Прекращение и предотвращение процессов горения

После изучения этой главы студент должен: знать

• • особенности тепловой теории прекращения горения; уметь
• • проводить оценку требуемого количества охлаждающих огнетушащих средств при тушении пожаров;

владеть

• понятийным аппаратом способов предотвращения воспламенения материалов и локализации пожаров.

Тепловая теория прекращения горения

Горение — главный процесс пожара. Тушение пожара

всегда сводится к созданию условий, при которых происходит прекращение процесса горения во всех видах и формах. Поэтому особого внимания заслуживают предельные условия и параметры горения, т. е. те, за пределами которых процесс горения возникнуть или существовать не может. Наибольший практический интерес представляют те параметры процесса горения, изменяя которые, можно полностью прекратить горение или значительно снизить вероятность его возникновения. К их числу относятся концентрационный предел воспламенения, скорость распространения горения, скорость выгорания и температура горения.

Известно, что, если снизить температуру в зоне горения до 1273 К, процесс горения прекратится. Добиться такого снижения температуры в зоне горения можно различными способами: за счет изменения соотношения компонентов горючего и окислителя (в ту или другую сторону), доводя его до «бедного» или «богатого» концентрационного пределов горения; разбавления зоны горения нейтральными газами; введения химически активных ингибиторов, снижающих скорость химических реакций; снижения давления в зоне реакций горения (если это возможно) и др. При всех указанных способах будет снижаться скорость протекания химической реакции окисления, в результате уменьшится интенсивность тепловыделения в зоне горения. Возможны и принципиально иные способы снижения температуры в зоне горения, основанные не на уменьшении интенсивности процессов тепловыделения в зоне горения, а на интенсификации процессов теплоотвода из зоны горения. Повысить интенсивность теплоотвода из зоны горения можно:

• — увеличивая или излучательную способность компонентов, или теплопроводность;
• — используя значительную часть тепла на эндотермические процессы фазового превращения посторонних компонентов в зоне протекания высокотемпературных реакций горения;
• — комбинируя перечисленные способы.

Добиться результата можно за счет введения в зону протекания химической реакции горения специальных ингредиентов, например тонкодисперсных нейтральных термостойких порошков, металлизированных частиц, тонкораспыленной воды и др. (рис. 3.1).

На практике редко удается реализовать в чистом виде какой-нибудь один из способов. Чаще всего они используются в комбинации.

Так, при введении в зону горения тонкораспыленной воды одновременно происходит и отъем тепла на ее испарение. При этом снижается температура среды в зоне протекания химической реакции горения и реагирующие компоненты (горючее и окислитель) разбавляются образовавшимися парами воды, что снижает скорость протекания химической реакции окисления и уменьшает интенсивность тепловыделения. В результате температура в зоне химической реакции горения снижается. Отъем тепла на повышение температуры паров воды (с 373 К) до температуры среды в зоне горения ведет к дальнейшему отъему тепла из зоны химической реакции горения и понижению температуры пламени. Такое многоступенчатое снижение температуры в зоне химической реакции горения ведет к уменьшению скорости ее протекания (т.е. снижению интенсивности тепловыделения в зоне горения и т. д.), до тех пор пока температура в зоне горения не достигнет преРис. 3.1. Схема прекращения горения за счет снижения температуры до 7^.

дельного критического значения — температуры потухания пламени (~1273 К) и процесс горения не прекратится. Но произойдет это только в том случае, если количество подаваемой в зону горения воды будет соответствовать рас;

—L.

ГО о.

«1.

а О).

со а>

со.

•о.

CD.

Ж.

• -О
• О)

В

CD.

Z.

Z.

CD.

z.

a.

?а.

CD.

о.

— i.

• -О
• О)

н.

CD.

z.

s.

CD.

a.

— o.

о.

.a.

CD.

О О.

О со.

«1.

о.

— О.

CD.

Z.

Z.

a четному, а способ ее подачи будет обеспечивать полное ее использование.

Аналогично выглядит процесс тушения пламени и при подаче в зону горения некоторых испаряющихся или разлагающихся порошковых средств.

Графически температура пламени в зоне горения Т_у} как в случае процессов самовоспламенения и вынужденного зажигания, будет соответствовать точке пересечения кривых интенсивности тепловыделения в зоне горения q_B = /(Г) и интенсивности теплопотерь в зоне горения q_r0-f (T) (рис. 3.2). Закон тепловыделения для элементарного объема, А Г в зоне наиболее интенсивного кинетического режима протекания реакции горения (как и при рассмотрении процессов воспламенения) можно записать в виде функции.

В отличие от процессов воспламенения, когда можно пренебречь снижением скорости реакции W = f (T) за счет изменения концентрации реагентов вследствие их выгорания (так как степень выгорания мала), здесь необходимо учитывать этот фактор. Поэтому функция q_B = /(7') имеет точку перегиба и претерпевает изменение именно в области сравнительно невысоких температур, стремясь при температурах зоны реакции не к бесконечности, а асимптотически к максимальному, но конечному значению q_B -f (T)->q_max (см. рис. 3.2). Значение теплоотвода с элементарной площади поверхности фронта пламени Д5_Г в этой зоне определяется суммой лучистых и конвективных теплопотерь:

где а_мр — приведенный коэффициент теплоотдачи.

Проекция точки пересечения кривых q_B и q_T0 на ось абсцисс определяет температуру продуктов горения Т_г

Если процесс горения возник по механизму самовоспламенения, как показано на рис. 3.2, и системе до возникновения реакции горения было сообщено извне некоторое количество тепла для разогрева смеси до температуры Tq — начала самовоспламенения (точнее, саморазогрева), то температура продуктов горения будет выше примерно на величину начального разогрева:

где V_ns — объем г'-го продукта горения; Ср — теплоемкость г-го продукта горения, соответствующая точке Г… (Г = Тг).

^{1 1} СВ.

Рис. 3.2. Схема достижения температуры потухания пламени при одновременном изменении интенсивности тепловыделения и теплоотвода.

Если процесс горения возник при меньшей начальной температуре, близкой к температуре окружающей среды Т₀, по механизму вынужденного зажигания, то температура продуктов горения в зоне пламени будет несколько ниже Ту примерно на величину Г₀' - Т₀, т. е. Т_г" Ту — (7q — Г₀), соответствующая точке пересечения Г кривых интенсивности тепловыделения q_B и интенсивности теплоотвода q'_T0. При этом предполагается, что зависимость q_u = f (T) осталась такой же, как при самовоспламенении, а интенсивность теплоотвода q'_T0 =f (T) возросла. Этой точке соответствует равновесный, стационарный тепловой режим в зоне горения, при котором возникает динамическое равновесие процессов тепловыделения и теплоотвода q_B = /(Г) = = q'_T0 = f (T). Устойчивым процесс горения в этом состоянии является потому, что тепловыделение q_K равно сумме теплопотерь q'_T0> а первые производные от них, но температуре не равны между собой. Это означает, что если, не изменяя зависимостей тепловыделения и теплоотвода при заданном режиме горения каким-либо внешним воздействием, слегка изменить температуру среды в этой точке, то:

• — при увеличении температуры до Г_г+ДГ она самопроизвольно охладится и вернется в равновесное состояние
• (в точку Г), так как q'_T0> q_B и температура системы будет понижаться до равновесной точки, где q_u = q'_T0',
• — при понижении температуры в зоне горения до температуры Г_г — АТ система вновь самопроизвольно вернется к устойчивому режиму горения (в точку Г), так как q_K > q'_T0 и система саморазогревается до прежнего стабильного состояния (точка Г), где q_B = q^f_TQ.

Вот почему, подав малое количество воды или другого огнетушащего средства, нельзя повлиять на зависимости q_B=f (T) или q'_T0 = /(Г), прекратить процесс горения, потушить мощное пламя. Это объясняется тем, что в установившемся режиме процесс горения обладает свойством стационарности, точнее динамической устойчивости к внешним воздействиям.

Можно попытаться воздействовать на процесс горения более активно, например изменив зависимость q'_T0 = /(Г) за счет увеличения коэффициента теплопередачи, а из зоны горения. Графически это выразится в увеличении угла наклона кривой q" _G = f (T) (см. рис. 3.2). Теперь точке пересечения кривых q_n и <7^₀(точка Гj) будет соответствовать температура пламени Гр, которая ниже прежней Т_г Однако процесс горения при этой температуре по-прежнему будет устойчив. Предпримем еще одну попытку — введем нейтральные разбавители, например пары воды, в зону горения, что снизит интенсивность тепловыделения в зоне горения до значения q'_n(T)< q_B(T). Допустим, что это произойдет только за счет уменьшения скорости химической реакции горения W = /(Г, с_Л, с_Б) вследствие того, что концентрации горючего С'_А и окислителя С_Б стали ниже, чем были (С_А и С_Б) из-за разбавления среды нейтральным газом. Соответственно уменьшится и интенсивность тепловыделения cq_B до q'_B.

Теперь равновесный режим горения будет соответствовать точке пересечения (точка Г₂) кривых q_B и q"₀. Соответствующая ей равновесная температура Гр, меньше Т_г и Гр. Но и этот режим горения будет обладать устойчивостью, так как левее точки Г₂ получается q'_B > q" ₀, а правее — наоборот, q" _Y0 > q_B. При слабом охлаждении зоны горения до 7g — АТ система вновь разогреется до равновесного состояния q'_B = q"₁₀, а при слабом перегреве (до Гр + АТ) вновь охладится до q'_B = q"₀ в точке Гр, т. е. вернется²в свое исходное стабильное состояние и горение не прекратится.

Из приведенного анализа очевидно, что используя любой из рассмотренных способов снижения температуры в зоне горения или их сочетание, можно так изменить соотношение интенсивностей тепловыделения q_B и теплоотвода <7_Т0, что в точке их пересечения будут равны не только значения самих функций q_B(T) = q_Tn(T), но и их первые произ.

На графике водные по температуре, т. е.

рис. 3.2 кривая q_T0 займет при этом крайнее левое положение по отношению к q_B и в области высоких температур (выше точки перегиба Б на кривой q_B, являющейся точкой воспламенения) будет иметь с ней только одну общую точку — точку касания П. Это означает, что в точке П при температуре Г_п интенсивность тепловыделения в зоне горения q'_B будет равна интенсивности теплоотвода q"₀ и их первые производные по температуре в точке П также будут.

так как кривая q_T0

равны между собой, является касательной к кривой q_B в точке П. Заметим при этом, что температура Г_п является минимальной из рассмотренных выше стабильных температур (Г_п < Гр < Гр < Г_г). Этого можно добиться, например, введением в зону горения большего количества воды, чем вводилось для снижения температуры до Гр и Гр Испарившаяся в зоне горения вода снизит температуру горения до Гр, повысив теплоотвод из зоны горения за счет увеличения А,_см и е_см; пары воды, разбавив реагенты в зоне горения, одновременно снизят интенсивность тепловыделения q_B до q_B за счет уменьшения скорости реакции W = /(Г, Сд, Ср). Это приведет к снижению температуры до Гр. Вода, испарившаяся вокруг зоны горения, снизит температуру окружающей среды с Г₀ до Tq, что повысит интенсивность теплоотвода от зоны горения с q_TO до q" _Q за счет роста интенсивности и конвективного и лучистого теплоотводов от пламени (на графике кривая q™₀ при этом займет положение кривой д" ₀). Допустим, однако, что кривые займут положение, показанное на рис. 3.2, т. е. q™₀ является касательной к кривой q_B в точке П, в которой выполняются условия равенства интенсивностей тепловыделения и теплоотвода (при температуре Г_п) и их первых производных по температуре.

Проанализируем состояние и «поведение» системы в точке П при температуре потухания методом малых возмущений.

Если при внешнем воздействии температуру системы несколько повысить на величину АТ, т. е. до значения Т = Т_и + АТ, то система вновь самопроизвольно охладится до температуры Т_п и вернется в точку П, так как правее этой точки тепловыделение q'_B меньше теплоотвода q™₀, т. е. система будет находиться в относительно устойчивом состоянии. Если теперь при внешнем воздействии понизить температуру системы на величину АТ до температуры Т= Т_1{ — АТ и перевести ее чуть левее точки П, то система самопроизвольно начнет охлаждаться дальше, так как слева от точки П интенсивность теплоотвода, как и справа, больше интенсивности тепловыделения, т. е. q" ₀ > q'_h. Поэтому левее точки П температура системы будет продолжать снижаться, пока не дойдет до второй равновесной температуры Т_А> где реакции окисления практически не происходит.

Таким образом, из рассмотренного следует, что при малейшем смещении от точки П влево, что соответствует снижению температуры системы ниже Г_п, процесс горения становится невозможным и пламя потухает.

Из графика рис. 3.2 очевидно, что температура потухания кинетического пламени Г_п на оси абсцисс лежит правее точки Т_с, соответствующей температуре самовоспламенения горючей смеси данного состава, т. е. температура потухания пламени оказывается выше температуры самовоспламенения. Это парадоксальное явление называется в теории процессов горения гистерезисом температурной кривой потухания пламени.

Аналитический расчет числового значения температур потухания для различных режимов горения сопряжен с определенными трудностями вычисления параметров процессов горения в околопредельных состояниях и поэтому носит ориентировочный характер. Максимально возможная величина снижения температуры кинетического пламени по сравнению с расчетным значением температуры пламени с учетом теплопотерь равна.

где Т_Г — температура горения; Т_п — температура потухания (1273 К).

Ипользуя температуру потухания, которую можно условно принять примерно одинаковой для всех углеводородновоздушных смесей, можно путем несложных термодинамических расчетов вычислить требуемый удельный или (зная секундный расход горючего вещества) секундный расход огнетушащих средств, действующих по механизму охлаждения зоны горения.