Учебное пособие: Практикум по теории горения

Однородной смесью называется предварительно перемешанная смесь горючего с окислителем. Скорость ее горения определяется только кинетикой окислительных реакций. Поэтому процесс горения гомогенной однородной (предварительно перемешанной) горючей смеси называется ещё и кинетическим горением(пламенем).В большинстве случаев на реальных пожарах горючее и окислитель предварительно не перемешаны. В этом случае окислитель (кислород воздуха) поступает в пламя из окружающей среды преимущественно за счет процессов диффузии.

Диффузионное горение (пламя)-это процесс горения неоднородной (предварительно не перемешанной) горючей смеси, в котором существенную роль играют процессы диффузии окислителя к фронту пламени.

Наиболее широко распространено гомогенное горение газов и паров в воздухе. Пары могут быть предварительно перемешаны или же нет. Гомогенное горение характерно для всех газообразных и большинства жидких и твердых горючих материалов. Отличительным признаком такого горения является возникновение пламени над поверхностью конденсированного горючего вещества.

Часто на пожарах гомогенное горение твердых горючих материалов на заключительной стадии после выгорания летучих веществ или после ликвидации пожара переходит в гетерогенное горение (догорание) углеродных остатков и в ряде случаев (при определенных условиях) может снова привести к открытому горению, через стадию возникновения повторных очагов горения.

Гетерогенное горение -это горение твердых горючих материалов на границе раздела фаз, т.е. горение происходит практически непосредственно на их поверхности. Характерной особенностью гетерогенного горения является небольшая высота (до 2 мм) пламени или его отсутствие. Беспламенное горение в ряде случаев называют тлением.

Тление -особый вид гетерогенного(беспламенного)горения.

Такому виду горения подвержены только диспергированные пористые вещества и материалы, образующие твердый углеродный остаток при нагревании, а в ряде случаев и горючие жидкости, пропитавшие твердые пористые материалы. Примеры - горение торфа, кокса, древесного угля. При тлении образуются высокотоксичные продукты неполного сгорания. Они способны привести к пламенному горению и (или) взрыву. Этот вид горения будет более подробно рассмотрен в разделе, посвященном горению твердых веществ и материалов.

Опасные факторы пожара

Тяжелые последствия пожаров связаны с действием протекающих на нем явлений. При достаточной мощности пожара в здании конвективный и лучистый тепловые потоки будут:

· нагревать и рушить негорючие ограждающие конструкции;

· воспламенять конструкции удаленные от очага горения.

Это способствует распространению пожара.

Если же горит достаточно большая постройка, например, из древесины, то часто возникают мощные конвективные потоки продуктов горения. Они способны разносить на значительное расстояние искры, угли, горящие куски кровли. Падая на удаленные постройки (до 3-х км), они могут способствовать быстрому распространение пожара.

Опасными факторы при пожаре:

· пламя и искры;

· повышенная температура окружающей среды;

· токсичные продукты горения и термического разложения, дым;

· пониженная концентрация кислорода.

Вторичные проявления опасных факторов пожара:

· осколки, части строительных конструкций;

· радиоактивные и токсичные вещества и материалы;

· электрический ток, возникший в результате выхода из строя ЛЭП высокого напряжения на токопроводящие части конструкций;

· огнетушащие вещества.

Опасные факторы взрыва, происшедшего вследствие пожара (ГОСТ 12.1.010): ударная волна, во фронте которой давление превышает допустимое значение; пламя; обрушивающиеся конструкции и их разлетающиеся части; образовавшиеся при взрыве и (или) выделившиеся из поврежденного оборудования вредные вещества.

1. Материальный баланс процесса горения

Горение - это важнейший из применяемых человеком физико-химических процессов. Несмотря на интенсивное развитие атомной, гидро-, гелио- и геотермальной энергетики, за счёт сжигания топлива производится основная доля энергии, обеспечивающей потребности человеческого общества. Все остальные источники, включая продукты питания, дают человечеству менее десяти процентов необходимой ему энергии.

Горение - это режим протекания экзотермических химических реакций, характеризующийся значительной скоростью химического превращения, излучением тепла и света и способностью реакции к прохождению в самоподдерживающемся или самораспространяющемся режиме.Материальный баланс процесса горения- соотношение (равенство) между количеством веществ, которые вступают в реакцию горения, и количеством веществ (продуктов горения), которые получаются вследствие этой реакции.

1.1 Расход воздуха на горение

При горении происходит взаимодействие между молекулами горючего вещества и окислителя, при этом получаются продукты сгорания. Горючее вещество + Окислитель= Продукты сгорания.

Как правило, окислителем при горении выступает кислород воздуха. Схематично химическую реакцию сгорания одного моля вещества в воздухе можно представить уравнением:

ГВ + в(О₂ + 3,76 N₂) = ? n_i·ПГ_i + в·3,76N₂,

в котором символами ГВ, О₂, N₂, ПГ_i обозначены молекулы, соответственно горючего вещества, кислорода, азота и i-го продукта горения; n_i- количество молекул i-го продукта горения, приходящееся на одну молекулу горючего; в- стехиометрический коэффициент реакции горения. Это лишь суммарная реакция, но она достаточна для проведения практических расчетов и является обобщенной записью материального баланса реакции горения. Минимальный объем воздуха, который необходим для полного сгорания единицы количества горючего вещества, называется удельным теоретическим объемом воздуха и обозначается V⁰в. В зависимости от единиц измерения количества горючего вещества (1 моль, 1 мі, 1 кг) удельный объем измеряется в мі/моль, мі/мі, мі/кг.

Действительное количество воздуха, который поступает в зону горения, отличается от теоретического. Соответствующий объем называется удельным действительным объемом воздуха и обозначается v_в. Разность между количеством воздуха, который идет на горение и теоретически необходимым, называется избытком воздуха. Для характеристики процесса горения используют понятие коэффициент избытка воздуха -б_в., который показывает, во сколько раз количество воздуха, который действительно поступает в зону горения, отличается от теоретически необходимого количества для полного сгорания единицы количества горючего вещества.

Таким образом, действительный удельный объем воздуха равняется: V_в = v⁰_в · б_в.Часть воздуха, неизрасходованная на горение, переходит в продукты горения. В случае кинетического горения, при б_в = 1, смесь горючего с воздухом является стехиометрической. Величина тепловыделения на единицу продуктов сгорания при этом максимальна, вследствие чего температура в зоне горения также максимальна. При б_в< 1 в смеси недостаток окислителя и излишек горючего вещества. Такая смесь - называется богатой. Характерной особенностью процесса горения в этом случае является образование продуктов неполного сгорания. При бв > 1 смесь называется бедной. В ней недостаток горючего вещества и излишек окислителя. При этом продукты горения включают в себя избыток воздуха. Продукты горения- это газообразные, твердые и жидкие вещества, образующиеся в процессе горения. Состав продуктов горения зависит от состава горючего вещества и условий протекания реакции горения. Продукты горения образуют дым.

Дым - дисперсная система, состоящая из твердых и жидких частиц (дисперсной фазы), находящихся в газовой дисперсионной среде. Свойства дыма характеризуются следующими параметрами:

· Концентрация дыма - это масса продуктов горения, находящихся в единице объема. В зоне задымления концентрация продуктов горения находится в интервале от 1·^10-4 до 5·^10-3 кг/мі.

· Наличие конденсированной фазы обуславливает непрозрачность дыма. Степень снижения прозрачности зависит от концентрации, размера и природы частиц дисперсной фазы. Параметром, характеризующим оптические свойства дыма, является плотность задымления.

· Плотность задымления- отношение интенсивности света Iп, прошедшего через слой дыма, к интенсивности падающего света Ij. Dд = Iп/Iо.

· Содержание кислорода. В обычных условиях содержание кислорода в воздухе составляет 21% (объемный). Снижение концентрации кислорода в воздухе приводит к кислородному голоданию людей. Так, при снижении концентрации ниже 16%, работа без индивидуальных средств защиты органов дыхания невозможна.

· Токсичность продуктов горения - способность продуктов горения вызвать отравления людей, находящихся без индивидуальных средств защиты органов дыхания.

· Температура дыма. Температура продуктов горения непосредственно возле зоны горения может достигать 1000°С, но в помещениях температура дыма обычно существенно ниже. Основным фактором, влияющим на температуру дыма, являются условия газообмена. При увеличении коэффициента избытка воздуха температура продуктов горения снижается. Опасной для людей, считается температура выше 70°С. Продолжительное пребывание людей при такой температуре, связано с риском для жизни из-за перегрева организма.Стойкость дыма определяют такие параметры дымовых частиц, как:

· маленькая масса;

· высокая удельная поверхность;

· броуновское движение, в котором они находятся;

· наличие на их поверхности электрического заряда.

Продукты неполного сгорания, образующиеся при горении веществ и материалов в закрытых помещениях, при поступлении свежего воздуха могут образовывать горючую смесь. Горение при этом происходит в кинетическом режиме (взрыв).

1.2 Расчёт количества воздуха, необходимого для горения веществ

Цель работы: Ознакомиться с классификацией процессов горения, сформировать представления про основные параметры, характеризующие пожарную опасность веществ в разных агрегатных состояниях, освоить способы определения этих параметров. Освоить расчеты необходимого количества воздуха для горения.

Расчётные формулы для расчета количества воздуха, необходимого для горения.

Для практических расчётов принимают, что воздух состоит из 21% кислорода и 79% азота. Таким образом, объёмное соотношение азота и кислорода в воздухе составит:

(1.1)

где ₂, ₂- это объёмное (% об.) содержание азота и кислорода в окислительной среде.

Следовательно, на 1м³ (кмоль) кислорода в воздухе приходится 3,76м³(кмоль) азота.

Весовое соотношение азота и кислорода в воздухе можно определить, исходя из соотношения:

=

где МN₂, ₂-молекулярные массы соответственно кислорода и азота.

Для удобства расчётов горючие вещества разделяют на три типа (таблица.1.1).Индивидуальные химические соединения (метан, уксусная кислота и т.п., вещества сложного состава (древесина, торф, нефть и т. п.),смесь газов (генераторный газ и т.д.)

Таблица 1.1

Здесь: V⁰_B-теоретическое количество воздуха;

n_{r,2 2}количество горючего, кислорода. и азота получаемые из уравнения химической реакции горения кмоль;

М- молекулярная масса горючего;

V_0-объем 1 моля газа при нормальных условиях (22,4 м³)

C, H, S, O-весовое содержание соответствующих элементов в составе горючего, %;

r_i-коцентрация i-того горючего компонента, %;

О ₂ концентрация кислорода в составе горючего газа, %об.;

₂ i-количество кислорода необходимое для окисления одного i-того кмоля горючего компонента, ккмоль.

Для определенного объема воздуха при горении в условиях, отличных от нормальных, пользуются следствием из уравнения состояния идеальных газов:

= (1.6)

где, нормальное давление, Па.

температура, К.

объем воздуха при нормальных условиях;

₁₁Т₁ заданные условия горения.

Практическое количество воздуха V₀ это объем воздуха, фактически поступивший в зону горения.

Отношение практического объема воздуха к теоретическому называется коэффициентом избытка воздуха :