Скорость распространения пламени нормальная скорость сгорания. Скорость распространения пламени

Горение -это интенсивные химические окислительные реакции, которые сопровождаются выделением тепла и свечением. Горение возникает при наличии горючего вещества, окислителя и источника воспламенения. В качестве окислителей в процессе горения могут выступать кислород, азотная кислота. В качестве горючего - многие органические соединения, сера, сероводород, колчедан, большинство металлов в свободном виде, оксид углерода, водород и т.д.

В условиях реального пожара окислителем в процессе горения обычно является кислород воздуха. Внешнее проявление горения-пламя, которое характеризуется свечением и выделением тепла. При горении систем, состоящих только из твердых или жидких фаз или их смесей, пламя может и не возникать, т. е. происходит беспламенное горение или тление.

В зависимости от агрегатного состояния исходного вещества и продуктов горения различают гомогенное горение, горение взрывчатых веществ, гетерогенное горение.

Гомогенное горение. При гомогенном горении исходные вещества и продукты горения находятся в одинаковом агрегатном состоянии. К этому типу относится горение газовых смесей (природного газа, водорода и т. п. с окислителем-обычно, кислородом воздуха)/

Горение взрывчатых веществ связано с переходом вещества из конденсированного состояния в газ.

Гетерогенное горение. При гетерогенном горении исходные вещества (например твердое или жидкое горючее и газообразный окислитель) находятся в разных агрегатных состояниях. Важнейшие технологические процессы гетерогенного горения-горение угля, металлов, сжигание жидких топлив в нефтяных топках, двигателях внутреннего сгорания, камерах сгорания ракетных двигателей.

Движение пламени по газовой смеси называется распространением пламени. В зависимости от скорости распространения пламени горения может быть дефлаграционным со скоростью несколько м/с, взрывным-скорость порядка десятков и сотен м/с и детонационным-тысячи м/с.

Дефлаграционное горение подразделяется на ламинарное и турбулентное.

Ламинарному горению присуща нормальная скорость распространения пламени.

Нормальной скоростью распространения пламени, называется скорость перемещения фронта пламени относительно несгоревшего газа, в направлении, перпендикулярном к его поверхности.

Температура относительно слабо увеличивает нормальную скорость распространения пламени, инертные примеси уменьшают ее, а повышение давления ведет либо к повышению, либо к снижению скорости.

В ламинарном газовом потоке скорости газов малы. Скорость горения в этом случае зависит от скорости образования горючей смеси. В турбулентном пламени завихрение газовых струй улучшает перемешивание реагирующих газов, так как увеличивается поверхность, через которую происходит молекулярная диффузия.

Показатели пожаро-взрывоопасности газов. Их характеристика и область применения

Пожароопасность технологических процессов в значительной степени определяется физико-химическими свойствами обращающихся в производстве сырья, промежуточных и конечных продуктов.

Показатели пожаро- и взрывоопасности используются при категорировании помещений и зданий, при разработке систем для обеспечения пожарной безопасности и взрывобезопасности.

Газы-вещества, абсолютное давление паров которых при температуре 50 °С равно или более 300 кПа или критическая температура которых менее 50 °С.

Для газов применимы след.показатели:

Группа горючести -показатель, который применим для всех агрегатных состояний.

Горючесть-способность вещества или материала к горению. По горючести вещества и материалы подразделяются на три группы.

Негорючие (несгораемые)-вещества и материалы, неспособные к горению на воздухе. Негорючие вещества могут быть пожароопасными (например, окислители, а также вещества, выделяющие горючие продукты при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом).

Трудногорючие (трудносгораемые) -вещества и материалы, способные возгораться в воздухе от источника зажигания, но не способные самостоятельно гореть после его удаления.

Горючие (сгораемые) -вещества и материалы, способные самовозгораться, а также возгораться от источника зажигания и самостоятельно гореть после его удаления. Из группы горючих веществ и материалов выделяют легковоспламеняющиеся вещества и материалы.

Легковоспламеняющимися называют горючие вещества и материалы, способные воспламеняться от кратковременного (до 30 с) воздействия источника зажигания с низкой энергией (пламя спички, искра, тлеющая сигарета и т. п.).

Горючесть газов определяют косвенно: газ, имеющий концентрационные пределы воспламенения в воздухе, относят к горючим; если газ не имеет концентрационных пределов вопламенения, но самовоспламеняется при определенной темпе ратуре, его относят к трудногорючим; при отсутствии концентрационных пределов воспламенения и температуры самовоспламенения газ относят к негорючим.

На практике группу горючести используют для подразделения материалов по горючести, при установлении классов взрывоопасных и пожароопасных зон по ПУЭ, при определении категории помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности, при разработке мероприятий для обеспечения пожаро- и взрывобезопасности оборудования и помещений.

Температура самовоспламенения - самая низкая температура вещества, при которой в условиях специальных испытаний происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, заканчивающихся пламенным горением.

Концентрационные пределы распространения пламени (воспламенения) - тот интервал концентраций, в котором возможно горение смесей горючих паров и газов с воздухом или кислородом.

Нижний (верхний) концентрационный предел распространения пламени - минимальное (максимальное) содержание горючего в смеси горючее вещество-окислительная среда» при котором возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания. Внутри этих пределов смесь горюча, а вне их-смесь гореть неспособна.

Температурные пределы распространения пламени (воспламенения)-такие температуры вещества, при которых его насыщенные пары образуют в конкретной окислительной среде концентрации, равные соответственно нижнему (нижний температурный предел) и верхнему (верхний температурный предел) концентрационным пределам распространения пламени.

Способность взрываться и гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха и другими веществами - качественный показатель,который характеризует особую пожарную опасность некоторых веществ. Это свойство веществ применяют при определении категории производств, а также при выборе безопасных условий проведения технологических процессов и условий совместного хранения и транспортирования веществ и материалов.

При адиабатическом, т.е. не сопровождающемся тепловыми потерями сгорании, весь запас химической энергии горючей системы переходит в тепловую энергию продуктов реакции. Температура продуктов адиабатического сгорания не зависит от скорости реакций, протекающих в пламени, а лишь от их суммарного теплового эффекта и теплоемкостей конечных продуктов. Эта величина называется адиабатической температурой горения Т г. Она является важной характеристикой горючей среды. У большинства горючих смесей величина Т г лежит в пределах 1500 ÷ 3000°К. Очевидно, что Т г – максимальная температура продуктов реакции в отсутствие внешнего подогрева. Фактическая температура продуктов сгорания может быть только меньше Т г в случае возникновения тепловых потерь.

Согласно тепловой теории горения, разработанной советскими уче­ными Я. Б. Зельдовичем и Д. А. Франк-Каменецким, распространение пламени происходит путем передачи тепла от продуктов горения к несгоревшей (све­жей) смеси. Распределение температур в газовой смеси с учетом тепловыде­ления от химической реакции и теплопроводности показано на рис. 6.1:

Рис. 6.1. Распределение температур в газовой смеси

Фронт пламени, т.е. зона, в которой происходит реакция горения и ин­тенсивный саморазогрев сгорающего газа, начинается при температуре само­воспламенения Т св и заканчивается при температуре Т г.

Перед распространяющимся вправо фронтом пламени находится свежая смесь, а сзади – продукты горения. Считается, что в зоне подогрева реакция протекает настолько медленно, что выделением тепла пренебрегают.

Процесс теплопередачи при стационарном распространении пламени не приводит к потерям тепла и понижению температуры по сравнению с Т г непосредственно за фронтом пламени. Теплоотвод из каждого сгорающего слоя газа при поджигании соседнего, еще не нагретого, скомпенсирована аналогичным количеством тепла, ранее полученным в поджигающем слое при его собственном поджигании. Дополнительное тепло начального поджигающего импульса заметно не искажает стационарного режима горения, так как его роль все более уменьшается по мере увеличения количества сгоревшего газа.

Продукты сгорания теряют тепло только в результате излучения и при соприкосновении с твердой поверхностью. Если излучение незначительно, такое сгорание оказывается практически адиабатическим. Заметные тепловые потери возможны лишь на определенном расстоянии за фронтом пламени.

Таким образом, инициирование горения газовой смеси в одной точке приводит к нагреву близлежащего слоя, который разогревается путем тепло­проводности от продуктов реакции до самовоспламенения. Сгорание этого слоя влечет за собой воспламенение следующего и т.д. до полного выгорания горючей смеси. Отводимое из зоны реакции в свежую смесь тепло полностью компенсируется выделением тепла реакции, и возникает устойчивый фронт пламени. В результате послойного сгорания фронт пламени перемещается по смеси, обеспечивая распространение пламени.

Если свежая смесь движется навстречу фронту пламени со скоростью, равной скорости распространения пламени, то пламя будет неподвижным (стационарным).

К свежей смеси от единицы поверхности пламени в единицу времени путем теплопроводности подводится количество тепла:

(6.7)

где – коэффициент теплопроводности; – ширина фронта пламени.

Это тепло расходуется на нагрев свежей смеси от начальной температуры до температуры горения :

где с – удельная теплоемкость; – плотность смеси.

С учетом уравнений (6.7) и (6.8) при U пл =υ г скорость распространения пла­мени определяется соотношением:

, (6.9)

где – коэффициент температуропроводности.

Поскольку скорость горения очень сильно зависит от температуры, сгорание основной массы газа происходит в зоне, температура которой близка к

Скорость химической реакции определяется уравнением:

(6.10)
Тогда скорость распространения пламени:

(6.11)

где b – показатель, зависящий от свойств смеси.

Таким образом, пламя не сможет распространяться по горючей смеси, если его температура будет ниже теоретической температуры горения на ве­личину .

Максимальная скорость распространения пламени наблюдается не при стехиометрическом соотношении горючего и окислителя в смеси, а при избытке горючего. При предварительном подогреве смеси значительно увеличивается скорость распространения пламени в реальных условиях, так как она пропорциональна квадрату начальной температуры смеси.

Нормальная скорость распространения пламени - скорость перемещения фронта пламени относительно несгоревшего газа в направлении, перпендикулярном к его поверхности.

Значение нормальной скорости распространения пламени следует применять в расчетах скорости нарастания давления взрыва газо- и паровоздушных смесей в закрытом, негерметичном оборудовании и помещениях, критического (гасящего) диаметра при разработке и создании огнепреградителей, площади легко сбрасываемых конструкций, предохранительных мембран и других разгерметизирующих устройств; при разработке мероприятий по обеспечению пожаровзрывобезопасности технологических процессов в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.004 и ГОСТ 12.1.010.

Сущность метода определения нормальной скорости.распространения пламени заключается в приготовлении горючей смеси известного состава внутри реакционного сосуда, зажигании смеси в центре точечным источником, регистрации изменения во времени давления в сосуде и обработке экспериментальной зависимости “давление-время” с использованием математической модели процесса горения газа в замкнутом сосуде и процедуры оптимизации. Математическая модель позволяет получить расчетную зависимость “давление-время”, оптимизация которой по аналогичной экспериментальной зависимости дает в результате изменение нормальной скорости в процессе развития взрыва для конкретного испытания.

Нормальной скоростью горения называют скорость распространения фронта пламени по отношению к несгоревшим реагентам. Скорость горения зависит от ряда физико-химических свойств реагентов, в частности теплопроводности и скорости химической реакции, и имеет вполне определенное значение для каждого горючего (при постоянных условиях горения). В табл. 1 приведены скорости горения (и пределы воспламенения) некоторых газообразных смесей. Концентрации горючего в смесях определены при 25°С и нормальном атмосферном давлении. Пределы воспламенения за отмеченными исключениями получены при распространении пламени в трубе диаметром 0,05 м, закрытой с обеих сторон. Коэффициенты избытка горючего определены как отношение объемных содержаний горючего в реальной смеси к стехиометрической смеси (j1) и к смеси при максимальной скорости горения (j2).

Таблица 1

Скорости горения конденсированных смесей (неорганический окислитель + магний)

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ТГиВ 20.05.01.070000.000 ПЗ

41,6
1,60 28,8 74,9 2,48 39,4 KNO3 37,6 0,74 12,5 75,5 1,30 20,0 Ca(NO3)2 42,6 0,46 73,1 1,00 Ba(NO3)2 31,8 0,34 62,8 0,74 Sr(NO3)2 36,5 0,32 6,4 65,4 0,72 12,3 Pb(NO3)2 26,8 0,26 60,2 0,70 NaClO4 44,3 0,24 78,0 0,96 КСlO4 41,3 0,23 4,2 77,1 0,68 10,9 NH4ClO4 29,2 0,22 3,6 79,3 0,42 6,5

Как видно, при горении воздушных газовых смесей при атмоферном давлении u mах лежит в пределах 0,40-0,55 м/с, а – в пределах 0,3-0,6 кг/(м2-с). Лишь для некоторых низкомолкулярных непредельных соединений и водорода u mах лежит в пределах 0,8-3,0 м/с, а достигает 1–2 кг/ (м2с). По увеличению и mах исследованные горючие в смесях с воздухом можно

расположить в следующий ряд: бензин и жидкие ракетные топлива – парафины и ароматические соединения – оксид углерода – циклогексан и циклопропан – этилен – оксид пропилена – оксид этилена – ацетилен – водород.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ТГиВ 20.05.01.070000.000 ПЗ

Влияние структуры молекулы горючего на скорость горения удалось проследить для низкомолекулярных углеводородов с прямой цепью. Скорость горения растет с увеличением степени непредельности в молекуле: алканы – алкены – алкадиены – алкины. С ростом длины цепи этот эффект уменьшается, но все же скорость горения воздушных смесей для н-гексена примерно на 25% выше, чем для н-гексана.

Линейная скорость горения кислородных смесей значительно выше, чем воздушных (для водорода и оксида углерода – в 2-3 раза, а для метана – больше чем на порядок). Массовая скорость горения изученных кислородных смесей (кроме смеси СО + O2) лежит в пределах 3,7-11,6 кг/(м2 с).

В табл. 1 приведены (по данным Η. А. Силина и Д. И. Постовского) скорости горения уплотненных смесей нитратов и перхлоратов с магнием. Для приготовления смесей использовали порошкообразные компоненты с размерами частиц нитратов 150-250 мкм, перхлоратов 200-250 мкм и магния 75-105 мкм. Смесью заполняли картонные оболочки диаметром 24-46 мм до коэффициента уплотнения 0,86. Образцы сгорали на воздухе при нормальных давлении и начальной температуре.

Из сопоставления данных табл. 1 и 1.25 следует, что конденсированные смеси превосходят газовые смеси по массовой и уступают им по линейной скорости горения . Скорость горения смесей с перхлоратами меньше скорости горения смесей с нитратами, а смеси с нитратами щелочных металлов горят с более высокой скоростью, чем смеси с нитратами щелочноземельных металлов.

Таблица 2

Пределы воспламенения и скорости горения смесей с воздухом (I ) и кислородом (II) при нормальном давлении и комнатной температуре

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ТГиВ 20.05.01.070000.000 ПЗ

1,06 0,39 0,35-0,52 3,7-5,1 0,38-0,45 4,15 Этан 0,0564 0,50 2,72 1,12 0,46 Пропан 0,0402 0,51 2,83 1,14 0,45 0,57 0,41 Бутан 0,0312 0,54 3,30 1,13 0,44 0,54 н-Пентан 0,0255 0,54 3,59 1,15 0,44 н-Гексан 0,0216 0,51 4,00 1,17 0,45 н-Гептан 0,0187 0,53 4,50 1,22 0,45 Циклопропан 0,0444 0,58* 2,76* 1,13 0,55 Циклогексан 0,0227 0,48 4,01 1,17 0,45 Этилен 0,0652 0,41 <6,1 1,15 0,79 0,88 0,72-0,89 7,61 6,45 Пропилен 0,0444 0,48 2,72 1,14 0,50 Бутен-1 0,0337 0,53 3,53 1,16 0,50 Ацетилен 0,0772 0,39* 1,33 1,63 1,86 1,65-1,73 11,6 Бутин-1 0,0366 1,20 0,67 Бензол 0,0271 0,43 3,36 1,08 0,47 0,61 4,6 0,6 4,6 Толуол 0,0277 0,43 3,22 1,05 0,40 Гетралин C10H12 0,0158 1,01 0,38 Оксид этилена 0,0772 1,25 1,05 1,13 1,12 Оксид пропилена 0,0497

Изм.

Методы расчета скорости выгорания жидкостей

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ТГиВ 20.05.01.070000.000 ПЗ

Если известны параметры состояния исследуемой жидкости, входящие в формулы (14) - (23), то в зависимости от имеющихся данных скорость выгорания (m ) в любом режиме горения можно вычислить, не проводя экспериментальных исследований, по формулам:

; (16)

где M - безразмерная скорость выгорания;

; (17)

M F - молекулярная масса жидкости, кг·моль -1 ;

d - характерный размер зеркала горящей жидкости, м. Определяется как корень квадратный из площади поверхности горения; если площадь горения имеет форму окружности, то характерный размер равен ее диаметру. При расчете скорости турбулентного горения можно принять d = 10 м;

Т к - температура кипения жидкости, К.

Порядок расчета следующий.

Определяют режим горения по величине критерия Галилея Ga , вычисляемого по формуле

где g - ускорение свободного падения, м·с -2 .

В зависимости от режима горения вычисляют безразмерную скорость выгорания М . Для ламинарного режима горения:

Для переходного режима горения:

е сли , то , (20)

если , то , (21)

Для турбулентного режима горения:

; , (22)

M 0 - молекулярная масса кислорода, кг·моль -1 ;

n 0 - стехиометрический коэффициент кислорода в реакции горения;

n F - стехиометрический коэффициент жидкости в реакции горения.

B - безразмерный параметр, характеризующий интенсивность массопереноса, вычисляемый по формуле

, (23)

где Q - низшая теплота сгорания жидкости, кДж·кг -1 ;

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ТГиВ 20.05.01.070000.000 ПЗ

- безразмерное значение массы кислорода, необходимого для сгорания 1 кг жидкости;

c - изобарная теплоемкость продуктов горения (принимается равной теплоемкости воздуха c = 1), кДж·кг -1 ·К -1 ;

T 0 - температура окружающей среды, принимаемая равной 293 К;

H - теплота парообразования жидкости при температуре кипения, кДж·кг -1 ;

c e - средняя изобарная теплоемкость жидкости в интервале от T 0 до T к.

Если известны кинематическая вязкость пара или молекулярная масса и температура кипения исследуемой жидкости, то скорость турбулентного горения вычисляют с использованием экспериментальных данных по формуле

где m i - экспериментальное значение скорости выгорания в переходном режиме горения, кг·м --2 ·с -1 ;

d i - диаметр горелки, в которой получено значение m i , м. Рекомендуется использовать горелку диаметром 30 мм. Если в горелке диаметром 30 мм наблюдается ламинарный режим горения, следует применять горелку большего диаметра.

1) Влажность материала.

2) Влияние ориентации образца в пространстве.

При отрицательных углах наклона (направление движение пламени сверху вниз) скорость распространения пламени или не изменяется или же слабо уменьшается. При увеличении положительного угла наклона (направление движения пламени снизу вверх) свыше 10-15 0 скорость распространения пламени резко возрастает.

3) Влияние скорости и направления воздушных потоков.

С увеличением скорости попутного ветра улучшается газообмен, уменьшается угол наклона пламени к образцу. Скорость распространения возрастает.

Поток воздуха, направленный против направления движения пламени, оказывает двоякое влияние на скорость распространения пламени.

В результате аэродинамического торможения и охлаждения прогретых участков поверхности перед фронтом пламени скорость распространения пламени снижается. С другой стороны, поток воздуха интенсифицирует смешение продуктов пиролиза с окислителем, быстрее происходит образование гомогенной горючей смеси, носик пламени приближается к поверхности твердого материала, что, в свою очередь, приводит к дальнейшему увеличению интенсивности, и это ускоряет распространение пламени.

4) Влияние геометрических размеров образца.

Различают термически толстые и термически тонкие образцы.

Термическая толщина - это толщина слоя твердого материала, прогретого перед фронтом пламени выше начальной температуры к моменту распространения пламени на данный участок поверхности.

5) Влияние материала подложки.

Если горючий материал соприкасается с материалом (подложкой), теплофизические свойства которого отличаются от воздуха, то это также будет влиять на скорость распространения пламени (наклеенная бумага, изоляция проводов и т.п.). Если l подл > l гор. мат. , то тепло будет интенсивно отводиться от образца, и скорость распространения будет меньше, чем в случае отсутствия подложки.

6) Влияние содержания кислорода в окружающей среде.

С увеличением содержания кислорода в окружающей среде скорость распространения пламени увеличивается.

7. Влияние начальной температуры образца.

Для древесины увеличение начальной температуры до 230–250 о С (температурная область пиролиза) приводит к резкому увеличению u л.

Выгорание твердых материалов

Одновременно с распространением пламени по поверхности материала начинается процесс его выгорания. Закономерности выгорания твердых материалов существенно зависят от характера превращения твердой фазы в газообразные продукты.

Если разложение твердой фазы протекает в узком приповерхностном слое без образования углистого слоя, то в этом случае горение протекает с постоянной скоростью. На поверхности твердой фазы после воспламенения устанавливается постоянная температура, равная температуре кипения или возгонки вещества.

Механизм горения твердых веществ, протекающий с образованием углистого остатка на поверхности горения, более сложен. Так горят практически все вещества растительного происхождения, некоторые пластмассы, содержащие в своем составе негорючие или трудногорючие наполнители (тальк, сажу и т.п.). К наиболее распространенным горючим веществам растительного происхождения такого типа относится древесина. В момент воспламенения за счет теплового потока от зоны пламени температура поверхностного слоя древесины быстро возрастает до 450-500 о С. Происходит интенсивное разложение веществ с образованием летучих продуктов и древесного угля, при этом температура на поверхности повышается до 600 о С.

По глубине горящей древесины имеют место области с различными физическими и физико-химическими характеристиками. Условно их можно разделить на 4 зоны:

I - древесный уголь, состоящий на 99% из углерода;

II - древесина с различной степенью пиролизованности;

III - непиролизованная, сухая древесина;

IV - исходная древесина.

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, снижает скорость прогрева и пиролиза еще не разложившихся слоев древесины, и скорость пламенного горения постепенно снижается. Пламенное горение древесины прекращается при снижении массовой скорости выделения летучих до 5 г/(м 2 ·с). Толщина слоя угля при этом достигает 15-20 мм.

Прекращение пламенного горения древесины открывает доступ кислорода воздуха к нагретому до температуры 650-700 о С углю. Начинается второй этап горения древесины - гетерогенное окисление углистого слоя в основном по реакции С + О 2 ® СО 2 + 33000 кДж/кг, температура углистого слоя возрастает до 800 о С, и процесс гетерогенного горения угля еще более интенсифицируется.

Реальная картина перехода гомогенного горения в гетерогенное несколько отличается от приведенной.

Основным количественным параметром, характеризующим процесс выгорания твердых материалов, является массовая скорость выгорания, которая представляет собой один из параметров, обусловливающих динамику пожара.

Приведенная массовая скорость выгорания представляет собой количество вещества, выгорающего в единицу времени с единицы площади пожара.

Горение металлов

По характеру горения металлы делятся на две группы: летучие и нелетучие.

Летучие металлы имеют Т пл < 1000 К, Т кип < 1500 К. К ним относятся щелочные металлы (литий, натрий, калий и др.) и щелочноземельные (магний, кальций).

Нелетучие металлы имеют Т пл >1000 К, Т кип >2500 К. Механизм горения во многом определяется свойствами оксида металла. Т пл летучих металлов ниже Т пл их оксидов. При этом последние представляют собой достаточно пористые образования.

При поднесении ИЗ к поверхности металла происходит его испарение и окисление. При достижении концентрации паров, равной нижнему концентрационному пределу воспламенения, происходит их воспламенение. Зона диффузионного горения устанавливается у поверхности, большая доля тепла передается металлу и он нагревается до Т кип. Образующиеся пары, свободно диффундируя через пористую оксидную пленку, поступают в зону горения. Кипение металла вызывает периодическое разрушение оксидной пленки, что интенсифицирует горение. Продукты горения (оксиды металлов) диффундируют не только к поверхности металла, способствуя образованию корки оксида, но и в окружающее пространство, где, конденсируясь, образуют твердые частички в виде белого дыма. Образование белого плотного дыма является визуальным признаком горения летучих металлов.

У нелетучих металлов, обладающих высокими температурами фазового перехода, при горении на поверхности образуется весьма плотная оксидная пленка, которая хорошо сцепляется с поверхностью металла. В результате этого скорость диффузии паров металла через пленку резко снижается и крупные частицы, например, 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 плотной оксидсидной пленки на поверхности металла приводит к взрыву частицы. Это явление, особенно часто наблюдающееся при движении частицы в высокотемпературной окислительной среде, связывают с накоплением паров металлов под оксидной пленкой с последующим внезапным ее разрывом. Это, естественно, приводит к резкой интенсификации горения.

Горение пылей

Пыль - это дисперсная система, состоящая из газообразной дисперсионной среды (воздух и т.д.) и твердой дисперсной фазы (мука, сахар, древесина, уголь и т.д.).

Факторы, влияющие на скорость распространения пламени по пылевоздушным смесям:

1) Концентрация пыли.

Как и в случае горения гомогенной газовоздушной смеси, максимальная скорость распространения пламени имеет место для смесей несколько выше стехиометрического состава. Для торфяной пыли это 1,0-1,5 кг/м 3 .

2) Зольность.

При увеличении зольности уменьшается концентрация горючего компонента и, соответственно, уменьшается скорость распространения пламени.

С уменьшением содержания кислорода скорость распространения пламени снижается.

Классификация пылей по взрывопожарной опасности.

По взрывопожарной опасности пыли делятся на классы:

I класс - наиболее взрывоопасная - j н до 15 г/м 3 ;

II класс - взрывоопасная - 15 г/м 3 < j н < 65 г/м 3 ;

III класс - наиболее пожароопасная - j н > 65 г/м 3 ; Т св до 250 о С;

IV класс - пожароопасная - j н > 65 г/м 3 ; Т св > 250 о С.

ДИНАМИКА РАЗВИТИЯ ПОЖАРА

Под динамикой пожара понимают совокупность законов и закономерностей, описывающих изменение основных параметров пожара во времени и пространстве. О характере пожара можно судить по совокупности большого количества его параметров: по площади пожара, по температуре пожара, скорости его распространения, интенсивности тепловыделения, интенсивности газообмена, интенсивности задымления и т. д.

Параметров пожара так много, что на одних видах пожаров одни из них являются основными, а на других - вторичными. Все зависит от того, какие цели поставлены в исследование того или иного вида пожара.

В качестве основных параметров, изменяющихся во времени, для изучения динамики пожара принимаем площадь пожара, температуру пожара, интенсивность газообмена и задымления, скорость распространения пожара. Эти параметры пожара наиболее доступны измерению, анализу, расчетам. Они служат исходными данными для определения вида необходимой техники и расчета сил и средств при тушении пожаров, проектировании автоматических систем пожаротушения и т. п.

С момента возникновения пожара, при свободном его развитии, до полного его прекращения пожар в помещении можно разделить на фазы.

Фазы пожара

I. Фаза загорания.

Пламя возникает от постороннего источника зажигания на небольшом участке и медленно распространяется. Вокруг зоны горения образуется конвективный газовый поток, который обеспечивает необходимый газообмен. Поверхность горючего материала прогревается, размер факела увеличивается, увеличивается газообмен, растет лучистый тепловой поток, который поступает в окружающее пространство и на поверхность горючего материала. Продолжительность фазы загорания колеблется от 1 до 3 мин.

II. Фаза начала пожара.

Температура среды в помещении медленно растет. Весь предыдущий процесс повторяется, но уже с большей интенсивностью. Продолжительность второго этапа примерно 5-10 мин.

III. Фаза объемного развития пожара - бурный процесс нарастания всех перечисленных параметров. Температура в помещении достигает 250 -300°С. Начинается «объемная» фаза развития пожара и фаза объемного распространения пожара. При температуре газовой среды в помещении 300°С происходит разрушение остекления. Догорание при этом может происходить и за пределами помещения (огонь вырывается из проемов наружу). Скачком изменяется интенсивность газообмена: она резко возрастает, интенсифицируется процесс оттока горячих продуктов горения и приток свежего воздуха в зону горения.

IV.Фаза пожара .

На данной фазе температура в помещении может кратковременно снизиться. Но в соответствии с изменением условий газообмена резко возрастают такие параметры пожара, как полнота сгорания, скорость выгорания и распространения процесса горения. Соответственно резко возрастает и общее тепловыделение на пожаре. Температура, несколько снизившаяся в момент разрушения остекления из-за притока холодного воздуха, резко возрастает, достигая 500 - 600 °С. Процесс развития пожара бурно интенсифицируется. Увеличивается численное значение всех ранее упомянутых параметров пожара. Площадь пожара, среднеобъемная температура в помещении (800-900 °С), интенсивность выгорания пожарной нагрузки и степень задымления достигают максимума.

V. Фаза стационарного горения.

Параметры пожара стабилизируются. Это обычно наступает на 20-25 мин пожара и, в зависимости от величины пожарной нагрузки, может длиться 20-30 мин.

VI. Фаза затухания.

Интенсивность горения постепенно снижается, т.к. основная часть пожарной нагрузки уже выгорела. В помещении накопилось большое количество продуктов горения. Среднеобъемная концентрация кислорода в помещении снизилась до 16-17 %, а концентрация продуктов горения, препятствующих интенсивному горению, возросла до предельного значения. Интенсивность лучистого переноса тепла к горючему материалу уменьшилась из-за снижения температуры в зоне горения. Из-за повышения оптической плотности среды интенсивность горения медленно снижается, что ведет к снижению всех остальных параметров пожара. Площадь пожара не сокращается: она может расти или стабилизироваться.

VII. Фаза догорания.

Для этой заключительной фазы пожара характерно медленное тление, после чего через некоторое, иногда достаточно продолжительное, время горение прекращается.

Основные параметры пожара

Рассмотрим количественно некоторые основные параметры пожара, определяющие динамику его развития. Определим интенсивность тепловыделения на пожаре, так как это один из основных параметров процесса горения:

Q=βQ р н V м ’Sп, (кДж/с)

где β и Q р н - постоянные (коэффициент недожога и низшая теплота сгорания пожарной нагрузки);

V м ¢ - приведенная массовая скорость выгорания;

S п – площадь пожара;

V м ¢ и S п зависят от времени развития пожара, темпераыура пожара, интенсивности газообмена и др.

Приведенную массовую скорость выгорания V м ¢ определяем по формуле:

v м ¢ = (а×Т п +b×I г) v м o ¢

где а, b - эмпирические коэффициенты;

v м o ¢ - приведенная массовая скорость выгорания пожарной нагрузки для данного вида горючего материала;

Т п - среднее значение температуры пожара;

I г - интенсивность газообмена.

Зависимость площади пожара от основных параметров его развития имеет вид:

S п = k (v р ∙ τ) n

где к и n – коэффициенты, зависящие от геометрической формы площади пожара;

v р – линейная скорость распространения пожара;

τ – время его свободного развития.

k = π; n = 2 k = ; n = 2 k = 2а; n = 1

k = ; n = 2 k = 2а; n = 1

Линейная скорость распространения пожара зависит от вида горючей нагрузки, средней температуры пожара и интенсивности газообмена:

v p = (а 1 T п + b 1 I г)v po

где а 1 и b 1 - эмпирические коэффициенты, устанавливающие зависимость линейной скорости распространения пожара от средней температуры и интенсивности газообмена, численное значение которых определяется опытным путем для каждого конкретного вида горючего;

v р o - линейная скорость распространения горения для данного вида горючего.

По мере развития пожара температура пожара и интенсивность газообмена будут расти, увеличивая линейную скорость распространения горения и приведенную массовую скорость выгорания.

Тепловой режим на пожаре

Возникновение и скорость протекания тепловых процессов зависят от интенсивности тепловыделения в зоне горения, т.е. от теплоты пожара. Количественной характеристикой изменения тепловыделения на пожаре в зависимости от различных условий горения служит температурный режим. Под температурным режимом пожара понимают изменение температуры во времени. Определение температуры пожара как экспериментальным, так и расчетным методами чрезвычайно сложно. Для инженерных расчетов при решении ряда практических задач температуру пожара определяют из уравнения теплового баланса. Баланс тепла на пожаре составляется не только для определения температуры пожара, но и для выявления количественного распределения тепловой энергии. В общем случае тепловой баланс пожара для данного момента времени может быть представлен следующим образом:

Q п = Q пг +Q к +Q л

где Q п - тепло, выделяющееся на пожаре, кДж;

Q пг - тепло, содержащееся в продуктах горения, кДж;

Q к - тепло, передаваемое из зоны горения конвекцией воздуху, омывающему зону, но не участвующему в горении, кДж;

Q л – тепло, передаваемое из зоны горения излучением.

Для открытых пожаров установлено, что доля тепла, передаваемого из зоны горения излучением и конвекцией, составляет 40-50% от Q п. Оставшаяся доля тепла (60-70% от Q п) идет на нагрев продуктов горения. Таким образом, 60-70% от теоретической температуры горения данного горючего материала дадут приближенное значение температуры пламени. Температура открытых пожаров зависит от теплотворной способности горючих материалов, скорости их выгорания и метеорологических условий. В среднем максимальная температура открытого пожара для горючих газов составляет 1200 - 1350°С, для жидкостей – 1100 - 1300°С и для твердых горючих материалов органического происхождения – 1100 - 1250°С.

При внутреннем пожаре на температуру влияет больше факторов: природа горючего материала, величина пожарной нагрузки и ее расположение, площадь горения, размеры здания (площадь пола, высота помещения и т.д.) и интенсивность газообмена (размеры и расположение проемов). Рассмотрим подробнее влияние перечисленных факторов.

Пожар можно разделить на три характерных периода по изменению температуры: начальный, основной и заключительный.

Начальный период - характеризуется сравнительно невысокой среднеобъемной температурой.

Основной период - в течение его сгорает 70-80 % общей нагрузки горючих материалов. Окончание этого периода происходит, когда среднеобъемная температура достигает наибольшего значения или уменьшается не более чем до 80% от максимального значения.

Заключительный период - характеризуется убыванием температуры вследствие выгорания пожарной нагрузки.

Рис 9.1. Изменение температуры внутреннего пожара во времени: 1 - кривая конкретного пожара; 2 - стандартная кривая

Поскольку скорость роста и абсолютное значение температуры пожара в каждом конкретном случае имеют свои характерные значения и особенности, введено понятие стандартной температурной кривой (рис. 21.2), обобщающей наиболее характерные особенности изменения температуры внутренних пожаров. Стандартная температура описывается уравнением.

Распространение зоны химических превращений в открытой горючей системе

Горение начинается с воспламенения горючей смеси в локальном объёме горючей системы, затем распространяется в направлении движущейся смеси. Горящая зона, в которой осуществляются видимые наблюдателю окислительно-восстановительные химические реакции, называется пламенем. Поверхность, разделяющая пламя и ещё негорящую смесь, служит фронтом пламени. Характер распространения пламени зависит от многих процессов, но определяющим служит процесс нагрева горючей смеси. В зависимости от способа нагрева горючей смеси до температуры воспламенения различают нормальное, турбулентное и детонационное распространение пламени.

Нормальное распространение пламени наблюдается при горении в горючей системе с ламинарно движущейся смесью. При нормальном распространении пламени тепловая энергия от горящего слоя к холодному передаётся преимущественно теплопроводностью, а также молекулярной диффузией. Теплопроводность в газах отличается малой интенсивностью, поэтому скорость нормального распространения пламени невысока.

При турбулентном движении горючей смеси перенос тепловой энергии от горящего слоя к холодному происходит преимущественно молярной диффузией, а также теплопроводностью. Молярный перенос пропорционален масштабу турбулентности, который определяется скоростью движения смеси. Скорость турбулентного распространения пламени зависит от свойств смеси и от газодинамики потока.

Распространение пламени в горючей смеси от зоны горения к холодным слоям посредством молекулярных и молярных процессов называется дефлаграционным.

Физико-химические процессы горения сопровождаются повышением температуры и давления в пламени. В горючих системах при определённых условиях могут возникнуть зоны повышенного давления, способные осуществлять сжатие соседних слоёв, нагревая их до состояния воспламенения. Распространение пламени посредством быстрого сжатия холодной смеси до температуры воспламенения называется детонационным и всегда носит взрывной характер.

В горючих системах может возникнуть вибрационное горение, при котором фронт пламени перемещается со скоростью, изменяющейся как по величине, так и по направлению.

Скорость распространения фронта горения в ламинарно движущейся или неподвижной смеси называют нормальной или фундаментальной скоростью распространения пламени. Численное значение нормальной скорости определяют по скорости ещё не воспламенившейся смеси, нормально направленной к фронту горения.

Значение u н для плоского фронта горения можно определить из условия динамического равновесия между скоростью нагрева смеси теплопроводностью до температуры воспламенения и скоростью химической реакции. В результате получена следующая формула

где l – коэффициент теплопроводности газовой смеси, с р – коэффициент теплоёмкости смеси при постоянном давлении, Т нач – начальная температура смеси, Т а – адиабатическая температура горения, Arr – критерий Аррениуса, k 0 – коэффициент закона Аррениуса.

Нормальную скорость можно определить экспериментально по скорости перемещения фронта в трубке с неподвижной смесью или по высоте конуса горения в горелке Бунзена. Горелка Бунзена – это лабораторная горелка с частичным предварительным смешением газа и воздуха. На выходе из горелки образуется пламя с фронтом горения в виде конуса правильной формы (рис.).

Рис.7. Фронт горения в горелке Бунзена

При стабильном положении фронта горения скорость распространения пламени u н уравновешена нормальной к поверхности конуса горения составляющей W н скорости движения газовоздушной смеси W, т.е.

где j – угол между вектором скорости движения газовоздушной смеси и вектором её нормальной к поверхности конуса горения составляющей.

Значение скорости движения газовоздушной смеси на срезе сопла при конусе горения правильной формы определяется по формуле

где d 0 – диаметр сопла горелки, V – расход газовоздушной смеси через горелку.

Значение cos j можно выразить через высоту конуса горения

С учётом того, что поверхность горения – это боковая поверхность правильного конуса

значение нормальной скорости определяется

На величину нормальной скорости распространения пламени влияют:

1. Начальная температура смеси. При низких температурах u н прямо пропорциональна квадрату абсолютной температуры поступающей на горение смеси. При температуре, превышающей температуру воспламенения, понятие нормальной скорости теряет смысл, так как смесь становится способной к самовоспламенению.

2. Температура стенок канала при условии что пламя распространяется внутри этого канала. Холодные стенки обрывают цепные реакции и тормозят распространение пламени.

3. Диаметр канала. Для каждой горючей смеси существует критическое значение диаметра d кр, начиная с которого распространение пламени внутри канала невозможно. Значение критического диаметра можно определить по формуле

где а см – коэффициент температуропроводности смеси.

4. Давление. При увеличении давления u н уменьшается.

5. Состав смеси. Для смеси с составом, близким к стехиометрическому нормальная скорость имеет максимальное значение. Кроме того, существуют нижний и верхний по концентрации горючего пределы, вне которых пламя распространяться не может.