленную особенность
горения достаточно высокодиспсрсных систем. Аэровзвесь, имею-
щая очень мелкие частицы, при воспламенении быстро сгорает в
зоне воздействия источника зажигания, однако толщина зоны
пламени настолько мала, что интенсивность его излучения оказы-
вается недостаточной для разложения частиц, и стационарного
распространения пламени по таким смесям не происходит.
Отметим, что аэровзвесь, содержащая крупные частицы, так-
же не способна к стационарному горению. Однако причина здесь
несколько другая. Как известно, с увеличением размера (объе-
ма) частицы снижается удельная поверхность теплообмена и воз-
растает время ее прогрева до температуры разложения. Если
время образования горючей парогазовоздушной смеаи перед
фронтом пламени за счет разложения частичек твердого мате-
риала будет меньше времени существования фронта пламени
(отношение толщины фронта племени к скорости его распростра-
нения), то горение происходить пе будет. Так, пылевоздушная
смесь, состоящая из угольных пылинок размером 0,14-0,18мм,
пе способна к горению.
С позиции данной теории аэрозоль перед фронтом пламени
следует рассматривать как квазигомогенную систему с некоторой
эффективной теплоемкостью дисперсной фазы с3 . Если принять,
что лимитирующей стадией процесса горения является прогрев
и разложение твердых частичек до температуры их самовоспла-
194
меления Тс , то выражение для скорости распространения пла-
мени! можно записать в виде
СЭ (Тс -^о)
(8.10)
где q0 — интенсивность лучистого потока от фронта пламени,
кВт/м2.
Тодесом О. М. была обоснована справедливость этого утверж-
дения: при горении аэровзвеси, содержащей частички диаметром
0,1 4-1,0 мм, скорость распространения пламени подчиняется соот-
ношению
U = --------2----
СЭ (ТС То)
(8.11)
где а — постоянная Стефана-Больцмана;
Тэ— эффективная температура лучеиспускания (фронта
пламени), К.
Рассмотрим влияние условий горения на скорость распростра-
нения пламени по пылевоздушным смесям.
Влияние концентрации пыли. Как и в случае горения гомоген-
ной газовоздушной смеси, максимальная скорость распростране-
ния пламени имеет место для смесей несколько выше стехиомет-
рического состава. Из рис. 8.17 следует, что наибольшая скорость
наблюдается при содержании торфяной пыли в воздухе, равном
14-1,5 кг/м3.
Рис. 8.17. Зависимость
скорости распростране-
ния пламени по торфя-
ной пыли от ее концен-
трации в воздухе
1 — содержание кисло-
рода в воздухе, 21%;
2 — 19%; 3 — 18%
Влияние зольности. При уменьшении содержания летучих про-
дуктов в составе пыли (повышение зольности) происходит сниже-
ние скорости горения и даже его прекращение, так как концент-
13* 1|95
рация паровоздушной смеси перед фронтом пламени, образую-
щаяся в результате разложения твердой фазы, может стать ниже
нижнего предела ее воспламенения. В табл. 8.9 приведено влия-
ние зольности угля на скорость распространения пламени.
Таблица 8.9
Зольность, % Максимальная скорость распростра- нения пламени, м • с—1
5 1.5 30 40 13.0 1Ю,4 8,5 5,2
Из данных табл. 8.9 видно, что с повышением зольности иско-
паемого угля от 5 до 40% максимальная скорость распростране-
ния пламени снижается примерно в 2,5 раза.
Влияние содержания кислорода в окружающей среде. С умень-
шением содержания кислорода скорость распространения пламени
по пылевоздушным смесям снижается (рис. 8.17). При этом на-
блюдается характерная особенность: резкое снижение имеет ме-
сто при горении бедных и близких к стехиометрическим системам.
В области богатых систем скорость изменяется незначительно.
Так, из рис. 8.17 видно, что при снижении концентрации кисло-
рода с 21 до 18% максимальная скорость снизилась в 6 раз,
скорость распространения пламени по пылевоздушным смесям
с концентрацией дисперсной фазы, равной 13%, — лишь в 1,5
раза.
Вследствие такого характера изменения скорости распростра-
нения пламени предельные концентрации кислорода в воздухе
(минимальное содержание кислорода, при котором еще возможно
горение) для обогащенных аэрозолей ниже, чем для стехиометри-
ческих и бедных. В табл. 8.10 приведено влияние концентрации
торфяной пыли на предельное содержание кислорода в атмо-
сфере.
Таблица 8.10
Концентрация пыли, кг/м3 Предельное содержание кислорода, %
0,432 1.08 . 2,16 ' 12,95 18,0 17,2 16,7 16,0
При снижении содержания кислорода в воздухе ниже 16%
горение торфяной пыли становится невозможным. Другие виды
196
ПЫЛИ (мука, крахмал, сахар и т. д.) прекращают горение при
снижении концентрации кислорода до 12%.
Влияние флегматизаторов. При разбавлении пылсвоздушных
смесей флегматизатором или при введении химически активных
ингибиторов скорость распространения пламени снижается. Так,
при добавлении в аэрозольную систему полистирол-воздух от
1 до 1,5% тетрафторд1ибромэтана распространения пламени не
происходит.
Раздел IV
ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ И ПРЕКРАЩЕНИЕ
ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ
Глава 9
ПРЕДЕЛЬНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ГОРЕНИИ И ТЕПЛОВАЯ
ТЕОРИЯ ПОТУХАНИЯ ПЛАМЕНИ
§ 9.1. Предельные параметры процессов горения,
их роль и значение в обеспечении
пожарной безопасности
Целью данного курса является изучение феномена горения
для надежного его предотвращения, ограничения интенсивности
его развития и распространения, если оно все-таки возникло, и
прекращения процесса горения наиболее простыми и эффектив-
ными способами.
Поэтому особого внимания с этих позиций заслуживают пре-
дельные явления при горении, т. е. те условия и параметры, за
пределами которых процессы горения возникнуть или существо-
вать не могут. Таких условий много: прежде всего, это концент-
рационные пределы воспламенения и распространения пламени,
температурные пределы воспламенения горючих жидкостей и
твердых горючих материалов, производные от концентрационных
пределов воспламенения; пределы по давлению и критические
значения энергии поджигания; предельные скорости распростра-
нения процессов горения; предельные значения массовой скоро-
сти выгорания; предельные значения температур зоны горения и
многие др. Ниже предельных значений этих параметров процессы
горения существовать не могут. В одном случае — они просто
нс возникнут; в другом, если горение существовало — оно пре-
кратится.
Наибольший практический интерес для специалистов пожар-
ной охраны представляют те параметры и характеристики про-
198
цессов горения, которые доступны нашему воздействию и управ-
ляя которыми можно влиять на вероятность возникновения про-
цесса горения или его параметры, вплоть до его прекращения.
К их числу относятся прежде всего концентрационные пределы
воспламенения, скорости распространения горения, скорости выго-
рания и температурные пределы горения.
Рис. 9.1. Энергия зажигания как показатель концентрационных пре-
делов воспламенения углеводородо-воздушных смесей
Рис. 9.2. Критические энергии зажигания как показатель измене-
ния концентрационных пределов воспламенения пропана от дав-
ления смеси и состава атмосферы (концентрации кислорода в
смеси)
1 — 21% О..; 2 — 50% О2 3 — 100% О2
Концентрационные пределы в горении. Концентрационные пре-
делы воспламенения подробно рассмотрены в § 5.4. Вне этих пре-
делов горение невозможно. Численные значения концентрацион-
ных пределов воспламенения некоторых наиболее распространен-
но
ных веществ даны в табл. 22 приложения « на рис. 9.1, 9.2 и 9.3.
На границах этих пределов минимальные энергии, необходимые
для воспламенения смеси такого состава, так резко возрастают,
что оно становится практически невозможным. Применительно
к уже существующему пламени, если концентрационный состав
горючей смеси изменяется в процессе ее подачи (или поступле-
ния) в зону горения, это означает, что энергии, поступающей к
свежей горючей смеси от фронта пламени, станет недостаточно
Рис. 9.3. Концентрационные
пределы воспламенения диэти-
лового эфира при различных
энергиях зажигания и составе
атмосферы
1 — в воздушной среде; 2 —
азот воздуха заменен гелием
для поддержания непрерывного воспламенения новых порций
горючей смеси и процесс горения прекратится. Этот механизм
прекращения процесса горения на концентрационных пределах:
усугубляется еще тем, что по мере изменения концентрации горю-
чей смеси как в сторону бедных, так и в сторону богатых смесей
интенсивность процесса горения и соответственно температура
пламени в зоне протекания реакций горения будет постепенно
снижаться. Доля тепловых потерь от фронта пламени будет ра-
сти. Соответственно этому будет снижаться и интенсивность теп-
лового потока к свежей горючей смеси, поступающей от фронта
пламени, в то время, как для ее непрерывного воспламенения при
концентрациях, отличных от стехиометрической, требуется все
больше и больше энергии (так как энергия зажигания таких
смесей возрастает, см. рис. 9.14-9.3).
Концентрационные пределы распространения пламени по га-
зо- и паровоздушным смесям, как правило, совпадают с концен-
200
трационными пределами! их воспламенения. Вне этих пределов
пламя не распространяется, т. е. затухает. Более точные исследо-
вания последних лет показали, что в условиях земного тяготе-
ния, за счет влияния сил естественной конвекции на процессы
тепло- и массопередачи при горении, концентрационные пределы
распространения пламен могут несколько не совпадать с концент-
рационными пределами воспламенения газовых смесей, особенно
в сосудах и резервуарах больших объемов (газгольдерах, круп-
ных резервуарах, больших помещениях и пр.). В этом случае
концентрационные пределы распространения пламени зависят от
места расположения источника зажигания.
При воспламенении снизу и направлении распространения пла-
мени вверх концентрационные пределы распространения пламе-
ни совпадают с концентрационными пределами воспламенения.
При расположении источника зажигания в верхней части гоою-
чей смеси и распространении пламени сверху вниз концентраци-
онные пределы распространения пламени оказываются несколько
уже пределов воспламенения, т. е. существуют такие предельные
концентрации смеои, которые воспламеняются, по либо не рас-
пространяют пламени вообще от точки зажигания, либо распро-
страняют его только в горизонтальном направлении, после чего
пламя погасает, не распространяясь на нижележащие слои газо-
вой смеси.
Это объясняется тепловыми потерями от зоны горения, обус-
ловленными восходящими конвективными потоками, при которых
значительная часть тепла поступает не к свежей горючей смеси,
расположенной ниже зоны горения, а уносится с продуктами го-
рения вверх.
К концентрационным пределам воспламенения и распростра-
нения процессов горения можно отнести и предельные концентра-
ции нейтральных разбавителей (или инертных газов), добавляе-
мых в газовоздушные смеои для их флегмаиизации. Численные
значения предельных концентраций этих разбавителей также
зависят от вида горючего, режима горения, давления и других
обстоятельств. Примерные численные значения предельных объ-
емных концентраций нейтральных разбавителей располагаются в
следующей последовательности: 25—30% для углекислого газа,
30—35% для водяного пара, 35—40% для гелия и азота и
50—55% для аргона (см. рис. 5.17). При содержании в газовых
смесях концентраций нейтральных разбавителей больше указан-
ных ни воспламенение, ни горение таких смесей невозможно.
Известны концентрационные пределы диффузионного горения
по концентрации кислорода в окружающей атмосфере. Для боль-
шинства углеводородных горючих веществ предельной концентра-
цией по кислороду является величина порядка 10—15 объемных
процентов. Ниже этой концентрации кислорода процесс диффу-
зионного пламенного горения становится невозможным.
Предельные энергии и температуры зажигания. Критические
201
значения допустимых энергий электрической искры, безопасных
по воспламенению горючих газо- и паровоздушных смесей угле-
водородов порядка 0,1 мДж, а для водородовоздушных смесей
примерно в 10 раз меньше, ~ 0,01 мДж (рис. 9.4). Критические
(предельные) энергии зажигания зависят не только от вида горю-
чего и концентрационного состава смеси, но также от теплофизи-
ческих свойств горючих смесей, давления и других факторов. На
рис. 9.2 показано, что снижение давления горючей газовой смеаи
ведет к монотонному возрастанию критической энергии зажига-
ния, увеличивая ее в десятки раз (до ~ 5 мДж при давлении
0.2атм). А замена азота воздуха кислородом при всех давлениях
резко расширяет концентрационные границы воспламенения
(до 50% пропана) и в сотни раз понижает критическую энергию
зажигания (до 2'10~3 мДж), что резко повышает пожаро-
и взрывоопасность таких смесей. Из рис. 9.3 видно, что замена
азота воздуха сильно теплопроводным гелием повышает величину
критической энергии зажигания диэтилового эфира примерно
в 10 раз, т. е. до 2 мДж. При меньшей мощности внешнего источ-
ника зажигания, чем критическая энергия, для каждого конкрет-
ного вида, состава и состояния горючей смеаи воспламенения
горючих смесей не произойдет. Более подробно эти вопросы рас-
смотрены в § 5.1 и 5.2.
Рис. 9.4. Зависимость критических
энергий зажигания водородо-кис-
лородных смесей от концентрации
Предельные значения температур самовоспламенения горючих
газо- и паровоздушных смесей тоже зависят от вшда горючего,
давления и других факторов. Минимальная температура самовос-
пламенения углеводородов парафинового ряда — 200°С. Более
подробно этот вопрос рассмотрен в § 4.4, 4.5, 4.6. Температура
самовозгорания твердых горючих материалов в атмосфере воз-
духа еще больше зависит от условий тепло-, массо- и газообмена
в системе «горючее—окислитель». Она зависит от вида горючего
материала, его дисперсности, влажности, пористости, плотности
укладки, геометрических размеров системы, условий вентиляции
и пр. Знание критических параметров воспламенения и зажига-
ния горючих систем имеет огромное значение для обеспечения
пожаро- и взрывобезопаспости. /I
“ . ( 1 \(^р\
Пределы горения по давлению. Пределы воспламенения и горе-
ния по давлению также очень широки. Абсолютный предел по
воспламенению наиболее реакционноспособной водородно-кисло-
родной смеси стехиометрического состава, полученный экспери-
ментально, близок к 6654-920 11а, т. е. 0,01 атм. При меньшем дав-
лении воспламенение практически невозможно, так как необходи-
мые энергии зажигания возрастают в десятки тысяч раз. Боль-
шинство углеводородновоздушных смесей трудновоспламенпмы
уже при давлении в 0,1 атм (т. е. 9« 103Па), а интенсивность сво-
бодного диффузионного горения резко снижается (почти до пре-
делов самопроизвольного распространения) уже при давлении
0,5 атм.
Предельные скорости распространения горения. Большой инте-
рес с точки зрения динамики развития пожара представляют
пределы по скорости распространения процессов горения и массо-
вой скорости выгорания. При этом, если численные значения верх-
них пределов скорости распространения процессов горения не
очень определенны, то нижних пределов и массовой скорости вы-
горания для отдельных видов горючих систем известны доста-
точно точно. Верхних предельных значений скорости распростра-
нения пламени по газовоздушным смесям почти не существует.
Они изменяются от 0,4 до 2,5 м/с для нормальных ламинарных
пламен и в зависимости от газодинамического режима горения
могут достигать до 50—100 м/с. Затем они могут перейти в интен-
сивные турбулентные пламена, а далее, в длинных каналах, тру-
бах, или на местных турбулизаторах разгоняются до скоростей
звука, порядка 300—400 м/с, после чего переходят в режим дето-
национного горения, со скоростью в 2—3 км/с. Нижнее значение
скорости распространения пламени по газовоздушным смесям
ограничено более определенной величиной порядка 0,02ч-0,04 м/с.
Скорости распространения процессов горения по поверхности жид-
ких и твердых горючих материалов (температура которых значи-
тельно ниже температуры их воспламенения) еще меньше. Они
зависят от вида горючего материала, его состояния (дисперсно-
сти для ТГМ), внешних условий процесса горения (направления
распространения пламени для ТГМ) и других факторов. Нижнее
значение этой скорости может быть близко к пулю (случай не-
распространяющихся пламен), а верхнее ограничено величиной
от нескольких сантиметров в секунду до 10—15 м/с.
Массовые скорости выгорания твердых и жидких горючих
веществ также зависят от вида горючего и условий горения. Для
жидкостей верхний предел массовой скорости выгорания редко
бывает выше 0,05ч-0,1 кг/(м2-с), для твердых горючих материа-
лов он ограничен величиной 0,015ч-0,02 кт/(м2« с). Нижний пре-
дел массовой скорости выгорания практически одинаков и для
горючих жидкостей, и для твердых горючих материалов; его чис-
ленное значение примерно равно 0,003ч-0,005 кг/(м2-с). Это пре-
дельное значение массовой скорости выгорания неплохо коррели-
203
руется с предельным значением линейной скорости распростране-
ния пламени по газо- и паровоздушным смесям. Учитывая, что
для полного сгорания большинства видов твердых «и жидких ма-
териалов требуется примерно от 5 до Юм3 воздуха на килограмм
горючего, а на нижнем концентрационном пределе горения коэф-
фициент избытка воздуха а п~ 2, для массовой скорости выгора-
ния 0,005 кг/(м2-с) по формуле Д'пл ^рсд И; ав можно полу-
чить приближенное значение линейной скорости распространения
пламени ипл по газовоздушной смеси над поверхностью конден-
сированных горючих на нижнем пределе скорости выгорания. Под-
ставив численные значения величин, входящих в эту формулу,
получим: цПл~ 0,005-5-2 = 0,05м/с, что соответствует предель-
ной скорости распространения пламени по бедным газовоздушным
смесям — и£реД^ 4 см/с. При меньших скоростях выгорания и
распространения пламени процесс горения, как правило, стано-
вится невозможным и горение прекращается.
Пределы по теплоте сгорания. Другой предельный параметр
процессов горения, интенсивность тепловыделения. В § 1.1 указа-
ны предельные массовые теплоты сгорания, которые для самых
различных видов углеводородных горючих веществ и материалов
укладываются в интервал от 2,5ч-3 до 11,54-12 тысяч килокало-
рий на килограмм горючего или примерно от 10 до 50 тысяч кило-
джоулей на килограмм. По с точки зрения прекращения процес-
сов горения на пожаре больший интерес представляет нижнее
предельное значение теплового эффекта от сгорания кубометра
газовоздушной смеси любого вида горючего. Эта величина для
всех видов углеводородных горючих в смеси с воздухом численно
равна примерно 1830 килоджоулей на кубометр горючей смеси.
При меньшей теплоте сгорания самопроизвольное продолжение
процесса горения становится невозможным и горение прекраща-
ется. Это предельное значение минимальной теплоты сгорания
также неплохо коррелируется с минимальной величиной массовой
скорости выгорания жидких и твердых горючих веществ и мате-
риалов, при и^ред —0,005 кг/(м2-с). Для древесины влажностью
10% удельная теплота сгорания Qp ~ 15 600 кДж/кг, а для
керосина Qp —43 000 кДж/кг. Соответственно количество возду-
ха, необходимое для полного сгорания древесины V® =4,2м3/кг,
а для керосина V0B — 11,5м3/кг. Если учесть, что на нижнем кон-
центрационном пределе горения коэффициент избытка воздуха
для этих видов горючих а.в ~ 2, получим, при нижнем значении
массовой скорости выгорания удельное количество тепла на кубо-
метр горючей паро- и газовоздушной смеси для древесины
~ ~ I860 кДж/м3,
ув 7 4,2-2
V о
204
а для керосина
Л|1Ое, 43000
<?керрд~ — ~~ 1870 кДж/м3,
VBoaB Н,5 -2 '
т. е. то, что соответствует предельной теплоте сгорания газовоз-
душных смесей, фпрсд — 1830 кДж/м3. Именно поэтому при мень-
ших массовых скоростях выгорания, т. е. при меныпнх теплотах
сгорания, меныпих концентрациях горючего в смеси процесс го-
рения прекращается.
На этих примерах отчетливо видна взаимосвязь некоторых
основных предельных параметров процесса горения: массовой
скорости выгорания с линейной скоростью распространения пла-
мени по газовоздушным смесям, с предельной теплотой сгорания,
с концентрационными пределами горючих смесей и др. Кроме
того, по предельной теплоте сгорания можно рассчитать прибли-
зительное значение нижнего температурного предела процесса
горения.
Температурные пределы в горении. Теоретическое значение
температуры пламени составляет 2000ч-2500 К в зависимости от
вида горючего, состава горючей смеси и режима горения. При
горении в условиях пожара за счет потерь тепла на излучение
зоны горения и неполноты сгорания температура пламени редко
превышает 1700ч-1800 К. Температура зоны горения в условиях
пожара в значительной степени зависит от вида горючего мате-
риала, его агрегатного состояния и условий тепло- и массообмена.
Поэтому можно условно принять, что верхние температурные пре-
делы на пожаре лежат в интервале 1600ч-1800 К при горении го-
рючих газов, 1500ч-1600 К при горении горючих жидкостей и при-
мерно 1400ч-1500 К при горении твердых горючих материалов
(кроме горения порохов и металлов типа магния, когда темпера-
тура в зоне горения может быть и более 2500 К).
Наибольший интерес для специалистов пожарной охраны
с точки зрения прекращения процессов горения представляет ниж-
ний температурный предел. Ориентировочно (с точностью оцен-
ки доли тепловых потерь на излучение факела пламени па пре-
деле потухания) предельное значение температуры пламени при
потухании можно вычислить по теплоте сгорания. Как было ука-
зано выше, нижний предел теплоты сгорания большинства угле-
водородо-воздушных смесей QH~ 1830кДж/м3. С учетом тепло-
вых потерь на излучение (около 20% от выделившегося тепла),
на повышение температуры продуктов горения остается пример-
но 1460 кДж/м3. Учитывая, что из 1 м3 горючей смеси образуется
примерно 1 м3 продуктов горения, приведенного к нормальным
условиям (что достаточно справедливо для большинства углево-
дородных горючих), и что средняя теплоемкость продуктов горе-
ния в диапазоне температур от 100 до 1000°С примерно равна
205
1,45кДж/(м3*°С), пренебрегая начальной температурой горючей
смеси, получим:
У' Qnpeд — Л QnoT 1460 1000° С
П С~ vbn.cCpz 1.45 ~
или, с учетом начальной температуры горючей смеси ~ 27°С,
Т„. с~ 1300 К. Ниже этой температуры пламенное горение в боль-
шинстве случаев становится невозможным, пламя потухает и про-
цесс горения прекращается.
§ 9.2. Тепловая теория потухания
Из работ Я. Б. Зельдовича [10], развитых в дальнейшем
Д. Л. Франк-Каменецким [19], Л. А. Вулисом [6], В. И. Блиновым
[5] и другими советскими учеными, следует, что если температуру
среды в зоне протекания химических реакций горения снизить
до 1000°С любым способом, то процесс самопроизвольного горе-
ния станет невозможным и горение прекратится.
Добиться такого снижения температуры в зоне горения можно
различными способами, в том числе изменением соотношения
компонентов горючего и окислителя в ту или другую сторону
(доводя их до бедного или богатого концентрационного предела
горения); разбавлением зоны горения нейтральными газами; вве-
дением химически активных ингибиторов, снижающих скорость
химических реакций; снижением давления в зоне реакций горения
(если это возможно) и многими др. Во всех указанных способах
будет снижаться скорость протекания химических реакций окис-
ления, в результате чего уменьшится интенсивность тепловыде-
ления и, соответственно, понизится температура в зоне горения.
Возможны и принципиально иные способы снижения температуры
в зоне горения, основанные нс на уменьшении интенсивности про-
цессов тепловыделения в зоне горения, а на интенсификации про-
цессов теплоотвода из зоны горения. Повысить интенсивность
теплоотвода из зоны горения можно, увеличив либо излучатель-
ную способность компонентов в зоне горения, либо их теплопро-
водность, либо отнимая значительную часть тепла на эндотерми-
ческие процессы фазового превращения посторонних компонентов
в зоне протекания высокотемпературных реакций горения, либо
одновременным сочетанием и комбинацией некоторых из указан-
ных выше способов. Осуществления этих способов можно добить-
ся путем введения некоторых специальных ингредиентов в зону
протекания химических реакций горения. Например, тонкодис-
персных нейтральных термостойких порошков, металлизирован-
ных частиц, топкораспыленной воды и др. Схематическое изобра-
жение возможных механизмов прекращения процессов горения,
рассмотренных выше, показано на рис. 9.5.
206
207
> "Ж, I «* 1»1 > и, - — __
I 1РЕКРАЩЕННЕ ГОРЕНИЯ ЛЮБЫМ
СПОСОБОМ СВОДИТСЯ К СНИЖЕНИЮ
ТЕМПЕРАТУРЫ В ЗОНЕ РЕАКЦИИ ДО Тп
Этого МОЖНО ДОСТИГНУТЬ ДВУМЯ
Повышением интенсивности
ТЕПЛООТВОДА ОТ ЗОНЫ РЕАКЦИИ
Этого можно
достигнуть
Повышением коэффициен-
та ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ИЗ ЗОНЫ
РЕАКЦИИ
Снижением интенсивности
ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ В ЗОНЕ
РЕАКЦИИ
Рис. 9.5. Схема снижения температуры пламени до температуры потухания при
тушении пожаров
Изменением концентра-
ции РЕАГЕНТОВ 8 ЗОНЕ
РЕАКЦИИ СА и С
Химическим торможени-
ем СКОРОСТИ РЕАКцииС
ПОНИЖЕНИЕМ Ко И ПОВЫ-
ШЕНИЕМ Е
Снижением темпера гуры
ОКРУЖАЮЩЕГО ПРОСТРАН-
СТВА
Разбавлением смеси одним из ЕЕ КОМПОНЕНТОВ (ИЛИ ПРЕКРА- ЩЕНИЕМ ДОСТУПА ВТОРОГО КОМ- ПОНЕНТ А) Разбавлением смеси, введени- ем НЕЙТРАЛЬНЫХ {ИНЕРТНЫ^) РАЗбАБИТЕЛЕЙ (НГ) Снижением давления в зоне РЕАКЦИИ
Введением в зону реакции и в окружающее пространство КОМПОНЕНТОВ С ВЫСОКИМ ЗНА- ЧЕНИЕМ ТЕПЛОТЫ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ (Т. Е. ВЕЩЕСТВ, ИЗМЕНЯЮЩИХ СВОЕ АГРЕГАТ- НОЕ СОСТОЯНИЕ) Внезапным изъятием, физичес- ким отделением всех источ- ников ЗАЖИГАНИЯ ГОРЮЧЕЙ СМЕСИ (И ОТДЕЛЕНИЕМ ЕЕ 1 СТ ФРОНТА ПЛАМЕНИ)
На практике редко удается реализовать в чистом виде каком-
нибудь один из этих способов. Чаще всего ohih неизбежно прояв-
ляются совокупно, т. е. в комбинации, в сочетании тех, других hi
третьих механизмов одновременно.
Например, при введению в зону горения тонкораспыленной
воды одновременно происходит и отъем тепла на ее испарение
(что ведет к снижению температуры среды в зоне протеканюя
химических реакций горения) и разбавление реапирующих компо-
нентов: горючего и окислителя образовавшимися парами воды,
что снюжает скорость протеканюя химических реакций окисле-
ния, уменьшая тем самым интенсивность тепловыделения. Это
также ведет к снижению температуры зоны химических реакций
горения. Отъем тепла на повышение температуры паров воды
(со 100°С) до температуры среды в зоне горения (до — 1000'С)
ведет к дальнейшему отъему тепла юз зоны химических реакций
горения и понижению температуры пламени. Такое многосторон-
нее снижение температуры в зоне химических реакций горения,
в свою очередь, ведет к уменьшению скорости юх протекания,
т. е. к снижению интенсивности тепловыделения в зоне горения
и т. д., пока температура в зоне горения не достигнет предельно-
го критического значения — 1000°С и процесс горения прекратит-
ся. Поэтому условно эта температура называется температурой
потухания пламени. Это произойдет, если количество подаваемой
в зону горения воды будет соответствовать расчетному, а способ
ее подачи будет обеспечивать полное ее использование на реали-
зацию указанных выше процессов снижения температуры в зоне
горения до критического значения — температуры потухания
пламени.
Аналогично выглядит процесс тушения пламени и при подаче
в зону горения некоторых испаряющихся или разлагающихся
порошковых средств и во многих других случаях.
§ 9.3. Графическое изображение схемы реализации
тепловой теории потухания пламени
Графически равновесную температуру пламени в зоне горения
можно изобразить по аналогии с интерпретацией процессов са-
мовоспламенения (и вынужденного зажигания § 5.1) как точку на
оси абсцисс Тг , соответствующую точке пересечения Г кривых
интенсивности тепловыделения в зоне горения q\=f(T) и
интенсивности теплопотерь от зоны горения <?2 = f(T') (рис. 9.6).
Закон тепловыделения для элементарного объема AV в зоне
наиболее интенсивного кинетического режима протекания реакции
горения q} = f(T), как и при рассмотрении процессов воспламене-
ния, можно записать в виде функции скорости химической реак-
ции горения:
208
-Л т *лТ
Рис. 9.6. Графическая схема определения температуры
зоны горения при равенстве интенсивностей тепловыде-
ления и теплоотвода
Е
q1=f(T) = Q\Vw = QSVkoc^c^e *т •
(9.1)
В отличие от процессов воспламенения, когда можно прене-
бречь снижением скорости реакции w=f(T) за счет изменения
концентрации реагентов вследствие их выгорания, так как в том
случае степень выгорания мала, здесь необходимо учитывать этот
фактор. Поэтому функция q — f(Т) имеет точку перепиба и претер-
певает изменение именно в области сравнительно невысоких тем-
ператур, стремясь при температурах зоны реакции не к беско-
нечности, как следует из уравнения (9.1), а ассимптотически при-
ближаясь к максимальному, но конечному значению q = f(T)—>
—*<7тах(рис. 9.6). Закон изменения функции теплоотвода с эле-
ментарной площади поверхности фронта пламени А5пл в этой
зоне будет определяться суммой лучистых ^' = Л5гзГ4 и
конвективных q2" = a&S (Т— Го) теплопотерь: q2 = q/ -}-q.."=
= А5[ез (Т4 — То*) f-a (Г -То)1
Согласно принятому в теплопередаче методу замены а на
апр, приведенный коэффициент теплопередачи равен q2 = f(T)^
Д5яПр(Г — Го) . Проекция (рис. 9.6) точки Г пересечения кривых
<71 и q<i на ось абсцисс и будет соответствовать температуре про-
дуктов горения.
Известно, что температура продуктов горения равна:
7' _ 7' । У --Л QllOT
1 п. г — 1 о "1-Z-Z •
2 Vi 'Pi
14—4609
209
Если процесс горения возник по механизму самовоспламене-
ния, как показано на рис. 9.6, и системе до возникновения реак-
ций горения было сообщено извне некоторое количество тепла
для разогрева смеси до температуры То' — начала самовоспламе-
нения (точнее, саморазогрева), то температура продуктов горе-
ния будет выше примерно на величину начального разогрева
у _____ '/ Г Q ~ ДОпОТ
и будет соответствовать точке Гсв :ТП. г — Т га (рис. 9.6). Если
процесс горения возник при меньшей начальной температуре,
близкой к температуре окружающей среды То, по механизму вы-
нужденного зажигания, то температура продуктов горения в зоне
пламени будет несколько ниже ТГсв , примерно на величину
То'—То, т. с. она будет равна Л ~ Лсв (То'—Го), , соответст-
вующей точке пересечения Г кривых интенсивности тепловыделе-
ния q\ = f(T) и интенсивности теплоотвода ^2,==f(T), проходящей
левее q2=f(T), на величину — (То'—То).. При этом предпола-
гается, что закон тепловыделения q\=f(T) остался таким же, как
при самовоспламенении, а интенсивность теплоотвода =f (Т) воз-
росла. Эта точка равновесного, стационарного теплового режима
в зоне горения, которая соответствует динамическому равновесию
процессов тепловыделения и теплоотвода qx = f(T) = q2 =f(T).
Устойчивым процесс горения в этой точке является потому, что
тепловыделения q\ в этой точке равно сумме тсплопотерь q2, а
первые производные от них по температуре в этой точке не рав-
ны между собой, т. с. слева от точки Г тепловыделение интенсив-
нее теплоотвода q\(Т) >q2 (Т), а справа — теплоотвод интен-
сивнее тепловыделения qj{Т) >q^ (Т). Это означает, что если,
пе изменяя законов тепловыделения и теплоотвода при заданном
режиме горения каким-либо внешним воздействием, слегка изме-
нить температуру среды в этой точке, то произойдет следующее.
Если температуру поднять до Тг + ЛТ, сдвинув систему вправо
от точки Г, она самопроизвольно охладится и вернется в равно-
весное состояние в точку Г, так как справа теплоотвод выше теп-
ловыделения q2'(T)>qi(T) и температура системы будет пони-
жаться до равновесной точки, где q\ (Т) = q2'(T). Если теперь,
пытаясь прекратить процесс горения, слегка понизить температуру
в зоне горения, переведя систему из точки Г левее, до темпера-
туры Г г —ЛТ, то система вновь самопроизвольно вернется в
точку Г, к устойчивому режиму горения, так как слева от точки
Г интенсивность тепловыделения q\ (Т) >q2'(T) выше интенсивно-
сти теплоотвода q2 (Т) и система саморазогреется до прежнего
стабильного состояния в точке Г, где q} (Т) =q2'(T). Вот почему,
подав малое количество воды или другого огнетушащего средст-
ва, нельзя изменить закон тепловыделения q\=f(T) или теплоот-
210
вода q2=f(T), прекратить процесс горения, потушить мощное
пламя. Это объясняется тем, что при установившемся режиме
горения процесс горения обладает свойством стационарности, точ-
нее, динамической устойчивости к внешним воздействиям.
Рис. 9.7. Схема изменения температуры пламени при
повышении интенсивности теплоотвода
Далее попытаемся воздействовать па процесс горения более
активно, например, изменив закон теплоотвода q2—f{T) за счет
увеличения коэффициента теплопередачи ос от зоны горения. Гра-
фически это выразится в увеличении угла наклона кривой
q2,f=f(T) с до я2 (рис. 9.7). Теперь точка пересечения
Г1 кривых qi и q2" переместится левее точки Г (и соответствующая
ей температура пламени ТГ1 будет меньше прежней Т г : Т,. <ТГ,
но процесс горения при этой меньшей температуре будет по-преж-
нему устойчив (см. рис. 9.7). Предпримем второй шаг, введя
нейтральные разбавители, например, пары воды в зону горения,
снизим интенсивность тепловыделения в зоне горения
до значения q{'(Г) <qi(T) (рис. 9.8). Допустим, что это
произойдет только за счет снижения скорости химических реак-
ции горения w = f(T, С\, с2) вследствие того, что концентрация
горючего С/ и окислителя С2 стали ниже, чем были С\ и С2,
за счет разбавления среды нейтральным газом. Соответственно
этому снизится и интенсивность тепловыделения с q\ = f(T) до
Теперь равновесный режим горения переместится еще левее
в точку пересечения кривых q/=f(T) и q2"=f(T), кото-
рую обозначим Г2. Эта точка Г2 лежит левее точки Г и Г\. Поэто-
му соответствующая ей равновесная температура Т1о будет мень-
14* ’ 211
ine Тги ТГ1 , т. е. Trg <ТГ1 <ТГ. Но и этот режим горения еще
обладает свойством устойчивости, так как левее точки Г2q{'(Г)>
>q2"(T), а правее — наоборот, q2" (T)>qx'(Т). Поэтому при
слабом охлаждении зоны горения до ТГ* — ЬТ система вновь
разогреется до равновесного состояния q/(T) = q2"(T), а при
слабом перегреве — до Т^+ДТ, вновь охладится до qi'(T) =
= q2"(T) в точке 7Г, , т. е. вернется в свое исходное стабиль-
ное состояние и горение не прекратится.
Рис. 9.8. Схема изменения температуры пламени при
снижении интенсивности тепловыделения в зоне
горения
Строго говоря, при каждом изменении температуры в зоне
реакции горения путем внешнего воздействия, например, за счет
повышения интенсивности теплоотвода, следует учитывать и со-
ответствующее изменение, точнее, понижение интенсивности тепло-
выделения в результате снижения температуры в зоне химиче-
ских реакций, но для упрощения схемы этого сложного явления
нестационарный процесс потухания пламени в результате внеш-
него воздействия условно заменен квазтстационарным, ступенча-
тым процессом: поочередного повышения интенсивности теплоот-
вода и снижения интенсивности тепловыделения. На самом деле
интенсивности обоих этих процессов меняются одновременно.
Анализ механизма теплового потухания пламени, приведенный
в работах [6, 9], предусматривает одновременное с изменением
температуры в зоне горения изменение скорости выгорания ком-
понентов горючей смеси, объема зоны реакций горения и соответ-
ственно скорости тепловыделения и интенсивности теплоотвода.
212
Решение этой динамической нестационарной задачи графиче-
ски изображают как геометрическое место точек пересечения кри-
вых массовой скорости выгорания и теплового баланса. Для про-
стоты изложения (графического изображения и аналитического
описания) в данном разделе этот процесс условно заменен толь-
ко балансом тепла в зоне реакции.
Таким образом, нестационарная задача потухания пламени
сведена к квазмстационарному процессу изменения температуры
в зоне реакции от стационарной (равновесной) температуры пла-
мени к нестационарной температуре потухания.
Допустим, что условие стационарности процесса горения все
еще сохраняется, т. е. что в точке Г2 еще выполняется условие
равенства q/(T) r = q2r'(T)r , а производные /—I 4 №£-) >
2 У dT /г* dT 'г2
т. е. опять левее точки Г2 при температуре ТГд —ДГ, qx'(T)>
>q2"(T), а правее точки Г2 при температуре Т,, + ДГ, наобо-
рот, qi'(T) <q2"(T). Значит, если горящую систему вывести из
состояния равновесия методом малых возмущений, горение не
прекратится.
Однако из приведенного анализа очевидно, что любым из
рассмотренных трех способов снижения температуры в зоне горе-
ния, а тем более применяя совокупность двух пли всех трех спо-
собов одновременно, можно так изменить соотношение интенсив-
ностей тепловыделения qv = f(T} и теплоотвода q2 = f(T), чтобы
в точке их пересечения были равны не только значения самих
функций qi(T) =q2(T), но и их первых производных по темпе-
AtyiA fdqA
ратуре, т. е. чтобы в этой точке ~ ~ •
\al / \ai ]
Графически это означает, что кривая q2 = f(T) должна запять
крайнее левое положение по отношению к qi=f(T), чтобы иметь
с ней в области высоких температур (выше точки перегиба В
на кривой qx =f(T), являющейся точкой воспламенения) только
одну общую точку — точку касания П (рис. 9.9). Это означает,
что в точке // при температуре Т п интенсивность тепловыделения
в зоне горения q/=f(T) тп равна интенсивности теплоотвода
=[(Т)тп , а также что их первые производные по темпе-
гт v /dq,'\ /dc2"'\n
ратуре в точке // также равны между собой: | — I = ,
V dT /тп \ dT /тп
так как кривая является касательной к кривой qx' = f(T)
в точке П. Заметим при этом, что температура Ти , соответствую-
щая точке //, есть наименьшая из рассмотренных выше стабиль-
ных температур Т п < Тп< Тп < Тг. Этого можно добиться, на-
пример, введением в зону горения большего количества воды, чем
вводили в случаях при снижении температуры до 7’п и 7га.
Испарившаяся в зоне горения вода снизит температуру горения
до Tri , повысив теплоотвод из зоны горения за счет увеличения
213
).см и Есм ; пары воды, разбавив реагенты в зоне горения С/ и Сг\
одновременно снизят интенсивность тепловыделения q}=f (Г) до
ql' = f(T>) за счет уменьшения скорости реакции w = f(T, с/ис2).
Это обстоятельство, в свою очередь, снизит темпе-
ратуру до Гг2 . Вода, испарившаяся вокруг зоны горения, снизит
температуру окружающей среды с Го до Та", что повысит интен-
сивность теплоотвода от зоны горения с q2 — f(.T) доq2" —f(Т)
за счет роста интенсивности и конвективного и лучистого тепло-
отвода от пламени. Графически это выразится как параллельный
перенос кривой q2" = f(T) левее кривой Qz'—fU) • Допу-
стим при этом, что кривые займут такое расположение, какое
показано на рис. 9.9, т. е. когда Q2'"=f(Tl стала касательной
к кривой q/ = f(T) в точке 77, следовательно, выполняются усло-
вия равенства интенсивностей тепловыделения и теплоотвода в
этой точке (при температуре Тп ) и их первых производных по
температуре.
Заметим при этом, что в точке П положение горючей систе-
мы впервые стало неустойчивым, как и в точке С, при темпера-
туре самовоспламенения Тс (рис. 9.7). В том случае — случае
самовоспламенения — также выполнялось в точке С касания кри-
214
вых производных по температуре
вых q\=f(T) и q2=f(T) условие равенства интенсивно-
стей тепловыделения и теплоотвода q\(Tс) =q2(Tc) и их пер-
dqi \ / dq2\
dT )тс ~ I dT /тс ’ Но
отличие нового состояния системы в точке потухания 17 от состоя-
ния системы в точке самовоспламенения С состоит в том, что
при самовоспламенении вто-рая производная от интенсивности
тепловыделения по температуре положительна, т. е.
'^/1 \
, dT- /тс
а в точке потухания она отрицательна, т. е. < 0.
При самовоспламенении система находится на «разгоне» ско-
рости химических реакций горения (и соответственно интенсивно-
сти тепловыделения) и интенсивность тепловыделения с ростом
температуры прогрессирующе возрастает (кривая q{=f(Tc) вогну-
тая), а при потухании запасы потенциальной химической энергии
горючей смеси во фронте пламени практически исчерпаны и, хотя
с ростом температуры интенсивность тепловыделения еще слегка
возрастает | 0 » темп прироста этой интенсивности по
. dl' •
температуре снижается:
, d1qT \
dT-,'тп
(кривая ^х'=/(Г)тп вы-
о
пуклая).
Действительно, проанализируем состояние и «поведение» си-
стемы в точке П при температуре потухания пламени Тп мето-
дом малых возмущений.
Если внешним воздействием температуру системы несколько
повысить выше равновесной Тп на величину ДТ, т. е. до значе-
ния Т=ТП -i-ST, то система вновь самопроизвольно охладится до
температуры Т„ и вернется в точку 77, так как правее этой точ-
ки, куда перевели систему, тепловыделение ^/ = /(7’) меньше теп-
лоотвода q2"=f{T), т. е. система относительно устойчива.
Если теперь столь же малым внешним воздействием понизить
температуру системы на величину ДТ до температуры Т=ТП—ST
ei перевести ее чуть левее точки 77, то система мгновенно само-
произвольно начнет охлаждаться дальше, так как слева от точки
77 интенсивность теплоотвода, как и справа, больше интенсивно-
сти тепловыделения, т. е. q2" — i(T)>q/ =[(Т). Поэтому левее
точки 77 температура системы будет продолжать прогрессирующе
снижаться, пока не дойдет до второй равновесной температуры
Та , где реакции окисления практически не идут.
Таким образом, доказано, что при малейшем смещении от
точки 17 влево, что соответствует снижению температуры систе-
мы ниже Т п, процесс горения становится невозможным и пламя
потухает.
Из графика на рис. 9.9 видно, что температура потухания ки-
215
нетического пламени Тп на оси абсцисс лежит правее точки Тс ,
соответствующей температуре самовоспламенения горючей смеси
данного состава, т. е. численное значение температуры потухания
пламени оказывается выше температуры самовоспламенения. Это
парадоксальное явление называется в теории процессов горения
гистерезисом температурной кривой потухания пламени.
Аналитический расчет численного значения температур поту-
хания для различных режимов горения сопряжен с определенны-
ми трудностями вычисления параметров процессов горения в око-
лопредельных состояниях и поэтому носит ориентировочный ха-
рактер. Так, максимально возможная величина снижения темпе-
ратуры кинетического пламени по сравнению с расчетным значе-
нием адиабатической температуры пламени данного состава го-
рючей смеси равна:
т — т л R-Tл±-
Е
где Тпл — минимально возможная температура кинетического
пламени предварительно перемешанных углеводоро-
довоздушных смесей.
Подстановка численных значений входящих величин Т ал ~
~2400 К./? = 8,36 Дж/(моль-К). Е^80 кДж/моль даст значение пре-
дельной адиабатической температуры кинетического пламени
(т. с., по существу, адиабатической температуры потухания кине-
тического пламени углеводородо-воздушных смесей) порядка
1800 К. Для случая диффузионного горения предварительно непе-
ремешанных газовых систем максимально возможное понижение
температуры диффузионного пламени, отвечающее условиям по-
гасания, записывается в виде
7’ г т- 3/?Т0“
' О 7 кр ~ ,
Е
где Tq — температура зоны реакции без учета теплопотерь;
Ткр — температура потухания диффузионного пламени.
Подстановка численных значений величин, входящих в это
выражение, дает более низкие значения температур потухания
диффузионных пламен (даже ниже температур самовоспламене-
ния горючих смесей такого состава компонентов). Очевидно, что-
это выражение верно только ио порядку величин, указывающих
на снижение температур пламени в околопредельном состоянии
R Т*
на величину характеристического интервала температур --.
Е
Для расчета численных значений температур потухания вос-
пользуемся обработкой экспериментальных данных работы [17]
по исследованию зависимости скорости распространения кинети-
ческого пропано-воздушного пламени на плоской горелке в зави-
216
симости от количества тепла, отводимого от фронта плоского
пламени.
Рис. 9.10. Зависимость нор-
мальной скорости распро-
странения пламени и концен-
трационных пределов горе-
ния от количества отводи-
мого тепла
В экспериментах тепло отводилось почти непосредственно от
пламени пропано-воздушной смеси без введения в зону горения
посторонних ингредиентов (т. е. за счет интенсивности водяного
охлаждения металлического корпуса газовой горелки плоского
пламени). Теплота сгорания пропана принята равной 232-1О2
ккал/м3. Предельная скорость распространения пламени v
= 5см/с на бедном и богатом концентрационных пределах полу-
чилась при отъеме от зоны горения 4000 ккал/м3 пропана
(рис. 9.10). Построенный по этим данным график зависимости
нормальной скорости распространения пламени от количества
тепла, отведенного из зоны горения, показан на рис. 9.11. Из гра-
фика (рис. 9.11) видно, что критическое значение нормальной
скорости распространения пламени порядка 4 см/с наступает
после отъема от зоны горения AQo™ —4500 ккал/м3 пропана, что
соответствует снижению теплоты сгорания горючей смеси стехио-
метрического состава приблизительно на 20%, откуда адиабати-
217
ческая температура потухания кинетического пламени получается
около 2000 К, что даже несколько больше указанного ранее зна-
чения адиабатической температуры потухания кинетического пла-
мени (Т^л — 1800 К).
Рис. 9.11. Зависи-
мость нормальной
скорости распро-
странения пламе-
ни от количества
отводимого тепла
от фронта пламени
Если предположить, что доля тепловых потерь от фронта пла-
мени (на излучение и другие виды потерь) на пределе потухания
составляет величину порядка 40%, то, подставляя в уравнение
для температуры продуктов горения численное значение их
средней теплоемкое™ в диапазоне температур от 100°С до 1000°С
1,41 кДж/м3, получим численное значение температуры потухания
Тп —1230°С (т. е. 1500 К). Если учесть, что на пределе потуха-
ния доля тепловых потерь возрастает из-за снижения скорости
сгорания и роста толщины фронта пламени, то эта температура
окажется еще ниже, порядка 1000—1100°С.
Знание численного значения температуры потухания, которую
можно условно принять примерно одинаковой для всех углево-
дородо-воздушных пламен, позволяет путем несложных термоди-
намических расчетов вычислить требуемый удельный или (зная
секундный расход горючего вещества) секундный расход огнету-
шащих средств, действующих по механизму охлаждения зоны
горения. Так, например, для тушения пожара на газовом фонтане
природного газа (>90% метана СН4) требуется удельный рас-
ход воды порядка 1 л воды на кубометр дебита горючего газа.
Это расчетное значение удельного расхода воды при полном ис-
пользовании всей поданной в зону горения воды в процессе ту-
шения в 3-?-4 раза меньше рекомендуемых, нормативных удель-
ных расходов. Из этого сравнения видно, как велик запас повы-
шения эффективности приемов и способов тушения реальных по-
жаров за счет совершенствования способов подачи огпетушащих
218
средств в зону горения на основе знания механизма процессов
тушения и теоретически необходимых удельных расходов огнету-
шащих средств на процесс тушения.
Глава 10
СПОСОБЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПРОЦЕССОВ
ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И ПРЕКРАЩЕНИЯ ГОРЕНИЯ
§ 10.1. Способы предотвращения воспламенения пожароопасных
веществ и материалов и локализации пожаров,
основанные на использовании предельных параметров горения
Наиболее эффективным и надежным способом борьбы с по-
жарами являются меры профилактики, основанные на использо-
вании знаний о предельных параметрах процессов воспламенения,
так как всякий пожар начинается с воспламенения, самовозгора-
ния или вынужденного воспламенения — зажигания горючей
системы от постороннего источника.
Одним из основных способов профилактики пожаров в техно-
логических процессах производств, а также при хранении и транс-
портировке горючих газов, ЛВЖ и ГЖ является обеспечение
определенного концентрационного состава газовых или парогазо-
вых смесей: ниже нижнего концентрационного предела воспламе-
нения (или выше верхнего концентрационного предела воспламе-
нения для закрытых систем, аппаратов, трубопроводов и резервуа-
ров. Эта мера профилактики основана на поддержании безопас-
ной концентрации окислителя в указанных системах: ниже ниж-
него концентрационного предела воспламенения, по концентрации
окислителя). Обеспечение пожаро- и взрывобезопасности на осно-
ве концентрационных пределов воспламенения достигается либо
определением и соблюдением температурных регламентов каждого
конкретного вида производства, хранения и транспортировки го-
рючих веществ и материалов (ограничениями по НТПВ и ВТПВ),
либо обеспечением заданных условий по давлению и расходам
горючих компонентов в системах и аппаратах или по интенсивно-
сти вентиляции.
В тех случаях, когда выполнение этих условий оказывается
невозможным, прибегают к методу обеспечения пожаро- и взры-
вобезопасности за счет поддержания требуемой концентрации
нейтральных газов или химически активных ингибиторов. Их кон-
центрация должна постоянно быть выше предельного значения,
исключающего возможность возникновения процессов горения.
К таким же способам прибегают иногда при профилактике по-
жаров и взрывов на объектах, связанных с опасностью воспламе-
нения и взрыва аэродисперсных газожидкостных и пылевоздуш-
ных смесей.
219
Другим, не менее широко применяемым в профилактике по-
жаров способом обеспечения пожаро- и взрывобезопасности
объектов и технолопнчесюих процессов производств является огра-
ничение потенциальных источников инициирования процессов
горения (по мощности электрических разрядов и т. п.). Для этого
используются данные по критическим энергиям зажигания, тем-
пературам самовоспламенения и вынужденного зажигания горю-
чих систем. Как следует из приведенных выше данных, эти ве-
личины так же, как и концентрационные пределы воспламенения,
зависят от вида и состояния горючего, состава смеси, ее кон-
центрации, давления, температуры и многих других физических
условий возникновения процесса горения. В зависимости от этих
условий численные значения предельно допустимых температур,
потенциально опасных источников зажигания или мощностей
электрических источников инициирования процессов горения
колеблются в широких пределах, изменяясь в 5—10 и более раз.
Эти обстоятельства также должны учитываться при разработке
регламентов по обеспечению пожаро- и взрывобезопасности тех-
нологических процессов производств, систем отопления и венти-
ляции, электроустановок и в других областях профилактики по-
жаров. В частности, при производстве электросиловых агрегатов
(двигателей вентиляторов, электроприводов, осветительных и
нагревательных устройств и т. п.) во взрывобезопасном исполне-
нии, презназначенных для применения в пожаро- и взрывоопас-
ных средах, также широко используют предельные параметры
процессов горения. В том числе такое понятие, как «критический
размер гасящей щели», основанный на существовании предельно
малых геометрических размеров зазоров, отверстий и каналов,
через которые не способны распространяться процессы горения.
Механизм гашения пламени в узких каналах огнепреградите-
лей также основан на тепловой теории гашения пламени за
счет интенсивного теплоотвода от зоны горения.
При прохождении пламени через узкие щели, каналы фронт
пламени разбивается на множество мелких ячеек, от котовых
интенсивно отводится тепло в стенки материалов огнепрегради-
теля.
Закон теплообмена между газом и стенкой при течении газа
вдоль твердой поверхности описывается уравнением теплопереда-
чи Ньютона, согласно которому тепловой поток пропорционален
разности температур газа и стенки:
г/=а(7'1-72) , (10.1)
где а — коэффициент теплопередачи.
Учитывая, что в узком канале огнепреградителя режим тече-
ния газа будет ламинарным, тепловой поток от газа к стенке
220
можно выразить через теплопроводность газа, подставив вместо
него приближенное значение:
8Х
а -----
d
где Z — коэффициент теплопроводности газа;
d — диаметр канала.
Предполагая, что тепло отводится от элементарной цилиндри-
ческой ячейки фронта пламена! площадью , из
4
элементарного объема фронта пламени Vo = “d— 6, где
4
б — толщина фронта пламени, через боковую цилиндрическую
поверхность контакта со стенками капилляра ,
интенсивность теплоотвода \q от этого элементарного объема
фронта пламени можно выразить так:
Д? = »(Т'ш-7-ст)^=^.^(Гпл-7-0) = ^(Г„л-7'0) . (10.2)
г 0 d tz и о (Р
Так как Т пл То , то формула (10.2) примет следующий
вид
32аТпл
dl
(10.3)
откуда критическое значение гасящего диаметра канала огнепре-
градителя можно выразить через критическое количество тепла,
которое следует отвести от пламени для его погасания А^кр,
температуру пламени Тпл и теплопроводность горючей смеси лсм
при температуре пламени:
ПЛ
А 9кр
(Ю.4)
Если процесс теплообмена горючей смеси со стенкой газового
канала огнепрсградитсля выразить через критерий Пекле
Рс
v d
а
где v — характеристический параметр скорости;
d — диаметр канала;
а — коэффициент температуропроводности горючей смеси,
221
а затем эти параметры и критическое количество отводимого теп-
ла Дг/кр выразить через физические параметры горючей смеси:
wH — нормальную скорость распространения пламени, с.. и
'см
)См — теплоемкость и теплопроводность горючей смеси при
температуре пламени Т пя , то формула (10.4) примет следующий
вид
d«P =---:’е'—”— (10.5)
UH ‘°см
или, выразив рсм через давление и температуру:
Ар = Ре>рХсмЙГпл . (Ю.6)
Ии СРсм ^см
Аналитические расчеты и экспериментальные данные пока-
зали, что численные значения Рекр для большинства углеводо-
родо-воздушных смесей находятся в пределах 404-100.
Средняя величина критерия Пекле примерно 604-70. Тогда ве-
личина критического диаметра каналов огнепреградителя может
быть рассчитана по формуле
rfKt,= —-А'-Г"1>см . (10.7)
WII срсм ?см
Так, критический диаметр газовых каналов огиепреградите-
лей для медленно горящих углеводородных горючих типа мета-
на (т. е. с и„ —40см/с) составляет величину порядка dKp « 1 мм.
Из формулы (10.7) видно, что критический диаметр гасящего
канала зависит от давления, скорости распространения пламени,
т. е. от концентрации горючей смеси, вида горючего состава,
атмосферы и др. Как и для многих других предельных пара мет-
ров процесса горения, численное значение критического гасящего
диаметра пламени изменяется в зависимости от параметров горю-
чей смеси в широком диапазоне значений — в 504-100 и более
раз. Для кислородных смесей углеводородных горючих числен-
ное значение rfKp уменьшается в десятки раз, до 0,1 -е- 0,2 мм,
а для таких быстрогорящих смесей, как водородо-кислородные и
ацетилен-кислородные смеси состава, близкого к стехиометриче-
скому, эта величина еще меньше, порядка dKp «0,04 мм. Для
многих горючих и взрывоопасных смесей численные значения
критического диаметра гашения пламен, в зависимости от пара-
метров горючей смеси, приведены в таблицах.
Если по условиям производства, а также с учетом возможных
отказов, поломок, аварий и нарушений технологического процесса
222
не удается полностью исключить вероятность возникновения по-
жара, то для обеспечения требуемого уровня пожаро- и взрыво-
безопасности таких объектов применяют конструктивно-техноло-
гические меры защиты, также основанные на использовании пре-
дельных явлений при горении. К ним относятся огнепреградители,
быстродействующие пламеотсекатели, разгрузочные взрывные
клапаны, мембраны, люки, легкосбрасываемые конструкции и
другие, предназначенные для ограничения распространения или
локализации зоны горения.
Расчет и конструирование этих предохранительных систем
также основан на понятии предельных параметров в горении:
на численном значении гасящего размера в огнепреградителях;
на предельных значениях скорости распространения пламени и
давления взрыва при проектировании пламеотсекателей и раз-
герметизирующих устройств; на предельных параметрах динами-
ки взрывного горения при проектировании взрывозащитных
устройств и автоматических систем взрывоподавления и т. п.
Наконец, многочисленные приемы и способы локализации
пожаров, применяемые в профилактике пожаров в строительном
деле, расчет огнестойкости конструкций при проектировании
объектов и сооружений, расчет допустимого времени эвакуации
и противопожарных разрывов и другие также основаны на ис-
пользовании предельных параметров при горении: скоростей рас-
пространения процессов горения, температур пламени, теплоты
сгорания и т. д. Широко используются данные предельных пара-
метров горения при разработке и проектировании автоматических
систем сигнализации и средств локализации иожаров. Например,
существует широкий класс датчиков и целых систем сигнализа-
ции, основанных на репистрации пожаро- и взрывоопасных кон-
центраций горючих газов или паров горючих жидкостей. Они
предназначены для обеспечения пожаро- и взрывобезопасности
объектов и технологических процессов, связанных с использова-
нием наиболее опасных в пожарном отношении горючих веществ
и материалов и могут рассматриваться и как предупредительные,
профилактические системы, извещающие о возникновении опас-
ности, и как сигнальные устройства для включения (или отклю-
чения) определенных систем (отключения систем подачи горю-
чих компонентов; отключения энергоснабжения; включения при-
нудительной аварийной вентиляции, а па особо пожаро- и взры-
воопасных объектах даже включения установок для подачи огие-
тушащих средств). Очевидно, что от точности установленных
предельных значений концентрации горючего (или окислителя)
в значительной степени зависит надежность и эффективность та-
ких систем в целом.
На использовании предельных параметров процессов горения
основаны практически все приемы и способы прекращения про-
цессов горения при тушении пожаров.
223
§ 10.2. Способы прекращения процессов горения
с помощью различных огнетушащих средств
Простейшим способом тушения пожара на газопроводе или
любом другом трубопроводе с горючим газом шли жидкостью
является снижение интенсивности или полное прекращение по-
ступления горючих веществ в зону пожара путем закрытия за-
порного вентиля, задвижки или другого устройства, если это воз-
можно. В этом случае гореыие прекратится в связи со снижени-
ем концентрации горючего в зоне горения в тот момент, когда
концентрация достигнет значений НКПВ.
Если прекратить или даже снизить интенсивность поступле-
ния горючего в зону горения одними техническими (запорными)
средствами невозможно, то ликвидировать процесс горения можно
путем снижения концентраций за счет интенсификации подачи
воздуха в зону горения. При определенных условиях, если интен-
сивность подачи воздуха невелика, это можег привести, наобо-
рот, к интенсификации процесса горения за счет улучшения усло-
вий смешения горючего с окислителем в зоне горения, но при до-
статочной интенсивности пожар может быть потушен. При этом
прекращение процесса горения произойдет либо за счет разбав-
ления зоны горения воздухом (когда расход горючего вещества
сравнительно невелик), либо за счет аэродинамического срыва
пламени. В первом случае горение прекратится, когда Сг достиг-
нет значений НКПВ, во втором случае, когда скорость газовоз-
душной смеси в зоне горения станет выше предельного значения
скорости распространения турбулентного пламени для данного
вида горючей смеси, т. е. когда т'см > т^урб
На этом механизме прекращения горения основаны рекомен-
дации такого способа тушения пожаров на самолете, как пере-
вод режима полета в пикирование. В этом случае за счет раз-
бавления зоны горения воздухом и аэродинамического срыва
пламени пожар может быть потушен, если он возник на внеш-
них. обдуваемых поверхностях элементов конструкции самолета.
Пожар также может быть потушен на самолете, стоящем в аэро-
порту, если подавать мощные струи воздуха из сопла реактив-
ного двигателя (и хотя практическая полезность этих рекоменда-
ций сомнительна, в инструкциях по тушению пожаров на само-
летах такие способы предусмотрены).
Несколько сложнее механизм прекращения процессов горения
при тушении пожаров с применением различных огпетушащих
составов, но и они, как правило, реализуются всегда путем пре-
вышения предельных значений.
При введении в зону горения нейтральных разбавителей про
цесс горения прекратится либо после достижения концентрации
нейтрального газа выше предельной, либо скорость распростра-
нения пламени при данной концентрации нейтрального газа ста-
нет ниже аэродинамической скорости движения горючей смеси в
224
зоне горения. При введении в зону горения химически активных
ингибиторов снижается скорость протекания химических реакций
в зоне горения. При этом соответственно снижается скорость рас-
пространения пламени, интенсивность тепловыделения, темпера-
тура пламени и тушение произойдет также только после достиже-
ния одного из предельных параметров процесса горения
(Фвыд < Q пред 'ИЛИ Тпл < Т кр И Т. Д.).
При тушении реальных пожаров еще большая совокупность
факторов влияет на процесс прекращения горения, когда для
их тушения применяются такие сложные по механизму своего
огнетушащего действия средства, как вода, водные растворы за-
густителей и смачивателей, воздушно-механическая или химиче-
ская пена, огнетушащие порошки и др.
В этих случаях количество действующих механизмов сниже-
ния интенсивности процесса горения вплоть до его полного пре-
кращения возрастает до 8-^10. И подчас бывает трудно устано-
вить, какой из них является главным, доминирующим (эти во-
просы более подробно рассматриваются в специальном курсе
«Физико-химические основы развития и тушения пожаров»).
Тем не менее все огнетушащие средства, применяемые для туше-
ния пожаров, условно делятся на несколько характерных видов
по доминирующему (главному) механизму их воздействия на
процессы горения. Так, например, вода и многие огнетушащие
составы на ее основе относятся к категории охлаждающих, т. е.
действующих по механизму охлаждения.
Все виды пен, применяемые в практике пожаротушения, ус-
ловно относятся к категории изолирующих огнетушащих средств,
т. с. действующих по механизму изоляции горючего вещества
от зоны горения.
Нейтральные газы условно называются разбавляющими огне-
тушащими средствами, т. е. действующими по механизму раз-
бавления компонентов горючей смеси в зоне реакций горения,
а химически активные ингибиторы называются веществами, тор-
мозящими скорость химических реакций в зоне горения, и т. д.
Во всех случаях прекращение процессов горения (т. е. туше-
ния пожара) наступит в тот момент, когда во всей зоне горения
будут созданы такие физические (или химические) условия, при
которых параметры процесса горения (скорость распространения
пламени ( г'лп < ^пред ), либо предельная теплота сгорания
(ф<(?Пред ), либо температура в зоне реакции горючего с окис-
лителем снизятся ниже температуры потухания (7'пл <Ткр),
достигнут предельного, критического значения.
15—4609
225
§ 10.3. Количественные закономерности прекращения
процессов горения при тушении некоторых
пожаров охлаждающими огнетушащими средствами
Строгое, т. е. достаточно полное аналитическое описание ко-
личественных закономерностей процессов горения и их прекраще-
ния различными огнетушащими средствами в условиях реально-
го пожара, — задача чрезвычайно сложная, так как многофак-
торны сами эти явления. Тем не менее, попытки хотя бы прибли-
женного их описания предпринимаются постоянно, так как одной
из прикладных задач изучения механизма диффузионного и диф-
фузионно-кинетического режимов дефлаграционного горения угле-
водородов в воздухе, которое чаще всего встречается на пожарах,
является установление закономерностей прекращения этих слож-
ных физико-химических процессов. Это тем более оправдано
тем, что доминирующую роль в них, как правило, играет не сама
химическая кинетика высокотемпературного окисления углеводо-
родов (основной закон процессов горения), а внешние термоди-
намические и газодинамические условия их протекания, которые
в свою очередь влияют на химическую кинетику. Раскрытие
этих взаимосвязей позволяет изыскивать оптимальные, наиболее
эффективные приемы и способы прекращения непроизвольного
горения, рекомендовать научно обоснованные методы тушения
пожаров и разрабатывать новые, более эффективные огнетуша-
щне средства и способы их применения. Приведенное выше
(в § 10.1) определение физической сущности процесса тушения
можно сформулировать так:
«Для того чтобы потушить пожар, необходимо создать в зоне
горения такие физико-химические условия, при которых самопро-
извольное горение данного вида горючего материала в рассмат-
риваемый момент времени станет невозможным ни в какой фор-
ме». Эпи условия зависят от вида горючего, его агрегатного со-
стояния и режима горения, который определяется условиями
тепло- и массообмена в зоне горения.
В случае диффузионного горения газов в смеси с воздухом,
способных только к гомогенному пламенному горению, прекра-
щение его может быть осуществлено либо прекращением досту-
па горючего или окислителя в зону горения, либо охлаждением
этой зоны до температуры потухания пламени, либо торможени-
ем скоростей реакций горения с помощью химически активных
ингибиторов. На практике, если не удается прекратить доступ
горючего механическим путем (например, перекрытием запорно-
го крана), чаще всего применяют охлаждение, как наиболее
простой, доступный и достаточно эффективный способ. В качест-
ве огпетушащего средства широко используется вода или другие
средства на ее основе. При этом важно отметить, что охлажде-
ние самих компонентов горючей смеси (перед зоной горения)
практически бесполезно, так как газовоздушные смеси соответст-
226
вующсго состава способны гореть практически при любой на-
чальной температуре. Тепло необходимо отводить непосредствен-
но из зоны горения, т. е. зоны реакций.
В случае диффузионного горения паров, оттекающих со сво-
бодной поверхности горючей жидкости, процесс горения также
можно прекратить охлаждением зоны горения до температуры
потухания, химическим торможением, а также изоляцией паров
горючего от зоны горения (или прекращением доступа в зону
горения окислителя при пожарах внутри зданий и помещений,
т. е. на внутренних пожарах).
Однако все эти способы в реальных условиях трудно осущест-
вимы, требуют больших затрат, применения специальных видов
пожарной техники и нередко сопряжены с опасностью для жизни
и здоровья людей. Поэтому разработка новых, более эффектив-
ных средств и способов тушения пожаров ЛВЖ и ГЖ интенсив-
но ведется во многих странах мира. Причем, как показывает
анализ механизмов действия большинства разрабатываемых но-
вых огнетушащих средств, надежного эффекта тушения пожара
удается добиться только после того, как температура поверхност-
ных слоев горючей жидкости будет существенно снижена по
сравнению с ее значением при длительном, развитом пожаре.
Поэтому представляется весьма перспективным способ прекра-
щения доступа паров горючей жидкости в зону горения путем
внезапного охлаждения поверхностного слоя горючей жидкости.
Особенность этого приема состоит в осуществлении экстренного
снижения температуры прогретого поверхностного слоя жидкости
до температуры ниже температуры вспышки паров упругости
данной жидкости. Такой способ тушения наиболее эффективно
может быть реализован с помощью криогенных хладоагентов,
например, с помощью жидкого азота или твердой углекислоты
с конструкционной плотностью ниже плотности горючей жидко-
сти, т. е. Рсо"-СРгж , или каким-либо иным способом.
При диффузионном горении твердых горючих веществ и ма-
териалов, склонных к гомогенному пламенному горению про-
дуктов пиролиза в смеси с воздухом и к гетерогенному беспла-
менному горению твердого углеродистого остатка, необходимо
соответственно выполнить два условия тушения: прекратить пла-
менное горение продуктов пиролиза ТГМ над его поверхностью
и гетерогенное горение углеродного остатка в поверхностном
прогретом слое ТГМ.
Пламенное горение так же, как и в первых двух случаях,
может быть прекращено охлаждением зоны горения, химическим
торможением процессов горения в зоне реакций или прекраще-
нием доступа кислорода воздуха в зону горения (если это воз-
можно) или доступа продуктов пиролиза к факелу пламени.
С помощью огнетушащих средств, действующих по механизму
охлаждения, это может быть достигнуто только после охлажде-
ния прогретых слоев ТГМ до температуры ниже начала пироли-
15* 007
за данного материала. Это, в свою очередь, и будет условием
прекращения процесса горения ТГМ во всех его видах и режи-
мах, так как температура начала их пиролиза значительно ниже
температуры протекания гетерогенных процессов диффузионного
горения углеродистого остатка ТГМ.
Рассмотренные выше три концепции тушения горючих ве-
ществ и материалов в зависимости от их агрегатного состояния
позволяют сформулировать условия, необходимые и достаточные
для прекращения процессов горения практически для всех слу-
чаев тушения пожаров с помощью огнетушащих средств, дейст-
вующих по механизму охлаждения. Это, в свою очередь, позво-
ляет написать критериальные выражения условий, необходимых
и достаточных для тушения пожаров, связанных с горением угле-
водородных горючих веществ и материалов во всех трех агрегат-
ных состояниях средствами, действующими по механизму охлаж-
дения.
Для случая горения газов и фонтанирующих под большим
давлением горючих жидкостей условием тушения является:
(Ю.8)
где Гз. г — температура среды в зоне горения;
Тпот — температура потухания пламени.
Необходимо снизить температуру в зоне горения примерно на
300 К, так как под Т пот понимается критическая температура
потухания пламени предварительно не смешанных газов
7' ,—. г _ 3 R Тал-
1 пот 4 ' 1 ад
Второй член в правой части этого уравнения после подстанов-
ки численных значений входящих величин равен примерно
1000—1100К, а Гад — адиабатическая температура для боль-
шинства углеводородов — 2400—2500 К. Тогда Т ПОт ^1300 К,
а температура среды в зоне диффузионного горения углеводоро-
дов Г з. г ~ 1600—1700 К, откуда ДГ=Г3. г —Тпот — 300 К.
Условие (10.8) реализуется путем обеспечения определенной
интенсивности теплоотвода из зоны горения
п
С? > s cPi vt (Гпл - Гпот), (10.9)
где <73ОТ“ — интенсивность теплоотвода от зоны горения, кДж/с;
с Pi — удельная теплоемкость отдельных компонентов
продуктов горения, кДж/(м3-К);
— секундный объем каждого из образующихся компо-
нентов продуктов горения, м3/с;
Тпл — температура пламени, К (за которую условно при-
нимается температура продуктов горения).
228
На основании этих исследований разработаны новые виды
установок для тушения пожаров на высокодебитных газовых и
газонефтяных фонтанах.
Для случая диффузионного горения жидкостей со свободной
поверхности (в больших резервуарах) справедливо то же усло-
вие, что и для газов (10.8), путем снижения интенсивности по-
ступления паров в зону горения за счет охлаждения поверхност-
ного слоя:
,ПОВ , 1
tr. Ж t ВСП »
(10.10)
где
ВСП
— температура поверхностного слоя горючей жидко-
сти, °C;
— температура вспышки паров горючей жидкости, °C.
В момент начала тушения, при длительном горении ЛВЖ и
ГЖ в резервуаре, т. е. при развившемся пожаре, вышедшем на
стационарный режим горения, температура поверхностного слоя
для чистых горючих жидкостей близка к температуре кипения
данной жидкости или чуть ниже этого значения. Для многоком-
понентных жидкостей сложного фракционного состава она может
значительно превышать условную температуру кипения исходной
горючей жидкости, так как в поверхностном прогретом слое про-
исходит как бы «разгонка» с уходом легких фракций и состав
жидкости в поверхностном слое является неравновесным и не со-
ответствует ее начальному фракционому составу. Это реализует-
ся путем обеспечения условия:
7гтж > <7лп" + , (10.11)
где — интенсивность теплоотвода от поверхностного
слоя горючей жидкости, кДж/(м2-с);
<7 J" — лучистый тепловой поток от факела пламени к
поверхности горючей жидкости, кДж/(м2-с);
тт — время тушения, с;
— удельное (или приведенное) количество тепла»
запасенное в прогретом слое горючей жидкости,
кДж/м2. Его можно выразить через теплофизи-
ческие параметры прогретого слоя горючей жид-
кости:
лзап — г
хг. Ж Г.
где сг. ж — удельная теплоемкость горючей
кДж/(кг-°C);
(10.12)
жидкости,
229
pr — плотность горючей жидкости, кг/м3;
t(x) — функция распределения поля температур по тол-
щине прогретого слоя горючей жидкости.
Приняв условно /(х) стационарным и линейным, выражение
(10.12) с достаточной для практических целей точностью можно
записать в виде
Пзап О gn.c 'кип-/у... (10.13)
где б"’*— толщина прогретого слоя горючей жидкости, м (для
пожаров, при которых на поверхности резервуара
не образуется гомотермический слой горючей жид-
кости):
бгпсж~0,05 (рис. 10 1).
Идеи, заложенные в этой трактовке механизма тушения по-
жаров ЛВЖ, ГЖ, нашли реализацию при разработке новых ви-
дов установок пожаротушения и даже пожарных автомобилей.
Рис. 10.1. Схема процесса горения
горючей жидкости и поля темпе-
ратур прогретого слоя
/ — зона подготовки горючей
смеси; 2 — воздух, подсасывае-
мый в зону горения; 3 — зона
горения; 4 — продукты горения
Для случая прекращения диффузионного горения ТГМ путем
прекращения доступа продуктов их пиролиза в зону горения за
счет охлаждения прогретого слоя условием, необходимым и до-
статочным для тушения пожаров, т. е. полного прекращения го-
рения, будет:
,п. с j. нач
‘ ТГ М * пчр ,
(10.14)
где — температура поверхностного слоя твердого горю-
чего материала (обычно в момент начала туше-
ния максимальная температура прогретого слоя
ТГМ па развитом пожаре составляет «700°С);
230
^пир — температура начала пиролиза (для большинства
ТГМ численное значение температуры начала
пиролиза — ~200°С).
Это условие реализуется путем обеспечения такой интенсивно-
сти отвода тепла от горящей поверхности ТГМ, при которой:
хлзап
„отв пл . „пл . 1<ТГМ
<7тгм > Ял 4- <7конв 4---, (10.15)
’т
где ^тгм — интенсивность теплоотвода от прогре-
того слоя твердого горючего материа-
ла, кДж/(м2«с);
^лПЛ и ^копв — лучистый и конвективный тепловые
потоки от факела пламени к поверх-
ности ТГМ;
^тгм— количество тепла, запасенное в поверх-
ностном слое ТГМ, прогретом выше
температуры начала его пиролиза, ко-
торое может быть выражено через
приведенное теплосодержание этого
слоя, толщиной 6-/гМ , т. е.
Qttm ~ рт t{x)dx,
х
где сг — удельная теплоемкость частично пиревизованного
слоя твердого горючего материала, кДж/(кг-°С)
(зависит от температуры и степени пиролизованно-
сти слоя);
рт — плотность частично пиролизованного слоя ТГМ,
кг/м3 (зависит от температуры и степени пиролизо-
ванности слоя);
t(x) — функция поля температур в прогретом слое ТГМ по
толщине прогретого слоя (pine. 10.2).
Как видно из выражений (10.9), (10.11), (10.15), во всехтрех
случаях условием, необходимым и достаточным для прекраще-
ния процесса горения, а следовательно, условием тушения пожа-
ра, является обеспечение определенной интенсивности теплоотво-
да от зоны горения или горючего вещества, приводящей к сниже-
нию их температуры до определенного численного значения, при
котором горение полностью прекратится. Оптимальным режи-
мом тушения будет тот, при котором значение Q °тв — Q °тв хт
будет наименьшим. Анализ выражений для Q°TB 00 всех СЛУ"
чаях показывает, что численное значение его зависит от вида го-
231
рючсго вещества, режима его горения и времени тушения, при-
чем оно тем ниже, чем меньше время тушения тт . Однако само
минимальное значение времени тушения определяется в первом
случае величиной объема зоны горения (линейные размеры кото-
рой достигают 70—100м), а в остальных случаях физическими
параметрами горючего материала: температуропроводностью
А
о = 'И толщиной прогретого слоя горючего вещества
опс (рис. 10.1, 10.2).
Рис. 10.2. Схема горения твердого
горючего материала и поля тем-
ператур в пиролизованном слое
/ — перегретый углистый слой;
2 — прогретый слой частично пи-
ролизованной древесины; 3 — про-
гретый слой исходной непиролизо-
ванной древесины; 4 — зона по-
догрева и подготовки горючей
смеси; 5 — воздух, подсасывае-
мый в зону горения; 6 — зона го-
рения; 7 — продукты горения
Минимальное значение физического времени тушения тт для
газовых и газонефтяных фонтанов большой мощности, получен-
ные аналитически и экспериментально, составляют 2—Зс, охлаж-
дения прогретого слоя горючей жидкости на поверхности резер-
вуара ~ 15ч-20 с, а охлаждения прогретого пиролизованного
слоя ТГМ на поверхности, доступной прямому воздействию
охлаждающей жидкости, — 25-^30 с. Подстановка численных зна-
чений этих и других входящих в выражения (10.9) -н (10.15) ве-
личин, определяемых режимом горения и физическими парамет-
рами горючей среды, показывают, что оптимальные интенаивно-
сти теплоотвода (от зоны горения — в первом случае и от по-
верхности горючего вещества — во втором и третьем случаях),
отнесенные к интенсивности тепловыделения при этих режимах
горения, есть величина примерно постоянная. Выразив отноше-
ние интенсивности теплоотвода, требуемой для прекращения го-
рения, к интенсивности тепловыделения при горении через К*р,
можно записать выражение для критерия процесса тушения в
следующем виде:
232
0КР
г,-кр ТОТВ
А т —
Увыд
Для случая тушения факела пламени горючих газов:
п ._
Лотв (кр) - Ср Vi (Тпл — Тиот)
^•гг (кр) _ <з. г_________, /—Z i
УвЫД Qh
(10.16)
(10.17)
где (/з0г“'кр)— интснопвность теплоотвода от зоны горения,
кДж/с;
увыд— интенсивность тепловыделения при сгорании горю-
чего газа с расходом Vr , м3/с;
Р — коэффициент полноты сгорания.
Для случая тушения пожара, обусловленного горением паров,
оттекающих со свободной поверхности горючей жидкости (ЛВЖ
и ГЖ), путем охлаждения ее поверхностного слоя, уравнение
(10.11) можно представить в следующем виде
Q3an Л3311
г. ж нагр . нсп . Чг. ж , , о\
Уг. ж~ Ул 1-----= q г. ж + У г. ж -I----. (10.18)
тт Тт
При этом предполагается, что все лучистое тепло, поступаю-
щее от факела пламени к поверхности горючей жидкости, рас-
ходуется на ее нагрев от начальной температуры /о до темпера-
туры кипения /иш и на ее испарение. Тогда уравнение (10.18)
можно выразить через массовую скорость выгорания горючей
жидкости и теплоту испарения:
л Лзап
Уг. Ж == Им сг. ж (^кип — + VM Гг. ж 4-~" ( 10.19)
тт
ИЛИ
Уг°ТВж 1^г- Ж (^кип ^о) 4” ГГ. ж]4“
Q3an
г. ж
'Ч
Тогда критерий тушения пожара ЛВЖ и ГЖ путем охлажде-
ния ее поверхностного слоя (уравнение (10.16) можно записать
так:
Q зап
„ОТВ (кр) Гм [сг. ж (/кип — /о) + Гг. ж] 4- ——
д- г. ж (кр) ^г, ж ___________ __________________________________2_
Увыд ~~ Им QP
(10.20)
233
где <?°тв^кр)—1ннтенсивность теплоотвода с единицы поверх-
ности горючей жидкости, кДж/(м2-с);
<7выд— интенсивность тепловыделения с единицы по-
верхности горючего вещества, кДж/(м2-с);
Гм— массовая скорость выгорания горючего вещест-
ва, кг/(м2-с);
гг. ж— удельная теплота испарения горючей жидко-
сти, кДж/кг;
[3— коэффициент полноты сгорания;
Qp— низшая теплота сгорания по рабочей массе
горючего, кДж/кг.
Для случая тушения пожара ТГМ методом охлаждения про-
гретого слоя горючего материала до температуры начала его пи-
ролиза воспользуемся известными данными, что теплота пироли-
за твердых горючих материалов при диффузионном горении, как
правило, не превышает 5—6% от общего количества тепла, выде-
ляемого при горении. Тогда в уравнении (10.15) суммарное ко-
личество тепла, поступающего к горючему материал}7 от факела
пламени по механизму лучистой и конвективной передачи, выра-
зим через теплоту пиролиза:
0,06<7выд . (10.21)
В таком случае уравнение (10.16) примет вид
• Qttm
ПТВ(КР) 0,06?выд+-Д™
7<-тгм (хр) = 7тгм— ------------2i_ (10.22)
1 PKuQE
где <7тгмкр)— интенсивность теплоотвода с единицы поверх-
ности ТГМ, кДж/(м2-с);
0,06 <7ВЫД— среднее значение теплоты пиролиза большин-
ства натуральных и синтетических полимерных
ТГМ, кДж/(м2-с).
Следует отметить, что отношение минимального количества
тепла, которое следует отвести от горючей системы для эффектив-
ного тушения пожара, к удельной теплоте сгорания данного вида
Qi
горючего вещества — также величина относительно
постоянная, которая для горючих газов составляет — 0,1, а для
горючих жидкостей и большинства твердых горючих материалов
даже меньше: (0,5-е-0,8) • 10—3 в расчете на 1 м3 горючего при
площади поверхности горения 1 м2. Из этого видно, что осущест-
234
вл ять тушение энергетически выгоднее путем отвода тепла от
горючего вещества, как это можно сделать во втором и третьем
случаях, а не от зоны горения. Зная характеристические (мини-
мально возможные) времена прекращения процессов горения и
выполняя необходимые и достаточные условия (охлаждение
зовы горения или горючего материала до заданного значения
температуры), т. е. значение критерия тушения для го-
рючих веществ и материалов во всех трех агрегатных состоя-
ниях, можно рассчитать все основные параметры, обеспечиваю-
щие оптимальный режим тушения. Подстановка численных значе-
ний величин в формулы (10.20) и (10.22) показывает, что для
тушения пожаров, связанных с диффузионным горением газов
и паров горючих жидкостей, методом охлаждения зоны горения
Л'гГ <кр) =0,1. Для тушения пожаров, связанных с диффузион-
ным горением ЛВЖ, ГЖ и ТГМ, методом охлаждения горючего
материала К[ж (кр> =0,24-0,4 и /QrM (кр) =0,3 соответственно.
Как было отмечено выше, зная численное значение t дЛЯ
всех видов горючих веществ и материалов можно рассчитать
требуемый расход огнетушащих средств V (л/с), интенсивность
их подачи /тр (л/(м2-с), удельные расходы на единицу пло-
щади тушения пожара Ууд (л/м2) и теоретически необходимые
суммарные запасы огнетушащих веществ на весь процесс туше-
ния, т. е. все основные параметры процесса тушения пожара (без
учета реальных потерь огнетушащих средств, которые неизбеж-
ны при всяком тушении пожаров. Эти вопросы аналитически
рассматриваются в дисциплине «Физико-химические основы раз-
вития и тушения пожаров», а практически учитываются в специ-
альных дисциплинах: «Пожарная тактика», «Автоматические си-
стемы пожаротушения» и др.).
Все это позволяет разработать научные основы проектирова-
ния автоматических установок пожаротушения с оптимальными
параметрами систем и процесса тушения, рассчитать оптималь-
ные параметры тушения пожаров силами и средствами пожарной
охраны, а также получить объективные критерии эффективности
и качества тушения пожаров.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Таблица 1
Единицы измерения, используемые в расчетах в системе СИ
1. Основные физические постоянные
Число Авогадро (по углеродной шкале)
Na =6,02252-1023 моль-’.
Универсальная газовая постоянная
R = 8,3143-10° Дж/(моль-К).
Постоянная Больцмана
Л= 1,38054- 1O-23 Дж/К.
Постоянная Стефана—Больцмана
а=5,6697- 10-8 Вт/(м2-К4).
2. Основные единицы
Величина Обозна- чение Размер- ность Наименование
Длина / м метр
Масса т кг килограмм
Время т с секунда
Температура Т, t К, °C кельвин, градус Цельсия
Сила света I К кандела
236
3. Производные единицы
Продолжение табл. 1
Величина Обозна- чение Размер- ность Наименование
Вес, сила g Н ньютон
Плотность Р кг/м3 килограмм на кубический метр
Удельный вес 1 Н/м3 ньютон на кубический метр
Энергия, работа A, L Дж джоуль
Мощность Р, N Вт ватт
Давление Р Па паскаль
Объемный расход V м3/с кубический метр в се-
Динамический коэффи- Ч Па *с кунду паскаль-секунда
циент вязкости
Кинематический коэффи. V м2/с квадратный метр в се-
циент вязкости кунду
Коэффициент диффузии D м2/с квадратный метр в се-
Количество тепла Q Дж кунду джоуль
Тепловой поток Q Вт ватт
Плотность теплового потока q Вт/м2 ватт на квадратный метр
Энергия активации Е Дж/моль джоуль на моль
Массовая скорость выго- Р v кг/(м2• с) килограмм на квадрат-
рання ный метр-секунду
Линейная скорость выго- рания V м/с метр в секунду
Удельная теплоемкость с Дж/(кг • К) джоуль на килограмм- кельвин
Коэффициент теплопро- X Вт/(м-К) ватт на метр-кельвин
водности
Коэффициент температу- а м2/с квадратный метр на
ропроводности секунду
Коэффициент теплопере- а Вт/(м2-С) ватт на квадратный
дачи метр-градус
Коэффициент излучения С Вт/(м2-К4) ватт на квадратный
метр-кельвин в четвер- той степени
237
Таблиц? 2
Атомные веса некоторых элементов
Название Химический знак Порядковый номер Атомный вес
Азот N 7 14
Аргон Аг 1.8 39,95
Бром Вг 35 79,9
Водород .... Н 1 ‘1,01
Гелий .... Не 2 4,0
Иод I 53 126,9
Кислород .... О 8 16,0
Неон Ne 10 20,18
Сера S 16 32,06
Углерод .... С 6 12,01
Фосфор .... Р 15 30,97
Фтор F 9 19,0
Хлор С1 17 35,45
258
Таблица 3
Энтальпия (теплосодержание) газов при постоянном давлении
Темпера- тура t, °C Теплосодержание, кДж/кмоль
о2 n2 воздух СО2 Н2О SO2
0 0 0 0 0 0 0
100 2956,0 2917,5 2917,5 3814,1 1281,7 4081,1
200 5991,7 5849,3 5866.0 8019.6 6829,7 8505,7
300 9125,8 8819,9 8861,8 12536,5 10378,6 13223,6
400 12360,5 lil-849,3 11924,7 17313.1 14044,9 18167,8
500 li5678,9 14945,7 15058,8 22303,4 17828,4 23275,4
600 19072,9 18104,9 18255,8 27473,8 21733,5 28533,9
700 22521,2 21331,,3 21524,0 32795,1 25772,7 33876,1
800 26019,9 24616,2 24842,5 38237,9 29937,5 39285,5
900 29564,6 27955,7 28211,3 43785,5 34232,3 44799,5
1000 33142.9 31337,0 31621,9 49442,0 38648.5 50321,9
1100 36750,5 34760,2 35074,5 55140,4 43198,9 55907,2
1200 40391,6 38221,2 38560,6 60922,6 47807,9 61492,4
1300 4-1036,9 41719,8 42067,6 66788,6 52584,5 67161,5
1400 47724,1 45252,0 45629,1 72654,6 57403.0 72797.1
1500 51453,2 48771,6 49190,6 78562,5 62347,2 78436,8
1600 55182,3 52375,0 52794,0 84554,2 67333,3 84135,2
1700 58953,3 55936,5 56397,4 90545,9 72445,1 89821,0
1800 62766,2 59539,9 60000,8 96579,5 77598,8 95557,1
1900 66579,1 63143,3 63646.1 102613,1 82794,4 101184,3
2000 70392,0 66788,6 67333,3 108646,7 88073,8 107012,6
2100 74246,8 70433,9 71020,5 114722,2 93395,1 112715,2
2200 78101,6 74121J 74707,7 120839,6 98758,3 11845! ,3
2300 81998,3 77766,4 78394,9 126915 1 104163,4 124220,9
2400 85936,9 81453,6 82124,0 1133032,5 109631,, 3 130024,1
2500 89875,5 85140,8 85853,1 139149,9 115141,1 135756,0
2600 94015,2 89003,9 89330,8 1145325,9 1'19398,2 141513,0
2700 97857.4 92653,5 93105,9 151481,1 124782.4 147295,2
2800 101833,7 96437,0 96789,0 157560,7 130342,5 152985,3
2900 106124,2 100488,7 100488,7 163795,5 135848,2 158813,6
3000 110113,2 103828,2 104205,3 169946,4 141161,1 164667,0
239
Таблица 4
Энтальпия (теплосодержание) газов при постоянном давлении
Темпера- тура t, °C Т епл ос одерж а н и е, кДж/'м3
о2 n2 воздух со2 Н2О SO2
0 0 0 0 0 0 0
100 131.8 130,1 130,1 170,1 150,6 181,4
200 267,2 260,9 261,6 357,7 304,7 377,9
300 407,1 393,6 395,4 559,7 463,0 587,0
400 55’1,4 528,7 532,1 772,6 626,8 824,6
500 669,3 666,6 672,0 925,1 786,2 1034,9
600 850,6 807,8 ‘ 814,5 1225,6 969,5 1269,6
700 1004,7 951,9 960,3 1463,1 1149,7 1507,5
800 1160,6 1098,2 1108,2 170(6,2 1335,3 1746,4
900 1319,0 1246,9 1258,7 1953,8 1527,2 1994,8
1000 1478,6 1398,2 1410,7 2205,2 1724,2 2237,4
1100 1639,5 1551,1 1564,9 2460,4 1926,5 2488,8
1200 1802,1 1705,3 1720,4 2718,5 2133,9 2735,2
1300 1965,1 1861,2 1877,5 2979,1 2345,5 2979,5
1400 2129,8 2010,0 2035,5 3241,4 2560,9 3238,0
1500 2295 7 2176,7 2194,7 3505,7 2781,3 3488,2
1600 2462,4 2335,5 2355,2 3771,4 3004,2 3747,5
1700 2630,5 2495,9 2515,7 4039,6 3231,7 4003,1
1800 2799,7 2656,4 2678.2 4307,3 3461,3 4261,2
1900 2969,4 2818,2 2840,4 4579,7 3693,5 4529,8
2000 3140,8 2979,9 3004,2 4847,8 3928,5 4667,6
2100 33 Г 1,7 3142,9 3167,6 5118,2 4166,1 5059,4
2200 3497,8 3306,3 3332,3 5392,5 4405,8 5337,2
2300 3659,1 3469,3 3497,4 5660,7 4667,1 5608,7
2400 3834,3 3633,1 3663,3 5933,0 4890,9 5892,8
2500 4009,8 3797,4 3828,8 6209,6 5136,5 6169,8
2600 4184,9 3953,9 3988,4 6487,4 5387,1 6460,1
2700 4368,9 4135,9 4156,5 6761,8 5639,3 6753,8
2800 4546,1 4304,4 4320,7 7033,3 5897,8 7050,9
2900 4729,2 4469,0 4484,9 7311,1 6159,3 7351,3
3000 4914,9 4634,5 4652,1 7589,7 6425,8 7655,1
240
Таблица 5
Средняя объемная теплоемкость газов
Темпера- тура t, °C Теплоемкость, кДж/(м3«К)
СО2 НгО n2 о2 SO2 н2 сн4 с2н6 с2н4
0 1,601 1,495 1,295 1,307 1,735 1,277 1,551 2,211 1,828
100 1,701 1,506 1,507 1,318 1,814 1,292 1,643 2,497 2,063
200 1,789 1,523 1,3011 1,366 1,889 1,298 1,760 2,777 2,284
300 1,864 1,543 1,308 1,357 1,957 1,300 к 887 3,046 2,497
400 1,931 1,567 1,317 1,378 2,019 1,303 2,017 3,3111 2,688
500 1,990 1,5911 1,329 1,399 2,070 1,306 2,142 3,555 2,865
600 2,043 1,616 1,341 1,417 2,1116 1,309 2,263 3,781 3,028
700 2,090 1,642 1,354 1,435 2,1'54 1,313 2,379 3,989 3,172
800 2,1,33 1,669 1,368 1.451 2,183 1,318 2,496 4,184 3,310
900 2,171 1,697 1,381 1,466 2,216 1,324 2,604 4,365 3,434
1000 2,205 1,724 1,393 1,478 2,237 1,330 2,701 4,533 3,550
1100 2,237 1,751 1,404 1,490 2,263 1,337 2,788 4,687 3,658
1200 2,265 1,778 1,41'5 1,502 2,279 1,344 2,865 4,829 3,757
1300 2,20,1 1,804 1,426 1,512 2,292 1,352 — — —
1400 2,315 1,829 1,436 1,521 2,313 1,360 — — ——
1500 2,337 1,854 1,445 1,531 2,325 1,368 — — —
1600 2,357 1,877 1,454 1,539 2,342 1,376 — — —
1700 2,376 1,901 1,462 1,547 2,355 1,384 — — —
1800 2,393 1,923 1,470 1,555 2,367 1,393 — — —
1900 2,413 1,944 1,477 1,563 2,384 1,401 — — —
2000 2,424 1,964 1,484 1,570 2,397 1,409 — — —
2100 2,438 1,984 1,490 1,577 2,409 1,415 — — —
2200 2,450 2,002 1,496 1,584 2,426 1,424 — — —
2300 2,462 2,020 1,502 1,591 2,438 1,431 — — —
2400 2,473 2,038 1,505 1,597 2,455 1,438 — — —
2500 2,483 2,054 1,512 1,604 2,468 1,456 — — —
2600 2,495 2,071 1,528 1,614 2,485 — — — —
2700 2,504 2,089 1,532 1,618 2,501 — — — —
2800 2,512 2,106 1,537 1,624 2,518 — — — —
2900 2,521 2,124 1,541 1,631 2,535 — — — —
3000 2,530 2,142 1,545 1,638 2.552 — — — —
16—4609
241
Таблица 6
Температура самовоспламенения, К, некоторых предельных углеводородов
в зависимости от средней углеродной цепи
^ср Тс /ср Тс / ср Тс / ср Тс
3 743 6 507 9 482 12 477
э.1 738 6,1 505 9,1 481 12,1 477
3,2 733 6,2 504 9,2 481 12,2 477
3,3 . 728 63 503 9,3 481 12,3 477
3.4 723 6,4 502 9,4 480 12,4 477
3„5 717 5,5 501 9,5 480 12,5 477
3.6 712 6,6 500 9,6 480 12,6 477
3.7 706 6,7 499 9,7 480 12,7 477
3,8 699 5,8 498 9,8 479 12,8 477
3,9 6Q3 6,9 497 9.9 479 12,9 477
4 686 7 496 10 479 13 477
4,1 680 7.1 495 10,1 479 13,1 477
4,2 673 7,2 494 10,2 479 13,2 477
4.3 665 7,3 494 10,3 479 13,3 477
4,4 654 7,4 493 10,4 478 13,4 477
4,5 643 7,5 492 10,5 478 13,5 476
4,6 631 7,6 491 10,6 478 13,6 476
4>7 617 7,7 490 10,7 478 13,7 476
4,8 601 7,8 489 10,8 478 13,8 476
4,9 581 7,9 489 10,9 478 13,9 476
5 560 8 488 11 478 14 476
5,1 547 8,1 487 111,1 478 14,1 476
5,2 535 8.2 486 11,2 478 14,2 476
5,3 528 8,3 486 11,3 478 14,3 476
5,4 5'22 8,4 485 11.4 478 14,4 476
5.5 517 8,5 484 111,5 478 14,5 476
5,6 313 8,6 484 11,6 477 14,6 476
5,7 511 8,7 483 11,7 477 14,7 476
5,8 509 8,8 483 11,8 477 14*8 476
5,9 508 8,9 482 11.9 477 14,9 476
15,0 475
242
Таблица 7
Температура самовоспламенения. К, некоторых предельных одноатомных
спиртов в зависимости от средней длины углеродной цепи
/ср Тс / ср Тс / ср Тс / ср Тс
21,0 737 4,4 610 6,8 545 9,2 518
2,1 736 4,5 606 6,9 543 9,3 517
2,2 734 4,6 602 7,0 542 9,4 516
2,3 732 V 599 7,1 540 9,5 516
2,4 730 4,8 595 7,2 539 9,6 515
2,5 728 4,9 592 7,3 537 9,7 514
2,6 725 5,0 588 7,4 536 9,8 513
2,7 72.1 5,1 585 7,5 535 9,9 5ГЗ
2,8 716 5,2 582 7,6 534 10,0 512
2,9 711 5,3 579 7.7 533 10,5 509
3,0 706 5,4 577 7,8 531 11,0 507
3,1 696 5,5 574 7,9 530 111,5 506
3,2 693 5,6 572 8,0 529 12,0 505
3,3 686 5,7 569 8,1 528 12,5 505
3,4 678 5,8 567 8,2 527 13,0 504
3,5 669 5,9 564 8,3 526 1'3,5 504
3,6 658 6,0 562 8,4 525 14,0 503
3,7 649 6J 560 8,5 524 14,5 503
3,8 642 6,2 557 8,6 523 15,0 502
3,9 634 6,3 555 8,7 522 15,5 502
4,0 628 6,4 553 8,8 521 16,0 50!
4,1 623 6,5 551 8,9 520 16,5 50!
4,2 619 6,6 549 9,0 519 17,0 500
4,3 614 6,7 547 9,1 519 17,5 500
Та блица 8
Температура самовоспламенения, К, некоторых ароматических
углеводородов в зависимости от средней длины углеродной цепи
1 ср Тс / ср Тс / ср Тс
—2 843 - - _
— 1.9 842 0,1 810 2,1 702
— 1,8 841 0.2 794 2,2 701
—1,7 840 0,3 774 23 701
— 1,6 840 0,4 753 2,4 700
— 1,5 839 0,5 733 2,5 700
— 1,4 838 0,6 723 2,6 699
— 1.3 837 0,7 718 2,7 699
— 1,2 837 0,8 715 2,8 698
— 1.1 836 0,9 713 2,9 698
— 1 835 1 712 3 697
—0,9 835 1,1 711 3,1 697
—0,8 834 1.2 710 3,2 697
—0,7 833 1,3 709 3,3 697
—0,6 832 1.4 708 3,4 696
—0,5 831 1,5 707 3,5 696
—0,4 830 1.6 706 3,6 696
—0,3 829 1,7 705 3,7 696
—0,2 827 1,8 704 3,8 696
—0,1 824 1,9 703 3,9 696
0 819 2 703 4 695
16*
243
Таблица 9
№
4*.
Физико-химические константы некоторых горючих жидкостей
Название Химиче- ская формула Л1 р . кг/м3 d по возд. Ам»°C ^КИН » °C О0. 10-*, м2/с А H°f> кДж/моль
Ацетон .... СзН6О 58,08 790,8 2,0 —95,35 56,2 0,086 248,1
Бензол .... с«нв 78,11 879 2,77 5,5 80,1 0,096 —34,8
Гексан C61114 86,18 659,3 3 —95,3 68,7 — 2111,2
Глицерин .... СзНбОз 92,09 1260,4 3,2 17,9 290 0,08 675,4
Метанол .... СН3ОН 32.04 795 1,1 —97,8 64,7 0,162 239,0
Этанол С21 нон 46,07 789,3 1,6 —114,6 78,37 0,132 278,2
Пропанол-1 . . . С3Н-ОН 60,10 804,4 2,1 — 127 98,8 0,080 307,1
Бутанол-1 С4Н9ОН 74,12 809,8 2,6 —79,9 117,5 0,0681 341,5
Трет-бутиловый
спирт .... (СНз)зСОН 74,12 788,7 2,6 25,5 82,8 — —
Н-амиловый спирт СзНцОН 88,15 814,4 3,1 —78,5 138 0,089 359,1
Толуол .... С6Н5С11з 92,14 866,9 3,2 —95 110,6 0,084 4,19
Эфир диэтиловый С4Н10О 74,12 713,5 2,6 — 1:17,6 35,6 0,896 283,2
Эфир уксусноэти-
левый (этилаце-
тат) .... С4НЯО2 98,10 881 3,04 —83,6 77,1 — 480,2
Этиленгликоль . С2Н6О2 62,07 1114 2,15 —15,6 197,8 — 455,4
Бензин Б-70 — 745 — — — —— —
Керосин трактор-
ный .... — 823 — — —• — -
Трансформатор- •
ное масло — 877 —— — — —
Вазелиновое мае-
ло . . . . — А — — —~ —
Масло подсолнсч-
ное 91,0 913 — — —
Нефть карадаг-
ская .... — 813 — — - —
Скипидар . . . — 870 4,7 — 160 — —
Обозначения: Л1 — молекулярная масса; р _ плотность при нормальных условиях; а — относительная масса (для
воздуха 1,000); Гпл| 4 Т’кип— температура плавления и кипения при давлении 101325 Па; О0 - - коэффициент диффузии
в воздухе; — теплота образования.
Таблица 10
Константы уравнения для давления пара некоторых
органических жидкостей в области температур
от точки плавления до точки кипения
с
1g р ММ рТ. СТ. = а — big Т — ——
Жидкость а b с
Ацетон 19,557 3,966 2203
Метиловый спирт 22,43 4,634 2661
Н-бутиловый спирт 40,21 10,35 4100
Н-амиловый спирт 46,49 12,42 4180
Н-гексиловый спирт 51,00 13,80 5068
Н-гептиловый спирт 56,20 15,41 5580
Н-октнловый спирт 65,21 18,40 6190
Бензол 26,07 6.203 2610
Таблица 11
Теплота сгорания некоторых веществ
^Низшая Низшая
Горючее вещество или материал теплота cropа- л о Горючее вещество или материал теплота сгора- Л О
ния , ния QtJ ,
кДж/кг к Дж,4кг
Амилацетат .... 33533,5 Каучук натуральный . . 44833,0
Амиловый спирт . 39046,6 Каучук синтетический 45252,0
Анилин . .... 34777,0 Керосин 43157,0
Ацетилен 56000,0 Кинопленка нитроцеллю- 15084,0
Ацетон 30939,0 лозная
Бензин 43576,0 Кинопленка триацетат- ная 18779,6
Бензол 40807,0 Мазут 41900,0
Битум Масло соляровое 43069,0
Бумага, хлопок, хлопча- Метан 35800,0
тобумажные ткани . . 13408,0 Нефть 46090,0
Бутан 45800 Полистирол . . . . 38967,0
Бутиловый спирт 36144,9 Полиэтилен . . . . 47137,5
Древесина при влажно. Пенополиуретан . 24302,0
сти, % Резина 33520,0
Г=10 16500,0 Толуол 42355,4
1Г=20 14400,0 Торф влажностью
№=30 112200,0 №=19% . . . . 16613,3
Капролактам .... 29749,0 Хлопок 15700,0
245
246
Таблица 12
Показатели пожарной опасности некоторых горючих жидкостей
Название Т св , к /всп, °C ТПВ, °C КПВ, % об. Q5, кД>к/моль Е min, мДж МВ с к (при сод ^всп, °C
Ацетон 738 — 18 —20 ч-6 2,24-13 1789,1 — 14,9 —•
Бензол 807 —11 —1)4-ь+ 13 1,4 4-7,1 3149,2 0,22 . 1(4,4
Гексан 4150,6 0,25
Глицерин 98% . 668 138 182 4-217 2,64-11*3 165(2,8 — • 203
Метанол 737 8 74-39 6 4-34,7 716 13,4 13
Этанол 677 13 11 4-41 1374,3 — 14,9 —
Пропанол-1 . . . . 644 23 2,14-13,5 2019 —- — 29
Бутанол 618 34 34 4-68 1.74-И2 2677 ч — 41
Три-бутиловый спирт 753 10 94-13 1,9 4-9 — » 1—* — 16
Амиловый спирт . 573 27—43 З84-8О 1,2 4- (Ш) 3297,5 — — —
Толуол 763 4 04-30 1,34-6,7 3779,4 —» — ——•
Диэтиловый эфир 437 —41 —464- ИЗ U4-49 2740,6 0,2 13
Уксуспо-этиловый эфир. 673 2 14-31' 3,54- 16.8 2256,3 — — —’
Этиленгликоль . 663 120 1'112 4- 124 3,8 4-6,4 1152,2 —• — —-в
Бензин 573 —34 —34 4-—4 0,79 4-5,16 кДж/кг 46928 *
Керосин тракторный . 533 27 3164-353 1,44-7,3 414814-46090*
Трансформаторное масло 573 147 3954-4136 —
Вазелиновое масло . 563 отст. 397 4- 463 отст.
Продолжение таблицы 12
Название 1 св , к 6«сп, °C тпв ,°с КПВ % об. QS. кДж/моль Ь min, мДж мвек (при СО2) /всп, °C
Масло подсолнечное . 463 229 4774-502 —
Нефть карадагская . 593 —21 252-4-292 43576 4- 46090 *
Скипидар .... 573 34 3054-326 0.8
Примечания: 1. Гвсп даны в закрытом тигле.
2. * Теплота сгорания для 1 кг горючего материала.
ND
Л-
Таблица 13
Величины параметров k и I для вычисления температурных пределов
воспламенения некоторых жидкостей
Гомологический ряд Формула п = 0, 1» 2, 3, ... Параметры
k 1
Нормальные алка- СНз—(СН2) п —СНз 0,6957 73,8
ны 0,7874 50,3
2-Метилалканы (СН3)2—СН(СН2)„ —СНз 0,6885 74,9
0,7900 52,2
Нормальные 1-ал- СН2=СН—(СН2) п —СНз 0,6867 74,5
каны 0,7976 49,5
Нормальные жир. СНз—(СН2)и —ОН 0,5746 33,7
ные спирты 0,6928 15,0
2-Метилкарбинолы (СНз)2СН-(СН2)п—он 0,6582 44,1
0,7278 21,5
н-Алкнлформиаты НСОО—(СН2) п-СНз 0,5359 47,6
0,6050 25t0
н-Алки л ацетаты СНзСОО—(СН2)«—СНз 0,5940 50,9
0,7761 40,8
Примечание. Числитель параметра относится к нижнему температурному
пределу воспламенения, знаменатель — верхнему температурному пределу вос-
пламенения.
248
Таблица 11
Показатели пожарной опасности некоторых твердых горючих материалов
Название Т св» к Т в , К Q5. кДжЛсг U max» кг/(м3 • мин)
Антрацит 773 311425 —
Винипласт .... 723 623 181105 —
Волокно ацетатное . 708 628 —* —
Волокно вискозное . 718 593 15511Д —
Волокно лавсан . 713 663 22584,1 —
Волокно капрон . 7110 663 30754,6 —
Древесина сосновая (^=9%) .... 568 528 12570—14665
Картон гофрированный . 704 531 — —
Каучук натуральный . — 402 44833 0,8
Линолеум релин . 683 581 г— —
Пенопласт ПХВ . 774 701 —* —
Парафин 503 431—468 —
ДВП (древесноволокни- стая плита) 618 495 — •—
Пенополиуретан . 753 713 24352 0,88—0,92
Сено (ИМ,8%) . . . (477) 4,77 —< —
Полистирол ПСБ-С . — — 38967 —0,86
Полиэтилен низкого дав- ления 694 583 47137,5 0,62
Стекло органическое . 733 533 27737 0,86
Торф фрезерный . (498) — 10454 0,18 (в караванах)
Хлопок (№ = 4,5%) . . (478) 483 157Г2Л5 0,24 (разрыхл.)
249
Таблица 15
Значения коэффициента флегматизации
Флегматизатор .... . - Кф
Азот . .... . 0,01
Водяной пар .... . 0,16
Двуокись углерода . 0,19
1,2-Д ибромтетрафторэтан . 0,36
Значения параметров, характеризующих горючее при
разбавлении смеси
Параметры Значения параметров при разбавлении смеси
азотом водяным паром двуокисью углерода
h f моль/Дж 0,864- 1О-5 0,800 • 1О-5 0,735- 10-5
ЛФ 1,256 0,780 0,579
Лс 2,5277 1,651 1,25k
0,7592 0,527 0,418
1 Q.197 0,466 0,542
/lN —0,151 —0,147 —0,135
Лс=с 1,500 Г,500 1,500
Лф 2,800 2,236 2,020
5,946 5,000 4,642
ч 1,486 1,250 1,160
IT h о —2,973 —2,500 —2,321
* лс=с 0 0 0
h N 0 0 0
250
Таблица 16
Основные физические константы некоторых газов
Название Af Р> кг/м3 d /..Л, °C /кип, °C Ср298 к . кДж/(моль* •К) А-2,38* IO-2, Вт/(м-К) Qh • кДж/моль дЛ? , кДж'моль
Воздух 26,9В 1,293 i„oo —213 — 192 1 7,5 0
Аг 39,95 1,784 1,38 — 189,3 — 185,7 —. 5.2 г— 0
СО 28,01 1.250 0,967 —205 — 192 29,15 7J2 283,2 —110,6
со2 44,01 1,977 1,529 — 56,6 78,5 37,13 5,3 — 396,9
сн< 16,04 0,717 0в555 — 182,5 — 161 6 35,79 10,9 890,95 75
с2н6 30,07 1..357 1..O49 — 182,5 — 88^6 52,7 7,3 156Q,9I2 9М
С3Нв 44,097 2,0119 1,562 — 187,4 — 42,1 73,51 6,3 2221,52 103,9
н-С.(Ню 58,124 2,703 2,091 -138,4 — 0,5 97,78 5,6 2880,43 + 32,4
изо-СлНю 58,1'24 2,668 2,064 —1159,6 — 1.1,7 96,82 5,8 2873.44
М-С.->Н|2 72J51 3,457 2,674 — 129,7 36.1 4 22.6 5.3 3539.1- 146,4
Л-€6НИ 86,178 3,840 2,970 — 95,3 68,1 146,7 5,0 4197,7 167,2
С2Н4 28,054 1,260 (\9,75 — 169ь2 —103,7 7,4 141'1,91 - 52,28
С2Н2 26,038 1,173 0,906 — 80,8 - 83.8 43,93 6,8 1257,0 —226.7Д/
С6Н« 78J+4 3,480 2,690 5.5 80,1 81,67 4,4 3282,4 + 82.83
н2 2,016 0,090 0,070 —259,2 —252J 28,83 53,40 286,02 0
Н2О (пар) 18,015 0.768 0,594 0 100,0 33,56 — — 242„2
n2 28,013 1,251 0,967 —210 — 195,8 29,10 7.5 — 0
Ne 20.183 0.900 0,696 —248,6 —243.9 •— 1 II 0
о2 31,999 1,429 1,105 —218,4 — 182,9 29,36 7,60 —. 0
Хе 131,30 5,89 4,51 — 112 — 1O8J — 41,60 —— 0
NH3 1.7.0 — — — —> — — 316,52 0
H2S 76,14 1,263 2,60 -112J 46.25
Обозначения. М - молекулярная масса газа; р -плотность при нормальных
условиях; d — относительная масса (для воздуха равна 1,000); /пл и /ки„ —тем.
to
пература плавления и кипения, при
А — теплопроводность при 373 К;
сл
давлении 101325 Ila; Cp29g — теплоемкость;
теплота сгорания; — теплота обра-
зования.
Таблица 17
252
Показатели пожарной опасности некоторых газов
Название Химическая формула Т св > к КПВ, % об. и н » м/с МВСК .при раз- бав. СО2 Е min , мДж Огнетуш. конц, % об. Тг . расч, К Стехиомет- рическая смесь, % об.
СО2 Ы» про- цент газа про- цент воз- духа
Аммиак Ацетилен NH3 С2Н2 9 Q3 608 15-28 2—81 1аЭ5 16,2 9 680 57 70 2307 7,7 92.3
Окись углерода СО 883 1.2,5—74,2 0,42 9,8 50 69 2000 28.9 70,5
Водород н2 783 ‘It—74,2 2,67 Л9 0,017 6Q 70 2072 219,5 70,5
Метан сн4 810 5—15 0,37 15,6 0,28 26 39 1927 9,5 90,5
Этан С2Н6 745 3,212—12,45 0,40 13,8 0,24 34 46 1922 5,64 94,36
Пропан С3н8 739 2,37—9,5 0,38 14Д 0,25 32 45 1987 4,02 95.98
Бутан С4Н10 678 1,86—8,4-1 0,37 14>9 90,25 29 41 2010 3.12 96,88
Пентан Сг.н12 560 1,4\—7,8 (\385 14,8 29 40 2000 2,55 97.45
Гексан С6Ни 507 1; 25—6,9 0.385 14,6 0,25 30 43 2007 2,16 97,84
Этилен Сероводород Водяной газ Коксовый газ Природный газ (саратовский) Доменный газ с2н4 H2S 813 519 775—873 ШЗ 823—11023 3.75-29,6 4,3—45,5 6—70 5,6—30,8 5,1—‘12,1 4-25 65—73,9 0,63 1|2Л 8 0.12 412 62 1 52 2067 6,5 12,24 913,5 87,76
Обозначения. Тсв— температура самовоспламенения; КПВ — область воспламе-
нения; Un—максимальное значение нормальной скорости горения; МВСК — мини-
мальное взрывоопасное содержание кислорода при разбавлении газовоздушпой смеси
углекислым газом; Emin — минимальная энергия зажигания; 7’г—расчетная адиаба-
тическая температура горения с учетом диссоциации продуктов сгорания.
Примечание. Состав газовых смесей: водяной газ СО — 37%, СО2 — 6.5%,
N2 — 5,5%, Н2 — 50%, С1Ц — 0,5%; коксовый газ СО — 6,0%, СО, — 2,8%;
N2 — 7,8%, Н2 — 58%, СН4 — 22,5%, природный газ СО — 3,3%, СН» — 94%,
С„ Нт— 2.5%; доменный газ СО - 28%, СО2 — 10,5%, N2 - 58,5%, Н2 — 2,7%,
СН4 — 0,3%.
Таблица 18
253
Давление насыщенных паров некоторых индивидуальных веществ, Па
Вещество 133,332 1333,212 2666,44 5332,88 7999,32 13332(,2 266640 53328,8 101325
Температура, К
Ацетон 213,6 241,9 252 2 263,6 271,0 280,7 295,7 3|12,5 329,5
Альдегид уксусный .... 1|91,5 216,2 225,2 235,2 241,6 250,4 263.0 27719 293,2
Ангидрид уксусный .... 274,7 309,0 321,8 335,1 343,8 355.2 373.0 392,8 412,6
Акриловая кислота .... 276,5 312,0 325.0 339,2 348,0 359,1 376,3 395 4114,0
Спирт
аллиловый 253,0 283.5 29^.7 306,4 313.3 3213,0 Э37..5 358,2 369,6
амиловый 286,6 3'17,9 3128,8 24*1),0 348,5 358,8 375,0 392,8 410,8
бензиловый 331,0 365,0 378,8 392,8 402.3 414,7 433,0 456,0 47(7,7
Бензол 236,3 261,5 270,4 280,6 288,4 299,1 315,2 333,6 350,1
Спирт
бутиловый 271,8 3032 314,5 326,4 333,3 343,1 357,3 373,8 390,5
бутиловый
(вторичный) 260,8 289„9 300,3 311,1 318,2 327,1’ 34Q.9 356,9 372,5
бутиловый
(третичный) 252,6 278,5 287.3 297,5 304 312,8 325,7 341,0 355.9
изо-Бутиловый .... 264,0' 294,7 307,3 Э17„1 324,7 334,,5 348,9 364,4 38lf
Бромистый этил 198,7 225.3 235,2 246,3 2.53,5 263 287,5 294 3111,4
Бутилбензол 295,7 335 349,3 365,41 375,6 389.2 409,9 432.2 456,1
Бутилформиат 246,6 279,1 291,0 304,6 312,8 324,0 340,9 359,2 379,0
Метилэтилкетон 224,2 255,3 266,5 279,0 287,0 298,0 314,6 333.0 352,6
Продолжение таблицы 18
Вещество 133.330 1333,22 2666,44 5332,88 7999,33 1333Д2 26664,4 53328,8 101325
Температура., К
Метилциклогексан .... 237,1, 269,8 281,7 2950 303,5 315,1 332,6 352,6 373,9
З-Метил-2-бутанол .... 253,1 281 3 294,3 302,6 309,2 3'18,5 332,0 346,8 361,9
2-Метилбутан 19Q.T 2116,0 2125*7 236,5 243,4 267.1- 283.6 300 8
Метиловый спирт .... 220,0 256,8 267,0 278„С| 285,1 294.2 307.8 322.9 337,7
Окись этилена 198,0 224 233,7 244,6 251 7 261,0 275J 290,8 307,5
Октан 259,0 2&1,3 304,5 318,1 326.8 338„7 356,6 377,0 398 6
Пропил бензол 279,3 34 6,4 329,8 344,6 354/1 386,5 408,7' 432,2
Спирт
н-Пропиловый .... пропиловый 258,0 299,1 287,7 298,3 309,4 316,5 325,8 339,8 355 370,8
(вторичный) 275,4 285,7 296,8 303,5 3'12.,5 326 340,8 355,5
Стирол 2661,0 303,8 317,6 332; 8 342,5 355 374,3 395,5 418,2
Сероуглерод 1199,2 228,3 238,7 250,9 257,7 267,9 283,4 301 319,5
Толуол 2'46,3 270,,4/ 291,4 304,8 313,3 324,9 3412,9 262,.5 383,6
Эфир *
уксуснометиловый .... 215,8 243,7 253,9 265,11 272,5 282,4 297,0 313.0 33Q.8
уксуснопропиловый 246,3 278,4 289,0 301.8 310,0 320,8 337*0 374,8
уксусноэтиловый .... 229„6 259,5 270.0 282, И 289,6 300,0 315.0 332,3 350,1
Этиловый спирт .... 2411,7 270,7 281„О 292.0 299,0 307.9 321,4 336,5 351,4
Этилциклопентан .... 240,8 272,9 284,7 298,0 3OQ.4 318,0 335,4 355J.3 381,4
Этилбензол 263,2 298,91 311.6 325 8 334,8 347.1, 366,7 386,8 409,2
Диэтиловый эфир .... 198,7г 2241,9 234,5 245,2 2511,2 26115 276,2 290|*9 307,6
Таблица 19
Физико-химические свойства огнетушащих галоидоуглеводородов
Наименование М Р . г/см3 d U,°C ^КИП»°C Огнегас. КОНЦ., % об.
Бромистый этил . 1:08,97 L45 4,52 -11119 38 М
Тетрафтордибромэтан (Фреон 114В2) 259,8 2J8 8,97 —11112 47 1,9
Трифторбромметан (Фреон 13В) . 149 1,58 5,15 — 143,2 —57,8 4,0
Бромистый метилен . Четыреххлористый уг- 173,85 2,495 6 — 52i,8 96,16
лерод (Фреон 14) 88,01 1,6 5,3 — 30 —72
255
Таблица 20
Теоретическое количество воздуха
Горючее вещество Количество воздуха
к г/к г м3Хг м3/м3
Акриловая кислота 5,74 4,44 fa
Акриловометиловый эфир .... 7,72 5а58 —
Амилацетат d0„10 7,80 —
Амиловый спирт 1/1,76 9Д0 *—
Аммиак 6,10 4,70 3,57
Анилин 11ь30 8,90 —
Ацетилен 13,27 10.23 11,90
Ацетон . 9,50 7,35 —
Бензин 15,00 11,60 —
Бензол 13,27 1<\23 —
Битум 13,19 9,45 —
Бумага, хлопок, хлопчатобумажные
ткани 5,10 3*95 —•
Бутан 15,45 11,94 30,94
Бутилацетат 9,50 7,35 —
Бутиловый спирт 1)1,10 8,64 —
Водород . 34*50 26,60 2,38
Гексан 15 20 1)1,79 45,22
Глицерин 5.М 4.06 ——
Дизельное топливо (соляровое масло) 14,60 111,50) —
Диэтиловый эфир 11,08 8,65 —
Древесина, при влажности, равной, %:
№=10 5,43 4,20 —
Г = 20 4.84 3,74 —
№ = 30 4,58 3,54 —
Капролактам 10,00 7,76 —
Каучук
натуральный 12,93 10,00 —-
синтетический СК-С 13,15 10,16 —
Керосин 1470 11.36 —
Кинопленка
нитроцеллюлозная триацетатная 4,68 6,05 3,62 4,34
Мазут 14|,60 11,30 —
Метан 17,20 13,32 9,52
Метиловый спирт 6,47 4,99 7.14
Нефть 14,60 11,80 —
Пентан 15х30 11485 —
Полистирол 14,30 10',25 —
Полипропилен 15,90 11,42 —
Полиэтилен 15^90 11,42 —-
Пенополиуретан 7,77 6,00
Скипидар 14,20 10,96 “
Стирол 15,30 lil ,85 —
Толуол 13,50 10,46 —
Торф при влажности, равной, %:
Г =10 6,60 6,011 —
№=20 5.86 4,54 —
№=30 5,14 3,96 —-
Этиловый спирт 9,00 6,.95 —
Этиленгликоль 5,37 4,16 ——
256
Количество и состав продуктов горения
Состав продуктов горения, м3/кг Количество продуктов горения
Горючее вещество СО2 Н2О N3 кг/кг м3/кг м3/м3
1 2 0 4 5 6 7
Акриловая кислота 0,96 0,62 3,50 6,76 5,08 —
Амилацетат 1,20 1.20 6,16 11,03 8,56 —
Амиловый спирт 1,27 1,50 7,20 12,72 10,00 —
Аммиак — 1,97 3,71 6,21 5,68 4,32
Анилин 1,44 0,84 7,06 12,34 9,34 —’
Ацетилен 1,73 0,86 8,1)1 14,20 10.70 12.40
Ацетон . . 1,16 1,16 5,82 10,48 8,14 »—
Бензин 1*,58 1,67 9,10 15,83 12,35 —•
Бензол 1,73 0,86 8,lil 14,20 10,70 —
Битум 1,49 U6 . 7,74 16,88 10,39 —
Бумага, хлопок, хлопчатобумажные ткани 0,83 0,69 3,12 6,17 4,64 —
Бутав! 1,54 1,93 9,44 16,38 12,91 33,44
Бутилацетат Бутиловый спирт Водород Гексан . . 1,16 1.21 Г, 16 1,51 11,20 5,82 6,80 21,00 10,48 12.10 34,97 8,14 9,52 32,20 2,38
1„56 1.82 9,33 16,18 12,71 48,72
Глицерин 0,73 0,97 3,20 6,21 4.9 —•
Дизельное топливо (соляровое масло) 1,60 1,50 8,85 15,41 11,95 —
Диэтиловый эфир 1,21 1.5111 6,83 12,54 9,55
Древесина при влажности, равной, %:
№=10 0,84 0,74 3,28 6,351 4,86 —
№ = 20 0,74 0,75 2,9.3 5,73 4,42 —
№=30 0,65 0,78 2,56 5,10 3,99 —-
Капролактам 1,20 7,10 6,24 11,50 8,54
Продолжение таблицы 21
1 2 3 4 5 6 7
Каучук:
натуральный 1,50 1,35 7,91 13,79 10,76
синтетический СК-С 1.61 1J8 8,03 14,16 10,82 —
Керосин 1>61 1,70 8,98 15,74 12»29 —
Кинопленка:
нитроцеллюлозная 0,80 0,60 2,92 5,7И 4,43 —
триацетатная 0,01 0,64 3,42 6,58 4,97 —
Мазут 1,65 1,40 8,81 1'5,40 lil,86 —
Метан 1к40 2,80 10,52 18,15 14,72 10,52
Метиловый спирт 0,70 1,42 3,94 7,40 6,06 8,64
Нефть 1,57 1.57 8,72 15.25 11.86 —
Пентан 1.55 1,87 9,36 16,27 12,78 —
Полистирол . 1,72 0,86 8.10 14,15 10,68 —
Полипропилен 4,60 1.60 9,00 15,74 12,22 —
Полиэтилен 1,60 1,60 9,02 15,74 12,22 —
Пенополиуретан 1,06 0,79 4,69 8,58 6,55 —
Скипидар 1,65 1,32 8,66 15,1'1 1(1,63 —
Стирол 1.72 0,86 8,10 14,15 10,68 —
Толуол К86 1.06 9,02 15,00 11,94 —
Торф при влажности, равной, %:
№=10 0,98 0,67 4,01. 7,41 5,66 ——
№ = 20 0,87 0,711 3.56 6,74 5,14 —
№ = 30 0,76 0,74 3,12 5,99 4,62 —
Этиловый спирт 0.98 1,46 5,50 9,97 7,94 —•
Этиленгликоль . . 0,72 1,08 3,25 6,35 5,06 —*
Таблица 22
Концентрационные пределы воспламенения
Вещество Пределы воспламенения, объемные проценты
нижний верхний
1 2 3
Метав 5,00 15,00
Этан 3,22 12ь4'5
Пропан 2.37 9,50
Бутан 1,86 8,41
Изобутан 1.80 8,44
Изопентан 1,32 —-
Гексан 1,25 6,90
Гептан 1,00 6,00
Октан 0,95 —
Нонан 0,83 —
Декан 0,67 ——
Этилен 2,75 28,60
Пропилен 2,00 11,10
Бутилен 1,70 9,00
Амилен 1,60 —
Ацетилен 2,50 80,00
Бензол 1,41 6,75
Толуол 1.27 6,75
О-ксилол 1,00 6,00
Циклопропан . 2,40 ю/о
Циклогексан !„33 8,35
Метилциклогексан 1,15 —
Метиловый спирт 6,72 36.50
Этиловый спирт 3,28 18,95
Пропиловый спирт 2.55 —
Изопропиловый спирт .... 2,65 —
Бутиловый спирт 1,70 —
Изобутиловый спирт 1,68 •—
Амиловый спирт 1J9 —
Изоамиловый спирт 1.20'
17*
259
Продолжение таблицы 22
1 2 3
Ацетальдегид 3,97 —
Метнлэтиловый эфир 2,00 10,10
Этиловый эфир 1,85 36,50
Виниловый эфир 1,70 27,00
Ацетон 2,55 1.2,80
Мстилэтилкетон 1,81 9,50
Метилбутнлкетон 1,55 8,15
Метилформиат 5,05 22,70
Этилформиат 2,75 16,40
Метилацетат 3,15 15,60
Этилацетат 2,18 пло
Пропилацетат 2,05 —
Изопропилацетат 2,70 —
Бутилацетат 1,70 —
Амилацетат 1,10 —
Водород 4,00 74,20
Окись углерода 12,50 74,20
Аммиак 15,50 27,00
Окись этилена 3,00 80,00
Окись пропилена 2,00 22,00
Диоксан 1,97 22,25
Диэтил перекись 2,34 —
Сероуглерод 1,25 50,00
Сероводород 4,30 45,50
Сероокись углерода 111,90 28,50
Хлористый метил 8,25 18,70
Хлористый винил 4,00 21,70
Хлористый этил 4,00 1.4,80
Хлористый амил 1,40 —
Ацетилендихлорид (C2H2CI2) . 9,70 12,80
Этилендихлорид (C2H4CI2) 6,20 15,90
Бромистый метил 13,50 14,50
Бромистый этил 6,75 11,25
260
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Активные молекулы 20
Аэровзвеси (пыли)
горение 194, 198
Беспламенное горение (тление) 11
Блинова формула 147
Вещества
горючие 49, 50
легковоспламеняющиеся 50, 146
негорючие 49
трудновоспламеняющиеся 50
трудногорючие 49, 50
Воздух
избыток 33
состав 6
теоретическое количество 29
расчетные формулы 29, 30 4-32
Воспламенение 58
газов 89
жидкостей 108, 144
нагретой поверхностью 89
твердых веществ 108, 171
электрической искрой 100
Высота пламени 136, 137, 154, 165,
188
Гомотермический слон 157
Горение
беспламенное 11
газов 120
гетерогенное И, 175, 189
гомогенное 11
детонационное 10
дефлаграционное 10
диффузионное 12
жидкостей 144
кинетическое 12
ламинарное 13, 135
металлов 191
неполное 8, 34
твердых веществ 161
турбулентное 13, 139
пламенное 14
с позиций молекулярно-кинетиче-
ской теории газов 14
пылей 194
стационарное 123
Горючесть 48, 52
расчетное определение 51, 52, 57
экспериментальные методы 53
Диффузионное горение газов 135
Древесина 168
Дым 40
Жидкости
горючие 146, 147
легковоспламеняющиеся 146, 147
Задержка воспламенения 73, 88
Зажигание 58, 107, 208
Закон
Аррениуса 22, 65
Вант-Гоффа 21
Гесса 42, 57
действующих масс 22
Максвелла-Больцмана 19
Стефана-Больцмана 149
Индекс распространения пламени 55
Индукционный период 60, 73, 88
Источник зажигания 89, 173
Ингибитор 118, 130, 225
Кинетическое горение газов 120
Кислородный индекс КИ 55
261
Коварда-Джонса труба 124, 134
Концентрационные пределы воспла-
менения НО, 112
расчет 113
связь с предельными значениями
коэффициента избытка воздуха 34,
111
Коэффициент
избытка воздуха 33, 34
недожога 8, 9
степени черноты пламени 150
Критерий
Пекле 221
Рейнольдса 13
тушения 232, 233
Критический гасящий диаметр 220,
221, 222
Менделеева формула 7, 43
Металлы
горение 191
зажигание 191
Механизм горения
газов 125, 165
жидкостей 158, 165
твердых веществ 166, 177, 185
Нормальная скорость горения 124
зависимость от состава смеси 129
температуры 132
флегматизаторов 130
методы определения 132
численные значения 129, 217
Огнетушащие средства 219, 224
огнегасительные концентрации
119, 201
Оценка пожарной опасности 47
Объем окислительной среды на горе-
ние 28
Параметры пожарной опасности 51
Пиролиз древесины 168
Пламя
движущееся 1, 123
стационарное 123
сферическое 123
Пожар 4
Пожароопасные вещества 47
Порядок реакции 21
Пределы воспламенения 110
по давлению 115, 203
по концентрации 110, 199
262
температурные 205
по теплоте сгорания 113, 204
Предельные скорости распростране-
ния пламени 152, 203, 217
Предельные явления при горении 198
Прогрев жидкости вглубь 154, 157
Продукты горения 8, 34
объем 34
практический 35
расчетные формулы 35, 37, 38, 40
теоретический 38
состав 8, 35
Распространение горения (пламени)
по газам 123, 135
по жидкостям 149
по твердым веществам 175
Реакции цепные 62
Самовозгорание 85
Самовоспламенение 85
аэродисперсных систем 58, 208
тепловое 64
цепное 61
Скорость горения
видимая 124, 151
массовая 125, 153, 189, 190
нормальная 124, 125, 129, 152
Скорость распространения пламени
149, 190. 225
методы определения 132
Скорость химической реакции 20
Скорость выгорания
жидкостей 153, 158
твердых веществ 183
зависимости 158, 190
численные значения 158, 161, 190
Структура пламени
кинетического 121
диффузионного 135
Температура горения 9, 45
адибатическая 45, 216
калориметрическая 45
пожара 9
теоретическая 10,45
фактическая 10, 46
Температура воспламенения 146
Температура вспышки 146, 147
Температура самовоспламенения 70,
73
расчетное определение 81
экспериментальное определение
79
Температурные пределы воспламене-
ния 148, 205
Температура потухания 207, 215, 216,
218
Теория
искрового зажигания 100
молекулярно-кинетического
строения ПО
потухания 206, 225
распространения пламени 125
самовоспламенения 64
пепловая 64
цепная 61
Теплота горения 7, 42, 225
низшая 7, 42, 44
Термическое разложение 167
Тление 11, 188
Толщина фронта пламени 123
физическая 128
химическая 128
Токсичность продуктов горения 9, 41
Уравнение
Аррениуса 65
материального баланса 26, 28
теплового баланса 26, 27
теплопроводности 24, 216
Флегматизатор (нейтральный разба-
витель) 117, 130, 224
Фронт пламени 121, 122
Хемиионизация 122
Энергия активации 16, 18
Гиббса 57
зажигания НО
предельная НО, 202
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Материалы XXVI съезда КПСС. — М.: Политиздат, 1981.
2. Абд у рагимов И. М., Дрикер Г. Я. К вопросу об эффективности
ингибиторов при горении углеводородных топлив. — Физика горения и взры-
ва, 1969, № 2, с. 178—183.'
3. Абдурагимов И. М. Огнетушащие средства и способы их примене-
ния. Журнал ВХО им. Д. И. Менделеева, 1976, т. XXI, № 4, с. 3794-387.
4. Абдурагимов И. М. Критерий тушения пожаров охлаждающими
огнетушащими средствами. Журнал ВХО им. Д. И. Менделеева, 1982, т. XXVII,
с. 11 ч-17.
>5. Блинов В. И., Худяков Г. Н. Диффузионное горение жидкостей.—
М.: изд. АН СССР, 1961.
6. Вули с Л. А. Тепловой режим горения. — М.-Л.: Энергия, 1954.
7. Гей дон А. Г., Вольф гард X. Г. Пламя, его структура, излучение,
ионизация и температура. — М.: Металлургия, 1959.
8. Демидов П. Г. Горение и свойства горючих веществ. — М.: изд. МХХ
РСФСР. 1962.
9. Демидов П. Г., Саушев В. С. Горение и свойства горючих ве-
ществ. — М : изд. ВИПТШ МВД СССР, 1975.
10. Зельдович Я. Б. и др. Математическая теория горения. — М.: Нау-
ка, 1980.
И. Конев Э. В. Физические основы горения растительных материалов.
Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1977.
12. Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах. — М.: Мир,
1968.
13. Монахов В. Т. Методы исследования пожарной опасности веществ.—
М.: Химия, 1979.
14. Основы практической теории горения. Под ред. В. В. Померанцева. —
Л.: Энергия, 1973.
15. Розловский А. И. Основы техники взрывобезопасности при работе
с горючими газами и парами. — М.: Химия, 1980.
16. Соколик А. С. Самовоспламенение, пламя и детонация в газах. —
М.: изд. АН СССР, 1960.
17. Сполдинг Д. Б. Основы теории горения. — М.-Л.: Госэнергоиздат,
1959.
18. Справочное пособие по пожарной тактике. — М.: изд. ВИПТШ МВД
СССР, 1978.
19. Франк-Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в химиче-
ской кинетике. — М.: Химия, 1967.
20. Щетин ков Е. С. Физика горения газов. — М.: Наука, 1965.
265
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение..............................................................3
Раздел 1. Основы процессов горения................................... 5
Глава 1. Общие сведения о природе горения. Основные параметры про-
цессов горения, виды и режимы горения на пожаре ... 5
§ 1.1. Определение процесса горения как физического явления 5
§ 1.2. Описание процессов горения с позиций молекулярно-ки-
нетической теории газов.....................................14
Глава 2. Материальный и тепловой баланс процессов горения ... 25
§ 2.1. Уравнения материального и теплового баланса процесса
горения.............................................. 26
§ 2.2. Воздух, необходимый для горения веществ и материалов.
Избыток воздуха.............................................28
§ 2.3. Объем и состав продуктов горения веществ и материалов 34
§ 2.4. Теплота горения.....................................42
§ 2.5. Температура горения..................................45
Глава 3. Оценка горючести веществ и материалов.......................47
§ 3.1. Понятие пожарной опасности веществ и ее показатели 48
§ 3.2. Методы определения группы горючести..................52
Раздел II. Возникновение процесса горения............................58
Глава 4. Самовоспламенение и самовозгорание горючих систем . . .58
§ 4.1. Воспламенение как начало процесса горения и его значение 58
§ 4.2. Цепной механизм самовоспламенения реакционных смесей 61
§ 4.3. Тепловое самовоспламенение............................64
§ 4.4. Температура самовоспламенения.........................70
§ 4.5. Границы самовоспламенения.............................73
§ 4.6. Зависимость температуры самовоспламенения от химиче-
ского строения горючего вещества и действия катализа-
торов ......................................................75
§ 4.7. Методы определения температуры самовоспламенения . 78
§ 4.8. Расчет температуры самовоспламенения..................81
§ 4.9. Самовоспламенение аэродисперсных систем и твердых
горючих материалов..........................................84
§ 4.10. Самовозгорание веществ и материалов..................85
267
Глава 5. Вынужденное воспламенение горючей системы..................88
§ 5.1. Вынужденное воспламенение (зажигание) .... 88
§ 5.2. Зажигание от нагретой поверхности . . . . , . 89
§ 5.3. Зажигание электрической искрой......................100
§ 5.4. Концентрационные пределы воспламенения паро- и газо-
воздушных смесей............................................ПО
Раздел III. Распространение горения................................120
Глава 6. Горение газов.............................................120
§ 6.1. Кинетическое горение газов..........................120
§ 6.2. Диффузионное горение газов..........................135
§ 6.3. Распространение пламени в турбулентном потоке . . 139
Глава 7. Горение жидкостей.........................................144
§ 7.1. Воспламенение жидкости.............................144
§ 7.2. Распространение пламени по поверхности жидкости. Ана-
лиз влияния условий горения на скорость распростране-
ния пламени................................................149
§ 7.3. Выгорание жидкости. .Анализ влияния условий горения
на скорость выгорания......................................153
Глава 8. Горение твердых веществ...................................164
§ 8.1. Общие закономерности и отличительные особенности го-
рения веществ различного агрегатного состояния . .165
§ 8.2. Термическое разложение твердых материалов. Пиролиз
древесины..................................................168
§ 8.3. Воспламенение твердых веществ.......................171
§ 8.4. Механизм распространения пламени по поверхности
твердых веществ. Анализ влияния условий горения на
скорость распространения пламени...........................175
§ 8.5. Механизм выгорания твердых веществ. Анализ влияния
условий горения на скорость процесса ............... 183
§ 8.6. Горение металлов.................................. 191
§ 8.7. Горение пылевоздушных смесей.......................194
Раздел IV. Предотвращение и прекращение процессов горения . . 198
Глава 9. Предельные явления в горении и тепловая теория потухания
пламени......................................................' 198
§ 9.1. Предельные параметры процессов горения, их роль и зна-
чение в обеспечении пожарной безопасности .... 198
§ 9.2. Тепловая теория потухания..........................206
§ 9.3. Графическое изображение схемы реализации тепловой тео-
рии потухания пламени .................................... 208
Глава 10. Способы предотвращения процессов воспламенения и прекра-
щения горения.......................................• . . . 219
§ 10.1. Способы предотвращения воспламенения пожароопасных
веществ и материалов и локализации пожаров, основан-
ные на использовании предельных параметров горения . 219
§ 10.2. Способы прекращения процессов горения с помощью раз-
личных огнетушащих средств................................224
§ 10.3. Количественные закономерности прекращения процессов
горения при тушении некоторых пожаров охлаждающими
огнетушащими средствами...................................226
Приложение.........................................................236
Предметный указатель...............................................261
Рекомендуемая литература...........................................265
268
Иосиф Микаэлевич АБДУРАГИМОВ, Александр Сергеевич АНДРОСОВ,
Людмила Карловна ИСАЕВА, Евгений Валентинович КРЫЛОВ
ПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ
Учебное пособие
Редактор Симонов А. А. Корректор Классен Н. О.
Технический редактор Манукян И. Ю.
Л-18353 Подписано к печати 23 декабря 1983 г.
Формат бумаги бОхЭО1/^ Бумага типогр. № 1
Уч.-изд. л. 15,0 Цена 63 коп.
Тираж 2500 экз.
Печ. л. 17
Заказ 4609
Типография им. Воровского, Москва