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

Скорость горения твердых горючих веществ и жидкостей

Охрана Труда

Скорость горения твердых горючих веществ и жидкостей

Горение твердых горючих веществ в начальной стадии воз­никновения горения называется загоранием. Для такой ста­ти характерны неустойчивость горения, сравнительно низкая температура в его зоне, малый размер факела пламени и не­большая площадь очага.

Температура окружающей среды повышена незначительно, только непосредственно у очага горения.

Начальную стадию пожара (загорания) можно ликвидировать первичными средствами пожаротушения. Если пожар немедленно не погасить, то тепло, выделяющееся при горении, усилит процесс последнего. При этом размер факела пламени увеличится и горение перейдет в устойчивую форму. Одновре- мсиио повышается температура окружающей среды и усилипас гея действие тепловой энергии, излучаемой очагом горения. И ликвидации такого загорания требуется большое количество первичных средств пожаротушения, водяных и пенных струй.

При недостаточной эффективности применяемых средств по­жаротушения или позднем их использовании горение продол­жает развиваться, зона его увеличивается на значительной пло­щади. При этом возрастает температура, выделяется значитель­ное количество тепловой энергии, увеличиваются конвекционные потоки воздуха. При указанных условиях возможны деформа­ция и обрушение конструкций.

Чтобы ликвидировать такой пожар, требуется много сил и мощные средства.

Скорость горения материалов во время пожара различна и зависит от условий горения, состава горючего вещества и ин­тенсивности передачи последним тепла из зоны горения.

Различают две скорости горения: весовую и линейную. Весовой скоростью называется вес (в т, кг ) вещества, выгорев­шего в единицу времени (в мин, ч ). Линейной скоростью горе­ния твердых горючих веществ называется скорость распрост­ранения огня (в м/мин ) и скорость роста площади очага пожара (в м 2 /мин ).

Скорость горения твердых веществ непостоянна и зависит от отношения их поверхности к объему, от влажности, доступа воздуха и других факторов.

На основании полученных данных при исследовании ряда случаев пожаров на речных судах линейная скорость распрост­ранения огня составляет от 0,05 до 2,5 м/мин, а скорость роста площади очага пожара — от 0,3 до 50,0 м 2 /мин.

В начале возникновения пожара, примерно в течение первых 2—3 мин, происходит интенсивное увеличение площади его оча­га на пассажирских судах до 41-44 м 2 /мия. Это объясняется тем, что в данный период много времени уходит на сбор лич­ного состава экипажа судна и не ведется еще активной борьбы с пожаром. В последующие 10 мин, когда вводятся в действие стационарные средства юодо- и пенотушения, рост площади оча­га пожара замедляется примерно до 6—7 м 2 /мин.

Исследованиями установлено, что пожаром пассажирское судно может быть уничтожено в течение 20—30 мин, если орга­низация его тушения несовершенна.

Линейная скорость распространения огня определяет площадь очага пожара, а степень выгорания всего, что может гореть на этой площади,— продолжительность пожара.

Линейной скоростью горения жидкости явля­ется высота слоя ее (в мм, см), выгоревшего в единицу времени (в мин, ч).

Скорость распространения пламени огня при воспламенении горючих газов составляет от 0,35 до 1,0 м/сек.

Скоростью выгорания называется количество горю­чего, сгорающего в единицу времени с единицы площади горения. Она характеризует интенсивность сгорания жидкости при пожаре. Ее необходимо знать для определения расчетной продолжительности пожара в резервуарах, интенсивности тепловыделения и температурного режима пожара и т. д.

Скорость выгорания жидкости непостоянна и зависит от ее начальной температуры, диаметра резервуара, уровня жидкости в нем, содержания в ней негорючих жидкостей, скорости ветра и других факторов.

В резервуарах диаметром до 2 м скорость выгорания жидкостей возрастает с его увеличением. Практически она одинакова в резервуарах, диаметр которых больше 2 м.

Скорость выгорания жидкости, разлитой на поверхности, примерно такая же, как и в резервуарах, если толщина ее слоя значительна

Так, например, скорость выгорания нефти составляет 25 см/ч , бензина -40 см/ч, масла—20 см/ч.

При пламенном горении нефтепродукта в грузовом танке подается прогревание жидкости.

Прогревание жидкости от верхних к нижним слоям происходит в массе тяжелых нефтей со скоростью 30 см/ч, а в массе легких нефтей — от 40 до 130 см/ч.

Керосин и дизельное топливо при горении прогреваются медленно, при этом не образуется прогретого слоя одинаковой тем­пературы.

Нефть и мазут прогреваются вглубь весьма интенсивно, тем­пература слоя почти всегда выше 100° С. Температура прогре­ют слоя нефти может достигать 300° С и нагревать донный слой воды в резервуаре.

Температура прогретого слоя бензина обычно ниже 100° С, поэтому и не прогревается донный слой воды в емкости.

Прогревание жидкости в резервуарах может привести к ее вскипанию или выбросу. Под вскипанием понимается пере­ход в пар большого количества мелких капелек воды, находя­щейся в нефтепродукте. При этом на поверхности жидкости об­разуется пена, которая может переливаться через борт резервуа­ра. Под выбросом понимается мгновенный переход воды,, находящейся на дне резервуара, в пар. В данном случае соз- иется повышенное давление, под действием которого происхо- lai выбрасывание горящей жидкости из резервуара.

Вскипание нефтепродуктов в большинстве случаев связано- присутствием в них воды и реже водяной подушки на дне резервуара. К вскипанию способны все нефтепродукты, содержащие воду, которая в процессе горения нагревается выше 100° С.

Нефть и мазут способны вскипать только при определенном содержаниичержании в них влаги: у нефти—3,3% и мазута — выше 0,6%’.

Вскипать могут машинное масло и тяжелый бензин при на­пиши донного слоя воды.

Охлаждение водяными струями стенок резервуара и перио­дическое введение распыленной струи воды на одну треть или четверть поверхности горения предотвращают вскипание и пере­лив прогревшегося бензина или нефти из него.

Если (высота свободного борта превышает толщину прогретого слоя более чем в 2 раза, то при введении iB зону горения рас­пыленной струи воды вскипание наблюдается, но переливания жидкости из емкости не происходит.

К выбросу способны темные нефтепродукты — нефть, содер­жащая 3,8% влаги, мазут, содержащий до 0,6% влаги.

Выброс горящей жидкости может произойти, если: под слоем ее находится вода; жидкость при горении прогревается вглубь; температура прогретого слоя выше температуры кипения воды.

Выброс происходит в тот момент, когда нефтепродукт на границе раздела вода — нефтепродукт нагревается выше 100° С (примерно 150—300° С). После первого выброса нагретый до более высокой температуры слой нефтепродукта соприкасается вновь с водой и происходит мощный выброс.

Выброс по высоте, дальности и площади поражения зависит от диаметра резервуара. В емкости диаметром 1,387 м масса горящей нефти, выбрасываемая наружу, составляет от 51 до 145 кг при высоте от 10 до 20 высот емкости.

Длительность процесса выброса из емкости составляет от 3 до 60 сек. Время наступления выброса разное, начиная от 2 до 5 ч 30 мин от начала горения для различных нефтепродук­тов при различных емкостях.

Обычно выброс сопровождается многочисленными взлетами нефтепродукта. Выброс всего нефтепродукта одним взлетом — редкое явление и наблюдается при небольшом слое оставшегося нефтепродукта и значительной его вязкости.

Характерным признаком начала выброса является возник­новение вибраций стенок емкости, сопровождающихся шумом и возрастанием размеров факела пламени.

В емкостях большего диаметра выброс происходит быстрее, чем в емкостях малого диаметра. Величина слоя водяной по­душки на выброс не оказывает влияния.

Нормальной скоростью горения газо — и паро­воздушной смеси называется скорость, с которой движет­ся граничная поверхность между сгоревшим и несгоревшим га­зами относительно несгоревшего газа, находящегося в покое в непосредственной близости к поверхности горения.

Механизм горения твердых горючих материалов

Горение конденсированных систем, к которым относятся твердые материалы, вотличие от газов характеризуются наличием стадии разложения и газификации твердой фазы. Горение твердых материалов в среде воздуха происходит в результате воспламенения лету­чих продуктов пиролиза. Его можно рассматривать как диффузионное квазигетерогенное, поскольку оно протекает не на границе раздела фаз, а в основном в газовой фазе. Истинно гетерогенными является горение нелетучих металлов.

При распространении волны горения по твердым материалам выде­ляются следующие зоны (рис. 5.3):

Рис. 5.3. Модель горения твердых материалов

Зона без реакции – зона прогрева конденсированной фазы.
У термопластичных материалов эта зона ограничивается слоем расплава. Толщина зоны прогрева зависит от соотношения коэффициента температуропроводности и скорости горения. Для многих материалов толщина этой зоны составляет около 3 мм.

Зона пиролиза – реакционная зона в конденсированной фазе, в которой происходит разложение твердого материала на газообразные продукты.

Предпламенная зона в газовой фазе, в которой низкомолекулярные продукты пиролиза дополнительно разлагаются. Здесь же начинается процесс воспламенения, который инициируется атомами водорода, диффундирующими в предпламенную зону из зоны пламени.

Зона пламени или реакционная зона в газовой фазе. В этой зоне протекают основные реакции окисления, выделяется основная часть тепла и наблюдается максимальная температура.

Зона продуктов сгорания содержит предельные оксиды, образующиеся при полном сгорании.

Таким образом, характерной особенностью горения твердых мате­риалов является многостадийный процесс их превращения в конечные продукты сгорания.

Этот процесс включает в себя следующие стадии: поглощение твердым материалом тепловой энергии от ИЗ; разложение конденсированной фазы с образованием летучих продуктов икарбонизированного остатка; воспламенение газообразных продуктов пиролиза; горение газообразных продуктов пиролиза.

Возникновению и распространению пламени предшествует нагрев и термическое разложение твердого материала. Первичное возникновение пламени рассматривается как процесс зажигания. Зажигание является сложным нестационарным процессом, который заключается в быстром разогреве локального участка твердого материала до высокой температу­ры открытым пламенем, электрической искрой, накаленным телом. В ре­зультате такого воздействия над поверхностью твердого материала возни­кает пламя. Для устойчивого зажигания температура поверхности должна быть доведена до температуры, близкой к температуре поверхности при горении в условиях стационарного процесса. Переход от зажигания к ста­ционарному режиму горения твердого материала возможен с момента по­явления пламени.

Воспламенение твердых материалов в воздухе рассматривается с по­зиций теории воспламенения газов. Однако возможны условия, когда процесс горения начинается вследствие гетерогенной реакции взаимодей­ствия кислорода с поверхностным слоем.

Характер переноса тепла к твердому материалу для его нагрева и воспламенения зависит от вида ИЗ и условий воздейст­вия теплового потока на поверхность. В условиях пожара твердые мате­риалы разогреваются в основном за счет конвективного и радиационного переноса тепла от пламени. Поглощение тепла твердым материалом при излучении зависит от спектральных характеристик материала и источника теплового потока.

В нагретом под действием потока тепла поверхностном слое происхо­дит пиролиз твердых материалов. При этом основную роль играет термо­окислительная деструкция. Однако преобладание термической или термо­окислительной деструкции в процессе газификации твердых материалов при горении зависит от природы материала, механизма его разложения, температуры пиролиза, зависящей от температуры поверхности горящего материла, а также от условий диффузии кислорода к горящей поверхности.

Летучие продукты пиролиза твердых материалов состоят из горючих и негорючих соединений. Основными негорючими продуктами являются Н2О, СО2 и галогенводороды. Горючая часть состоит из Н2, СО, насыщенных и ненасыщенных углеводородов, альдегидов, спиртов, кетонов и других органических соединений. Количество и состав продуктов пиролиза зависят от природы материала, механизма и кинетики процесса пиролиза, температуры разложения.

Воспламенение твердых материалов происходит, если содержание горючих газообразных продуктов пиролиза в газовой фазе достигает НКПРП. Это условие является необходимым, но недостаточным для возникновения устойчивого горения. Для того, чтобы пламя не погасло, необходимо передать твердому материалу такое количество тепла, которое обеспечивает непрерывную подачу в зону горения достаточного количества горючих газообразных веществ.

После воспламенения твердого материала начинается процесс перемещения фронта пламени по его поверхности. Количественной характеристикой этого процесса является линейная скорость распространения пламени – расстояние, пройденное фронтом пламени в единицу времени (см. рис. 5.4).

Рис. 5.4. Схема распространения фронта пламени по поверхности твердого материала: 1 – твердый материал, 2 – зона диффузионного горения, 3 – передняя кромка пламени, 4 – зона пиролиза, 5 – зона газообразных продуктов разложения, 6 – зона начала разложения твердого материала перед фронтом пламени, 7 – газообразные продукты горения

Перемещение фронта пламени осуществляется за счет передачи части тепла, выделяющегося в зоне горения. Передача тепла от факела пламени к поверхности твердого материала осуществляется радиацией, конвекцией и теплопроводностью. В зависимости от условий горения доля тепла, поступающего к поверхности материала по тому или иному механизму, может быть различной. Поэтому значение скорости горения для одного и того же материала в зависимости от условий горения может изменяться в значительных пределах.

Прогрев участков поверхности твердого материала перед фронтом пламени сопровождается термическим разложением с образованием летучих продуктов. Поэтому распространение пламени происходит, по существу, по газовой фазе.

В отличие от жидкостей, поверхность которых всегда горизонтальна, распространение пламени по твердым материалам может происходить при различной их ориентации в пространстве: горизонтальной, вертикальной или промежуточной. В зависимости от ориентации поверхности изменяется скорость распространения пламени: она максимальна для ус­ловий распространения пламени снизу вверх для вертикальной поверхно­сти и минимальна для распространения пламени сверху вниз. В остальных случаях скорости имеют промежуточное значение (см. рис. 5.2).

Существенное влияние на скорость распространения пламени ока­зывает толщина материала. При оценке условий распространения пламени различают термически толстые и термически тонкие материалы. Такое разделение основано на сравнении реальной толщины материала с терми­ческой – толщиной слоя твердого материала, прогретого перед фронтом пламени выше начальной температуры (см. рис. 5.5).

На схеме показано распределение температуры в материале не­посредственно перед фронтом пламени, при горении термически толстого (рис. 5.5, а) и термически тонкого (рис. 5.5, б) материала. Если реальная толщина превышает термическую толщину, материал называют термиче­ски толстым, если наоборот – термически тонким.

Из представленной схемы видно, что температура поверхности тер­мически толстого материала, противоположной поверхности горения, равна начальной, а в случае термически тонкого материала – значительно выше.

Рис. 5.5. Поля температур при распространении пламени по твердым материалам а) термически толстый материал; б) термический тонкий материал; dреальн – фактическая толщина материала, dтерм – термическая толщина материала, Т0 – начальная температура, Тпов – температура поверхности при горении

Данное обстоятельство необходимо учитывать при оценке условий распространения пламени по отделочным материалам, покрывающим строительные конструкции. Если материал конструкции обладает большим коэффициентом теплопроводности, чем у отделочного материала, то при горении последнего интенсифицируется отток тепла, поступающего от зоны пламени к поверхности горючего, вглубь твердой фазы. При этом, чем меньше толщина горючего материала, тем выше скорость теплоотвода от поверхности. Такой процесс замедляет повышение температуры поверхностного слоя и, соответственно, уменьшает скорость распространения фронта пламени. При некоторой минимальной толщине горючие покрытия уже не распространяют горение. Из рассмотренной схемы следует вывод: чем выше теплопроводность подложки, тем интенсивнее теплоотвод от поверхности горючего отделочного материала, и тем при большей его толщине прекращается процесс распространения пламени.

Одновременно с распространением пламени по поверхности твердого материала происходит процесс распространения горения вглубь материала – процесс выгорания. Интенсивность выгорания существенно зависит от закономерностей превращения твердой фазы в газообразные продукты.

Основной количественной характеристикой процесса выгорания является массовая скорость выгорания, используемая при расчетах температурного режима пожара, допустимого времени эвакуации людей при пожаре, требуемого предела огнестойкости строительных конструкций.

В практике используется величина приведенной массовой скорости выгорания, которая представляет собой количество вещества, выгораю­щего в единицу времени с единицы площади пожара. Связь между массо­вой и приведенной скоростями выгорания выражается соотношением:

где Vпр – приведенная скорость выгорания, кг/м 2. сек;

Vвыг – удельная массовая скорость выгорания, кг/м 2. сек;

Кп–коэффициент поверхности горения.

, (5.2)

где FПГ–площадь поверхности горения, м 2 ;

Fпож –площадь пожара, м 2 .

Например, для случая горения твердого материала в виде куба, ле­жащего на одной из граней, Кп = 5.

Массовая скорость выгорания твердых материалов не является по­стоянной величиной. Она существенно зависит от условий горения.

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

Состав и свойства твердых горючих веществ

В условиях большинства пожаров горят твердые вещества, которые широко используются в народном хозяйстве и быту. К ним в первую очередь относятся материалы, изготовленные на основе целлюлозы, древесина, хлопок, хлопчатобумажные ткани, бумага; на основе углеводородов и их производных — резина, пластмассы, химические волокна и ткани из них; продукты
питания — зерно и зернопродукты, жиры, сахар и т. д.

Целлюлозные материалы содержат кислород, который участвует в процессе горения так же, как кислород воздуха. Поэтому объем воздуха, теоретически необходимого для их горения, значительно меньше, чем для горения горючих веществ, в состав которых кислород не входит.

Характерным свойством целлюлозных материалов является их способность при нагревании разлагаться с при 150°С. Медленное разложение древесины начинается при 160—170°С, а заметный выход газообразных продуктов происходит при 250—300 °С.

При начальной температуре разложения твердых веществ скорость образования газообразных продуктов небольшая, с повышением температуры она увеличивается. При дальнейшем повышении температуры скорость выделения газообразных продуктов уменьшается, приближаясь к некоторому минимальному значению. Таким образом, газообразные продукты при нагревании твердых веществ образуются в определенном интервале температур и с переменной скоростью, причем при разложении разных горючих материалов выделяется различное количество газообразных продуктов.

Суммарное количество выделенного тепла при горении 1 кг древесины равно теплоте сгорания древесины. Теплота сгорания березовой древесины равна 18343,3 кДж/кг. При горении древесины в условиях пожара количество образующегося угля несколько меньше составляет 20% от массы древесины.

Полимеры отличаются высоким содержанием углерода, и большинство из них не содержит кислорода. Поэтому для их горения необходим значительный объем воздуха (10—12-м 3 /кг). Горение полимеров происходит с образованием продукта неполного сгорания — сажи.

При нагревании полимеры ведут себя по-разному. Большинство из них при нагревании плавится и образует в процессе горения на поверхности жидкий слой. На вертикальных и наклонных поверхностях горения жидкий слой удерживаться не может и стекает. Поэтому на таких поверхностях горения слой жидкости имеет постоянную толщину, которая не превышает 1—2, мм. Стекающая жидкость образует на полу помещения или на поверхности земли слой в несколько сантиметров, который, растекаясь, распространяет горение на негорящие еще предметы.

Неорганические твердые горючие вещества — металлы, металлоиды и их соединения при нагревании почти все плавятся, и над поверхностью образуется слой паров.

Практическое определение удельной скорости выгорания твердых материалов очень затруднено, так как поверхность горения многие из них не представляет ровную плоскость. В связи с этим расчет скорости выгорания ведут на единицу площади пожара, т. е. на единицу площади проекции поверхности горения на горизонтальную плоскость. Такую величину принято называть приведенной массовой скоростью выгорания и обозначать vм. Эту величину можно определять из опыта на специальной установке, называемой камера-весы.

Под действием тепла, передаваемого от зоны горения на поверхность твердых материалов, происходит не только выгорание их, но и перемещение фронта пламени по еще негорящей поверхности. Перемещениефронта пламени по поверхности твердых веществ называется распространением горения и характеризуется скоростью распространения горения v (в м/мин)

V = l/

где l — расстояние, пройденное фронтом пламени, м; — время пе-
ремещения фронта пламени, мин.

Различают две скорости распространения горения — по вертикальной (вниз и вверх) и горизонтальной поверхности. Однако в расчетах по тушению пожаров практически применяют только скорость распространения по горизонтальной поверхности. На величину скорости распространения горения влияет много факторов:

состояние поверхности вещества,

интенсивность излучения зоны горения,

направление и скорость ветра и др.

Cкорость распространения горения в, условиях пожара отличается от скорости распространения горения по поверхности твердого горючего вещества.

Горение древесины

Древесина является самым распространенным горючим материалом в условиях пожара, По структуре она представляет собой пористый материал с множеством ячеек, заполненных воздухом. Стенки ячеек состоят из целлю-
лозы и лигнина. Объем пустот в древесине превышает объем твердого вещества.

Характер строения древесины определяет весьма низкую ее теплопроводность и связанные с нею быструю воспламеняемость и медленный прогрев внутренних слоев. При соприкосновении древесины с источником воспламенения, например пламенем, происходит быстрое нагревание тонкого поверхностного слоя ее, испарение влаги и затем разложение. Продукты разложения древесины, полученные при температуре ниже 250 °С, содержат в основном водяной пар, диоксид углерода С02 и немного горючих газов, поэтому гореть не способны. Продукты разложения, полученные при 250—260°С, содержат большое количество оксида углерода СО и метана и становятся горючими. Они воспламеняются от источника зажигания (пламени) и с этого момента древесина начинает самостоятельно гореть.

Как и у жидкостей, наименьшая температура древесины, при которой продукты разложения способны воспламеняться от источника зажигания, называется температурой воспламенения древесины.

Температура воспламенения древесины зависит от степени ее измельчения. Так температура воспламенения сосновой древесины 255 °С, а сосновых опилок 230 °С.

После воспламенения температура верхнего слоя древесины повышается за счет тепла, излучаемого пламенем, и достигает 290—300°С. При этой температуре выход газообразных продуктов максимальный и высота, факела пламени наибольшая. В результате разложения верхний слой древесины превращается в древесный уголь, который в данных условиях гореть не может, так как кислород, поступающий из воз-
духа, весь вступает в реакцию в зоне горения пламени. Температура угля на поверхности к этому времени достигает 500—700 °С. По мере выгорания верхнего слоя древесины и превращения его в уголь нижележащий
слой древесины прогревается до 300 °С и разлагается. Таким образом, пламенное горение древесины при образовании на ее поверхности небольшого слоя угля еще не прекращается, однако скорость выхода продуктов разложения начинает уменьшаться. В дальнейшем рост слоя угля и уменьшение выхода продуктов разложения приводят к тому, что пламя остается только у трещин угля, и кислород может достигать поверхности угля. С этого момента начинается горение угля и одновременно продолжается горение продуктов разложения. Толщина слоя угля, которая к этому моменту достигает 2—2,5см, остается постоянной, так как наступает равновесие между линейной скоростью выгорания угля и скоростью прогрева и разложения древесины. Одновременное горение угля и продуктов разложения древесины продолжается до тех пор, пока не превратится в уголь вся древесина. После этого выход газообразных продуктов разложения древесины прекращается, а продолжается только горение угля.

Таким образом, процесс горения древесины состоит из двух фаз: пламенного горения и горения угля.

Между ними имеется переходная фаза, характеризуемая одновременным протеканием двух фаз.

В условиях пожара основную роль играет первая фаза, так как она сопровождается выделением большого объема нагретых до высокой температуры продуктов сгорания и интенсивным излучением (пламя). Все это способствует быстрому распространению горения и увеличению площади пожара. Поэтому при тушении пожаров в первую очередь стараются ликвидировать очаги, где протекает первая фаза горения.

Горение металлов

Металлы отличаются от других твердых горючих веществ тем, что на их поверхности в процессе окисления образуются твердые оксиды, пленка которых препятствует прямому контакту реагирующих веществ. Опыты по возгоранию металлов показали, что некоторые из них (Fе, А1, Zn, Sn) в компактном состоянии способны гореть только в виде кусочков, проволочек, фольги, ленты. В виде же порошка они способны даже самовозгораться и гореть в большой массе. Другие металлы (К, Nа, Li) способны возгораться и гореть в компактном состоянии и в большой массе.

На способность металлов возгораться и гореть большое влияние оказывают химические и физические свойства как самих металлов, так и их оксидов. Особенно большое влияние на возгораемость и характер горений оказывают температуры плавления и кипения металлов и их оксидов. По этим физическим свойствам металлы подразделяются на летучие и нелетучие.

Все эти металлы имеют низкую температуру плавления и при горении находятся в жидком состоянии. Температура кипения их (кроме калия) ниже температуры плавления оксидов, поэтому на жидком металле могут
находиться твердые оксиды.

Температура плавления оксидов часто ниже температуры кипения металлов, поэтому они могут находиться на поверхности металла в жидком состоянии. Поэтому оксиды в значительной степени замедляют окисление металлов. Горение этих металлов происходит энергичнее в состоянии
порошков, аэрозолей и стружки без образования дыма.

Титан способен образовывать твердый раствор оксида в металле, поэтому у него отсутствует отчетливая поверхность раздела между оксидом и металлом. Кислород воздуха имеет возможность диффундировать через
оксид, в результате этого горение может продолжаться, если титан покрыт слоем твердого оксида. Температура горения титана около 3000 °С, т. е. ниже, чем температура кипения его оксида. В связи с этим в зоне горения
оксид титана находится в жидком состоянии, поэтому при горении титана плотного белого дыма также не образуется.

8 ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ А. М. БУТЛЕРОВА
И КЛАССИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Виды и скорость распространения пламени

По скорости распространения пламени горение подразделяют на дефлаграционное, протекающее с дозвуковыми скоростями, и детонацию, распространяющуюся со сверхзвуковой скоростью.

Горение при пожарах протекает, как правило, в режиме дефлаграционного горения и с относительно небольшими скоростями. Например, скорость распространения пламени в начале горения твердых материалов составляет ≈ 0,1 м/с, горючих жидкостей ≈ 0,5 м/с, бензина ≈ 2,4 м/с, горючих газов (пропан, этан, бутан) ≈ 6-12 м/с.

Горение химических взрывчатых веществ, а также газовоздушных и пылевоздушных смесей, связанное с взрывчатыми превращениями, представляет самостоятельную область исследований.

Известно, что большая часть взрывов, наблюдавшихся в различных промышленных и транспортных авариях, сопровождавшихся образованием облака газовоздушных смесей (ГВС), происходило в режиме, когда часть горючего вещества сгорает, а часть взрывается.

Суть этого явления в том, что в зависимости от размеров и концентрации горючей примеси в облаке ГВС, возможно прогрессирующее увеличение скорости распространения огня, возникающее вследствие интенсивного прогревания смеси тепловым излучением перед фронтом пламени, и существенного повышения давления продуктов сгорания за фронтом.

На скорость распространения пламени влияет также характер подстилающей поверхности. Неровности местности, наличие предметов и зданий, способствуют ускорению распространения пламени за счет его турбулизации, то есть перехода от ламинарного горения, к турбулентному горению.

При скорости распространения пламени >50 метров в секунду, но менее скорости звука в данной среде, происходит взрывное горение или, иначе, дефлаграционный взрыв и формируется волна давления.

Применительно к авариям, сопровождавшимся выбросом горючих газов и формированием облака ГВС, под дефлаграционным взрывом обычно подразумевают горение облака со скоростью 50÷300 м/c и образованием волны давления с максимальным давлением 20÷100 кПа.

Основным параметром, характеризующим специфику дефлаграционного взрыва, является скорость распространения пламени V, м/c.

Газовоздушные и паровоздушные смеси классифицируются по степени “чувствительности к ускорению пламени” вследствие автотурбулизации при распространении фронта горения по определенному типу подстилающей поверхности, способной изменять скорость распространения пламени.

Чувствительность смеси к ускорению пламени:

группа А — особо чувствительные вещества (водород H2, ацетилен CH2, окись этилена C2H4O и др.);

группа Б — чувствительные вещества (пропан C3H8, этан C2H6, бутан C4H10 и др.);

группа В — слабо чувствительные вещества (бензин C7H13, метан CH4 и др).

При отсутствии сведений о свойствах вещества, по соображениям безопасности его следует относить к группе А.

Типы подстилающей поверхности:

тип “а” — свободное и слабо загромождённое пространство (отдельно стоящие предметы внутри облака ГВС);

тип “б”- средне загроможденное пространство (повторяющиеся предметы вдоль направления горения облака);

тип “в” — сильно загроможденное пространство (повторяющиеся препятствия на всем пространстве распространения фронта горения облака).

Скорость горения газовоздушных и паровоздушных смесей:

веществ группы А: при распространении фронта пламени по поверхности типа “а” — V=85÷170 м/с, по поверхности типа “б” — V=170÷340 м/с, по поверхности типа “в” — вероятна детонация;

веществ группы Б: при распространении фронта пламени по поверхности типа “а” V=35м/с, по поверхности типа “б” — V=70м/с, по поверхности типа “в” — V=120м/с;

веществ группы В: при распространении фронта пламени по поверхности типа “а” — V=17м/с, по поверхности типа “б” — V=35м/с, по поверхности типа “в” — V=70м/с.

— Горение горючих жидкостей происходит в газовой фазе.

— Скорость химической реакциипри высокой температуре может быть существенной и носить характер взрыва. Основным параметром, характеризующим специфику дефлаграционного взрыва, является скорость распространения пламени;

— Газовоздушные и паровоздушные имеют различную “чувствительность к ускорению пламени” вследствие автотурбулизации при распространении фронта горения по определенному типу подстилающей поверхности.

Параметры пожара продолжительность, площадь, температура, теплота, линейная скорость распространения пожара, скорость выгорания горючих веществ, интенсивность газообмена, плотность задымления. Лекция 2

Размер архива, КБ

Параметры пожара продолжительность, площадь, температура. Лекция 2.doc

Параметры пожара: продолжительность, площадь, температура, теплота, линейная скорость распространения пожара, скорость выгорания горючих веществ, интенсивность газообмена, плотность задымления. Лекция 2

Известно, что основное явление на пожаре — горение, но сами пожары все индивидуальны. Разнообразны виды и режимы горения: кинетическое и диффузионное, гомогенное и гетерогенное, ламинарное и турбулентное, дифлаграционное и детонационное, полное и неполное и т.д.). Разнообразны условия, в которых происходит горение; состояние и расположение горючих веществ, тепл о- и массообмен в зоне горения и др. Поэтому каждый пожар необходимо регистрировать, описывать, исследовать, сравнивать с другими, т.е. изучать параметры пожара.

Продолжительность пожара, τ п (мин.). Продолжительностью пожара называется время с момента его возникновения до полного прекращения горения.

Площадь пожара, F п (м 2 ). Площадью пожара называется площадь проекции зоны горения на горизонтальную или вертикальную плоскость.

На рис. 1 показаны характерные случаи определения площади пожара. На внутренних пожарах в многоэтажных зданиях общая площадь пожара находится как сумма площадей пожаров всех этажей. В большинстве случаев пользуются проекцией на горизонтальную плоскость, сравнительно редко — на вертикальную (при горении одиночной конструкции небольшой толщины, расположенной вертикально, при пожаре на газовом фонтане).

Площадь пожара является основным параметром пожара при оценке его размеров, при выборе метода тушения, при расчете сил и средств, необходимых для его локализации и ликвидации.

Температура пожара, Т п ( K ). Под температурой внутреннего пожара понимают среднеобъемную температуру газовой среды в помещении, а под температурой открытого пожара — температуру пламени. Температура внутренних пожаров ниже, чем открытых.

Линейная скорость распространения пожара, Vp (м/с). Под этим параметром понимают скорость распространения горения по поверхности горючего материала в единицу времени. Линейная скорость распространения горения определяет площадь пожара. Она зависнет от вида и природы горючих веществ и материалов, от способности к воспламенению и начальной температуры, от интенсивности газообмена на пожаре и направленности конвективных газовых потоков, от степени измельченности горючих материалов, их пространственного расположения и других факторов.

Линейная скорость распространения горения — величина непостоянная во времени, поэтому в расчетах пользуются средними значениями, которые являются величинами приближенными.

Наибольшей линейной скоростью распространения горения обладают газы, так как в смеси с воздухом они уже подготовлены к горению, лишь необходимо эту смесь нагреть до температуры воспламенения.

Линейная скорость распространения горения жидкостей зависит от их начальной температуры. Наибольшая линейная скорость распространения горения для горючих жидкостей наблюдается при температуре воспламенения, и равна скорость распространения горения по паровоздушным смесям.

Наименьшей линейной скоростью распространения горения обладают твердые горючие материалы, для подготовки к горению которых требуется больше тепла, чем для жидкостей и газов. Линейная скорость распространения горения твердых горючих материалов в значительной степени зависит от их пространственного расположения. Распространение пламени по вертикальным и горизонтальным поверхностям отличается в 5 — 6 раз, а при распространении пламени по вертикальной поверхности снизу вверх и сверху вниз — в 10 раз. Чаще используется линейная скорость распространения горения по горизонтальной поверхности.

Скорость выгорания горючих веществ и материалов. Она является одним из важнейших параметров горения на пожаре. Скорость выгорания горючих веществ и материалов определяет интенсивность тепловыделения на пожаре, а, следовательно, температуру пожара, интенсивность его развития и другие параметры.

Массовой скоростью выгорания называется масса вещества или материала, выгоревшая в единицу времени VM (кг/с). Массовая скорость выгорания также, как и скорость распространения горения зависит от агрегатного состояния горючего вещества или материала.

Горючие газы хорошо перемешиваются с окружающим воздухом, поэтому полностью сгорают в факеле пламени. Массовая скорость выгорания жидкостей определяется скоростью их испарения, поступления паров в зону горения и условиями их смешения с кислородом воздуха. Скорость испарения при равновесном состоянии системы «жидкость-пар» зависит от физико-химических свойств жидкости, ее температуры, упругости паров. При неравновесном состоянии интенсивность испарения жидкости определяется температурой ее поверхностного слоя, которая в свою очередь зависит от интенсивности тепловых потоков от зоны горения, теплоты испарения и условий теплообмена с нижними слоями жидкости.

Для многокомпонентных горючих жидкостей состав их паровой фазы определяется концентрационным составом раствора и зависит от интенсивности испарения и степени равновесия. При интенсивном испарении в поверхностных слоях жидкости происходит процесс разгонки, и состав паровой фазы отличается от равновесного, а массовая скорость выгорания изменяется по мере выгорания более легколетучих фракций.

Процесс выгорания зависит от смешения паров жидкости с кислородом воздуха. Этот процесс зависит от размеров сосуда, от высоты борта над уровнем жидкости (длины пути смешения до зоны горения) и интенсивности внешних газовых потоков. Чем больше диаметр сосуда (до 2 — 2.5 м, дальнейшее увеличение диаметра никак не влияет на рассматриваемый параметр) и высота борта над уровнем жидкости, тем больше длина пути жидкости до зоны горения, соответственно, тем меньше скорость выгорания. Большая скорость ветра и температура горючей жидкости способствуют лучшему смешению паров жидкости с кислородом воздуха и росту скорости выгорания жидкости.

Масса жидкости, выгоревшей в единицу времени с единицы площади поверхности, называется удельной массовой скоростью выгорания VM , кг/(м 2 с).

Объемной скоростью выгорания называется объем жидкости, выгоревшей в единицу времени с единицы площади поверхности горения, V О . Для газов — это объем газа, сгоревший в единицу времени м /с, для жидкостей и твердых веществ и материалов — это удельная объемная скорость выгорания м /(м . с ) либо м/с, т.е. это линейная скорость. Объемная скорость выражает скорость понижения уровня жидкости по мере ее выгорания или скорость выгорания толщины слоя твердого горючего материала.

Фактически объемная скорость выгорания — это скорость понижения уровня жидкости по мере ее выгорания или скорость выгорания толщины твердого горючего материала. Перевод объемной (линейной) скорости в массовую можно осуществить по формуле: V м = .

Скорость выгорания тонких ( 2 с) и редко бывает ниже 0.005 кг/(м 2 с).

Массовая скорость выгорания твердых горючих материалов зависит от отношения площади проемов ( Fnp ), через которые осуществляется газообмен, к площади пожара Fnp / Fn . Например, для древесины при уменьшении площади проемов скорость выгорания снижается.

Приведенная массовая скорость выгорания древесины, кг/(м 2 с).

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.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector