Распространение пламени.: Пламя, возникающее в результате воспламенения, само по себе

Общие сведения о горении

Распространение пламени.:  Пламя, возникающее в результате воспламенения, само по себе

Горением называется сложный физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, характеризующийся самоускоряющимся химическим превращением и сопровождающийся выделением большого количества тепла и света. Пламенное горение может возникнуть или под действием источника зажигания (воспламенения), или вследствие резкого увеличения скорости экзотермических реакций (самовоспламенение).

Режим самовоспламенения заключается в самопроизвольном возникновении пламенного горения предварительно нагретой до некоторой критической температуры горючей смеси (так называемой температуры самовоспламенения); этот режим проявляется в виде вспышки и характеризуется одновременным сгоранием всей горючей смеси. В таблице 1 представлены некоторые горючие вещества и их температуры самовоспламенения.

Таблица 1.

Температура самовоспламенения некоторых горючих веществ

Вещество Температура, °С Вещество Температура, °С
Древесина 375-500 Бензин авиационный
Торф Масло подсолнечное
Кокс Этиловый спирт
Бумага Хлопок

Режим воспламенения представляет собой распространение волны горения (распространение фронта пламени) по холодной смеси при ее локальном зажигании (воспламенении) внешним источником.

Пламя — это видимая зона горения, в которой наблюдаются свечение и излучение тепла.

Возникшее в результате воспламенения пламя само становится источником потока тепла и химически активных частиц в прилегающие слои свежей горючей смеси, за счет чего обеспечивается перемещение фронта пламени.

О самовозгорании растительных продуктов. Из растительных продуктов склонны к самовозгоранию сено, солома, листья, солод, хмель. Особенно подвержены самовозгоранию недосушенные растительные продукты, в которых продолжается жизнедеятельность растительных клеток.

Согласно бактериальной теории, наличие влаги и повышение температуры за счет жизнедеятельности растительных клеток способствует размножению имеющихся в растительных продуктах микроорганизмов.

Вследствие плохой теплопроводности растительных продуктов выделяющаяся теплота постепенно накапливается и температура в массе продукта повышается.

При повышенной температуре микроорганизмы погибают и превращаются в пористый уголь, который обладает свойством нагреваться за счет интенсивного окисления и поэтому является следующим, после микроорганизмов, источником выделения тепла. Температура в растительных продуктах поднимается до 300°С, и они самовозгораются.

Древесный, бурый и каменный уголь, торф самовозгораются также за счет интенсивного окисления кислородом воздуха.

Растительные и животные жиры, если они нанесены на измельченные или волокнистые материалы (тряпки, веревки, пакля, рогожа, шерсть, опилки, сажа и др.) обладают способностью самовозгораться.

При смачивании измельченных или волокнистых материалов маслом, оно распределяется по поверхности и при соприкосновении с воздухом, начинает окисляться. Одновременно с окислением в масле происходит процесс полимеризации (соединения нескольких молекул в одну).

Как первый, так и второй процессы сопровождаются значительным выделением тепла. Если выделяемое тепло не рассеивается, т.е.

накапливается внутри плотно уложенной кипы, то температура в промасленном материале поднимается, и может достигнуть температуры самовоспламенения.

Горение возникает при наличии трех обязательных составляющих: горючего вещества, окислителя и источника зажигания. Остановимся на каждом из них подробнее.

Под термином горючее вещество подразумевается такое вещество, которое способно самостоятельно гореть после того, как будет удален внешний источник зажигания.

Горючее вещество может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. Горючими веществами являются большинство органических веществ, ряд газообразных неорганических соединений и веществ, многие металлы и т.д.

Наибольшую взрывопожарную опасность представляют газы.

Горение жидкости.Для воспламенения горючей жидкости над ее поверхностью сначала должна образоваться паровоздушная смесь.

Горение жидкостей возможно только в паровой фазе, при этом поверхность самой жидкости остается сравнительно холодной.

Среди горючих жидкостей (ГЖ) выделяют класс наиболее опасных представителей — легковоспламеняющиеся жидкости (ЛВЖ). К ЛВЖ относятся бензины, ацетон, бензол, толуол, некоторые спирты, эфиры и т.п.

Существует ряд веществ (газообразных, жидких или в твердом состоянии), которые способны самовоспламеняться при контакте с воздухом без предварительного нагрева (при комнатной температуре), такие вещества называют пирофорными. К ним относятся: фтористый водород, белый фосфор, гидриды и металлоорганические соединения легких металлов и т.д.

Есть достаточно большая группа веществ, при контакте которых с водой или водяными парами, находящимися в воздухе, начинается химическая реакция, протекающая с выделением большого количества теплоты.

Под действием выделяющейся теплоты происходит самовоспламенение горючих продуктов реакции и исходных веществ. К этой группе веществ относятся щелочные и щелочноземельные металлы (литий, натрий, калий, кальций, стронций, уран и др.

), гидриды, карбиды, фосфиды указанных металлов, низкомолекулярные металлоорганические соединения (триэтилалюминий, триизобутилалюминий, триэтилбор) и т.д.

Горение твердого вещества происходит по более сложному механизму и ему присуще несколько стадий. При воздействии внешнего источника происходит прогрев поверхностного слоя твердого вещества, из него начинается выделение газообразных летучих продуктов.

Этот процесс может сопровождаться или плавлением поверхностного слоя твердого вещества, или его возгонкой (образованием газов, минуя стадию плавления).

При достижении определенной концентрации горючих газов в воздухе (нижнего концентрационного предела), они воспламеняются и посредством выделяющейся теплоты начинают сами воздействовать на поверхностный слой, вызывая его плавление и поступление в зону горения новых порций горючих газов и паров твердого вещества.

Рассмотрим в качестве примера древесину. При нагревании до 110°С происходит высушивание древесины и незначительные испарения смолы. Слабое разложение начинается при 130°С. Более заметное разложение древесины (изменение цвета) происходит при 150°С и выше. Образующиеся при 150-200°С продукты разложения составляют, в основном, воду и углекислый газ, поэтому гореть не могут.

При температуре выше 200°С начинает разлагаться главная составная часть древесины — клетчатка. Газы, образующиеся при этих температурах, являются горючими, так как они содержат значительные количества окиси углерода, водорода, углеводородов и паров других органических веществ.

Когда концентрация этих продуктов в воздухе станет достаточной, при определенных условиях произойдет их воспламенение.

Если горючее вещество плавится растекаясь, оно увеличивает очаг горения (например, каучук, резина, металлы и т.д.).

В том случае, если вещество не плавится, кислород постепенно подходит к поверхности горючего и процесс приобретает форму гетерогенного горения (стадия выжигания кокса углеродного горючего).

Процесс горения твердых веществ сложен и многообразен, он зависит от многих факторов (дисперсность твердого материала, его влажность, наличие пленки окислов на его поверхности и ее прочность, присутствие примесей и т.д.).

Более интенсивно (часто со взрывом), происходит возгорание мелкодисперсных металлических порошков и пылевидных горючих материалов (например, древесная пыль, сахарная пудра).

Как окислительнаиболее часто при пожаре выступает кислород, содержание которого в воздухе, как известно, составляет около 21%. Сильными окислителями являются перекись водорода, азотная и серная кислоты, фтор, бром, хлор и их газообразные соединения, хромовый ангидрид, перманганат калия, хлораты и другие соединения.

При взаимодействии с металлами, которые в расплавленном состоянии проявляют очень высокую активность, в роли окислителей выступают вода, двуокись углерода и другие кислородсодержащие соединения, которые в обычной практике считаются инертными.

Однако только наличия смеси горючего и окислителя еще недостаточно для начала процесса горения. Необходим еще источник зажигания.

Для того чтобы произошла химическая реакция, необходимо появление достаточного количества активных молекул, их обломков (радикалов) или свободных атомов (еще не успевших объединиться в молекулы), которые обладают избыточной энергией, равной или превышающей энергию активации для данной системы.

Появление активных атомов и молекул возможно при нагреве всей системы, при локальном контакте газов с нагретой поверхностью, при воздействии пламени, электрического разряда (искра или дуга), локального нагрева стенки сосуда в результате трения или при введении катализатора и т.п. Источником воспламенения может быть также внезапное адиабатическое (без теплообмена с окружающей средой) сжатие газовой системы или воздействие на нее ударной волны.

В настоящее время ученые установили, что механизм возникновения и развития реальных пожаров и взрывов характеризуется комбинированным цепочечно – тепловым процессом.

Начавшись цепным путем, реакция окисления за счет ее экзотермичности продолжает ускоряться за счет тепла.

В конечном счете критические (предельные) условия возникновения и развития горения будут определяться тепловыделением и условиями тепломассообмена реагирующей системы с окружающей средой.

Предыдущая12345678910111213141516Следующая

Дата добавления: 2016-01-09; просмотров: 1347; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

ПОСМОТРЕТЬ ЁЩЕ:

Источник: https://helpiks.org/6-44718.html

Процессы воспламенения и распространения пламени

Распространение пламени.:  Пламя, возникающее в результате воспламенения, само по себе

Процесс воспламенения топлива предшествует стадии собственно горения. В этот период топливо подвергается медленному окислению, сопровождающемуся выделением теплоты.

Вследствие повышения температуры реакция ускоряется и при известных условиях происходит воспламенение топлива, характеризуемое появлением пламени или свечения.

В результате воспламенения реакция внезапно (скачком) переходит в стадию собственно горения. Воспламенение осуществляется двумя способами:

самовоспламенение — весь объем горючей массы целиком нагревается до такой температуры, при которой она без внешнего воздействия воспламеняется одновременно во всем объеме;

вынужденное воспламенение, или зажигание, — холодная смесь воспламеняется лишь в одной точке каким-либо высокотемпературным источником (накаленным телом, электрической искрой и т.д.), при этом воспламенение самопроизвольно распространяется по всему объему.

Тепловая теория самовоспламенения разработана академиком Н.Н. Семеновым. Рассмотрим сущность этой теории.

Пусть в сосуде объемом Vсодержится газовоздушная смесь при температуре Т{), равной температуре окружающей среды. Допустим, что температура стенок сосуда неизменно поддерживается равной Ти. В сосуде протекает химическая реакция между кислородом воздуха и газом со скоростью W, измеряемой числом молей х продуктов окисления, появляющихся в секунду на единицу объема:

где к{1 — константа скорости химической реакции при Т = оо; р — парциальное давление газа; п — порядок реакции.

В результате протекания химической реакции в сосуде будет выделяться следующее количество теплоты в единицу времени:

где Qv — тепловой эффект реакции при постоянном объеме.

Эта теплота частично расходуется на нагрев смеси, а частично попадает в окружающую среду через стенки сосуда. Потери теплоты можно вычислить по формуле

где а — коэффициент теплоотдачи от газа к стенке сосуда; F— общая поверхность стенок сосуда; Т — средняя температура реагирующей смеси.

Если считать коэффициент теплоотдачи а не зависящим от температуры, то потери теплоты окажутся линейной функцией температуры.

Предположим также, что до начала воспламенения парциальное давление газа практически не меняется, тогда уравнение для q{ в системе координат (q, Т) будет представлять логарифмическую кривую.

Рис. 3.9.К определению температуры самовоспламенения газовой смеси

На рис. 3.9 представлено графическое изображение процесса самовоспламенения. Система кривых соответствует различным скоростям химических реакций в зависимости от разных начальных парциальных давлений реагирующего газа.

При протекании реакции по кривой ц» самовоспламенения не произойдет.

Вначале вследствие превышения тепловыделения над теплоотводом смесь будет разогреваться от Т0 до Т2, после чего наступит устойчивое тепловое равновесие.

При этом скорость реакции, достигнув некоторого значения, начнет непрерывно падать в связи с уменьшением в системе концентраций реагирующих веществ. Рассматриваемый случай соответствует процессу медленного окисления.

Если реакция протекает по кривой д[, то тепловыделение всегда превышает теплоотвод.

В этом случае смесь с самого начала будет непрерывно саморазогреваться, скорость реакции быстро примет высокие значения и в результате в системе произойдет самовоспламенение, или тепловой взрыв.

Условием перехода реагирующей системы к самовоспламенению является условие касания кривой тепловыделения и теплоотвода, при котором равны тепловыделение и теплоотвод и их первые производные по температуре

Температура стационарного разогрева реагирующей системы Т, выше которой система способна к самоускорению реакции, называется температурой самовоспламенения.

Температура самовоспламенения Тс всегда выше температуры воспламенения Т0, разность Гс — Ти представляет собой разогрев системы, предшествующий самовоспламенению.

Из формулы (3.24) следует, что предварительный разогрев зависит от температуры Т0 и природы реагирующих газов, от которой зависит величина энергии активации. Расчеты по этой формуле показывают, что разница между Тс и Ти невелика и составляет несколько десятков градусов.

Повышение давления позволяет осуществить самовоспламенение при более низких температурах стенок.

Наименьшей температурой самовоспламенения обладают смеси, близкие к стехиометрическим. Бедные и богатые смеси самовоспламеняются при более высоких температурах, чем стехиометрические.

В процессе самовоспламенения разогрев смеси от Г0 до Тс происходит в течение некоторого промежутка времени т, который называется периодом индукции или задержкой воспламенения.

Величина задержки воспламенения зависит от температуры стенок, давления, состава горючей смеси. Чем выше температура стенок сосуда и давление, тем меньше задержка воспламенения.

Чем выше процент горючих веществ в смеси при прочих равных условиях, тем больше задержка воспламенения (иногда составляет десятки секунд и даже несколько минут).

Для того чтобы обеспечить устойчивое, практически мгновенное воспламенение горючей смеси по выходу из горелоч- ных устройств, необходимо иметь ничтожно малый период индукции. Такое воспламенение достигается при температурах в зоне горелочной амбразуры порядка 700-900 °С.

Температура самовоспламенения не является физико-химической константой, характеризующей данную горючую смесь, так как она зависит от условий опыта. Согласно тепловой теории самовоспламенения между давлением и температурой самовоспламенения должна существовать однозначная связь, показанная на рис. 3.10.

Для некоторых горючих газов (метан, водород, окись углерода и др.) в области низких давлений наблюдается более сложная зависимость температуры самовоспламенения от давления (рис. 3.11). Для этих газов характерно явление верх-

Рис. ЗЛО. Зависимость температуры самовоспламенения от давления при постоянном начальном составе смеси

Рис. 3.11. Зависимость температу ры самовоспламенения от давления для метана и некоторых других газов (при постоянном начальном составе смеси): ЬВГ — полуостров самовоспламенения; ВГ — нижний предел самовоспламенения: ЬВ — верхний предел самовоспламенения; АВ — третий предел самовоспламенения

него и нижнего пределов самовоспламенения по давлению (полуостров самовоспламенения), объяснить которое можно лишь на основе цепной теории химических реакций. Согласно этой теории под температурой самовоспламенения понимается температура реагирующей смеси, при которой число возникающих цепей реакции равно числу обрывов цепей.

При температуре ниже температуры воспламенения обрыв цепей преобладает над разветвлением и саморазгон реакции невозможен. При температурах выше температуры самовоспламенения скорость разветвления цепей преобладает над скоростью обрыва цепей, количество активных центров и скорость реакции возрастают, что и приводит к самовоспламенению.

Пределы самовоспламенения по давлению можно рассматривать как величины давления реагирующей системы, при которых скорость разветвления цепей начинает превосходить скорость обрыва цепей. Обрыв цепей возможен как в объеме газовой среды, так и на стенках сосуда.

В области очень низких давлений обрыв цепей происходит в основном на стенках сосуда, так как в разреженных газах мала вероятность столкновений в объеме (нижний предел самовоспламенения).

При повышении давления увеличивается вероятность столкновений в объеме и уменьшается влияние стенок сосуда на обрыв цепей.

Предполагается, что с повышением давления скорость обрыва цепей возрастает в большей степени, чем скорость их разветвления, вследствие чего при некотором критическом давлении скорость обрыва цепей начинает преобладать над скоростью их разветвления, самовоспламенение становится невозможным, появляется верхний предел самовоспламенен и я.

Предел самовоспламенения по давлению (для тяжелых углеводородов) не связан с цепным механизмом реакций и объясняется тепловой теорией самовоспламенения.

Если внести кусочек топлива в нагреваемое пространство, то по мере нагрева будет происходить сушка, а потом начнется процесс разложения с выделением летучей части топлива в виде парогазовой смеси. Летучие вешества, смешиваясь с воздухом, образуют вокруг частицы топлива горючую смесь. Эта смесь при определенных условиях может самовоспламениться.

Таким образом, самовоспламенение твердого топлива, выделяющего летучие вешества, сводится в основной части к их самовоспламенению. При быстром нагреве угольной пыли самовоспламенение может начаться с твердой фазы.

Наименьшими температурами самовоспламенения обладают те топлива, которые имеют наибольший выход летучих веществ и содержат в органической массе наибольшее количество кислорода и наименьшее количество углерода.

Температура самовоспламенения торфа оказывается ниже, чем у древесины, несмотря на то, что содержание летучих веществ и кислорода в нем меньше, чем в древесине. Это исключение объясняется тем, что торфы содержат некоторые соединения, способные окисляться при 60-70 °С и обладают высокой пористостью.

Теория теплового воспламенения газов может быть распространена и на воспламенение твердых топлив, практически не содержащих летучих веществ (антрацит, кокс).

При низких температурах топливо реагирует медленно и его температура мало отличается от температуры окружающего пространства.

По мере повышения температуры окружающей среды реакция ускоряется и при некоторой температуре среды частица топлива начинает самопроизвольно разогреваться вследствие повышения тепловыделения над потерями теплоты в окружающую среду, при этом частица почти скачкообразно из темной превращается в ярко накаленную, т.е.

она воспламеняется, с этого момента и начинается процесс собственно горения. Воспламенение таких топлив связано с гетерогенными реакциями окисления. Хотя горение летучих веществ и способствует воспламенению кокса, однако оно не всегда является началом его горения.

Для твердого топлива характерно два процесса воспламенения и две соответствующие им температуры: температура самовоспламенения летучих веществ и температура самовоспламенения кокса. При этом под температурой воспламенения кокса понимается та температура, до которой нужно нагреть кокс, чтобы он самопроизвольно мог воспламениться (раскалиться).

Степень измельчения твердого топлива также сказывается на температуре самовоспламенения. Чем тоньше измельчено топливо, тем больше его удельная реагирующая поверхность, что приводит к его самовоспламенению при более низких температурах. Установленное понятие периода индукции или задержки воспламенения распространяется и на процесс самовоспламенения угольной пыли.

На рис. 3.12 представлена зависимость периода индукции от температуры и размеров пылинок угля, а на рис. 3.13 — зависимость периода индукции от температуры и сорта угля. Экспериментальные кривые (рис. 3.

13) свидетельствуют о том, что для устойчивого бесперебойного воспламенения пылеугольного потока необходимо иметь температуру потока вблизи горелочных устройств для бурого угля порядка 550— 600 °С, для каменных углей — 750-800 °С, для антрацита — 900-950 °С.

При отсутствии таких условий процесс горения будет неустойчивым, факел может отрываться от горелки.

Рис. 3.12.Период индукции в зависимости от температуры и размера пылинок угля:

1 — размер пылинок 0,077—0,085 мм; 2— размер пылинок 0,086—0,125 мм

Рис. 3.13. Период индукции в зависимости от температуры и сорта угля: 1 — антрацит; 2— каменный уголь; 3 — бурый уголь

Page 3

Вынужденное воспламенение, или просто зажигание, применяется обычно при техническом сжигании топлива: в топках, промышленных печах, бытовых газовых приборах, двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием и т.д.

Зажигание может быть осуществлено различными способами: накаленным телом, электрической искрой, небольшим пламенем, раскаленными газообразными продуктами сгорания.

При зажигании потока горючей смеси эти источники зажигания действуют постоянно, обеспечивая непрерывный процесс горения.

Механизм процесса зажигания не имеет принципиальных отличий от процесса самовоспламенения, большую роль в них играют самоускорения реакций. Саморазгон реакций в процессе зажигания происходит не во всем объеме горючей смеси, как при самовоспламенении, а ограничен лишь небольшой частью объема в зоне источника зажигания.

Рассмотрим механизм зажигания от накаленного тела. Роль накаленного тела как источника зажигания сводится к созданию в зоне, прилегающей к телу, такой температуры, при которой количество теплоты, выделяемой реакцией в этой зоне, становится больше теплоты, отводимой из этой зоны в окружающую среду.

Температура зажигания всегда выше температуры самовоспламенения и зависит от размера источника зажигания. Чем меньше источник зажигания, тем более резко падает температура по мере удаления от его поверхности и тем выше должна быть его температура, чтобы вызвать зажигание смеси. Механизм зажигания механической искрой более сложный.

Помимо сильного повышения температуры в области искры происходит также очень интенсивное возбуждение молекул и их ионизация, что позволяет изменить критические условия зажигания. При большой мощности искра может рассматриваться как чисто тепловой высокотемпературный источник зажигания, как своеобразное накаленное газообразное тело.

Чисто электрические факторы, определяющие условия зажигания, в данном случае уже не имеют большого значения.

Page 4

Не всякая смесь способна воспламениться и дать взрыв. Существуют предельно бедные (с избытком окислителя) и предельно богатые (с избытком горючего) смеси, которые ограничивают область смесей, способных воспламеняться.

Например, при атмосферном давлении смесь окиси углерода с воздухом может воспламеняться и гореть, если ее концентрация не ниже 12,5% и не выше 74,2%.

Смеси, содержащие окись углерода менее 12,5% и более 74,2%, не способны воспламеняться.

Предельные концентрации горючего (газа или пара), ограничивающие область, где возможно зажигание смесей, называются концентрационными границами зажигания.

Концентрация горючего, выше которой смесь способна к воспламенению, а ниже которой воспламенение невозможно, называется нижней концентрационной границей зажигания (12,5%), а та концентрация горючего, выше которой смесь не воспламеняется, а ниже которой воспламеняется — верхней концентрационной границей зажигания (74,2%). Наличие концентрационных границ зажигания не означает, что смеси, лежащие вне этих границ, невозможно сжечь. Эти смеси не способны к распространению пламени и не дают взрыв. Однако в пламени при смешении с раскаленными продуктами горения, при соприкосновении с раскаленными стенками горючая смесь может сгореть полностью.

На концентрационные границы зажигания горючих смесей оказывают влияние: начальное давление и температура горючей смеси, мощность источника зажигания, наличие инертных и активных примесей и т.д.

Влияние давления на границы зажигания наблюдается при пониженных давлениях. С понижением давления происходит сужение границ зажигания и при некотором минимальном давлении зажигание становится вообще невозможным.

Повышение начальной температуры смеси вызывает расширение концентрационных границ зажигания.

Границы зажигания горючих смесей сложного состава с достаточной степенью точности можно вычислить по правилу Ле-Шателье:

где Г, — граница зажигания горючей массы сложного газа (нижняя или верхняя), %; /7,, п2, п} — содержание отдельных горючих компонентов в горючей массе сложного газа, %; Nl, (У2, /V, — граница зажигания отдельных горючих компонентов (нижняя или верхняя), %.

Если горючий газ содержит балласт (СО,, Ы2), то применяется формула

где Б = СО, + 1М, — содержание балласта в горючем газе, % Тр — граница зажигания, рассчитанная для горючей массы газа.

Концентрационные границы зажигания приведены в табл. 3.3.

Таблица 3.3. Концентрационные границы зажигания в воздушных смесях при атмосферном давлении и температуре 20 ”С

Горючий газХимическаяформулаГазы по объему, %
нижнийверхний
ВодородН24,074,2
Окись углеродасо12,574,2
Метансн45,015,0
Пропанс3н 62,379,5
Бутанс4н,„1,868,41
АцетиленС,Н22,580,0
СероводородН,Б4,345,5
ЭтиленС,Н43,7529,6
Природный газ (саратовский)5,112,1-25,0

Page 5

При поджигании горючей смеси в какой-либо точке возникает пламя, которое с определенной скоростью распространяется по всему объему смеси. Как показывает опыт, процесс горения происходит в очень тонком слое, отделяющем продукты горения от горючей смеси. Слой, в котором протекают химические реакции с выделением теплоты и света, называется фронтом пламени.

Зона подготовки свежей смеси к воспламенению, прилегающая непосредственно к фронту пламени, тоже очень тонкая. В этом случае под скоростью реакции правильно понимать количество вещества, прореагировавшее в 1 с на единице поверхности фронта пламени 1/м, г/см2-с. Эту скорость называют массовой скоростью горения.

Скорость горения можно характеризовать так называемой нормальной скоростью распространения пламени ?/н, см/с, которая представляет собой линейную скорость перемещения элемента фронта пламени в направлении нормали к этому элементу. Нормальная скорость распространения пламени для различных горючих смесей сравнительно невелика и не превышает нескольких метров в секунду.

Массовая скорость горения и нормальная скорость распространения пламени связаны между собой соотношением

где рсм — плотность смеси.

Продукты горения от фронта пламени должны отходить с большей скоростью, чем ?/н, так как они в процессе горения нагреваются и расширяются. Для единицы поверхности фронта пламени справедливо соотношение

где рг — плотность продуктов сгорания при температуре горения; иг— скорость движения продуктов сгорания.

Скорость движения продуктов сгорания относительно свежей смеси равна ?/г— ?/н.

Процесс распространения пламени всегда сопровождается движением газа, которое приводит к искривлению фронта пламени и увеличению его поверхности. Искривление фронта пламени не нарушает его структуры, так как зона горения очень тонкая.

Общее количество газа, сгоревшего в единицу времени, возрастает пропорционально увеличению поверхности пламени. При этом наблюдаемая скорость распространения пламени, под которой понимается скорость перемещения пламени относительно стенок трубы или стенок сосуда, становится выше нормальной (рис. 3.14):

откуда

или

На рис. 3.15 показано изменение температуры в процессе нормального распространения пламени. По оси абсцисс отложены расстояния в направлении распространения пламени, а по оси ординат — температура.

Температура исходной газовой смеси равна Т0. Воспламенение газа происходит при температуре Г, но до температуры

Рис. 3.14.Схема распространения искривленного фронта пламени

Рис. 3.15.Изменение температуры в процессе нормального распространения

пламени

Гв' идет медленная химическая реакция, свойственная индукционному периоду. Быстрая химическая реакция протекает и заканчивается в короткой зоне реакции между температурами Ту и Т' (химическая толщина фронта пламени 6р).

Тепловая толщина фронта пламени 8Т значительно больше; она заключается в пределах температур Гг и 7 Зона тепловой подготовки 8П ограничивается температурами Т0 и Гп'.

Как показали экспериментальные исследования, горение газа в основном происходит при температуре, близкой к Тг.

Существует несколько экспериментальных методов определения нормальной скорости распространения пламени. Наиболее простой способ определения ?/н с помощью газовой горелки (рис. 3.16).

Из условий стационарности голубого конуса следует, что его поверхность представляет собой геометрическое место точек, в котором скорость 1/н равна проекции скорости потока на нормаль к рассматриваемой поверхности.

Для определения скорости нормального распространения пламени рассмотрим произвольный участок поверхности пламени MN (рис. 3.17). Обозначим угол между нормалью

Рис. 3.16.Факел газовой горелки при ламинарном истечении смеси с недостатком воздуха для полного горения

Рис. 3.17. К определению скорости нормального распространения пламени и направлением вектора скорости потока через 0. Из условий стационарности фронта пламени следует

где UH — скорость перемещения фронта пламени по отношению к холодной горючей смеси; W — скорость холодной горючей смеси.

Выделим на поверхности пламени элементарную площадку dF. Очевидно, что проекция площади dF на плоскость, перпендикулярную направлению потока, равна dS = dFcosO.

Подставим в это уравнение значение получим

или WdS = U„dF.

Полагая i/H = const по всей поверхности пламени и интегрируя последнее уравнение по всему сечению горелки и по всей поверхности пламени получим

Интеграл представляет собой секундный расход смеси через горелку V. Таким образом, где F— боковая поверхность голубого конуса. Не допуская большой погрешности, боковую поверхность голубого конуса можно принять за поверхность прямого конуса, тогда

где rQ — радиус сечения устья горелки; И — высота конуса.

Источник: https://ozlib.com/848819/tehnika/protsessy_vosplameneniya_rasprostraneniya_plameni

Глава 5. пламя и его распространение в пространстве

Распространение пламени.:  Пламя, возникающее в результате воспламенения, само по себе

83

1.Какие факторы влияют на скорость реакции горения?

2.Что является основной причиной увеличения скорости реакции при повышении температуры?

3.Что называется свободным радикалом?

4.В чем различие неразветвленных и разветвленных цепных реакций?

5.В чем отличие диффузионной теории распространения пламени от тепловой и

цепной?

РАЗДЕЛ III. ВИДЫ ПЛАМЕНИ И СКОРОСТИ ЕГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ

5.1. Виды пламени

Пламя возникает в результате сложного взаимодействия химических и физических процессов.

В литературе нет общепринятого определения пламени.

На наш взгляд, с точки зрения специалистов противопожарной службы, наиболее подходят следующие определения пламени.

Пламя – определенный объем газового пространства, в котором протекают все физико-химические процессы горения.

Как уже отмечалось выше, возникновение пламени характерно для гомогенного горения.

Различают два режима гомогенного горения: кинетический и диф-

фузионный.

При гомогенном горении горючие газы или пары могут быть предварительно перемешаны с воздухом перед входом в зону горения (как, например, в горелке Бунзена). Предварительно перемешанная смесь называется однородной.

Горение однородной смеси протекает во всем объеме пламени, а скорость горения определяется только кинетикой окислительновосстановительной реакции. Такой режим горения называется кинетическим.

При горении однородных смесей при достаточном количестве окислителя происходит, как правило, полное сгорание горючего газа или пара с образованием летучих продуктов горения СО2, Н2О и др.

84

В большинстве случаев на реальных пожарах горючее и окислитель предварительно не перемешаны. В этом случае окислитель (кислород воздуха) из окружающей среды и горючие газы поступают в зону непосредственного взаимодействия преимущественно за счет процесса диффузии.

Наиболее высокотемпературная поверхность пламени, где протекают в тонком поверхностном слое ограничивающем пламя физико-химические окислительно-восстановительные реакции, называется реакционной зоной

или фронтом пламени.

Толщина фронта пламени невелика, она зависит от газодинамических параметров и механизма распространения пламени (дефлаграционный или детонационный) и может составлять от десятых долей милиметра до нескольких сантиметров. Внутри пламени практически весь объем занимают горючие газы (ГГ) и пары. Во фронте пламени находятся продукты горения (ПГ). В окружающей среде находится окислитель.

Диффузионное горение – это процесс горения неоднородной (предварительно не перемешанной) горючей смеси, в котором существенную роль играют процессы диффузии горючих газов и паров и окислителя во фронт пламени.

При диффузионном горении возможно неполное сгорание горючего газа или пара с образованием продуктов горения СО2, Н2О, СО, С и др.

По газодинамическим параметрам различают ламинарный и турбу-

лентный режимы горения.

Ламинарным (от лат. lamina — слой, пластина) называется спокойное, безвихревое пламя устойчивой геометрической формы.

Турбулентным (от лат. turbulenze — вихрь) называется беспокойное, закрученное вихрями пламя постоянно меняющейся формы.

Газодинамический режим горения зависит от линейной скорости горючего вещества или смеси и характеризуется критерием Рейнольдса (мера отношения сил инерции и внутреннего трения в потоке):

85
Re =vdρ(для запоминания: «ведро молока»)(5.1)
µ

где:

v — линейная скорость газового потока, м/с; d — характерный размер потока, м;

ρ- плотность газа, кг/м3;

µ- динамический коэффициент вязкости, Н с/м2

Ламинарный режим наблюдается при Re < 2300, при

2300 < Re < 10000 режим переходный, а при Re > 10000 — турбулентный. Во всех случаях толщина δ зоны горения (фронта) пламени δлам < δпepex < δтyp.

Из-за ограничений, налагаемых скоростью диффузии, горючие газы и пары зачастую не успевают прореагировать с кислородом воздуха полностью и продукты горения помимо летучих газов и паров содержат мелкие раскаленные конденсированные частички несгоревшего углерода органических веществ в виде сажи, которые также излучают свет и тепло

Излучение пламени определяется излучением продуктов горения в различном агрегатном состоянии.

По этому признаку все пламена можно разделить на две группы:

-серое пламя, в котором основными излучателями являются конденсированные продукты горения;

-спектральное пламя, в котором основными излучателями являются газообразные продукты горения.

Иногда при рассмотрении источников излучения выделяют пламенна по наибольшему излучению в данной области спектра:

-пламя ИК-излучения,

-пламя УФ-излучения,

-осветительное пламя,

-цветные пламена.

86

5.2. Структура пламени

Рассмотрим диффузионное пламя газовой горелки, например, пропана с воздухом.

Экспериментами доказано, что в пределах слабо светящегося факела имеется ярко очерченный конус. Видимая толщина стенки конуса – фронта пламени,- составляет 0,4 мм. В пределах этого расстояния горючая смесь успевает нагреться и прореагировать с выделением тепла и излучения.

Нормальная скорость распространения фронта пламени пропана составляет 40 см/с. Следовательно в течение времени реакции 10 -3 с топливо сгорает до конечных продуктов СО2 и Н2О. На участке фронта пламени пропанвоздушной смеси площадью 1 см2 сгорает ежесекундно 40 см3 горючей смеси, т.е.

в объеме 0,4 см3 за это время выделяется 210 Дж тепла. В расчете на 1 м3 тепловыделение составит 1,9 1010 кДж.

Толщина фронта пламени разнообразных газовых смесей в ламинарном режиме составляет 0,5 – 10-3 см. Среднее время полного превращения топлива в продукты горения в этой узкой зоне составляет 10-3 –10-6 с.

Структура ламинарного пламени в газовой горелке показана на рис. 5.1.

3

1- ядро; 2- средняя зона; 3- наружный

факел; (зона догорания смеси)

2

1

Рис. 5.1. Ламинарное пламя в горелке Бунзена стехиометрической смеси пропана с воздухом

87

Область пламени, следующая за фронтом пламени, называется внешним конусом.

Зона максимальных температур расположена на 5-10 мм выше све-

тящегося конуса и для пропан-воздушной смеси составляет порядка 1600 К. Схема диффузионного пламени газовой горелки и изменение концентраций горючих веществ, окислителя и продуктов горения по сечению пла-

мени приведены на рис. 5.2.

Диффузионное пламя возникает при горении, когда процессы горения и смешения протекают одновременно.

Главное отличие диффузионного горения от горения заранее перемешанных горючих смесей состоит в том, что скорость химического превращения при диффузионном горении лимитируется процессом смешения окислителя и горючего, даже если скорость химической реакции очень велика, интенсивность горения ограничена условиями смешения.

ПГ ПГ

С %

100

ПГ

δфГГ +δфХ
С %
пары
100
ГГ +О2
О2пары
О2О2
δфδфХ

Рис 5.2. Схема диффузионного пламени газовой горелки (а)

иизменение концентрации исходных веществ

ипродуктов горения по сечению пламени (б)

88

Важным следствием этого представления является тот факт, что во фронте пламени горючее и окислитель находятся в стехиометрическом соотношении.

В каких соотношениях не находились бы подаваемые раздельно потоки окислителя и горючего, фронт пламени всегда устанавливается в таком положении, чтобы поступление реагентов происходило в стехиометрических соотношениях. Это подтверждено многими экспериментами.

Собственно окислительные процессы протекают только во фронте пламени. Движущей силой диффузии кислорода в зону горения является разность его концентраций внутри пламени (СО = 0) и в окружающем воздухе (начальная СО = 21%).

С уменьшением этой разности скорость диффузии кислорода уменьшается и при определенных концентрациях кислорода в окружающем воздухе – ниже 14-16 %, горение прекращается.

Такое явление самопроизвольного затухания (самозатухания) наблюдается при процессах горения в замкнутых объемах.

Каждое пламя занимает в пространстве определенный объем, внешние границы которого могут быть четко или нечетко ограничены. При горении газов форма и размеры образующегося пламени зависят от характера исходной смеси, формы горелки и стабилизирующих устройств. Влияние состава горючего на форму пламени определяется его влиянием на скорость горения.

Высота пламени является одной из основных характеристик размера пламени. Это особенно важно при рассмотрении процессов горения и тушения газовых фонтанов, горения нефтепродуктов в открытых резервуарах.

В горелке Бунзена, где истечение газа происходит снизу поверхность

пламени (фронта пламени) имеет коническую форму. Высота пламени может быть рассчитана по формуле:

Lb =2(wb + wR )R(5.2)
3u

где:

89

wb — осевая (максимальная) скорость течения газа; R – радиус трубки;

wR — краевая скорость движения газа;

u — нормальная скорость распространения фронта пламени.

Высота пламени тем больше, чем больше диаметр трубы и больше скорость истечения, и тем меньше, чем больше нормальная скорость распространения пламени.

Скорость потока оказывает влияние и на угол образующегося конуса пламени. При изменении скорости потока угол конуса меняется в соответствии с расходом (рис.5.3).

100 см/с

10 см/с

7,7 см/с

Горелка

2,56 см

Рис.5.3. Влияние скорости потока на форму

пламени горелки для пропан-воздушной среды.

При некоторой критической низкой скорости течения пламя неожиданно приобретает «пуговичную» форму. Если в пламя для подавления конической формы поместить плоское препятствие со стороны горючих газов, то можно получить увеличенное плоское пламя.

Источник: https://studfile.net/preview/7608407/page:15/

Тема 7. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПЛАМЕНИ

Распространение пламени.:  Пламя, возникающее в результате воспламенения, само по себе

Тема 7. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПЛАМЕНИ.

7.1. Тепловая теория горения.

При адиабатическом, т.е. не сопровождающемся тепловыми потерями сгорании, весь запас химической энергии горючей системы переходит в тепловую энергию продуктов реакции. Температура продуктов адиабатичес-кого сгорания не зависит от скорости реакций, протекающих в пламени, а лишь от их суммарного теплового эффекта и теплоемкостей конечных про-дуктов.

Эта величина называется адиабатической температурой горения Тг. Она является важной характеристикой горючей среды. У большинства горючих смесей величина Тг лежит в пределах 1500-3000° К. Очевидно, что Тг – максимальная температура продуктов реакции в отсутствие внешнего по-догрева.

Фактическая температура продуктов сгорания может быть только меньше Тгв случае возникновения тепловых потерь.

Согласно тепловой теории горения, разработанной советскими уче­-ными Я.Б. Зельдовичем и Д.А. Франк-Каменецким, распространение пламени происходит путем передачи тепла от продуктов горения к несгоревшей (све­-жей) смеси. Распределение температур в газовой смеси с учетом тепловыде­-ления от химической реакции и теплопроводности показано на рис. 26.

Рис. 26.

Фронт пламени, т.е. зона, в которой происходит реакция горения и ин­-тенсивный саморазогрев сгорающего газа, начинается при температуре само­-воспламенения  Тсв и заканчивается при температуре Тг.

Перед распространяющимся вправо фронтом пламени находится све­-жая смесь, а сзади – продукты горения. Считается, что в зоне подогрева ре­-акция протекает настолько медленно, что выделением тепла пренебрегают.

Процесс теплопередачи при стационарном распространении пламени не приводит к потерям тепла и понижению температуры по сравнению с Тг непосредственно за фронтом пламени.

Теплоотвод из каждого сгорающего слоя газа при поджигании соседнего, еще не нагретого, скомпенсирован аналогичным количеством тепла, ранее полученным в поджигающем слое при его собственном поджигании.

Дополнительное тепло начального поджи-гающего импульса заметно не искажает стационарного режима горения, так как его роль все более уменьшается по мере увеличения количества сгорев- шего газа.

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

Таким образом, инициирование горения газовой смеси в одной точке приводит к нагреву близлежащего слоя, который разогревается путем тепло­-проводности от продуктов реакции до самовоспламенения. Сгорание этого слоя влечет за собой воспламенение следующего и т.д.

до полного выгорания горючей смеси. Отводимое из зоны реакции тепло в свежую смесь полностью компенсируется выделением тепла реакции и возникает устойчивый фронт пламени.

В результате послойного сгорания фронт пламени перемещается по смеси, обеспечивая распространение пламени.

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

Теоретическое обоснование условий распространения пламени можно привести при рассмотрении стационарного пламени, когда ско­рость его рас-пространения Uпл равна скорости подачи газовой смеси υг: Uпл=υг (рис. 27). В данном случае соотношение между нор­мальной скоростью горения Uн и ско-ростью распространения пла­мени  Uпл  выразится уравнением:

                                               Uн = Uпл*sinφ.                                             (7.1)

        Рис. 27.

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

                                                                                    (7.2)                     

где:    — коэффициент теплопроводности;

          — ширина фронта пламени.

Это тепло расходуется на нагрев свежей смеси от начальной темпера­-туры То до температуры горения Тг:

                                                                             (7.3)

где:   с – удельная теплоемкость;

          —  плотность смеси.

С учетом уравнений (7.2) и (7.3) при  Uпл=υг скорость распространения пла­мени определяется соотношением:

                                                                                     (7.4)

где:    — коэффициент температуропроводности.

Поскольку скорость горения очень сильно зависит от температуры, сгорание основной массы газа происходит в зоне, температура которой близ-ка к Тг.

Скорость химической реакции, как рассмотрено в § 6.1., определяется уравнением:                                                                                                                                     

                                              .                                   (7.5)
Тогда скорость распространения пламени:

                                                                     (7.6)                   

где:   b – показатель, зависящий от свойств смеси, .

Таким образом, пламя не сможет распространяться по горючей смеси, если его температура будет ниже теоретической температуры горения на ве­-личину  превышающую  (см. § 9.3).

— характеристический интервал температур в химической кинетике. Изменение температуры на эту величину приводит к изменению скорости реакции в “e” раз.

Предельное значение скорости распространения пламени UПРЕД опреде­-ляется соотношением:

                                                                                     (7.7)

В отличие от рассмотренного случая нормального горения, в реальных условиях взрывов в замкнутом пространстве процесс дефлаграционного горе-ния самоускоряется. Это связано с расширением поверхности горения, воз­-никновением движения газов и повышением давления при горении.

7.2. Горение в замкнутом объеме.

При горении газов в открытой трубе и в потоке продукты реакции свободно расширяются, давление остается практически постоянным. Сжигание в замкнутом сосуде связано с ростом давления. Это имеет большое значение для решения задач взрывобезопасности. Повышение давления при сгорании в замкнутых аппаратах, а также в помещениях, может приводить к разрушениям и авариям.

При горении без тепловых потерь (адиабатическом горении) в замкну­-том объеме в результате повышения температуры с То до температуры горе­-ния Тг и изменения числа грамм-молекул при реакции давление возрастает с Ро до Рг:

                                                                                     (7.8)

где:   m, n – число молей веществ до и после взрыва стехиометрическо-

         го состава смеси.

Однако наибольшее давление развивается не для стехиометрических смесей, хотя они обладают наибольшей теплотой сгорания и создают макси­-мальную Тг, а смеси, обогащенные горючим веществом, которые имеют мак­-симальную скорость горения. При дефлаграционном горении давление дос­-тигает 7-10 атм., при детонации – намного выше.

Характерной особенностью процесса сгорания в замкнутом объеме является неравномерность распределения температуры продуктов реакции непосредственно после сгорания. Первоначально сгорающая часть горючей смеси, находящаяся в центре сосуда, реагирует при начальном давлении ро;последний слой, сгорающий у стенки, реагирует при конечном давлении р.

Нагревание каждого слоя газа протекает в две стадии: при химическом превращении и адиабатическом сжатии.

Хотя во всех точках объема состав продуктов сгорания и давление одинаковы,конечная температура существенно зависит от последовательности обоих нагревающих процессов.

При адиабатическом сжатии от давления ро  до давления р  рост температуры от То до Т определяется уравнением Пуассона

                                                 ,                                           (7.9)

          где:  g = ср/сv.

Конечная температура продуктов сгорания будет выше в том случае, ес-ли газ сначала нагревается при химическом превращении, а затем его темпе- ратура возрастает при сжатии по уравнению (7.9), чем в случае обратной пос-ледовательности обоих процессов.

7.3. Движение газов при горении.

Расширение газов в пламени (по закону Гей-Люссака) приводит к тому, что горение всегда сопровождается движением газов. Обозначим через ρг – плотность исходной среды, ρпр – плотность продуктов горения, их скорость по отношению к неподвижному фронту пламени равна uпр.

На каждый квад-ратный сантиметр поверхности фронта поток приносит ежесекундно uн  см3 горючей смеси, её масса равна uн*ρг соответственно от этого участка пламени отводится в 1 сек uпр см3  продуктов реакции с массой  uпр*ρпр.

Поскольку мас-сы сгорающей смеси и продуктов реакции равны, то

                                       uн*ρг = uпр*ρпр                                           (7.10)

Уравнение (7.10) выражает закон сохранения массы при горении.

Величина uпр превосходит нормальную скорость пламени во столько раз, во сколько плотность исходной среды больше плотности продуктов сгорания. Увеличение скорости газового потока при сгорании является след-ствием расширения газов.

Абсолютная температура при сгорании повышается в 5–10 раз. Если горение происходит при постоянном давлении, газ расширяется в rо/рпрраз. Рассмотрим горение стационарного фронта пламени в открытой трубе, изоб-раженной на рисунке 28.

Рис. 28. Схема пояснения закона площадей: S – сечение трубы, F – поверхность фронта пламени, ω — скорость исходной горючей смеси, Т0 , — тем­пература и плотность исходной смеси, UH – нормальная скорость горения, UПЛ – скорость рас­-пространения пламени, UПР – скорость продуктов горения, ТПР, — температура и плотность про-дук­тов горения.

Так как пламя располагается неподвижно, ω = UПР. Тогда, например, на 1 см2 поверхности фронта пламени F поток приносит ω  см3/с горючей смеси. Её масса равна ω. Соответственно от этого участка отводится UПР см3/с про­дуктов сгорания с массою UПР. Тогда по закону сохранения масс (уравне­ние 7.10) при ω = UПЛ:    

                                                                    (7.11)

Таким образом, объемная скорость продуктов сгорания превышает ско­-рость горения во столько раз, во сколько плотность исходной среды больше плотности продуктов горения.

С другой стороны, если на 1 см2 поверхности фронта пламени сгорает UН см3/с смеси, то на всей площади F сгорает UН*F см3/с. В то же время объ-ем сгорающего газа равен объемной скорости газового потока ω*S см3/с. То-гда  UH*F = ω*S, или  ω = UH*F / S.

При равенстве ω =UПЛ:

                                              UПЛ = UH*F / S.                                          (7.12)

Получаем закон площадей: скорость распространения пламени в трубе будет во столько раз больше нормальной, во сколько поверхность пламени превосходит поперечное сечение трубы.

Если рассматривать неподвижную горючую смесь, то при распростра­-нении фронта пламени резко нагретые газы не успевают расширяться, и в зо-не горения резко повышается давление, которое  «распирает» и выталки­вает газы в обе стороны от пламени, причем выталкиваются не только про­дукты горения, но и возникает движение исходной смеси впереди фронта пламени, как на рисунке 29:

                                                  Рис. 29.

Скорость газов возрастает по мере сгорания исходной смеси и соответ­-ственно, давления газов. При этом с одного конца трубы выбрасываются сжа-тые раскаленные сгоревшие газы, а с другого выталкивается сжатая исходная смесь, которая взрывообразно воспламеняется от выброшенного пламени в атмосфере помещения с последующей  ударной волной, пожаром и разруше­-нием.

7.4. Факторы ускорения горения.

Различные режимы  дефлаграционного горения отличаются только ско-ростью распространения пламени в связи с неодинаковым развитием по­вер-хности фронта пламени. Горение первоначально неподвижного газа все­гда осложняется внешними возмущающими воздействиями, искажающими фор-му пламени. Важнейшими из них являются сила тяжести, трение и тур­були-зация горящей смеси.

Так, при поджигании в середине вертикальной трубы, как показано на рисунке 30, тяжелая исходная смесь распола- га­ется выше легких продуктов сгорания. При этом возни­кают конвективные потоки движения исходной смеси вниз, а про-дуктов горения – вверх. Под их влиянием фронт пламени рас-тягивается и горение ускоряется.

При распро­странении пламени вниз горючая среда не-подвижна и воз­мущение фронта пламени незначительно. При малых ско­ростях горения и длине трубы форма пламени близка к плоской.

Однако в этом случае газ также движется вниз по трубе вследствие расширения при сгорании. Трение дви­жущегося газа о стенки приводит к снижению его скоро­сти у периферии и растягиванию фронта пламени, и про­-филь скоростей фронта пламени также принимает вид ку­пола. Поверхность пламени прогрессивно увеличивается и горение ускоряется.

Достаточно быстрое сгорание, при котором скорость пламени достигает сотен м/сек, происходит при турбулизации газовой смеси и соот­ветственно, при турбулизации фронта пламени. Турбулизация вызывает зна­чительное разрастание фронта пламени, ускорение теплообмена между про­дуктами сго-рания и исходной смесью и, соответственно, горения. Такое го­рение часто называют взрывом.

7.5. Условия возникновения взрыва.

Как мы выяснили ранее, взрывом называется химическое или физиче­-ское превращение вещества, сопровождающееся крайне быстрым переходом его энергии в энергию сжатия и движения исходных веществ, продуктов их превращения и окружающей среды. Исходя из этого, химический взрыв – это крайне быстрая реакция горения, сопровождающаяся резким переходом вы­-делившейся тепловой энергии в энергию сжатия и движения исходных ве-ществ, продуктов сгорания и окружающей среды.

Взрыв состоит из трех стадий:

1) превращение химической энергии реакции в тепловую энергию;

2) превращение тепловой энергии в энергию сильно сжатого газа;

3) распространение сжатого газа в виде ударной волны.

Основными условиями протекания химической реакции в виде взрыва являются:

1. Экзотермичность, которая обусловлена тем, что прочность связей между атомами в продуктах реакции намного выше, чем в исходных вещест-вах, поэтому «лишняя» энергия высвобождается. При эндотермических реак-циях взрыва не происходит.

2. Образование газов, потому что:

·     во-первых, переход в газообразное состояние при химической реак-ции любых веществ в постоянном объеме ведет к возрастанию дав-ления;

·     во-вторых, газы имеют очень большой коэффициент объемного рас-ширения при нагреве. Без наличия газов будет происходить только разогрев вещества.

3. Высокая скорость реакции и ее способность к самораспростране-нию и самоускорению. Самораспространение происходит за счет либо теп-ловой «волны», осуществляемой теплопроводностью (дефлаграционный взрыв), либо ударной волны сжатых газов (детонация).

Тепловая «волна» поддерживается выделяющимся при горении теплом, а ударная волна – самим сжатым газом.

Автоускорение реакции и возникновение взрыва происходит в резуль-тате повышения температуры реагирующих веществ за счет теплоты реак-ции, либо увеличения активных радикалов, либо повышения давления в ударной волне.

Источник: https://studizba.com/lectures/3-bezopasnost-zhiznedeyatelnosti-i-ohrana-truda/85-teoreticheskie-osnovy-goreniya-i-vzryva/1414-tema-7-rasprostranenie-plameni.html

Самонагревание и самовозгорание

Распространение пламени.:  Пламя, возникающее в результате воспламенения, само по себе

Зарегистрировано 12242 фактов из 149 стран, относящихся к 809 феноменам. Из них раскрыто 1670, еще 4503 находятся в стадии проверки на соответствие одной из 279 версий.

историей

Этот раздел включает информацию о возможных версиях, объясняющих истинную природу события, описанного в факте.

Горение – сложный физико-химический процесс превращения компонентов горючей смеси в продукты сгорания с выделением теплового излучения, света и лучистой энергии. Приближенно можно описать природу горения 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).

Различают следующие виды горения: самовоспламенение, самовозгорание, вспышка, воспламенение, взрыв.

Самовоспламенение – горение, возникающее от внешнего нагревания вещества до определенной температуры без не посредственного соприкосновения горючего вещества с пламенем внешнего источника горения.

Самовозгорание – горение твердых веществ, возникающее от нагревания их под влиянием процессов, происходящих внутри самого вещества. Происходящие физические или химические процессы внутри вещества связаны с образованием тёпла, которое ускоряет процесс окисления, переходящий в горение открытым огнем.

Вспышка – быстрое, но, сравнительно со взрывом, кратко временное сгорание смеси паров горючего вещества с воздухом или кислородом, возникающее от местного повышения темпера туры, которое может быть вызвано электрической искрой или прикосновением к смеси пламени или накаленного тела. Температура, при которой происходит вспышка, называется температурой вспышки. Явление вспышки схоже с явлением взрыва, но, в отличие от последнего, оно происходит без сильного звука и не оказывает разрушительного действия.

Воспламенение – стойкое возгорание смеси паров и газов горючего вещества от местного повышения температуры, которое может быть вызвано прикосновением пламени или накаленного тела. Воспламенение может длиться до тех пор, пока не сгорит весь запас горючего вещества, причем парообразование при этом происходит за счет тепла, выделяющегося при сгорании.

Воспламенение отличается от вспышки своей продолжительностью.

Кроме того, при вспышке тепловыделение в каждом участке достаточно для поджигания смежного участка уже готовой горючей смеси, но недостаточно для пополнения ее путем испарения новых количеств горючего; поэтому, истратив запас горючих паров, пламя гаснет и вспышка на этом кончается, пока снова не накопятся горючие пары и не получат местного перегрева. При воспламенении же парообразующее вещество бывает доведено до такой температуры, что теплоты сгорания накопившихся паров оказывается достаточно для восстановления запаса горючей смеси.

Взрыв – мгновенное сгорание или разложение вещества, сопровождающееся выделением огромного количества газов, которые мгновенно расширяются и вызывают резкое повышение давления в окружающей среде.

При соприкосновении с воздухом: газообразные продукты разложения некоторых веществ обладают способностью воспламеняться, что не только приводит к разрушениям от действия взрывной волны, но и вызывает большие пожары.

Так же выделяют самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), – химический процесс, протекающий с выделением тепла в автоволновом режиме типа горения и приводящий к образованию твердых продуктов.

СВС представляет собой режим протекания экзотермической реакции, в котором тепловыделение локализовано в слое и передается от слоя к слою путем теплопередачи.

Треугольник горения

Чтобы произошло возгорание, необходимы три фактора:

  1. тепло
  2. кислород
  3. горючее вещество (топливо)

Смысл вопроса в том, что только тогда, когда эти три составляющих налицо в надлежащей пропорции — может возникнуть пламя.

Существует так же беспламенное горение. В отличие от обычного горения, когда наблюдаются зоны окислительного пламени и восстановительного пламени, возможно создание условий для беспламенного горения. Примером может служить каталитическое окисление органических веществ на поверхности подходящего катализатора, например, окисление этанола на платиновой черни.

Пожар — это неконтролируемое горение вне специального очага.

1. Горючее вещество (топливо)
Горючие вещества (материалы) – вещества (материалы), способные к взаимодействию с окислителем (кислородом воздуха) в режиме горения. По горючести вещества (материалы) подразделяют на три группы:

  • негорючие вещества и материалы не способные к самостоятельному горению на воздухе;

  • трудногорючие вещества и материалы – способные гореть на воздухе при воздействии дополнительной энергии источника зажигания , но не способные самостоятельно гореть после его удаления;

  • горючие вещества и материалы – способные самостоятельно гореть после воспламенения или самовоспламенения самовозгорания .

Горючие вещества (материалы) – понятие условное, так как в режимах, отличных от стандартной методики, негорючие и трудногорючие вещества и материалы нередко становятся горючими.

Среди горючих веществ имеются вещества (материалы) в различных агрегатном состоянии: газы, пары, жидкости, твёрдые вещества (материалы), аэрозоли. Практически все органические химические вещества относятся к горючим веществам.

Среди неорганических химических веществ также имеются горючие вещества (водород, аммиак, гидриды, сульфиды, азиды, фосфиды, аммиакаты различных элементов).

Горючие вещества (материалы) характеризуются показателями пожарной опасности. Введением в состав этих веществ (материалов) различных добавок (промоторов, антипиренов, ингибиторов) можно изменять в ту или иную сторону показатели их пожарной опасности.[3]

2. ОкислительОкислитель является второй стороной треугольника горения. Обычно в качестве окислителя при горении выступает кислород воздуха, однако могут быть и другие окислители — окислы азота и т.п.

Критическим показателем для кислорода воздуха как окислителя, является его концентрация в воздушной среде закрытого судового помещения в объемных пределах выше 12-14%. Ниже этой концентрации горение абсолютного большинства горючих веществ не происходит. Однако некоторые горючие вещества способны гореть и при более низких концентрациях кислорода в окружающей газовоздушной среде.

3. Температура возгорания (тепло)Есть много понятий, применяемых к температурам, при которых возможно возгорание.

Главнейшие из них:Температура вспышки — наименьшая температура, при которой вещество выделяет достаточно горючих для воспламенения паров, при воздействии открытым пламенем, но горение не продолжается.

Температура воспламенения — наименьшая температура, при которой вещество дает достаточно горючих испарений для возгорания и продолжения горения при приложении открытого пламени.Примечание.

Можно заметить, что разница между температурой вспышки и температурой горения в том, что в первом случае происходит мгновенная вспышка, а во втором температура должна быть достаточно высока, чтобы производить достаточно горючих паров для горения, независимо от источника возгорания.

Самовоспламенение — это быстрое самоускорение экзотермической химической реакции, приводящее к появлению яркого свечения — пламени.

Самовоспламенение происходит в результате того, что при окислении материала кислородом воздуха образуется тепла больше, чем успевает отводиться за пределы реагирующей системы.

Для жидких и газообразных горючих веществ это возникает при критических параметрах температуры и давления.

Кривая интенсивности горения

Важно полностью представлять, как обычно развивается пожар. Если исключить взрывы и вспышки, то процесс горения можно разделить на четыре следующих периода:

  1. период загорания
  2. развития пожара
  3. период горения
  4. период затухания

В этой связи показательно, что обычно пожар распространяется вверх очень быстро, в сторону — с относительно малой скоростью, а вниз — очень медленно.

Это можно проиллюстрировать так: Если горение возникло (треугольник замкнулся), действия по тушению пожара должны быть направлены на то, чтобы вывести показатели треугольника (хотя бы один) за переделы критических величин — разорвать треугольник горения. Это и есть теоретическая основа горения и тушения.

В зависимости от агрегатного состояния горючих компонентов (окислителя или горючего) различают три вида горения.

  • Гомогенное горение – горение газов и парообразных горючих веществ в среде газообразного окислителя.

  • Гетерогенное горение – горение жидких и твердых топлив (горючих веществ) в среде газообразного окислителя. Разновидностью гетерогенного горения является горение жидких капель топлива.

  • Горение взрывчатых веществ и порохов.

По скорости распространения пламени горение подразделяется на дефлаграцию и детонацию. Дефлаграционное горение – это такой режим горения, при котором пламя распространяется с дозвуковой скоростью. При детонации пламя распространяется со сверхзвуковой скоростью, например, в воздухе – со скоростью более 300 м/с.

Дозвуковое горение подразделяется на ламинарное и турбулентное. Скорость ламинарного горения зависит от состава смеси, начальных значений температуры и давления, а также от скорости химических превращений в пламени.

Скорость распространения турбулентного пламени помимо указанных факторов зависит от скорости потока, степени и масштаба турбулентности.

Самовозгорание

Самовозгорание, возникновение горения в результате самонагревания горючих твердых материалов, вызванного самоускорением в них экзотермич. реакций. Самовозгорание происходит из-за того, что тепловыделение в ходе реакций больше теплоотвода в окружающую среду.

Начало самовозгорания характеризуется температурой самонагревания (Tсн), представляющей собой минимальную в условиях опыта температуру, при которой обнаруживается тепловыделение.

При достижении в процессе самонагревания определенной температуры, называемой температурой самовозгорания (Tсвоз), возникает горение материала, проявляющееся либо тлением, либо пламенным горением.

В последнем случае Tсвоз адекватна температуре самовоспламенения (Tсв), под которым в пожарном деле понимают возникновение горения газов и жидкостей при нагревании до некоторой критической температуры. (см. Воспламенение в пожарном деле).

В принципе самовозгорание и самовоспламенение по физической сущности сходны и различаются лишь видом горения, самовоспламенение возникает только в виде пламенного горения.

В случае самовоспламенения самонагревание (предвзрывной разогрев) развивается в пределах всего нескольких градусов и поэтому не учитывается при оценке пожаровзрывоопасности газов и жидкостей.

При самовозгорании область самонагревания может достигать нескольких сотен градусов (например, для торфа от 70 до 225 °С).

Вследствие этого явление самонагревания всегда учитывается при определении склонности твердых веществ к самовозгоранию.

Самовозгорание изучают путем термостатирования исследуемого материала при заданной температуре и установления зависимости между температурой, при которой возникает горение, размерами образца и временем его нагрева в термостате.

Процессы, происходящие при самовозгорании образцов горючего материала, изображены на рисунке. При температурах до Tсн (напр., T1) материал нагревается без изменений (тепловыделение отсутствует). При достижении Tсн в материале происходят экзотермические реакции.

Последние в зависимости от условий накопления теплоты (масса материала, плотность упаковки его атомов и молекул, продолжительность процесса и т. д.

) могут после периода небольшого самонагревания по исчерпании способных саморазогреваться компонентов материала завершиться охлаждением образца до начальной температуры термостата (кривая 1) либо продолжать самонагреваться вплоть до Tсвоз (кривая 2). Область между Тсн и Tсвоз потенциально пожароопасна, ниже Tсн-безопасна.

Возможность самовозгорание материала, находящегося в потенциально пожароопасной области, устанавливают с помощью уравнений:

где Tокр-температура окружающей среды, °С; l-определяющий размер (обычно толщина) материала; т-время, в течение которого может произойти самовозгорание; A1, n1 и А2, n2-коэффициент, определяемые для каждого материала по опытным данным.

По уравнению (1) при заданном l находят Tокр, при которой может возникнуть самовозгорание данного материала, по уравнению (2)-при известной Токр величину т. При температуре, ниже вычисленной Tокр , или при т, меньшем, чем время, рассчитанное по уравнению (2), самовозгорание не произойдет.

В зависимости от природы первоначального процесса, вызвавшего самонагревание материала, и значений Tсн различают самовозгорание:

  • химическое
  • микробиологическое
  • тепловое

К химическому самовозгоранию относятся экзотермическое взаимодействие веществ (например, при попадании концентрированной HNО3 на бумагу, древесные опилки и др.). Наиболее типичный и распространенный пример такого процесса — самовозгорание промасленной ветоши или иных волокнистых материалов с развитой поверхностью.

Особенно опасны масла, содержащие соединения с ненасыщенными химическими связями и характеризующиеся высоким йодным числом (хлопковое, подсолнечное, джутовое и т.д.).

К явлениям химического самовозгорания относится также загорание ряда веществ (например, мелкораздробленный Аl и Fe, гидриды Si, В и некоторых металлов, металлоорганических соединений — алюминийорганические и др.) при контакте их с воздухом в отсутствие нагрева. Способность веществ к самовозгоранию в таких условиях называют пирофорностью.

Особенность пирофорных веществ заключается в том, что их Tсвоз (или Tсв) ниже комнатной температуры: — 200°С для SiH4, — 80 °С для А1(С2Н5)3. Для предупреждения химического самовозгорание порядок совместного хранения горючих веществ и материалов строго регламентирован.

Существует так же вид химических реакций веществ, который связан с взаимодействием с водой или влагой. При этом также выделяется достаточная для самовозгорания веществ и материалов температура. Примерами могут служить такие вещества, как калий, натрий, карбид кальция, негашеная известь и др.

Особенностью щелочноземельных металлов является их способность гореть и без доступа кислорода. Необходимый для реакции кислород они добывают сами, расщепляя под действием высокой температуры влагу воздуха на водород и кислород.

Вот почему тушение водой таких веществ приводит к взрыву образующегося водорода.

Склонностью к микробиологическому самовозгоранию обладают горючие материалы, особенно увлажненные, служащие питательной средой для микроорганизмов, жизнедеятельность которых связана с выделением теплоты (торф, древесные опилки и др.).

По этой причине большое число пожаров и взрывов происходит при хранении сельскохозяйственных продуктов (например, силос, увлажненное сено) в элеваторах. Для микробиологического и химического самовозгорания характерно то, что Tсн не превышает обычных значений Токр и может быть отрицательной.

Материалы, имеющие Tсн выше комнатной температуры, способны к тепловому самовозгоранию.

Вообще склонностью ко всем видам самовозгорания обладают многие твердые материалы с развитой поверхностью (например, волокнистые), а также некоторые жидкие и плавящиеся вещества, содержащие в своем составе непредельные соединения, нанесенные на развитую (в том числе негорючую) поверхность. Расчет критических условий для химического, микробиологического и теплового самовозгорания осуществляется по уравнениям (1) и (2).

Интересные факты о пламени

Из-за притяжения Земли при горении возникает конвекция (движение воздуха): нагретый воздух становится легче и устремляется вверх, а холодный снизу приходит ему на смену. Этот поток воздуха приводит к значительному градиенту температуры вдоль пламени.

Схематическое изображение пламени свечи с указанием температуры в его различных точках при горении в нормальных условиях

Поэтому пламя свечи в невесомости выглядит несколько иначе:

Жёлто-оранжевый цвет верхушки пламени в обычных условиях обусловлен свечением частичек сажи, уносимых вверх поднимающимся потоком горячего воздуха. Сажа – это микрочастицы, содержащие углерод, не успевший сгореть, т.е. превратиться в СО2. В невесомости пламя свечи меньше по размеру и не такое горячее, как обычно, т.

к. нет достаточного притока свежего воздуха, содержащего кислород. Поэтому сажи очень мало, т.к. она не образуется при температуре ниже 1000 °С. Но, даже если бы её и было достаточно, и тогда из-за низкой температуры она светилась бы в инфракрасном диапазоне, а значит, цвет у пламени в невесомости всегда голубоватый.

Так же цвет пламени зависит от того, какие элементы «сгорают» в нём.

Высокая температура пламени даёт возможность атомам перескакивать на некоторое время в более высокие энергетические состояния, а потом, возвращаясь в исходное состояние, излучать свет определённой частоты, которая соответствует структуре электронных оболочек данного элемента. Например, газовая горелка горит голубым пламенем из-за наличия CO, угарного газа, а жёлто-оранжевое пламя спички объясняют наличием солей натрия в древесине.

Список базовой литературы по этой тематике:

Основная литература1. Я.Б. Зельдович, Г.И., Г.И. Баренблатт, В.Б. Либрович, Г.М. Махвиладзе. Математическая теория горения и взрыва. М.: Наука, 1980 – 478 с.2. В.В. Померанцев, К.М. Арефьев, Д.Б. Ахмедов и др. Основы практической теории горения. Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ие, 1986 – 309 с.

3. Гришин А.М. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними. – Новосибирск: Наука, Сиб. Отд-ие, 1992. – 408 с.

Дополнительная литература1. Концепция развития горения и взрыва как области научно-технического прогресса. Черноголовка: Территория, 2001.2. Алексеев Б.В., Гришин А.М. Курс лекций по аэротермохимии. Часть 1.

Элементы кинетической теории, термодинамики и химической кинетики. Часть 2. Элементы строгой теории коэффициентов переноса, теория переноса энергии излучением и основная система уравнений аэротермохимии. Томск: Изд-во Том.

ун-та. 1971.

3. Волокитина А.В., Софронов М.А. Классификация и картографирование растительных горючих материалов. Новосибирск: Изд-во Наука, Сиб. отд-е РАН, 2002 – 306 с. 

Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии

Источник: https://www.fern-flower.org/ru/versions/samonagrevanie-i-samovozgoranie

Scicenter1
Добавить комментарий