Материал: Ответы экзамен горения и взрыва

34. Область воспламенения газа, пара или взвеси - интервал концентрации горючего вещества, равномерно распределённого в данной окислительной среде (обычно в воздухе), в пределах которого вещество способно воспламеняться от источника зажигания с последующим распространением самостоятельного горения по смеси.

Область воспламенения ограничена нижними и верхними концентрационными пределами воспламенения (КПВ). Значения КПВ зависят от рода веществ и окислительной среды, параметров состояния, направления распространения пламени, формы и размера сосуда, в котором заключена смесь.

Данные об области воспламенения используются при расчёте взрывобезопасности среды внутри технологического оборудования, а также при расчёте предельно допустимых взрывобезопасных концентраций газов и паров в воздухе рабочей зоны при работах, связанных с появлением источников зажигания.

35. Кинетическое горение газа. Структура кинетического пламени.

Горение газа осуществляется в объеме и относится к гомогенному горению и может происходить в кинетической и диффузиооной областях.

Кинетическое горение – после воспламенения происходит распространение пламени, связанное с постоянной передачей тепла от сгоревших к новым порциям топлива.

Передача тепла зависит от характеристик пламени, диффузии и законов теплопроводности. При распространении пламени в неподвижной или движущейся ламинарной смеси, форма передачи тепла – молекулярная теплопроводность; при турбулентном движении газоокислительной смеси – турбулентная диффузия.

Факел, который образуется при истечение заранее подготовленной смеси топлива и окислителя в окружающую среду (она может быть тоже окислительной). Такой тип называют - кинетическим факелом - (кинетическое горение, кинетическое пламя). Для этого типа главную роль играет кинетика химических реакций (тепловой и цепной механизмы распространения пламени).

tсмеш= 0 << tхим.р.: кинетический режим горения (tпреобр≈tхим.р.)

При кинетическом режиме горения интенсивность горения (tпреобр) определяется концентрацией горючего (составом смеси), родом горючего и окислителя, температурой и давлением смеси, т.е. зависит от того же, чем определяется скорость химических реакций, – зависит только от кинетики самих химических реакций. Поэтому такой вид горения и называется - кинетическим.

Кинетическое пламя – это горение однородной газовой смеси, которое происходит благодаря распространению пламени в горючей смеси, непрерывно поступающей в топочную камеру.

Ламинарное “кинетическое” пламя – имеет место при ламинарном движении горючей смеси.

Пусть в горелку, расположенную вертикально, во избежании искривления факела подаётся однородная смесь. При ламинарном движении смеси скорость её движения распределяется в горелке по параболе. Аналогичное распределение скорости сохраняется и на выходе из горелки: у стенок горелки скорость очень мала, далее она возрастает, достигая максимального значения на оси горелки.

При зажигании в устье горелки вблизи её среза в точках, где скорость потока равна скорости нормального распространения пламени Uн, пламя держится устойчиво, образуя зажигающее кольцо, обеспечивающее непрерывное зажигание поступающей смеси по периферии струи. У стенок горелки, где скорость смеси менее, чем Uн, пламя не может проникнуть в горелку, так как вследствие теплоотдачи через стенки скорость распространения пламени уменьшается и становится меньше скорости струи в этом месте.

Рис.2. Распределение по скоростям в пламени горелки

Кольцевая зона зажигания образуется естественно в результате замедленного движения на периферии горелки и диффузии горючего газа из потока наружу.

Пламя в процессе распространения от периферии к центру одновременно относится потоком, и в результате этого достигает оси струи на некотором расстоянии от устья горелки, образуя конусообразный факел. Тонкая зона горения, образующая фронт пламени, обычно имеет ярко-голубой цвет, благодаря чему в пространстве факел чётко выделяется.

Время, необходимое для распространения пламени от периметра горелки до центра струи

,где R – радиус горелки.

За это время центральные струи, двигаясь со скоростью W, проходят расстояние

которое соответствует длине факела. Получаем, что длина ламинарного факела равняется

Таким образом, горение протекает по поверхности конусообразного факела, причём глубина зоны горения составляет десятые доли миллиметра, основной же объём факела остаётся инертным.

36. Теория нормального распространения пламени разработана академиком Н.Н. Семеновым на основании представления о поджигании фронтом пламени граничных холодных слоев посредством теплопроводности. В прежних теориях предполагалось, что зажигание происходит при нагревании до температуры самовоспламенения. Как известно, эта величина не является константой, как считалось ранее некоторыми исследователями. Температура самовоспламенения представляет собой функцию кинетических и тепловых параметров. При нагревании горючей смеси происходит реакция с выделением тепла, которое, в свою очередь, в силу закона Аррениуса повышает скорость химической реакции. Этот самоускоряющий процесс ( автоускоряющаяся лавина) и воспринимается как самовоспламенение. В отличие от гомогенной смеси, в которой движение фронта пламени происходит путем переноса тепла и вещества при соответствующем перемещении в пространстве зоны реакции, в пылегазовых смесях наблюдается воспламенение металлических частиц вследствие притока к ним тепла от горящей соседней частицы, т.е. наблюдается эстафетный механизм горения.

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

38. Диффузионное горение газа. Структура диффузионного пламени.

Диффузионное горение газов – сложный процесс, характеризующийся взаимодействием химических реакций с процессами переноса и конвекцией.

Факел, который образуется при истечении топлива в среду окислителя (или окислителя в среду топлива, горючего). Его называют - диффузионным факелом - (диффузионное горение, диффузионное пламя). Для этого типа главную роль играет явление диффузии, смешения (молекулярной, турбулентной).

При диффузионном режиме горения tпреобр определяется гидродинамикой геометрической области преобразования, т.е. определяется интенсивностью процесса смешения, а также родом горючего и окислителя.

tсмеш >> tхим.р.:диффузионный режим горения (tпреобр≈tсмеш)

Диффузионное горение имеет место в условиях, когда горючее и окислитель диффундируют в зону р-ции с противоположных сторон; таково, напр., Г. свечи, фитиля. Если при этом константа скорости k р-ции Г. много меньше константы скорости диффузииреагенты успевают перемещаться и р-ция протекает в обычном кинетич. режиме (относительно низкотемпературном). При реагенты взаимод. тотчас же после их поступления в зону р-ции, прежде чем они полностью перемешаются, и р-ция протекает в режиме Г., т.е. при высоких т-рах. Отношение диффузионных потоков реагентов определяется стехиометрией р-ции; концентрации горючего и окислителя в зоне р-ции малы, осн. компонент смеси-продукты сгорания, к-рые диффундируют в области, занятые горючим и окислителем (рис. 4). Выделяющееся при р-ции тепло передается горючему и окислителю, к-рые поступают в зону р-ции нагретыми до высокой т-ры. В отличие от Г. перемешанных смесей, т-ра диффузионного Г. зависит от отношения. Приона совпадает с т-рой Г. перемешанной стехиометрич. смеси горючего и окислителя, с уменьшением -падает. По этой причине диффузионное Г. не реализуется в конденсиров. средах, для к-рых значенияочень малы; помимо газофазных систем, диффузионное Г. характерно для гетерог. р-ций на пов-сти (Г. твердых в-в, гетерог.-каталитич. Г.). Массовая скорость m диффузионного Г. определяется скоростью диффузии реагентов в зону р-ции. Рост m с увеличением скорости диффузии возможен лишь до определенного предела. Это предельное значение m близко по величине к массовой скорости Г. в пламени, распространяющемся по стехиометрич. смеси горючего и окислителя. По достижении предельного значения m p-ция переходит в низкотемпературный кинетич. режим (происходит срыв Г.). От начальной т-ры реагентов Т0 m практически не зависит, однако при нек-ром минимальном для данного набора остальных параметров значении Г0 диффузионное Г. невозможно.

Рис. 4. Распределение концентрации окислителя (1), горючего (2), продуктов реакции (3) и т-ры смеси (4) во фронте диффузионного горения; х-пространственная координата, ТГ-адиабатич. т-ра горения.

Пламя, которое образуется при истечении топлива в среду окислителя, называется диффузионным.

Рис.4 Форма диффузионного пламени а) при избытке окислителя, б) при избытке горючего.

Ламинарное диффузионное пламя наблюдается при ламинарном истечении горючего и окислителя.

39. Турбуле́нтность, устар. турбуле́нция (лат. turbulentus — бурный, беспорядочный), турбуле́нтное тече́ние — явление, заключающееся в том, что при увеличении скорости течения жидкости или газа в среде самопроизвольно образуются многочисленные нелинейные фрактальные волны и обычные, линейные различных размеров, без наличия внешних, случайных, возмущающих среду сил и/или при их присутствии. Механизм турбулентного распространения пламени и величина f/T зависят от масштаба турбулентности. В случае мелкомасштабной турбулентности, когда длина пути смешения мала по сравнению с шириной зоны ламинарного горения, считают, что фронт пламени в потоке имеет некоторое среднее положение и среднюю толщину и, так же как при горении в ламинарном потоке, сгорание происходит путем распространения непрерывного фронта пламени. Увеличение же скорости турбулентного распространения пламени вызвано увеличением скорости горения на единице поверхности такого осредненного фронта пламени. Это происходит вследствие того, что на процессы молекулярного переноса накладываются процессы турбулентного переноса, увеличивающие коэффициент переноса до ам + ат, где ат — коэффициент турбулентной температуропроводности. Скорость турбулентного распространения пламени определяется интенсивностью тепло- и массообмена и скоростью химического реагирования горючей смеси в потоке в специфических условиях зоны турбулентного горения, обусловливаемых ее аэродинамической и тепловой структурой.

40. Пла́мя — явление, вызванное свечением раскалённой газообразной среды, в ряде случаев содержащей плазму и/или диспергированные твёрдые вещества, в которой происходят физико-химические превращения реагентов, приводящие к свечению, тепловыделению и саморазогреву.

41. Излучение светящихся пламен складывается из излучения трехатомных газов и излучения раскаленных частичек сажи, образующихся в результате крекинга углеводородов. Наличие сажи в пламени резко меняет его эмиссионные характеристики. Сажистые частицы имеют непрерывный спектр излучения. В тех областях спектра теплового излучения пламени, где нет полос поглощения трехатомных газов, излучают только сажистые частицы.

 Излучение светящегося пламени складывается из излучения трехатомных газов СО2 и Н2О и сажистых частиц.

43. Под скоростью горения жидкости понимается количество ее, выгорающее в единицу времени. Зависит от режима горения(ламинарного, турбулентного). Когда течение потока паров становится турбулентным ( лри d 8Q см и выше), количество тепла, передаваемое на единицу поверхности жидкости, с повышением диаметра резервуара изменяется очень незначительно, в связи с чем и скорость горения увеличивается мало. Это положение очень важно, так как хранение нефтепродуктов и других горючих жидкостей чаще всего происходит в резервуарах диаметром выше 80 см. Поскольку скорость горения жидкости в таких резервуарах незначительно изменяется при увеличении их диаметра, следовательно, интенсивность подачи огнегасительных средств на единицу свободной поверхности жидкости является практически постоянной. Увеличение начальной температуры Т0 жидких ВВ имеет двойной эффект. Во-первых, с ростом Т0 возрастает скорость горения жидкости.

44. Вблизи от капли по сферической поверхности устанавливается зона горения, диаметр которого получается в 1-5 раз больше размера капли. Испарение капли протекает за счет теплоты излучения из зоны горения. В пространстве между каплей и зоной горения находится пары жидкого топлива и продукты горения, в пространстве вне зоны горения – воздух и продукты горения. В зону горения изнутри диффундирует пары топлива, а снаружи кислород. Здесь эти компоненты вступают в химическую реакцию, которая сопровождается выделением теплоты и образованием продуктов сгорания. Из зоны горения телота переносится наружу и к капле, а продукты сгорания диффундируют в окружающее пространство между каплей и зоной горения.

      Так как скорость горения капли жидкости топлива определяется наиболее медленной стадией процесса - скоростью испарения, то время её выгорания можно расписать на основе уравнения теплового баланса её испарение за счёт теплоты, полученной из зоны горения.  Таким образом, продолжительность выгорания капли, испоряющейся при лучистом нагреве от окружающей зоны горения, пропорциональна первой степени её начального радиуса.

Вопрос 45.

Деструкция - разложение органических веществ и превращение их в неорганические с высвобождением энергии.

47. Ключевым фактором, определяющим пожарную опасность материалов, является сырье, из которого они изготовлены. Наиболее часто встречающиеся минеральные строительные материалы - это природный камень, бетон, кирпич, керамика, асбоцемент, стекло и т.д. Они относятся к негорючим (НГ), но даже при небольшом добавлении полимерных или органических веществ - не более 5-10% от массы - их свойства меняются. Увеличивается пожарная опасность, и из НГ они переходят в категорию трудносгораемых. В последние годы широкое распространение получила продукция на основе полимеров, принадлежащая к неорганическим материалам и являющаяся горючей. При этом от объема и химического строения полимера зависит принадлежность конкретного материала к группе горючести. Выделяют два основных типа полимерных соединений. Это реактопласты, образующие при нагревании коксовый слой, который состоит из негорючих веществ и защищает материал от воздействия высоких температур, препятствуя горению. Другой тип - это термопласты (плавятся без создания теплозащитного слоя).

Вне зависимости от типа, полимерные строительные материалы нельзя перевести в разряд негорючих, но возможно снизить их пожарную опасность. Для этого применяются антипирены - различные вещества, которые способствуют повышению огнестойкости. Все органические материалы относятся к группе горючих, а их пожарная опасность повышается при добавлении различных полимеров. Например, лакокрасочные материалы не только повышают горючесть, но и способствуют более быстрому распространению пламени по поверхности, увеличивают дымообразование и токсичность. В этом случае к СО (угарному газу) - основному продукту горения органических материалов - добавляются и другие токсичные вещества.