Основы теории горения

2. Основы теории горения

Горение — химическая реакция (окисление горючего вещества), которая сопровождается выделением тепла и света. Для осуществления горения необходимы: окислитель (например, кислород); источник возгорания (горючее вещество, напрмер, древесина); источник пламени (искра или выделение тепла при химических реакциях, трении, коротком замыкании). Если одно из 3-х условий отсутствует, то горение не возможно. Горючим веществом может быть твёрдое, жидкое и газообразное вещество, у которого при определённых условиях могут возникнуть химические реакции с выделением теплоты. Горючие вещества подразделяются на: богатые смеси в которых имеется избыточное количество горючего вещества, чем это требуется для горения; бедные смеси- меньше горючего вещества, чем требуется для горения, стехиометрические- при которых происходит наиболее полное горение. Поэтому богатые и бедные смеси горят менее интенсивно, чем стехиометрические.

Неконтролируемое горение- это пожар. К трём условиям горения добавляется четвёртое: путь распространения огня. При неполном горении веществ образуется дым, в котором могут быть ядовитые вещества: оксид углерода (угарный газ), пары кислот, спиртов, альдегидов и пр. Например, при горении целлулоида образуется синильная кислота. Пожар опасен для человека недостатком кислорода, взрывами, разрушениями и паникой.

2.1 Виды горения

1. Детонация. Вещество мгновенно превращается в газо- или пылеобразное состояние. Скорость горения больше скорости звука. Резко возрастает давление.

2. Взрыв- быстрое сгорание горючих веществ с образованием большого количества теплоты и газа, способного произвести механическую работу. Возникновение взрыва происходит в газо- или паропылевидной среде. При этом температура этой среды играет второстепенную роль. Основное условие для взрыва — наличие соответствующего концентрационного предела. Нижний и верхний пределы концентрации для воспламенения в данном случае уже являются нижним и верхним пределами взрывоопасной концентрации (предел взрываемости). Второе необходимое условие для взрыва — наличие теплового импульса достаточной мощности. Развитие взрыва идет лавинообразно. Для возникновения теплового взрыва достаточно, чтобы источник воспламенения разогрел несколько молекул смеси. Тепло, возникшее от них, нагреет и воспламенит ближайшие частицы смеси. Следует отметить, что газо- или паровоздушная смесь может при одних и тех же концентрациях дать спокойное стационарное горение или практически мгновенный разрушающий взрыв. Очевидно, все зависит от условий, при которых происходит смешение горючего вещества с воздухом, и от характера воспламенения. Поэтому, оценивая подготовленность различных горючих веществ к пожару или взрыву, в одних случаях целесообразно ориентироваться на пределы концентрации их в воздухе, в других, кроме того, и на температуру вспышки или воспламенения. В отношении взрывоопасности различают газы и пары тяжелые и легкие. К более опасным относятся тяжелые газы и пары с плотностью по отношению к воздуху 1,5—2, имеющие нижний предел взрываемости примерно до 2—3% и низкую температуру самовоспламенения, а для паров ЛВЖ — еще и низкую температуру вспышки. К менее опасным могут быть отнесены легкие газы и пары с плотностью 0,8 и менее по отношению к воздуху, имеющие нижний предел взрываемости 5—15% и более высокую температуру самовоспламенения.

3.Вспышка – быстрое сгорание горючего без образования сжатых газов. Большинство горючих веществ сгорают в газовой и парообразной фазе. Поэтому загорание вещества начинается со вспышки. Минимальная температура, при которой появляется вспышка- это такая при которой над поверхностью горючего вещества образуются пары или газы, способные вспыхивать в воздухе от источника воспламенения (например, искры), но скорость их образования и выделившееся при кратковременной вспышке количество теплоты, ещё не достаточны для последующего горения. Нижний температурный предел воспламенения (температура вспышки) — это наименьшая температура жидкости, при которой образуется смесь насыщенных паров с воздухом, способная воспламеняться при поднесении к ней источника воспламенения. Верхний температурный предел воспламенения — наибольшая температура жидкости, при которой образуется смесь насыщенных паров с воздухом, способная еще воспламеняться. Выше этой температуры жидкость образует насыщенные пары, которые в смеси с воздухом в закрытом объеме воспламеняться не могут. При температуре вспышки до 45°С жидкости называются легковоспламеняющимися (ЛВЖ), а выше 45°С — горючими (ГЖ).

4. Возгорание-возникновение горения под действием источника- тление без пламени.

5. Воспламенение— возгорание с появлением пламени. Температура воспламенения — минимальная температура, при которой вещество загорается от открытого источника огня и продолжает гореть после его удаления. Это процесс возникновения горения при нагреве части горючего вещества источником воспламенения, а остальная масса, например, древесины, остается холодной. Готовность горючей смеси к воспламенению определяется предельным содержанием в ней паров, пыли или газообразных продуктов, а для некоторых веществ еще и температурой смеси. Горючая пыль может находиться в помещении во взвешенном состоянии (аэрозоль) или осевшей на различных поверхностях (аэрогель). Аэрозоли имеют более высокую температуру воспламенения по сравнению с аэрогелями вследствие меньшей их концентрации в единице объема, в результате чего условия для развития горения могут наступить при более высокой температуре.

6. Самовозгорание (различают тепловое, химическое и микробиологическое)- горение без контакта горючего вещества с источником зажигания в результате образования теплоты в самом горючем веществе в результате каких-то процессов или подвода теплоты из вне и повышение его температуры. Например, вещество загорается только за счет выделения тепла от внутренних химических или биологических процессов, происходящих в нем самом (бурый уголь, торф, древесные опилки).

7.Самовоспламенение- самовозгорание с выделением пламени. Температура самовоспламенения — минимальная температура, при которой происходит воспламенение на воздухе за счет тепла химической реакции без поднесения открытого источника огня. В зависимости от температуры самовоспламенения устанавливаются 5 групп взрывоопасных смесей. При температуре самовоспламенения выше 450°С вещества, образующие с воздухом взрывоопасную смесь, относятся к группе Т1; при температуре самовоспламенения от 300 до 450°С — к Т2; при температуре от 200 до 300°С - к Т3; свыше 135 до 200°С — к Т4 и от 100 до 135°С — к Т5. Так, например, газ метан отнесен к категории 1 и к группе Т1, амилацетат — к категории 1 и группе Т2, скипидар — к категории 1 и группе Т3. Ацетон, окись углерода — категория 2, группа Т1; бензин Б-72 — категория 2, группа Т3; коксовый газ — категория 3, группа Т1; водород — категория 4а, группа Т1; сероводород — категория 4а, группа Т3; ацетилен — категория 4б, группа Т2 и т. д. Распределение взрывоопасных смесей по категориям и группам приведено полностью в ПИВРЭ. Возможно самовоспламенение горючей пыли. Например, угольная пыль в форме аэрозоля имеет температуру самовоспламенения 969°С, в форме аэрогеля она самовоспламеняется при температуре 260°С. Самовоспламенение аэрозолей зависит от концентрации пыли в воздухе и от степени измельчения частиц. В нижеприведенных табл. 1,2,3 даны характеристики пожарной опасности некоторых газов, жидкостей и твердых веществ, часто встречающихся при эксплуатации электроустановок. Твердые горючие вещества и жидкости требуют для своего воспламенения не только нужной концентрации, но и определенной температуры.