Определение процессов горения.

Общие сведения о природе горения. Основные параметры процессов горения, виды и режимы горения.

Более 90% всех ЧС представляют собой пожары или сопровождаются пожарами после их возникновения. Пожары - самые распространенные чрезвычайные происшествия. Процесс вредного воздействия пожара и явлений, его сопровождающих (взрывы, обрушение конструкций, выход из строя технологических установок, разрыв трубопроводов, разрушение резервуаров и т.д.), является многосторонним. Он может включать в себя радиационное и химическое загрязнение атмосферы, почвы, гибель флоры и фауны, сопровождаться потреблением кислорода воздуха, образованием продуктов сгорания, в т.ч. и токсичных, и поступлением их в атмосферу, использованием воды для целей пожаротушения, распространением водяных паров и отработанной воды с растворенными в них токсичными продуктами на обширную территорию. Масштабы такого загрязнения иногда выходят за пределы страны (например, авария на Чернобыльской АЭС).

При сгорании 1 кг древесины, например, в среднем расходуется около 4,2 м3 воздуха, объем продуктов сгорания при этом составляет около 4,9 м3, а для нефти эти показатели составляют, соответственно, 11,8 и 11,9 м3.

Горение есть главный и основной процесс на пожаре, и тушение пожара, с физической точки зрения, всегда сводится к прекращению горения во всех его видах и формах.

Определение процессов горения.

Горение - один из первых сложных физико-химических процессов, с которым человек встретился еще на заре своего развития. Процесс, овладев которым, он получил огромное превосходство над окружающими его живыми существами и силами природы.

Горение - одна из форм (главных) получения и преобразования энергии, основа многих технологических процессов производства. Поэтому человек постоянно изучает и познает процессы горения.

История науки о горении начинается с открытия М.В. Ломоносова: «Горение есть соединение веществ с воздухом». Это открытие послужило основанием для открытия закона сохранения массы веществ при их физических и химических превращениях. Лавуазье уточнил определение процесса горения: «Горение есть соединение веществ не с воздухом, а с кислородом воздуха».

В дальнейшем существенный вклад в изучение и развитие науки о горении внесли советские и российские ученые А.В. Михельсон, Н.Н. Семенов, Я.В. Зельдович, Ю.Б. Харитон, И.В. Блинов и др.

В основе процессов горения лежат экзотермические окислительно-восстановительные реакции, которые подчиняются законам химической кинетики, химической термодинамики и др. фундаментальным законам природы (закону сохранения массы, энергии и т.д.).

Из курса химии известно, что в основе процесса горения лежат окислительно-восстановительные реакции, при которых происходит переход электронов от восстановителей к окислителям, что сопровождается изменением степеней окисления соответствующих атомов.

В результате передачи электронов изменяется структура внешнего (валентного) электронного уровня атомов. Каждый атом при этом переходит в наиболее устойчивое в данных условиях состояние.

В химических процессах электроны могут полностью переходить из электронной оболочки атомов одного вида в оболочку атомов другого вида.

Горение - это химическая реакция окисления, сопровождающаяся выделением большого количества тепла и обычно свечением.

Можно дать и более точное определение процессу горения, отражающее его сущность: «Горением называется сложный физико-химический процесс, при котором горючие вещества и материалы под воздействием высоких температур вступают в химическое взаимодействие с окислителем (кислородом воздуха), превращаясь в продукты горения, и который сопровождается интенсивным выделением тепла и световым излучением».

Условия, необходимые для возникновения процесса горения (рис.): наличие горючего вещества (Г.В.); наличие окислителя (О.) - кислорода воздуха; наличие источника зажигания (И.З.).

Рис. Мнемоническая схема: классический треугольник пожара

Эти три условия являются основными, они между собой взаимосвязаны и взаимообусловлены.

Но их недостаточно для протекания процесса горения. Кроме этого, должны соблюдаться следующие условия:

а) горючее вещество должно быть нагрето до определенной температуры, при которой начнется процесс окисления;

б) чтобы нагреть горючее вещество до определенной температуры, необходима определенная мощность источника зажигания;

в) чтобы поддерживать процесс горения, необходимы определенные концентрации горючего и окислителя.

Горение - это комплекс взаимосвязанных химических и физических процессов. Важнейшие процессы при горении - тепло- и массоперенос. Наиболее общее свойство горения - это возникновение пламени и перемещение его по всей горючей смеси путем передачи тепла или диффузии активных частиц из зоны горения в свежую горючую смесь.

Пламя - это видимое проявление горения. Его называют также зоной горения. Это та часть пространства, где происходит превращение горючей смеси в продукты полного и неполного сгорания.

В условиях пожара главными параметрами процесса горения, приводящими к гибели людей и наносящими материальный ущерб, являются большое количество тепла, выделяемого в зоне горения, высокая температура, возникающая в результате интенсивного тепловыделения, и токсичный состав продуктов горения, который в значительной степени зависит от вида (природы) горящего материала и количества воздуха, участвующего в процессе горения. При пожаре горение всегда происходит при недостатке воздуха в зоне горения, что способствует образованию продуктов неполного горения (токсичной окиси углерода СО, частиц твердого углерода С (в виде сажи), делающими дым на пожаре черным и непрозрачным, и других продуктов пиролиза горючих веществ).

Согласно ГОСТу пожарэто неконтролируемое горение вне специального очага, наносящее материальный ущерб. Горение представляет собой сложный физико-химический процесс превращения горючих веществ и материалов в продукты сгорания, сопровождаемый интенсивным выделением тепла и световым излучением.

В основе горения в подавляющем большинстве случаев лежат быстротекущие химические реакции окисления сгораемых материалов кислородом воздуха, в первую очередь углерода с образованием СО2 (углекислый газ), и водорода с образованием Н2О ( водяной пар). При пожарах со свободным притоком воздуха его состав условно можно считать постоянным: 21% кислорода и 79% азота (по объему) или 23% и 77% (по весу).

Для всех пожаров характерны:

-горение с выделением тепла и продуктов сгорания;

-газообмен, осуществляемый по механизму конвективных газовых потоков, обеспечивающий приток кислорода воздуха в зону горения и отвод продуктов сгорания из нее;

-передача тепла из зоны горения в окружающее пространство, в том числе горючим материалам, без чего невозможен непрерывный процесс горения.

Виды горения при пожарах.

Под воздействием тепла источника зажигания газы, жидкости, твердые вещества и пыли ведут себя по разному. При пожарах различают два основных вида горения: гомогенное и гетерогенное.

При гомогенном горении окислитель и горючее находятся в газовой фазе. Помимо того, что гомогенное горение имеет место при сгорании горючего газа, все горючие жидкости перед воспламенением испаряются, образуя газообразную среду. Большинство твердых веществ в процессе нагрева при пожаре плавятся, разлагаются и испаряются, выделяя газообразные фракции. Полученная любым из этих превращений газообразная среда смешивается с воздухом и горит.

При гетерогенном горении горючее находится в твердом состоянии, а окислитель в газообразном, и реакция окисления горючего происходит в твердой фазе. Твердые вещества, превращенные в пыль (угольную, металлическую, текстильную), при перемешивании с воздухом образуют пожаровзрывоопасные пылевоздушные смеси.

Поскольку при горении на пожарах роль окислителя чаще всего выполняет кислород воздуха, окружающего зону протекания химических реакций, интенсивность горения определяется не скоростью протекания этих реакций, а скоростью поступления кислорода из окружающей среды в зону горения.

Зоны пожара.

В пространстве, в котором развивается пожар, условно рассматривают три зоны: горения, теплового воздействия и задымления.

Зоной горения называется часть пространства, в которой происходит подготовка горючих веществ к горению (подогрев, испарение, разложение) и их горение.

Зоной теплового воздействия называется часть пространства примыкающая к зоне горения, в которой тепловое воздействие приводит к заметному изменению состояния материалов и конструкций и делает невозможным пребывание в ней людей без специальной защиты. Внешняя граница этой зоны соответствует температуре 60-70°С.

Зоной задымления называется часть пространства в которой от дыма создается угроза жизни и здоровью людей (статистика показывает, что большая часть людей на пожаре гибнет от удушья).

Участвующие в горении вещества и характеризующие их параметры.

По агрегатному состоянию участвующие в горении вещества подразделяют на газообразные, жидкие и твердые.

К газам относятся вещества, абсолютное давление паров которых при температуре 50°С равно или превышает 300кПа, или критическая температура которых менее 50°С.

К жидкостям - вещества, температура плавления (каплепадения) которых менее 50°С.

К твердым - вещества с температурой плавления (каплепадения) 50°С и выше. В твердых веществах особую группу составляют пыли, т.е. диспергированные вещества с размером частиц менее 850мкм.

По возможности возгорания вещества подразделяют на негорючие, трудногорючие и горючие. Негорючие (несгораемые) - это вещества и материалы, не способные гореть на воздухе. Трудногорючие (трудносгораемые) - это вещества и материалы, способные возгораться в воздухе от источника зажигания, но не способные самостоятельно гореть после его удаления. Горючие (сгораемые) - это вещества и материалы способные самовозгораться, а также возгораться от источника зажигания и самостоятельно гореть после его удаления.

Из группы горючих веществ выделяют легковоспламеняющиеся вещества и материалы, т.е. такие, которые способны воспламеняться от кратковременного (до 30 секунд) воздействия источника зажигания с низкой энергией (пламя спички, искра, сигарета и т.п.). К легковоспламеняющимся относятся жидкости с температурой вспышки не выше 61 град.С в закрытом тигле или 66 град.С в открытом тигле.

Вспышка - быстрое горение горючей смеси, не сопровождающееся образованием сжатых газов и не переходящее в стационарное горение.

Температурой вспышки называется самая низкая температура горючего вещества, при которой в условиях специальных испытаний над его поверхностью образуются пары или газы, способные вспыхивать от источника зажигания, но скорость их образования еще недостаточна для возникновения устойчивого горения.

Температурой воспламенения называется наименьшая температура вещества, при которой в условиях специальных испытаний вещество выделяет пары и газы с такой скоростью, что после их зажигания возникает устойчивое пламенное горение.

Температура самовоспламенения - самая низкая температура вещества, при которой в условиях специальных испытаний происходит резкое увеличение экзотермических реакций, заканчивающееся пламенным горением. Эта температура, не являясь физико-химической константой, существенно зависит от формы и объема вещества, а также ряда других факторов. Поэтому для определения температуры самовоспламенения используется специальная установка.

Параметры пожаров.

К основным параметрам пожара относятся: пожарная нагрузка, массовая скорость выгорания, скорость распространения пожара, температура пожара, интенсивность выделения тепла и др.

Пожарная нагрузка характеризует энергетический потенциал сгораемых материалов, приходящийся на единицу соответствующей площади (пола или участка земли). Пожарная нагрузка измеряется в единицах энергии или количества сгораемых материалов (в пересчете на древесину) на единице площади, например, Дж/м.кв (при пересчете на энергию, выделяющуюся при горении) или кг/м.кв (в пересчете на древесину - исходя из того, что при сгорании одного кг древесины выделяется 18,8 МДж энергии).

Пожарная нагрузка помещения состоит из постоянной (все сгораемые конструкции сооружения) и временной (находящиеся в помещении материалы). В зданиях пожарная нагрузка каждого этажа определяется отдельно и лимитируется соответствующими нормативами.

Массовая скорость выгорания - потеря массы горящего материала в единицу времени. Она зависит от отношения площади поверхности горения веществ к их объему, плотности упаковки, условий газообмена и других причин. (Например, скорость выгорания мебели 50 кг/м.кв.ч, бревен и крупных деревянных элементов 25 кг/м.кв.ч ; пиломатериалов в штабелях 400 кг/м.кв.ч). Чем больше скорость выгорания, тем выше температура, развиваемая при пожаре.

Скорость распространения пожара определяется скоростью распространения пламени по поверхности горючего материала. Она зависит от многих факторов (вида материала, способности к воспламенению, начальной температуры, направления газового потока, степени измельчения материала и др.). Кроме того она непостоянна во времени. На практике при проведении расчетов пользуются средними значениями этого параметра:

при горении легковоспламеняющихся горючих жидкостей 30 м/мин,

по штабелям пиломатериалов 4 м/мин,

по деревянным покрытиям 1 м/мин,

по пустотам деревянных конструкций до 2 м/мин.

Скорость распространения пламени по поверхности материалов варьируется в широких пределах в зависимости от угла наклона этой поверхности к горизонтали. При угле наклона 90 градусов скорость распространения пламени вниз меньше указанных значений в 2 раза, а вверх - в 8-10 раз больше.

При увеличении температуры скорость увеличивается, а при достижении температуры самовоспламенения материалов их поверхность охватывается пламенем почти мгновенно.

Значения скорости распространения пламени в различных газах при атмосферном давлении и комнатной температуре приведены ниже.

Углеводородо-воздушные смеси 0,3 -0,5 м/с, 18-30 м/мин

Водородо-воздушная смесь 2,8 м/с, 168 м/мин

Водородо-кислородная смесь 13,8 м/с, 828 м/мин

Ацителено-кислородная смесь 15,4 м/с, 924 м/мин