Пожар представляет собой неконтролируемое горение, развивающееся во времени и пространстве, опасное для людей и наносящее материальный ущерб.
Опасными для людей факторами пожара являются открытый огонь, искры, повышенная температура, токсичные продукты горения, дым, уменьшение содержания кислорода, обрушения зданий или установок.
Горение - быстро протекающая физико-химическая реакция, сопровождающаяся выделением теплоты и дыма, появлением пламени или тлением. В обычных условиях горение представляет собой процесс окисления или соединения горючего вещества с кислородом воздуха. Однако некоторые вещества (например сжатый ацетилен, хлористый азот, озон) могут взрываться и без кислорода с образованием теплоты и пламени. Следовательно, горение может явиться результатом реакций не только соединения, но и разложения. Известно также, что водород и многие металлы могут гореть в, атмосфере хлора, медь - в парах серы, магний - в двуокиси-углерода и т. д.
Наиболее опасно горение, возникающее при окислении горючего вещества кислородом воздуха. При этом необходимо наличие источника зажигания, способного сообщить горючей системе необходимое количество энергии. Наиболее распространенными источниками зажигания являются: искры, появляющиеся при неисправности электрооборудования, ударе металлических тел, сварке, кузнечных работах; теплота, возникающая в результате трения; технологические нагревательные устройства; аппараты огневого действия; теплота адиабатического сжатия; искровые разрядц статического электричества; перегрев электрических контактов; химические реакции, протекающие с выделением теплоты.
Температура нагрева этих источников различна. Так, искра, возникающая при ударе металлических тел, может иметь температуру до 1900°С, пламя спички около. 800°С, ведущий барабан ленточного конвейера при пробуксовке - до 600°С, а в накале электрического разряда температура доходит до 10 000°С, при этом почти мгновенно завершаются химические реакции.
Горение может быть полным и неполным. При полном горении, протекающем при избытке кислорода, продуктами реакции являются диоксид углерода, вода, азот, сернистый ангидрид. Неполное горение происходит при недостатке кислорода, продуктами горения в этом случае являются ядовитые и горючие вещества - оксид углерода, спирты, кетоны, альдегиды и др. Для полного сгорания горючего вещества необходимо определенное количество воздуха: 1 кг древесины - 4,18, торфа - 5,8, пропана - 23,8 м3.
Процесс горения можно представить себе следующим образом. Холодная горючая среда при введении теплового импульса разогревается, происходит интенсивное окисление горючей среды кислородом и дополнительное выделение теплоты. Это, в свою очередь, приводит к разогреву соседнего слоя горючего вещества, в котором также протекает интенсивная химическая реакция. При таком послойном сгорании горючего вещества происходит перемещение зоны горения; скорость этого перемещения определяет интенсивность процесса горения и является его важнейшей характеристикой. Процесс послойного разогрева, окисления и сгорания продолжается до тех пор, пока не исчерпается весь объем горючего вещества.
Узкую зону, в которой подогревается вещество и протекает химическая реакция, называют фронтом пламени.
Горючие системы могут быть химически однородными и неоднородными. Химически однородные системы - это смеси горючих газов, паров или пылей с воздухом, в которых равномерно перемешаны горючее вещество и воздух. Горение таких систем называется гомогенным. В химически неоднородных системах горючее вещество и воздух не перемешаны и имеют границу раздела. Это чаще всего твердые горючие материалы и их горение называют гетерогенным.
Полное время сгорания горючей смеси тг складывается из времени, необходимого для возникновения контакта между горючим веществом и кислородом τ к, и времени, в течение которого происходит сама химическая, реакция окисления τ x

В зависимости от соотношения этих двух слагаемых различают горение диффузионное и кинетическое. При горении твердых горючих веществ время, необходимое для проникновения (диффузии) кислорода к поверхности вещества, гораздо больше времени химической реакции, поэтому общая скорость горения полностью определяется скоростью диффузии кислорода к горючему веществу. Горение таких веществ наиболее часто встречается на пожарах и называется диффузионным. Горение, скорость которого определяется скоростью химической реакции, называют кинетическим. Этот вид горения характерен для однородных горючих систем.
Различают калориметрическую, теоретическую и действительную температуру горения.
Калориметрической температурой горения называют температуру, до которой нагреваются продукты полного сгорания, если вся выделившаяся теплота расходуется па их нагревание, количество воздуха равно теоретически необходимому, происходит полное сгорание веществ и начальная температура равна 0°С. Потери теплоты при этом принимают равными нулю. Если начальная температура горючего вещества и воздуха равна 0°С, то калориметрическая температура горения

где Qн - низшая теплота сгорания горючего вещества, ккал/кг; V - объем продуктов сгорания, м3/кг; с - средняя объемная теплоемкость продуктов сгорания, ккал/м3·град.
Следовательно, калориметрическая температура горения зависит только от свойств горючего вещества и не зависит от его количества. Теоретическая температура горения учитывает потери теплоты при горении на диссоциацию. Калориметрическая температура горения является наибольшей для горючего вещества и применяется для качественной оценки. В действительности при горении всегда имеются потери теплоты на излучение, нагрев избыточного воздуха и окружающей среды.
Действительная температура горения - это температура пожара. Различают температуру внутреннего и наружного пожара. Температура наружного пожара - температура пламени, а внутреннего - температура дыма в помещении. Действительные температуры, развивающиеся при пожаре, вследствие потерь теплоты в окружающую среду, нагревания продуктов сгорания и конструкций
всегда меньше теоретических на 30...50%. Например, теоретическая температура горения бензина 1730°С, а действительная 1400°С.
Смесь горючих паров и газов с окислителем способна гореть только при определенном содержании в ней горючего.
Наименьшую концентрацию горючего газа, при которой уже возможно горение, называют нижним концентрационным пределом воспламенения (НКПВ). Наибольшую концентрацию, при которой еще возможно горение, называют верхним концентрационным пределом воспламенения (ВКПВ). Область концентраций, лежащую внутри этих границ, называют областью воспламенения. Воспламенение - это возгорание (начало горения), сопровождающееся появлением пламени. Это устойчивое длительное горение, не прекращающееся и после удаления источника зажигания. Значения нижнего и верхнего пределов воспламенения зависят от свойств газа, пара и пыли воздушных смесей, содержания в горючей смеси инертных компонентов. Добавление в горючую смесь инертных газов сужает область воспламенения и в конце концов делает ее негорючей. Значительно сужают пределы воспламенения некоторые примеси, замедляющие реакции горения. Наиболее активными из них являются галоидированные углеводороды. Оба отмеченных свойства используют для прекращения горения. Понижение давления смеси ниже атмосферного также сужает область воспламенения, и при определенном давлении смесь становится негорючей. Увеличение давления горючей смеси расширяет область воспламенения, но, как правило, незначительно. Повышение температуры горючей смеси расширяет область воспламенения. На концентрационные пределы воспламенения влияет также мощность источника зажигания.
Различают не только концентрационные, но и температурные пределы воспламенения.
Температурными пределами воспламенения паров в воздухе называются такие температуры горючего вещества, при которых его насыщенные пары образуют концентрации, соответствующие нижнему или верхнему концентрационному пределу воспламенения. Температурой воспламенения называют ту наименьшую температуру, при которой вещество загорается или начинает тлеть и продолжает гореть или тлеть после удаления источника воспламенения. Температура воспламенения характеризует способность вещества к самостоятельному горению. Если температура воспламенения у вещества отсутствует, то его относят к трудногорючим или негорючим.
Ускорение реакции окисления под действием температуры приводит к самовоспламенению. В отличие от процесса возгорания, при котором загорается только ограниченная часть объема - поверхность, самовоспламенение происходит во всем объеме вещества. Под температурой самовоспламенения понимают наинизшую температуру, до которой надо нагреть вещество, чтобы в результате дальнейшего самоокисления оно воспламенилось. Самовоспламенение возможно только в том случае, если количество теплоты, выделяемое в процессе окисления, превысит отдачу теплоты в окружающую среду.
Температура самовоспламенения не является постоянной для вещества, так как она в значительной степени зависит от условий ее определения. Для получения сравнительных данных испытательная аппаратура и методика определения температуры самовоспламенения газов и паров стандартизована (ГОСТ 13920-68). Определяемую стандартным методом наименьшую температуру, до которой должна быть равномерно нагрета смесь газов и паров с воздухом для того, чтобы она воспламенилась без внесения в нее внешнего источника зажигания, называют стандартной температурой самовоспламенения.
Разновидность самовоспламенения - самовозгорание, т. е. горение в результате самонагревания без воздействия источника зажигания. Различие между самовоспламенением и самовозгоранием заключается в величине температуры. Самовозгорание происходит при температуре окружающего воздуха, а для самовоспламенения необходимо нагреть вещество извне.

Горением называется физико-химический процесс, сопровождающийся выделением теплоты и излучением света. Горением может быть всякая экзотермическая химическая реакция как соединения веществ, так и их разложения. Например, взрыв ацетилена - это реакция его разложения.

Для процесса горения необходимы определенные условия: горючее вещество, способное самостоятельно гореть после удаления источника зажигания, воздух (кислород), а также источник воспламенения, обладающий определенной температурой и достаточным запасом теплоты. Если одно из этих условий отсутствует, процесса горения не будет.

Горючее вещество может находиться в любом агрегатном состоянии (твердом, жидком, газообразном). Источником воспламенения может быть пламя, искра, накаленное тело и теплота, выделяющаяся в результате химической реакции, при механической работе, от электрической дуги между проводниками и т. д.

После возникновения горения постоянным источником воспламенения является зона горения, т. е. область, где происходит реакция с выделением теплоты и света. Горение возможно при определенном количественном соотношении горючего вещества и окислителя. Например, при пламенном горении веществ в воздухе зоны горения концентрация кислорода должна быть не ниже 16-18%.Горение прекращается при снижении содержания кислорода в воздухе ниже 10%. Однако тление может происходить и при содержании в воздухе 3% кислорода.

Исключением являются вещества в основном взрывчатые, горение которых происходит благодаря окислителям, входящим в их состав. Молекулы таких веществ, как хлораты, нитраты, хроматы, окиси, перекиси и другие, содержат свободные атомы кислорода. При нагревании, а иногда и при соприкосновении с водой эти вещества выделяют кислород, который поддерживает горение.

Взрыв - это частный случай горения, при котором мгновенно выделяется большое количество теплоты и света. Образующиеся при этом газы, быстро расширяясь, создают огромное давление на окружающую среду, в которой возникает сферическая воздушная волна, движущаяся с большой скоростью. При определенных условиях опасность взрыва могут представлять смеси газов, паров и пыли с воздухом. Условия для возникновения взрыва - это наличие определенной концентрации газо-, пыле- или паровоздушной смеси и импульса (пламя, искра, удар), способного нагреть смесь до температуры самовоспламенения.

Горение - это сложный химический процесс, который может протекать не только при окислении веществ кислородом, но и при соединении их с многими другими веществами. Например, фосфор, водород, измельченное железо (опилки) горят в хлоре, карбиды щелочных металлов воспламеняются в атмосфере хлора и двуокиси углерода, медь горит в парах серы и т. д.

Разные по химическому составу вещества горят неодинаково. Например, воспламеняющиеся жидкости выделяют теплоту в 3-10 раз быстрее, чем дерево, поэтому обладают высокой пожароопасностью. Независимо от первоначального агрегатного состояния большинство горючих веществ при нагревании переходит в газообразную фазу и, смешиваясь с кислородом воздуха, образует горючую среду. Этот! процесс называется пиролизом. При горении веществ выделяются углекислый газ, окись углерода и дым. Дым представляет собой смесь мельчайших твердых частиц веществ - продуктов горения (угля, золы). Углекислый газ, или углекислота, является инертным газом. При значительной концентрации его в помещении (8-10% по объему) человек теряет сознание и может умереть от удушья. Окись углерода - бесцветный газ без запаха, обладающий сильным отравляющим свойством. При объемной доле окиси углерода в воздухе помещения от 1 % и выше почти мгновенно наступает смерть.

Пожароопасные свойства горючих веществ определяются рядом характерных показателей.

Вспышка - это быстрое сгорание смеси паров вещества с воздухом при поднесении к ней открытого огня. Самая низкая температура горючего вещества, при которой над его поверхностью образуются пары или газы, способные вспыхивать в воздухе от внешнего источника зажигания, называется температурой вспышки. Температура вспышки, определяемая в условиях специальных испытаний, является показателем, ориентировочно определяющим тепловой режим, при котором горючее вещество становится опасным.

Воспламенением называют горение, возникающее под воздействием источника зажигания и сопровождающееся появлением пламени. Температура горючего вещества, при которой после воспламенения возникает устойчивое горение, называется температурой воспламенения.

Самовоспламенением называют возгорание вещества без подведения к нему источника зажигания, сопровождающееся появлением пламени. Самая низкая температура, при которой начинается этот процесс, т. е. когда медленное окисление переходит в горение, называется температурой самовоспламенения. Эта температура значительно выше температуры воспламенения вещества.

Способность некоторых веществ, называемых пирофорными (растительные продукты, уголь, сажа, промасленная ветошь, различные предметы судового снабжения и т. д.), самовозгораться при тепловых, химических или микробиологических процессах учитывается при разработке пожарно-профилактических мероприятий.

Физико-химические свойства всех опасных веществ, способных самовозгораться при смешивании одного с другим, при контакте вещества с другими активными веществами, и другие сведения изложены в Правилах морской перевозки опасных грузов (МОПОГ), которые используются в морской практике. При перевозке опасных грузов все члены экипажа инструктируются по соблюдению мер предосторожности при обращении: с конкретными перевозимыми веществами.

Интенсивность горения зависит и от физического состояния вещества. Измельченные и распыленные вещества горят более интенсивно, чем массивные или плотные.

Промышленная пыль представляет значительную пожарную опасность. Она имеет большую площадь поверхности и электроемкость, поэтому обладает свойством приобретать заряды статического электричества в результате движения, трения и ударов пылинок одна о другую, а также о частицы воздуха. Поэтому при обработке сыпучих грузов необходимо принимать противопожарные меры согласно инструкциям.

По степени возгораемости все вещества и материалы разделяются на четыре категории: несгораемые, трудновозгораемые, трудновоспламеняемые (самозатухающие) и сгораемые.

Воспламеняющиеся жидкости условно подразделяются на три разряда в зависимости от температуры вспышки, определяемой в условиях специальных лабораторных испытаний: I - имеющие температуру вспышки паров ниже + 23°С; II - имеющие тем-лературу вспышки паров в диапазоне от +23 до +60°С; III - имеющие температуру вспышки паров выше +60°С.

Воспламеняющиеся жидкие грузы подразделяются на легко воспламеняющиеся жидкости (ЛВЖ) и горючие жидкости (ГЖ).

Легко воспламеняющиеся жидкости в свою очередь разделяются на три категории в зависимости от температуры вспышки и пожароопасности: особо опасные, постоянно опасные, опасные при повышенной температуре воздуха.

Упрощённо под горением понимают быстропротекающий экзотермический процесс окисления веществ кислородом воздуха с выделением значительного количества тепла и излучением света.

Горение представляет собой сложный физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, а также разложения некоторых веществ, характеризующийся самоускоряющимся превращением с выделением большого количества тепла и излучением света. Обычно в качестве окислителя в этом процессе участвует кислород воздуха с концентрацией 21 об. % . Для возникновения и развития процесса горения необходимы горючее вещество, окислитель и источник воспламенения, инициирующий определённую скорость химической реакции между горючим и окислителем.

Горение, как правило, происходит в газовой фазе, поэтому горючие вещества, находящиеся в конденсированном состоянии (жидкости и твёрдые вещества), для возникновения и поддержания горения должны подвергаться газификации (испарению, разложению). Горение отличается многообразием видов и особенностей, обусловливаемых процессами тепломассообмена, газодинамическими факторами, кинетикой химических реакций и другими факторами, а также обратной связью между внешними условиями и характером развития процесса.

2.4.2.1. Классификация процессов горения.

Горение может быть гомогенным и гетерогенным в зависимости от агрегатного состояния горючих веществ и окислителя.

Гомогенное горение протекает в том случае, когда реагирующие компоненты горючей смеси имеют одинаковое агрегатное состояние. Гомогенное горение может быть кинетическим и диффузионным в зависимости от условий смесеобразования горючих компонентов и от соотношения скоростей химических реакций и смесеобразования. Тот или иной режим горения реализуется, например, при пожаре, в зависимости от того, какая из стадий процесса горения является лимитирующей: скорость смесеобразования или скорость химических реакций.

Кинетическим является горение предварительно перемешанных газо- или паровоздушных смесей (лимитирующая стадия процесса – скорость химических реакций), которое часто имеет взрывной характер (если смесь образуется в замкнутом пространстве), т.к. выделяющаяся при этом энергия не успевает отводиться за пределы этого пространства. Кинетическое горение может быть и спокойным, если горючая смесь предварительно создается в малом, незамкнутом пространстве с непрерывной подачей горючего в зону горения.

Диффузионный режим горения реализуется при создании горючей смеси непосредственно в зоне горения, когда окислитель поступает в неё за счет процессов диффузии, например, при гетерогенном горении.

Гетерогенное горение осуществляется при различных агрегатных состояниях горючего вещества и окислителя. В гетерогенном горении важную роль играет интенсивность потока паров, образующихся из конденсированных горючих веществ (жидкости, твёрдые вещества) в реакционную зону.

С газодинамических позиций горение может быть ламинарным и турбулентным .

Ламинарный режим процесса горения осуществляется в том случае, когда компоненты горючей смеси поступают в зону реакции при малых значениях критерия Рейнольдса (0 < R e < 200), т.е. в основном за счёт молекулярной диффузии. Процесс характеризуется малыми скоростями газовыхпотоков горючего и окислителя и послойным распространением реакционной зоны (фронта пламени) в пространстве. Скорость горения в этом случае зависит от скорости образования горючей смеси.

Турбулентный режим процесса реализуется тогда, когда компоненты горючей смеси поступают в зону реакции при больших значениях критерия Рейнольдса (230 < R e < 10000). Горение в этом режиме происходит при увеличении скорости газовыхпотоков , когда нарушается ламинарность их движения. В турбулентном режиме горения завихрение газовых струй улучшает перемешивание реагирующих компонентов, при этом увеличивается площадь поверхности, через которую происходит молекулярная диффузия, результатом чего является увеличение скорости распространения пламени в пространстве.

По скорости распространения пламени в пространстве горение делится на:

– дефлаграционное (скорость распространения пламени несколько м/с );

– взрывное (скорость распространения пламени десятки и сотни м/с , но не более скорости распространения звука в воздухе (344 м/с ));

– детонационное (скорость распространения пламени больше скорости звука в воздухе).

В зависимости от глубины протекания химических реакций горение может быть полным и неполным .

При полном горении реакция протекает до конца, т.е. до образования веществ, неспособных далее взаимодействовать друг с другом, с горючим и окислителем (исходное соотношение горючего вещества и окислителя при этом называется стехиометрическим ). В качестве примера рассмотрим полное горение метана, протекающее по реакции

CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O + Q

Где Q – теплота, выделяющаяся в результате протекания экзотермической реакции, Дж .

При полном горении углеводородов продуктами реакции являются углекислый газ и вода, т. е. нетоксичные и негорючие вещества. Полное горение может реализоваться как при стехиометрическом соотношении горючего и окислителя, так и при избытке окислителя по отношению к его стехиометрическому содержанию в горючей смеси.

Неполное горение характеризуется незавершённостью химической реакции, т.е. продукты реакции при наличии окислителя могут далее взаимодействовать с ним. Происходит неполное горение при недостаточном (по сравнению со стехиометрическим) содержании окислителя в горючей смеси. В результате неполного горения, например, углеводородов, происходит образование токсичных и горючих компонентов таких, как CO , H 2 , бензпирен, С (сажа), органические смолы и др., всего около 300 химических соединений и элементов.

При прочих равных условиях при полном горении развиваются более высокие температуры, нежели при неполном.

2.4.2.2. Основные механизмы процессов горения.

Горение сопровождается выделением тепла и излучением света и возникает в условиях прогрессивного самоускорения процесса, связанного с накоплением в системе тепла (тепловое горение ) или катализирующих активных промежуточных продуктов реакции (цепное горение ).

Тепловое горение возможно при экзотермической реакции, скорость которой быстро возрастает под влиянием накапливающегося в системе тепла, приводящего к повышению температуры. При достижении температуры, при которой приход тепла от реакции превышает тепловые потери в окружающую среду, происходит саморазогрев системы, заканчивающийся самовоспламенением горючей смеси. В этих условиях наблюдается спонтанное развитие реакции, сопровождаемой нагревом образующихся продуктов до такой температуры, при которой они начинают излучать свет (более 900 °С ). К тепловому горению относятся процессы и с участием кислорода воздуха, и без него (разложение взрывчатых веществ, озона, ацетилена, пероксидов (например, Н 2 О 2), взаимодействие некоторых металлов с галогенами, серой и др.).

Цепное горение возможно только при реакциях, для которых основой воспламенения или взрыва является цепной процесс. Последний сопровождается образованием неустойчивых промежуточных продуктов реакции, регенерирующих активные центры (атомы и молекулы, имеющие свободные химические связи), которые ускоряют процесс. Накопление достаточного количества активных центров способствует переходу цепного процесса в тепловой и возрастанию температуры смеси до точки её самовоспламенения. Возникают такие активные центры в результате повышения скорости теплового колебательного движения молекул, а приумножаются за счёт разветвления цепей. На начальных стадиях реакций, протекающих по цепному механизму, химическая энергия реагирующих веществ переходит в основном в образование новых активных центров. Процесс изменения концентрации активных центров описывается уравнением:

где n – число активных центров в зоне реакции;

τ – время;

w 0 – скорость зарождения активных центров;

φ – константа, характеризующая разность скоростей разветвления и обрыва цепей.

С позиций молекулярно-кинетической теории (МКТ) строения материи химические реакции горения происходят в результате взаимодействия молекул горючего и окислителя. Силы молекулярного взаимодействия между двумя компонентами горючей смеси проявляются на очень малом расстоянии, а с увеличением последнего резко убывают. Поэтому взаимодействие между молекулами горючего и окислителя возможно лишь при полном их сближении, которое можно рассматривать как соударение. Следовательно, химической реакции между горючим и окислителем должны предшествовать смешение компонентов и физический акт упругого соударения молекул.

Число соударений молекул газа в единице объёма легко рассчитывается. Так, например, для стехиометрической смеси водорода и кислорода (2Н 2 + О 2) при температуре 288 К и атмосферном давлении (~ 101325 Па ) число соударений за 1 с в 1 см 3 достигает 8,3·10 28 . Если бы все эти соударения приводили к химической реакции, то вся смесь прореагировала бы очень быстро. Практика же показывает, что в этих условиях реакция горения не протекает вообще, т.к. все эти соударения не приводят к химическому взаимодействию.

Для того чтобы химическая реакция произошла, реагирующие молекулы должны находиться в возбуждённом состоянии. Такое возбуждение может быть химическим, когда атомы молекул обладают одной или двумя свободными валентностями (такие молекулы называются радикалами и обозначаются, например, СН 3 , ОН , СН 2 и т.п.) и физическим когда в результате медленного нагревания молекулы приобретают кинетическую энергию выше критического значения.

Молекулы, обладающие необходимым запасом энергии для разрыва или ослабления существующих связей, называются активными центрами химической реакции.

Разность между средними уровнями запаса энергии молекул в активном состоянии и находящихся в нормальном, т.е. неактивном, невозбуждённом состоянии, называется энергией активации (Е а ). Чем выше численное значение энергии активации, тем труднее заставить данную пару реагентов вступить в химическую реакцию и наоборот. Поэтому энергия активации является как бы косвенным показателем степени пожарной опасности горючих веществ.

Оценить величину энергии активации можно по формуле:

где Е а – энергия активации, Дж ;

k – постоянная Больцмана, равная 1,38·10 –23 Дж/К ;

Т – абсолютная температура, К .

Характер протекания основного химического процесса горения зависит от ряда физических процессов:

– передвижения реагирующих веществ и продуктов реакции (процессы диффузии);

– выделения и распространения тепла (процессы теплопередачи);

– аэро- и гидродинамических условий, обеспечивающих перенос тепла и вещества (процессы конвекции).

Необходимость учёта этих факторов значительно усложняет изучение и теоретическое описание процессов горения.

Горение твёрдых веществ, не образующих при нагревании газовой (паровой) фазы, является гетерогенным и протекает на поверхности раздела фаз, поэтому наряду с рассмотренными выше факторами, влияющими на характер процесса, исключительно важную роль играют размеры и природа поверхности твёрдой фазы (это особенно важно для аэрозолей).

2.4.2.3. Импульсы воспламенения.

Для возникновения горения кроме горючего вещества и окислителя необходим начальный энергетический импульс (чаще всегос выделением тепла), который вызывает воспламенение небольшого объёма горючей смеси, после чего горение распространяется по всему пространству, в котором она распределена.

Импульс воспламенения может возникнуть при протекании физических, химических и микробиологических процессов, способствующих образованию тепла. В зависимости от характера этих процессов импульсы соответственно и подразделяются на физические , химические , и микробиологические.

Так как при воздействии на систему физического импульса выделяется тепло, не являющееся результатом химического процесса, то этот импульс рассматривается как тепловой. Действие теплового импульса, вызывающего нагревание системы, может быть:

– контактным – передача тепла осуществляется за счёт соприкосновения горючей смеси с его источником;

– радиационным – передача тепла горючей смеси происходит электромагнитным излучением от источника нагрева;

– конвекционным – передача тепла горючей системе происходит веществом (воздухом или иным газом, находящимся в движении);

– гидравлическим (динамическим) – образование тепла за счёт быстрого уменьшения объёма газовой смеси, сопровождающегося повышением давления последней.

Основными источниками теплового импульса являются:

– открытое пламя (температура ~ 1500 °С );

– нагретые поверхности (температура > 900 °С );

– механические искры (температура ~ 1200 °С )

– электрические искры (температура до 6000 °С ).

При химическом и микробиологическом импульсах накопление тепла в системе происходит за счёт химической реакции, физико-химического процесса (например, адсорбции) и жизнедеятельности микроорганизмов, для которых горючее вещество является пищей.

2.4.2.4. Скорость реакций горения.

Скорость процесса горения в общем виде определяется по уравнению:

где а , b – концентрации реагирующих компонентов;

τ – время,

где m, n – концентрации продуктов горения.

Повышение скорости горения сопровождается увеличением количества тепла, поступающего в систему в единицу времени, и, как следствие, ростом температуры горения.

2.4.2.5. Температура горения.

При горении не всё выделенное тепло тратится на повышение температуры реакционной смеси, т. к. часть его расходуется в виде потерь на:

– химический и физический недожог, учитываемый коэффициентом недожога (β );

– электромагнитное излучение пламени, зависящее от температуры излучающего тела, его агрегатного состояния и химической природы. Эта зависимость определяется коэффициентом черноты излучающего тела(ε ) и длиной волны электромагнитного излучения;

– кондуктивно-конвективные потери.

Исходя из этого, в процессах горения различают 3 основных вида температур:

– калориметрическую;

– теоретическую (расчётную);

– фактическую.

Калориметрическая температура достигается в том случае, когда всё тепло, выделившееся в процессе горения, расходуется на нагрев продуктов горения, например, при горении бензола – 2533 К , бензина – 2315 К , водорода – 2503 К , природного газа – 2293 К .

Теоретическая (расчётная) температура определяется с учётом потерь тепла на диссоциацию продуктов горения. Значительная диссоциация продуктов горения углеводородных горючих веществ начинается при температуре > 2000 К . Такие высокие температуры при пожарах в производственных условиях практически не встречаются, поэтому потери тепла на диссоциацию в этих случаях, как правило, не учитываются.

Фактическая температура горения определяется с учётом потерь тепла в окружающую среду и практически для всех горючих веществ составляет ~ 1300 – 1700 К .

Физико-химические основы процессов горения и взрывов. Условия возникновения и виды горения

Горение - сложное быстропротекающее химическое превращение, сопровождающееся выделением значительного количества тепла и (обычно) свечением.

В большинстве случаев горение представляет собой экзотермическое окислительное взаимодействие горючего вещества с окислителем. Согласно современным представлениям, к горению относят не только процессы взаимодействия веществ с кислородом (кислородом воздуха), но и разложение взрывчатых веществ, соединение ряда веществ с хлором и фтором, оксидов натрия и бария с диоксидом углерода и т. д.

Для расчета объема воздуха, необходимого для сгорания одной массовой или объемной единицы вещества, объема продуктов сгорания, температуры горения составляют уравнения реакций горения веществ.

При этом принимают, что воздух состоит из 21% кислорода и 79% азота (0,9% аргона, содержащегося в воздухе, в расчет не принимают, так как он не участвует в процессе горения), т. е. на один объем кислорода в воздухе приходится 79/21 = 3,76 объема азота, или на каждую молекулу кислорода приходится 3,76 молекулы азота. Тогда состав воздуха можно выразить следующим образом: О2 + 3,76N2.

Химическая реакция горения всегда является сложной, т. е. состоит из ряда элементарных химических превращений. Например, горение простейшего горючего - водорода - протекает в более чем двадцать элементарных стадий. Кроме того, химическое превращение при горении происходит одновременно с физическими процессами: переносом тепла и массы. Поэтому скорость горения всегда определяется как условиями тепло- и массопередачи, так и скоростью протекания химических превращений.

В некоторых случаях, например при гетерогенном горении на поверхности твердого вещества, скорость горения целиком определяется скоростью физических процессов испарения и диффузии.

Ведущая роль в создании и развитии современной теории горения принадлежит ученым Н.Н. Семенову, В.Н. Кондратьеву, Я.Б. Зельдовичу, Д.А. Франк-Каменецкому, В.В. Воеводскому.

Условия возникновения и виды горения

Все разнообразие процессов горения может быть сведено к двум основным явлениям: возникновению и распространению пламени. Появлению пламени всегда предшествует процесс прогрессирующего самоускорсния реакции, вызванный изменением внешних условий: появлением в горючей среде источника зажигания, нагревом смеси горючего с окислителем до некоторой критической температуры стенками аппарата или в результате адиабатического сжатия и т. д.

Общая схема возникновения пламени показана на рис. 9.1. Зажигание горючей смеси инициируется внешним источником зажигания (электрической или фрикционной искрой, высоконагретой поверхностью, открытым пламенем). Если ограничиться рассмотрением зажигания газовой смеси искрой, то процесс зажигания может быть представлен в следующем виде.

Температура в канале электрической искры достигает 10000 °С. В этой зоне происходит термическая диссоциация и ионизация молекул, что приводит к интенсивному протеканию химических реакций. Однако, вызвав горение в зоне разряда, искра может не вызвать дальнейшего распространения пламени по смеси. Горючую смесь может зажечь только такая искра, в канале которой выделяется энергия, достаточная для обеспечения условий распространения пламени на весь объем смеси.

В модели зажигания, предложенной Я.Б. Зельдовичем, действие искрового разряда приравнено к действию точечного теплового источника, который в момент времени т = 0 выделяет Q кДж тепла.

За счет этого тепла он нагревает вокруг себя до достаточно высокой температуры сферический объем газа радиусом г. За счет теплообмена с окружающим газом температура первоначального объема будет понижаться. Критические условия зажигания искровым разрядом газовой смеси характеризуются следующим выражением:

, 9.1

где r - радиус начального ядра пламени; бпл - ширина фронта ламинарного пламени.

Рис. 9.1. Схема процессов самовоспламенения и зажигания

При выполнении условия (9.1) близлежащие слои горючей смеси успевают воспламениться прежде, чем нагретый искрой объем остынет.

Если для процесса зажигания решающими факторами являются температура источника зажигания и величина первоначально нагретого объема, то для процесса самовоспламенения основное значение имеют условия концентрации тепла. Процесс самовоспламенения будет рассмотрен далее.

При горении химически неоднородных горючих систем, т. е. систем, в которых горючее вещество и воздух не перемешаны и имеют поверхности раздела (твердые материалы и жидкости; струи паров и газов, поступающие в воздух), время диффузии кислорода к горючему веществу несоизмеримо больше времени, необходимого для протекания химической реакции. В этом случае процесс протекает в диффузионной области. Такое горение называют диффузионным. Все пожары представляют собой диффузионное горение.

Если время физической стадии процесса оказывается несоизмеримо меньше времени, необходимого для протекания химической реакции, то можно принять, что время сгорания химически неоднородной системы примерно равно времени протекания самой химической реакции. Скорость процесса практически определяется только скоростью химической реакции.

Такое горение называют кинетическим, например горение химически однородных горючих систем, в которых молекулы кислорода хорошо перемешаны с молекулами горючего вещества и не затрачивается время на смесеобразование. Поскольку скорость химической реакции при высокой температуре велика, горение таких смесей происходит мгновенно, в виде взрыва.

Если продолжительность химической реакции и физическая стадия процесса горения соизмеримы, то горение протекает в так называемой промежуточной области, в которой на скорость горения влияют как химические, так и физические факторы.

Пространство, в котором сгорают пары и газы, называется пламенем, или факелом. В случае, когда горит заранее не подготовленная смесь паров или газов с воздухом, пламя называют диффузионным. Если такая смесь образуется в пламени в процессе горения, - пламя кинетическое. В условиях пожара газы, жидкости и твердые вещества горят диффузионным пламенем.

Наиболее характерным свойством возникновения очага пламени является его способность к самопроизвольному распространению по горючей смеси. В понятие распространение пламени объединены разнообразные явления, сопровождающиеся образованием дефлаграционных (распространяющихся с дозвуковой скоростью) и детонационных (распространяющихся со сверхзвуковой скоростью) пламен.

Дефлаграционные пламена в свою очередь подразделяются на ламинарные и турбулентные. Для объяснения процессов, приводящих к возникновению горения и развитию процессов горения, предложены так называемые тепловая и цепная теории.

Процессами горения занимались отечественные и зарубежные ученые и инженеры. Основоположник современной тепловой модели горения является В.А. Михельсон. Автор теории разветвленных цепных реакций, которая является основой положений о механизме горения – Н.Н. Семенов. Кинетика (скорость) химических реакций горения исследовалась – В.Н. Кондратьевым, Н.М. Эмануэль, Зельдович, Франк-Каменецким, Предводителевым, Беляевым, Андреевым, Лейпунским.

Рассмотрим понятия, термины и определения в теории горения и взрыва, условия возникновения и развития процессов горения, основы теплового и цепного механизмов воспламенения и горения.

Под горением понимают быстрый физико-химический окислительно-восстановительный процесс с выделением тепла, способный к самораспространению и часто сопровождающийся свечением и образованием пламени. Классические примеры горения – реакции окисления органических веществ или углерода кислородом воздуха: горение каменного угля, нефти, дров и т.д.

Процесс горения является сложным и состоит из многих связанных между собой отдельных процессов, как физических, так и химических.

Физика горения сводится к процессам тепломассообмена а переноса в реакционной зоне.

Химия горения заключается в протекании о-в реакций, состоящих из ряда элементарных актов и связанных с переходом электронов от одних атомов в веществе к другим – от восстановителю к окислителю.

Окислительно-восстановительные реакции горения могут быть межмолекулярными и внутримолекулярными :

– межмолекулярные реакции протекают с изменением степени окисления атомов в разных молекулах;

– внутримолекулярные реакции горения протекают с изменением степени окисления атомов в одной и той же молекуле (обычно это реакция термического разложения веществ).

Горение – относительно быстрый процесс, поэтому к горению относя не все о-в реакции. Медленные реакции (низкотемпературное окисление, биохимическое) и слишком быстрые (взрывчатое превращение) не входят в понятие горения.

Горение обусловливают реакции, время протекания которых обычно измеряется секундами или долями секунд.

Горение сопровождается выделением тепла, поэтому к горению приводят экзотермические реакции. Горение – самоподдерживающийся за счет энергии процесс, поэтому горение обуславливают те экзотермические реакции, суммарная теплота которых достаточна для самораспространения. На практике используют реакции горения, теплота которых достаточна для получения полезного эффекта. Реакции, идущие с затратой тепла извне, не относятся к горению.

В понятие горения включены самые разнообразные химические реакции между элементами и их соединениями и реакции распада соединений.

Горение происходит не только за счет образования оксидов, но и фторидов, хлоридов, нитридов; кроме того – боридов, карбидов, силицидов ряда металлов. Выделение тепла и горение могут происходить при образовании сульфидов и фосфидов некоторых элементов.

Энергия, выделяющаяся при горении в результате протекания химических реакций, расходуется на поддержание процесса горения , а часть ее рассеивается в окружающее пространство . Стационарное (устойчивое) горение наступает при равенстве теплоприхода и теплорасхода на подготовку к горению очередных порций вещества.

В процессе горения обязательны 2 этапа :

– создание молекулярного контакта между реагентами и

– само взаимодействие молекул с образованием продуктов реакции. Скорость превращения исходных продуктов в конечные зависит от скоростисмешения реагентов и от скорости химической реакции.

В предельном случае характеристики горения могут определяться только скоростью химического взаимодействия – кинетическими константами и факторами (кинетический режим горения ), или только скоростью смешения – диффузии (диффузионный режим горения ).

Вещества, участвующие в горении, могут быть в газообразном, жидком и твердом состоянии, перемешаны между собой или не перемешаны.

Если в системе отсутствуют поверхности раздела между реагентами, то такую систему называют гомогенной , если имеются поверхности раздела – гетерогенной.

Горение часто сопровождается свечением продуктов сгорания и образованием пламени. Пламя – газообразная среда, включающая диспергированные конденсированные продукты, в которой происходит физико-химические превращения реагентов.

Для газообразных систем весь процесс горения протекает в пламени. При горении конденсированных систем часть физико-химичсеких превращений (нагревание, плавление, испарение, начальное разложение и взаимодействие реагентов может происходить вне пламени. Известно беспламенное горение, когда процесс протекает только в конденсированной системе практически без газообразования и диспергирования (горение смеси металлов с неметаллами).

Пламя характеризуется видимым излучением, но известны и прозрачные пламена. Наиболее высокотемпературную часть пламени называют основной реакционной зоной, фронтом пламени.

После инициирования процесса горения, он распространяется по всему объему. В отличие от взрыва процесс горения распространяется со скоростью, не превышающей скорость звука.

Если реагенты перед началом горения не были перемешаны, то горение и пламя называют диффузионным , т.к. смешение горючего с окислителем достигается путем диффузии. Простой пример – пламя свечи, здесь окислитель (кислород) и горючее – органическое вещество фитиля (лен, хлопок).

Если реагенты предварительно перемешаны (гомогенная смесь), процесс горения называют гомогенным горением . Гетерогенное горение происходит на поверхности раздела фаз. Одно из реагирующих веществ находится в конденсированной фазе, другое (кислород) другое – в газовой фазе. Примерами гетерогенного горения – горение угля, нелетучих металлов.

В технике при горении не всегда выполняется условие полного предварительного перемешивания реагентов и возможны переходные режимы горения.

В зависимости от характера течения газового потока, образующего пламя, различают ламинарные и турбулентные пламена. В ламинарном пламени течение ламинарное, слоистое. Процессы массообмена и переноса осуществляются за счет молекулярной диффузии и конвекции.

Главная » Упражнения » Физические и химические явления в процессе горения. Пожарная безопасность