0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Основные понятия теории горения и взрыва

Основные понятия

Краткий конспект лекций по теории горения и взрыва

Основные понятия

Горение сложный физико-химический процесс, основой которого яв- ляется быстро протекающая химическая реакция окисления, сопровож- дающаяся выделением значительного количества тепла и обычно ярким свечением (пламенем). Химическая реакция горения в большинстве случа- ев является сложной и состоит из большого числа элементарных химиче- ских процессов окислительно-восстановительного типа, приводящих к пе- рераспределению валентных электронов между атомами взаимодействую- щих веществ. Кроме того, химическое превращение при горении тесно связано с рядом физических явлений – переносом тепла и масс и, соответ- ственно, с гидро- и газодинамическими закономерностями. Согласно со- временной физико-химической теории горения, процесс горения – это ре- акции, связанные с быстрым превращением и тепловым или диффузион- ным ускорением [1, 2].

Различают три основных вида самоускорения химических реакций при горении: тепловое, цепное и цепочечно-тепловое (комбинированное). Дру- гими словами, горение – это экзотермическая реакция, протекающая в ус- ловиях ее прогрессивного самоускорения.

Для возникновения и протекания процесса горения необходимы сле- дующие условия:

· наличие в определенный момент в данной точке пространства горю- чего вещества, окислителя и источника зажигания;

· горючее и окислитель должны находиться в определенном количест- венном отношении;

·источник зажигания должен обладать достаточной энергией.

Согласно ГОСТ 12.1.044-89 ССБТ все вещества и материалы по спо- собности к горению (горючести) делятся на три группы [3]:

· горючие – способные самовозгораться, а также возгораться от источ- ника зажигания и самостоятельно гореть после его удаления;

· трудногорючие – способные возгораться в воздухе от источников за- жигания, но не способные гореть после его удаления;

· негорючие вещества – неспособные к горению в воздухе. Окислителями в процессах горения могут быть: кислород (воздух),

озон, перекиси, вещества богатые кислородом (нитросоединения, азотная

кислота, перхлораты), галогены. Таким образом, класс веществ, высту- пающий в качестве окислителей, весьма обширный.

В качестве горючего, способного взаимодействовать с окислителем, также могут быть многие вещества: большинство металлов в свободном виде, сера элементарная и связанная (Н2S, FeS), окись углерода, водород и огромное число органических соединений.

Однако наибольшее практическое значение в качестве окислителя при- обрел кислород (воздух), в а качестве горючего – углеводородные вещест- ва (природный газ, нефть, угли, сланцы, торф и т. п.). Процессы сжигания этих горючих в атмосфере кислорода являются и наиболее изученными.

В зависимости от количественного соотношения горючего и окислите- ля различают три разновидности горючих смесей:

· стехиометрическая смесь, которая не содержит в избытке ни горюче- го компонента, ни окислителя;

·богатая смесь, содержащая в избытке горючее;

·бедная смесь, содержащая в избытке окислитель.

Наиболее вероятные источники зажигания в условиях производства:

·открытый огонь и раскаленные продукты горения;

· нагретые до высокой температуры поверхности технологического оборудования;

·тепловое проявление механической и электрической энергии;

· тепловое воздействие химических реакций, а также результаты жиз- недеятельности микроорганизмов.

В некоторых случаях источником зажигания смеси могут служить лучи света (например, для смесей СО + Сl2; H2 + Сl2), или вода для щелочных металлов.

По внешнему виду (признаку) горение может происходить и без пламе- ни, то есть оно может быть пламенным или беспламенным (тлением).

В зависимости от агрегатного состояния исходных веществ (горючего и

окислителя) различают три вида горения:

· гомогенное (однородное) горение газо- и парообразных горючих ве- ществ в среде газообразного окислителя;

· гетерогенное (неоднородное) горение жидких и твердых горючих ве- ществ и материалов в среде газообразного окислителя или горение жидких горючих в жидких окислителях;

· горение взрывчатых веществ (переход вещества из конденсированно- го состояния в газообразное):

тротил: C7H5N3O6 ® 2,5H2O + 3,5CO + 3,5С + 1,5N2

(кислородный баланс меньше нуля);

нитроглицерин: C3H5N3O9 ® 2,5H2O + 3CO2 + 0,25O2 + 1,5N2

(кислородный баланс больше нуля).

По скорости распространения пламени горение подразделяется на три группы:

·дефлаграционное (скорость – несколько м/с);

·взрывное (скорость – несколько десятков или сотен м/с);

·детонационное (скорость – до нескольких тысяч м/с).

Для дефлаграционного горения характерна передача тепла от слоя к слою, а пламя, возникающее в нагретой и разбавленной активными ради- калами продуктами реакции смеси, перемещается в направлении исходной горючей смеси. Это объясняется тем, что пламя как бы становится источ- ником, который выделяет непрерывный поток тепла и химически актив- ных частиц. В результате этого фронт пламени и перемещается в сторону горючей смеси.

Дефлаграцонное горение подразделяется на ламинарное и турбулент- ное. Скорость ламинарного горения зависит от состава смеси, начального давления и температуры, а также кинетики химических превращений. Ско- рость распространения турбулентного пламени помимо перечисленных факторов зависит от скорости потока, степени и масштабов турбулентности.

Взрывное горение может быть преднамеренным или случайным (ава- рийным). Преднамеренное взрывное горение характерно для пиротехниче-

ских составов (твердые ракетные топлива, пороха). Случайное взрывное горение следует за аварийным выбросом и образованием газо-, паро- или пылевоздушной смеси при наличии источника зажигания.

Детонационное горение свойственно для бризантных взрывчатых ве- ществ, применяемых в различных отраслях промышленности (например, в горнодобывающей, строительстве) и в военном деле.

В теории горения рассматривается несколько основных типов пламен. Они неодинаковы по своему научному, практическому значению, степени изученности. Неодинаковы параметры, представляющие наибольший ин- терес для данного типа пламени. Наиболее важные для теории горения яв- ляются следующие типы пламен:

1) ламинарное пламя в гомогенной газовой смеси. К этому же типу от- носится пламя при горении летучих взрывчатых веществ;

2) ламинарное диффузионное пламя при горении струи горючего газа в окислительной атмосфере. К этому типу относится пламя при диффузион- ном горении жидкого горючего, налитого в цилиндрический сосуд, и т. п.;

3) пламя при горении капли жидкого горючего или частицы твердого горючего в окислительной атмосфере;

4) турбулентные пламена в гомогенных или в предварительно не сме- шанных газовых смесях;

5) пламя при горении нелетучих взрывчатых веществ, порохов и т. д. в тех случаях, когда существенную роль играет реакция в конденсированной фазе.

Имеется большое число промежуточных случаев, например, горение взвеси частиц твердого горючего или взвеси капель жидкого горючего в потоке газообразного окислителя (этот случай сочетает в себе признаки,

характерные для пламен типа 3 и 1 или 3 и 4). Наибольший технический интерес представляют именно промежуточные случаи.

188.64.169.166 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Теория горения (стр. 1 из 2)

1. Физико-химические основы горения

1. Физико-химические основы горения

Горение — это химическая реакция окисления, сопровождающаяся выделением большого количества тепла и свечением.[2, 7c]

В зависимости от скорости протекания процесса, горение может происходить в форме собственно горения и взрыва.

Для процесса горения необходимо:

1) наличие горючей среды, состоящей ив горючего вещества и окислителя; 2) источника воспламенения.

Чтобы возник процесс горения, горючая среда должна быть нагрета до определенной температуры при помощи источника воспламенения (пламя, искра электрического или механического происхождения, накаленные тела, тепловое проявление химической, электрической или механической энергий).

После возникновения горения постоянным источником воспламенения является зона горения. Возникновение и продолжение горения возможно при определенном количественном соотношении горючего вещества и кислорода, а также при определенных температурах и запасе тепловой энергии источника воспламенения. Наибольшая скорость стационарного горения наблюдается в чистом кислороде, наименьшая — при содержании в воздухе 14 — 15% кислорода. При меньшем содержании кислорода в воздухе горение большей части веществ прекращается.

Различают следующие виды горения:

— полное — горение при достаточном количестве или избытке кислорода;

— неполное — горение при недостатке кислорода.

При полном горении продуктами сгорания являются двуокись углерода (CO2 ), вода (H2 O), азот (N), сернистый ангидрид (SO2 ), фосфорный ангидрид. При неполном горении обычно образуются едкие, ядовитые горючие и взрывоопасные продукты: окись углерода, спирты, кислоты, альдегиды.

Горение веществ может протекать не только в среде кислорода,
но также в среде некоторых веществ, не содержащих кислорода, хлора,
паров брома, серы и т.д.

Горючие вещества могут быть в трех агрегатных состояниях:
жидком, твердом, газообразном. Отдельные твердые вещества при нагревании плавятся и испаряются, другие — разлагаются и выделяют газообразные продукты и твердый остаток в виде угля и шлака, третьи не разлагаются и не плавятся. Большинство горючих веществ независимо от агрегатного состояния при нагревании образуют газообразные продукты, которые при смешивании с кислородом воздуха образуют горючую среду.

По агрегатному состоянию горючего и окислителя различают:

— гомогенное горение — горение газов и горючих парообразующих веществ в среде газообразного окислителя;

— горение взрывчатых веществ и порохов;

— гетерогенное горение — горение жидких и твердых горючих веществ в среде газообразного окислителя;

— горение в системе «жидкая горючая смесь — жидкий окислитель».

Важнейшим вопросом теории горения является распространение пламени (зоны резкого возрастания температуры и интенсивной реакции). Различают следующие режимы распространения пламени (горения):

— нормальный режим горения;

а) Нормальный режим горения наблюдается при спокойном гетерогенном двухфазном диффузионном горении. Скорость горения будет определяться скоростью диффузии кислорода к горючему веществу в зону горения. Распространение пламени происходит от каждой точки фронта пламени по нормали к его поверхности. Такое горение и скорость распространения пламени по неподвижной смеси вдоль нормали к его поверхности называют нормальным (ламинарным).

Нормальные скорости горения невелики. В этом случае повышения давления и образования ударной волны не происходит.

б) В реальных условиях вследствие протекания внутренних процессов и при внешних осложняющих факторах происходит искривление фронта пламени, что приводит к росту скорости горения. При достижении скоростей распространения пламени до десятков и сотен метров в секунду, но не превышающих скорости звука в данной среде (300 – 320м/сек) происходит взрывное (дефлеграционное) горение.

При взрывном горении продукты горения нагреваются до 1.5-3.0 тысяч °С, а давление в закрытых системах увеличивается до 0.б-0.9МПа.

Продолжительность реакции горения до взрывного режима составляет для газов

0.2 – 0.3 сек, пыли

Применительно к случайным промышленным взрывам под дефлебрацией обычно понимают горение облака с видимой скоростью порядка 100 — 300 м/сек, при которой генерируются ударные волны с максимальным давлением 20 — 100 кПа.

в) В определенных условиях взрывное горение может перейти в детонационный процесс, при котором скорость распространения пламени превышает скорость распространения звука и достигает 1 — 5 км/сек. Это происходит при сильной турбулизации материальных потоков, вызывающей значительное искривление фронта пламени большое увеличение его поверхности.

При этом возникает ударная волна, во фронте которой резко повышается плотность, давление температура смеси. При возрастании этих параметров смеси до самовоспламенения горячих веществ возникает детонационная волна, являющаяся результатом сложения ударной волны и образующейся зоны сжатой быстрореагирующей (самовоспламеняющейся) смеси.

Избыточное давление в пределах детонирующего облака смеси может достигать 2 МПа.

Процесс химического превращения горючих веществ, который вводится ударной волной и сопровождается быстрым выделением энергии, называется детонацией.

При детонационном режиме горения облака ГВ большая часть энергии взрыва переходит в воздушную ударную волну, при дефлеграционном горении со скоростью распространения пламени

200 м/сек переход энергии в волну составляет от 30 до 40%.[2, 278c]

Взрыв — это освобождение большого количества энергии в ограниченном объеме за короткий промежуток времени.[3, 4c]

Взрыв приводит к образованию сильно нагретого газа (плазмы) с очень высоким давлением, который при моментальном расширении оказывает ударное механическое воздействие (давление, разрушение) на окружащие тела.

Взрыв в твердой среде сопровождается ее разрушением и дроблением, в воздушной или водной — вызывает образование воздушной или гидравлической ударных волн, которые и оказывают разрушающее воздействие на помещенные в них объекты.

В деятельности, не связанной с преднамеренными взрывами в условиях промышленного производства, под взрывом следует понимать быстрое, неуправляемое высвобождение энергии, которое вызывает ударную волну, движущуюся на некотором удалении от источника.

В результате взрыва вещество, заполняющее объем, в котором происходит высвобождение энергии, превращается в сильно нагретый газ (плазму) с очень высоким давлением, (до нескольких сотен тысяч атмосфер). Этот газ, моментально расширяясь оказывает ударной механическое воздействия на окружающую среду, вызвав ее движение. Взрыв в твердой среде вызывает ее дробление и разрушение в гидравлической и воздушной среде — вызывает образование гидравлической и воздушной ударной (взрывной) волны.

Взрывная волна — есть движение среды, порожденное взрывом, при котором происходит резкое повышение давления, плотности и температуры среды.

Фронт (передняя граница) взрывной волны распространяется по среде с большой скоростью, в результате чего область охваченная движением, быстро расширяется.

Посредством взрывной волны (или разлетающихся продуктов взрыва — в вакууме) взрыв производит механическое воздействие на объекты, находящиеся на различных удалениях от места взрыва. По мере увеличения расстояния от места взрыва механическое воздействие взрывной волны ослабевает. Таким образом, взрыв несет потенциальную опасность поражения людей и обладает разрушительной способностью.[1, 113c]

Взрыв может быть вызван:

— детонацией конденсированных взрывчатых веществ (ВВ);

— быстрым сгоранием воспламеняющего облака газа или пыли;

— внезапным разрушением сосуда со сжатым газом или с перегретой жидкостью;

— смешиванием перегретых твердых веществ (расплава) с холодными жидкостями и т.д.

В зависимости от вида энергоносителей и условий энерговыделения, источниками энергии при взрыве могут быть как химические так и физические процессы.

Источником энергии химических взрывов являются быстропротекающие самоускоряющиеся экзотермические реакции взаимодействия горючих веществ с окислителями или реакции термического разложения нестабильных соединений.

Источниками энергии сжатых газов (паров) в замкнутых объемах аппаратуры (оборудования) могут быть как внешние (энергия, используемая для сжатия тазов, нагнетания жидкостей; теплоносители, обеспечивающие нагрев жидкости и газов в замкнутом пространстве) так и внутренние (экзотермические физико-химические процессы и процессы тепломассообмена в замкнутом объеме), приводящие к интенсивному испарению жидкостей или газообразованию, росту температуры и давления без внутренних взрывных явлений.

Источником энергии ядерных взрывов являются быстропротекающие цепные ядерные реакции синтеза легких ядер изотопов водорода (дейтерия и трития) или деления тяжелых ядер изотопов урана и плутония. Физические взрывы возникают при смещении горячей и холодной жидкостей, когда температура одной из них значительно превосходит температуру кипения другой. Испарение в этом случае протекает взрывным образом. Возникающая при этом физическая детонация сопровождается возникновением ударной волны с избыточным давлением, достигающим в ряде случаев сотен МПа.

Энергоносителями химических взрывов могут быть твердые, жидкие, газообразные горючие вещества, а также аэровзвеси горючих веществ (жидких и твердых) в окислительной среде, в т.ч. и в воздухе.

Таким образом, различаются взрывы двух типов. К первому типу относят взрывы, обусловленные высвобождением химической или ядерной энергии вещества, например взрывы химических взрывчатых веществ, смесей газов, пыли и (или) паров, а также ядерные и термоядерные взрывы. При взрывах второго типа выделяется энергия, полученная веществом от внешнего источника. Примеры подобных взрывов — мощный электрический разряд в среде (в природе — молния во время грозы); испарение металлического проводника под действием тока большой силы; взрыв при воздействии на вещество некоторых излучений большой плотности энергии, напр. сфокусированного лазерного излучения; внезапное разрушение оболочки со сжатым газом.

Определение горения и взрыва;

Температура факела при горении некоторых веществ

Расхождение полученных в расчете температур с данными таблицы объясняется тем обстоятельством, что при горении керосина и пропана часть тепловой энергии идёт на нагрев окружающего воздуха.

Глава 1. теории горения и взрыва

Принято считать горением химическую реакцию, сопровождающуюся выделением тепла и света. С этой точки зрения вещества могут гореть как в кислороде, так и других газовых средах. Например, некоторые металлы «горят» в хлоре, окислы натрия и бария «горят» в углекислом газе. Тем не менее, в общепринятом понимании горение – относительно быстро протекающая реакция соединения горючего вещества с кислородом воздуха, сопровождающаяся выделением тепла и излучением света.

Горение твёрдых веществ и материалов, горючих жидкостей, газов имеет определённые особенности. В целом это сложный физико-химический процесс [1].

Неконтролируемый процесс горения часто приводит к пожару. Как от-мечалось во введении, в огне пожаров уничтожаются материальные и при-родные ценности; пожар – это угроза жизни людей. К числу основных по-ражающих факторов пожара относят, прежде всего, высокую температуру в зоне горения; тепловое излучение из зоны горения, способное привести к поражению людей и возгоранию горючих материалов за пределами этой зоны; задымление значительной территории, оказывающее раздражающее и отрицательное психологическое воздействие на людей, а в некоторых случаях и отравление их окисью углерода и другими токсичными газами; снижение видимости.

Особой формой горения является взрыв [2]. Взрыв – это процесс чрезвычайно быстрого превращения вещества, сопровождающийся выделением большого количества энергии. При взрыве исходное вещество, занимавшее определённый объём, превращается, как правило, в сильно нагретый и сжатый газ (продукты взрыва). Область, заполненная продуктами взрыва, стремительно расширяется, сжимая и приводя в движение окружающую среду. Порождённое взрывом движение внешней среды проявляется в виде специфического волнового процесса – ударной волны. Ударная волна распространяется со сверхзвуковой скоростью. По мере удаления от центра взрыва скорость ударной волны снижается и на больших расстояниях приближается к звуковой. Ударная волна является основным поражающим фактором взрыва.

Взрывы могут быть вызваны различными физическими или химическими явлениями.

В инженерной практике и военном деле широкое распространение получили химические взрывчатые вещества (ВВ). Они используются при ведении строительных и горных работ: при строительстве тоннелей, каналов, разработке полезных ископаемых. В военном деле ВВ применяются в различного рода огнестрельном оружии, боеприпасах, подрывных средствах.

Химические ВВ представляют собой относительно неустойчивые в термодинамическом смысле системы, способные под влиянием внешних ударных или тепловых воздействий к быстрым экзотермическим превращениям. Источник энергии таких взрывов заключается в энергии молекулярных связей.

При взрыве происходит превращение относительно сложных нестойких молекул исходного вещества в молекулы более простых и стойких веществ.

Примерами взрывов, обусловленных физическими процессами, могут служить взрывы паровых котлов и ёмкостей со сжатым газом; взрывы, возникающие при мощных искровых разрядах, например, молниях; при пропускании электрического тока высокого напряжения через тонкие металлические проволочки и др.

При взрыве парового котла взрывной процесс связан с быстрым переходом перегретой воды в парообразное состояние; при взрыве ёмкости со сжатым газом – повышенным давлением газа. Взрыв происходит при разрушении стенок котла или оболочки ёмкости (резервуара, баллона и др.). При мощных искровых разрядах разность потенциалов выравнивается за промежутки времени с, вследствие чего в зоне разряда достигается большая плотность энергии и высокая температура 20000 0 С — 40000°С, что приводит к резкому подъёму давления воздуха в месте разряда и распространению интенсивного возмущения в окружающей среде. Взрывы проволочек под действием тока высокого напряжения связаны с быстрым переходом металла в газообразное состояние, температура при этом достигает величины

Можно привести и другие примеры взрывов, обусловленных физическими процессами, например, взрывы, наблюдаемые при извержении вулканов, падении космических тел на земную поверхность и др.

Экстремально высокие значения параметров взрывной реакции (температура и давление) имеют место при ядерных взрывах, обусловленных реакциями деления и синтеза атомов.

Несмотря на известные различия, горение и взрыв объединяет то обстоятельство, что они является термодинамическим процессами. Для получения представления об особенностях этих явлений, целесообразно опираться на основные законы термодинамики.

Основные понятия теории горения и взрыва

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ

1.1. Основные явления при горении

природе и технике большое значение имеют быстропротекающие эк­зотермические процессы, сопровождающиеся выделением огромного количества тепла — процессы горения. При возникновении и развитии лес­ных пожаров, при сжигании каменного угля, дров, нефтепродуктов, при работе двигателей внутреннего сгорания протекают процессы горения. Эти же процессы сопровождают пожары в зданиях и сооружениях.

Имея одинаковую физико-химическую природу, процессы горения внутри топочных устройств и при пожарах различаются масштабами, ус­ловиями тепло — и массообмена.

Поэтому, рассматривая закономерности возникновения и развития горения, мы будем учитывать, что описываемые явления относятся преж­де всего к пожарам в зданиях и сооружениях.

Основная особенность явлений горения заключается в возможности их самоподдерживания и саморазвития. Реализуясь при высокой темпера­туре, реакции горения сами и создают эту температуру. Под горением мы будем понимать процесс протекания экзотермических химических реак­ций в условиях прогрессивного самоускорения, обусловленного накопле­нием в горючей системе тепла или катализирующих продуктов реакции. При этом мы будем разделять тепловые и цепные (автокаталитические) процессы при горении. Во втором случае решающее значение для реали­зации процессов горения имеют реакции с разветвляющимися цепями.

Особенности явлений горения заключаются в наличии критических условий их возникновения и в способности распространения по горючей смеси. При тепловом горении распространение пламени происходит по­средством передачи тепла из зоны реакции в свежую смесь, при цепном — посредством передачи активных веществ.

При тепловом горении цепные реакции также имеют место, но в от­личие от чисто цепных процессов повышение температуры является ос­новной причиной ускорения реакции. Поскольку скорость реакции зави-

Глава 1. Основные понятия теории горения

Сит от температуры по экспоненциальному закону, а от концентраций реа­гирующих веществ только по степенному, то влияние нагрева, как прави­ло, существеннее.

Во всех процессах горения, независимо от их химической природы основную роль играют критические явления при возникновении горения и условия распространения зоны реакции. Критические явления при воз­никновении горения характеризуются резким изменением режима проте­кания процесса при незначительном изменении внешних условий. Скоро­сти всех элементарных химических процессов являются непрерывными функциями температуры, которые отражаются законом Аррениуса:

Где К — Константа скорости реакции; А — предэкспоненциальный множи­тель, Е — Энергия активации; R — универсальная газовая постоянная; Т -температура.

Критические условия возникновения горения являются результатом нарушения теплового равновесия между реагирующей системой и окру­жающей средой.

К критическим условиям относятся самовоспламенение, зажигание и условия распространения пламени. При этом разница между самовос­пламенением и зажиганием по существу условна.

В теории горения самовоспламенением называют возникновение го­рения в горючей смеси, помещенной в нагретый сосуд, температура сте­нок которого принимается равной начальной температуре смеси.

Зажиганием (или вынужденным воспламенением) называют возникно­вение горения под действием местного теплового импульса, воздействующе­го на небольшую часть горючей смеси. В качестве теплого импульса прини­мают электрическую искру или накаченную поверхность. Электрическая ис­кра рассматривается как чисто тепловой импульс, нагревающий малый объ­ем газа до высокой температуры. При впуске холодной горючей смеси в со­суд с нагретыми стенками возможен непрерывный переход от самовоспла­менения к зажиганию. Его можно рассматривать как процесс зажигания, в котором роль горячей поверхности играет вся поверхность стенок сосуда. Повышая начальную температуру горючей смеси до температуры стенок со­суда, можно осуществить непрерывный переход к самовоспламенению.

Простейшим примером возникновения горения можно считать теп­ловое самовоспламенение, описанное Вант-Гоффом. Согласно его пред-

Корольченко А. Я. Процессы горения и взрыва______________________

Ставлениям условием теплового воспламенения является нарушение теп­лового равновесия между реагирующей системой и окружающей средой. Академиком Н. Н. Семеновым и его учениками было открыто и детально исследовано явление цепного самовоспламенения, реализация которого происходит при нарушении равновесия между образованием и расходова­нием активных продуктов авто каталитической реакции. Условие возник­новения самовоспламенения связывает все параметры, влияющие на ско­рость реакции и на отвод тепла или активных продуктов в окружающую среду. Самовоспламенение происходит при изменении любого из этих параметров: либо свойств горючей смеси (температуры, давления, соста­ва, коэффициентов теплопроводности или диффузии), либо размеров со­суда, в котором протекает реакция. Наибольшее влияние на скорость ре­акции по сравнению с другими факторами имеет температура.

Критические условия зажигания местным тепловым импульсом также заключаются в нарушении теплового равновесия горючей системы. Условие самовоспламенения в простейшем случае (для чисто гомогенной реакции) включает только свойства и объем горючей смеси. Температура стенок сосуда, в котором находится смесь, предполагается заданной и по­стоянной. За время развития процесса самовоспламенения она практиче­ски не изменяется. При этих допущениях, хотя воспламенение и зависит от условий теплоотдачи, последние могут приниматься независящими от свойств стенок сосуда. Поэтому задача о воспламенении считается одной из простейших задач теории горения. А условие самовоспламенения — не­посредственной характеристикой горючей смеси*.

Условие самовоспламенения характеризует невозможность сохра­нения теплового равновесия в объеме горючей смеси с определенными размерами и свойствами. Условия же зажигания характеризуют наруше­ние этого равновесия при заданных начальных условиях.

При увеличении размеров зажигающей поверхности вплоть до пол­ного окружения его объема горючей смеси реализуется непрерывный пе­реход от зажигания к самовоспламенению.

После зажигания смеси каким-либо источником возможны два вари­анта: затухание пламени вблизи источника зажигания или его распростра­нение на весь объем горючей смеси. Реализация того или иного варианта

В практике обеспечения пожарной безопасности принято использовать понятие «стандартная температура самовоспламенения» или просто «температура само­воспламенения».

Глава 1. Основные понятия теории горения

Зависит прежде всего от состава смеси, от концентрации горючего компо­нента. Для возможности распространения пламени существенна не на­чальная температура смеси, а температура, развивающаяся при горении. Схема распространения пламени по горючей газовой смеси показана на Рис. 1.1.

Рис 1.1. Схема распространения пламени по горючей газовой смеси

В левой части Рис. 1.1 Показана вертикально расположенная трубка, заполненная горючей газовой смесью. При инициировании горения каким-либо источником в трубке формируется зона реакции (зона светящегося пламени), которая поднимается вверх. При этом наблюдается послойное сгорание смеси. Распределение температуры в окрестности зоны реакции показано на диаграмме в правой Части рис. 1.1. Заметные превращения ком­понентов исходной смеси начинаются при температуре примерно 700 К; в зоне реакции температура достигает 1500-1600 К. За зоной активной реак­ции наблюдается некоторое увеличение температуры. Далее имеет место область примерно постоянной температуры, в которой потери тепла, на из­лучение, конвекцию и диффузионное охлаждение компенсируются выде­лениями тепла за счет рекомбинации радикалов и догорания избытка топ­лива. Затем пламя охлаждается и превращается в горячий газ. Ширина зоны реакции составляет 0,2-0,4 мм.

Распространение пламени по горючей газовой смеси характеризует­ся величиной нормальной скорости горения. Нормальным горением назы-

Корольченко А. Я. Процессы горения и взрыва

Вается распространение пламени при отсутствии газодинамических эф­фектов, обусловленных градиентами давления или турбулентностью. Скорость распространения этого идеализированного процесса называется нормальной скоростью пламени (горения). Она зависит только от кинети­ки реакции горения, коэффициентов диффузии и теплопроводности.

В начальных условиях процесс горения всегда сопровождается дви­жением газа. Если такое движение и не создается искусственно, оно воз­никает самопроизвольно вследствие термического расширения сгоревших объемов. При неоднородном движении газа искривление фронта пламени приводит к увеличению скорости горения. При возникновении турбу­лентности механизм ускорения горения определяется соотношением меж­ду масштабом турбулентности и толщиной фронта пламени. (Под толщи­ной фронта пламени понимается зона, в которой происходят химические реакции горения.) При крупномасштабной турбулентности (т. е. когда масштаб турбулентности существенно больше толщины фронта пламени) увеличивается поверхность пламени и, соответственно, скорость горения. При мелкомасштабной турбулентности меняется механизм тепломассопе-редачи во фронте пламени. Она осуществляется уже не молекулярной, а турбулентной теплопроводностью и диффузией.

При сверхзвуковом движении газа в нем возникают ударные волны — поверхности, где резкое сжатие происходит на расстоянии порядка свободного пробега молекул. В этих условиях работа сжатия преобразуется в тепловую энергию. Происходящий при этом разогрев приводит к самовоспламенению горючей смеси. Распространение горения посредством воспламенения удар­ной волной называется детонацией. Скорость детонации превосходит скорость распространения звука. В механизме детонации теплопередача и диффузия активных центров в свежую смесь не играют существенной роли. Тепло потери из зоны реакции могут быть существенны только для пределов детонации.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ

Корольченко А.Я.

Процессы горенияи взрыва.-М.: Пожнаука, 2007. -266 с, ил.

Книга написана применительно к действующей программе по дисциплине «Теория горения и взрыва» для высших учебных заведений. В ней изложены ос­новные разделы современной теории горения: химические и тепло-массообменные процессы при горении, механизм превращения исходных веществ в продукты го­рения, условия возникновения горения, процессы распространения пламени по га­зовым смесям, аэрозолям, твердым веществам, условия прекращения горения.

В книге рассмотрены характеристики горения и параметры пожаровзрыво-опасности газов, жидкостей, пылей и твердых материалов. Материал книги иллю­стрируется справочными данными, графиками и примерами. Показана тесная связь теории горения с прикладными науками о безопасности технологических процес­сов и строительных объектов.

Книга предназначена в качестве учебника для студентов технических вузов и может служить полезным пособием для научных и инженерно-технических работ­ников сферы обеспечения пожаровзрывобезопасности различных объектов, а также для преподавателей теории горения и смежных с нею дисциплин.

© Корольченко А.Я. О Пожнаука, 2007

Предисловие. 6

Глава 1. Основные понятия теории горения. 8

1.1. Основные явления при горении. 8

1.2. Гомогенное, гетерогенное и диффузионное горение. 12

1.3. Горение в движущемся газе. 15

1.4. Турбулентное горение. 16

1.5. Особенности горения взрывчатых веществ. 18

1.6. Термодинамика сгорания углеводородовоздушных смесей. 19

Глава 2. Химические процессы при горении. 30

2.1. Цепные реакции. 30

Зарождение цепей. 33

Продолжение цепей. 34

2.2. Химические процессы при горении водорода. 39

2.3. Химические реакции при горении оксида углерода. 40

2.4. Горение углеводородов. 43

2.5. Горение углерода. 45

Глава 3. Возникновение процессов горения. 48

3.1. Самовоспламенение. Стационарная теория. 48

3.2. Зажигание. 53

3.3. Самовозгорание. 59

Тепловое самовозгорание. 64

Химическое самовозгорание. 66

Микробиологическое самовозгорание. 67

Математическая модель процесса самовозгорания насыпи

растительного материала. 68

Приближенное решение задачи самовозгорания дисперсных
материалов для реакции порядка . 75

Глава 4. Развитие горения. 83

4.1. Распространение пламени по газам. 83

Дефлаграционное горение. 83

Переход дефлаграционного горения в детонацию. 91

Расчет параметров детонационных волн в смесях водород-
кислород-инертный газ. 93

4.2. Горение парогазовых смесей при повышенных температурах

и давлениях. 102

4.3. Взрывы пылей. 103

Влияние относительного движения фаз аэровзвеси на

распространение пламени. 103

Гидродинамический анализ горения аэрозолей. 112

Фазодинамический режим распространения пламени

по аэродисперсной системе. 122

4.4. Диффузионное горение жидкостей. 127

Механизм горения. 127

Форма и размеры пламени. 130

Прогрев жидкости при горении. 131

Влияние диаметра сосуда на скорость выгорания. 132

Влияние концентрации кислорода на скорость выгорания. 133

4.5. Горение твердых материалов. 134

Механизм горения. 134

Процессы тления в пенопластах. 141

4.6. Горение дисперсных веществ в слое. 145

Глава 5. Прекращение горения. 154

5.1. Условия потухания пламени. 154

5.2. Флегматизация. 157

Флегматизация газовых смесей. 157

Флегматизация пылевоздушных смесей инертными

Флегматизация пылевоздушных смесей инертными
частицами. 162

5.3. Ингибирование. 163

Глава 6. Характеристики горения газов. 168

6.1. Температура самовоспламенения. 168

6.2. Энергия зажигания. 173

6.3. Концентрационные пределы распространения пламени. 177

6.4. Нормальная скорость горения. 187

6.5. Флегматизирующие концентрации инертных разбавителей . 190

6.6. Давление взрыва. 196

Глава 7. Характеристики горенияжидкостей. 201

7.1. Температура вспышки. 203

7.2. Температура воспламенения. 210

7.3. Температура самовоспламенения. . 212

7.4. Температурные пределы распространения пламени. 215

7.5. Скорость выгорания. 224

Глава 8. Характеристики горения аэрогелей и аэрозолей. 229

8.1. Показатели пожаровзрывоопасности аэрозолей. 230

8.2. Факторы, влияющие на опасность аэрозолей. 233

Дисперсный состав твердой фазы. 234

Теплота сгорания. 237

Температура и давление. 239

Влагосодержание частиц и воздуха. 241

Состав твердой фазы аэрозоля. 245

Газообразные флегматизаторы. 249

8.3. Гибридные смеси. 252

8.4. Показатели пожарной опасности аэрогелей. 257

Литература. 265

анный курс процессов горения и взрыва предназначен для студен­тов, обучающихся по специальности «Пожарная безопасность» строительных и политехнических вузов. Он основан на лекциях, кото­рые читаются для студентов Московского государственного строитель­ного университета, и включает основные разделы теории горения: воз­никновение горения, его развитие и прекращение.

Процессы горения широко используются в различных сферах: в двигателях внутреннего сгорания, на тепловых электростанциях, в воен­ном деле (горение порохов, ракетного топлива). Подобные процессы реализуются на пожарах.

Имея общую физико-химическую основу, процессы горения в пе­речисленных областях характеризуются рядом особенностей, обуслов­ленных условиями их протекания, масштабами и др. факторами.

В данной книге излагаются теоретические основы процессов горе­ния, протекающих на пожарах. Знание этих основ необходимо для ус­пешного освоения студентами общепрофессиональных и специальных дисциплин: огнестойкость строительных конструкций, взрывоустойчи-вость зданий, пожарная безопасность электроустановок, здания, соору­жения и их устойчивость при пожаре, пожарная безопасность техноло­гических процессов, производственная и пожарная автоматика, прогно­зирование опасных факторов пожара.

При подготовке учебника использованы труды отечественных уче­ных в области теории горения: акад. Н. Н. Семенова, акад. Я. Б. Зельдо­вича, акад. Д.А. Франк-Каменецкого, акад. В. В. Азатяна, докт. техн. на­ук, проф. А.И. Баратова.

В книгу включены результаты исследований процессов горения и взрыва, полученные автором в период работы в ВНИИ Противопо­жарной обороны совместно с сотрудниками и учениками: докт. техн. наук, проф. Ю. Н. Шебеко, докт. техн. наук Л. П. Вогманом, докт. техн. наук, проф. В. В. Мольковым, докт. техн. наук Н. И. Константи­новой, докт. техн. наук В. Ю. Навценей, докт. техн. наук Н. Л. Поле-

таевым, докт. техн. наук Л. П. Шевчуком, докт. техн. наук С. Г. Ца-риченко, канд. техн. наук В. А. Зуйковым, канд. техн. наук А. Б. Иль­иным, канд. техн. наук И. М. Смолиным, канд. техн. наук С. А. Ша-роварниковым, канд. техн. наук В. И. Цапом. *

* Некоторые разделы учебника выходят за пределы вузовского курса дисциплины «Теория горения и взрыва» и не являются обязательными для изучения. К ним от­носятся: «Расчет параметров детонационных волн в смесях водород-кислород-инертный газ», «Влияние относительного движения фаз аэровзвеси на распро­странение пламени», «Гидродинамический анализ горения аэрозолей», «Фазодина-мический распространения пламени по аэродисперсной системе», «Влияние кон­центрации кислорода на скорость выгорания». Однако автор счел необходимым включить эти разделы в учебник для более глубокого понимания сложных процес­сов, протекающих при горении. Кроме того, освоение этих разделов имеет при­кладное значение. Например, значение особенностей развития пылевых взрывов позволяет разрабатывать эффективное мероприятия по их предупреждению и снижению тяжести последствий в случае их возникновения.

Глава 1.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ

Общие сведения о горении и взрыве: понятия, виды и их характеристика. Причины пожаров и взрывов

Горение — сложный физико-химический процесс превращения компонентов горючей смеси в продукты сгорания с выделением теплового излучения, света и лучистой энергии. Описать природу горения можно как бурно идущее окисление.

Дозвуковое горение (дефлаграция) в отличие от взрыва и детонации протекает с низкими скоростями и не связано с образованием ударной волны. К дозвуковому горению относят нормальное ламинарное и турбулентное распространения пламени, к сверхзвуковому — детонацию.

Горение подразделяется на тепловое и цепное. В основе теплового горения лежит химическая реакция, способная протекать с прогрессирующим самоускорением вследствие накопления выделяющегося тепла. Цепное горение встречается в случаях некоторых газофазных реакций при низких давлениях.

Условия термического самоускорения могут быть обеспечены для всех реакций с достаточно большими тепловыми эффектами и энергиями активации.

Горение может начаться самопроизвольно в результате самовоспламенения либо быть инициированным зажиганием. При фиксированных внешних условиях непрерывное горение может протекать в стационарном режиме, когда основные характеристики процесса — скорость реакции, мощность тепловыделения, температура и состав продуктов — не изменяются во времени, либо в периодическом режиме, когда эти характеристики колеблются около своих средних значений.

Вследствие сильной нелинейной зависимости скорости реакции от температуры, горение отличается высокой чувствительностью к внешним условиям. Это же свойство горения обусловливает существование нескольких стационарных режимов при одних и тех же условиях (гистерезисный эффект).

Процесс возникновения горения подразделяется на несколько видов: вспышка, возгорание, воспламенение, самовозгорание, самовоспламенение, взрыв и детонация. Кроме того, существуют и особые виды горения: тление и холоднопламенное горение. Вспышка — процесс мгновенного сгорания паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, вызванный непосредственным воздействием источника воспламенения. Возгорание — явление возникновения горения под действием источника зажигания. Воспламенение — возгорание, сопровождающееся появлением пламени. При этом вся остальная масса горючего вещества остается относительно холодной. Самовозгорание — явление резкого увеличения скорости экзотермических реакций в веществе, приводящее к возникновению горения при отсутствии источника зажигания. Самовоспламенение — это самовозгорание, сопровождающееся появлением пламени. В производственных условиях могут самовозгораться древесные опилки, промасленная ветошь. Самовоспламеняться может бензин, керосин. Взрыв — быстрое химическое превращение вещества (взрывное горение), сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных производить механическую работу.

В производственных условиях самыми распространенными источниками воспламенения являются:

а) искры, образующиеся при коротких замыканиях, и нагревания участков электросетей и электрооборудования, возникающие при их перегрузках или при появлении больших переходных сопротивлений.

Токи коротких замыканий могут достигать больших величин. Они способны образовать электрическую дугу, что приводит к плавлению проводов, воспламенению изоляции, а также сгораемых предметов, веществ и материалов, находящихся поблизости. Короткие замыкания могут возникать при неправильном подборе и монтаже электросетей и электрооборудования, износе, старении и повреждении изоляции электропроводов и оборудования.

Перегрузки электрических сетей, машин и аппаратов возникают при токовой нагрузке, которая в течение длительного времени превышает величины, допускаемые нормами. Перегрузки возникают также в результате нарушения нормативных требований при проектировании электроснабжения и несоблюдения правил эксплуатации;

  • б) тепло, выделяющееся при трении во время скольжения подшипников, дисков, ременных передач, а также при выходе газов под высоким давлением и с большой скоростью через малые отверстия;
  • в) искры, образующиеся при ударах металлических деталей друг о друга или об абразивный инструмент, как, например, удары Лопастей вентилятора о кожух, образование искр при обработке металлов абразивным инструментом и т.п.;
  • г) тепло, выделяющееся при химическом взаимодействии некоторых веществ и материалов, например, щелочных металлов с водой, окислителей с горючими веществами, а также при самовозгорании веществ, например, промасляной обтирочной ветоши или спецодежды;
  • д) искровые разряды статического электричества;
  • е) пламя, лучистая теплота, а также искры, образующиеся, например, при плавке металла и заливке литейных форм, при работе термических печей, закалочных ванн;
  • ж) искры, образующиеся при электро- и газосварочных работах.

Возникновение пожара возможно предотвратить путем осуществления соответствующих инженерно-технических мероприятий при проектировании и эксплуатации технологического оборудования, энергетических и санитарно-технических установок, а также соблюдением установленных правил и требований пожарной безопасности.

Взрыв — быстропротекающий процесс физических и химических превращений веществ, сопровождающийся освобождением значительного количества энергии в ограниченном объеме, в результате которого в окружающем пространстве образуется и распространяется ударная волна, способная привести или приводящая к возникновению техногенной чрезвычайной ситуации.

Взрыв является частным случаем горения. Но с горением в обычном понятии его роднит лишь то, что это окислительная реакция. Для взрыва характерны следующие особенности:

  • * большая скорость химического превращения;
  • * большое количество газообразных продуктов;
  • * мощное дробящее (бризантное) действие;
  • * сильный звуковой эффект.

Продолжительность взрыва составляет время порядка 10-5…10-6 с. Поэтому его мощность весьма велика, хотя запасы внутренней энергии у взрывчатых веществ и смесей не выше, чем у горючих веществ, сгорающих в обычных для них условиях.

При анализе взрывных явлений рассматривают две разновидности взрыва: взрывное горение и детонация.

К первому относятся взрывы топливовоздушных смесей (смеси углеводородов, паров нефтепродуктов, а также сахарной, древесной, мучной и прочей пыли с воздухом). Характерной особенностью такого взрыва является скорость горения порядка нескольких сотен м/с.

Детонация — весьма быстрое разложение взрывчатого вещества (газо-воздушной смеси), распространяющееся по нему со скоростью в несколько км/с и характеризующееся особенностями, присущими любому взрыву, указанному выше. Детонация характерна для военных и промышленных взрывчатых веществ, а также для топливно-воздушных смесей, находящихся в замкнутом объеме.

Отличие взрывного горения от детонации состоит в скорости разложения: у последней она на порядок выше.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector