Распространение горения газов, жидкостей и твердых тел

11осле изучения этой главы студент должен:

знать

• • виды и режимы распространения пламени;
• • особенности тепловой и диффузионной теории распространения пламени по газообразным системам;
• • основные элементы распространения пламени по поверхности жидких и твердых горючих веществ;
• • особенности выгорания жидких и твердых веществ;

уметь

• • проводить количественные оценки продуктов горения;
• • на основании теплового баланса проводить расчет температуры горения;

владеть

• анализом по влиянию ряда факторов (давление, температура, геометрия горючих систем и т. д.) на скорость распространения горения и выгорание жидких и твердых веществ.

Виды и режимы распространения горения

При возникновении процесса горения источником зажигания новых объемов горючей смеси является сама зона горения, в которой происходит интенсивное выделение тепла. Это тепло и является причиной непрерывного поддержания процесса горения. Схематически процесс горения можно представить в виде цепной реакции, при которой происходят непрерывное воспламенение и сгорание все новых и новых порций горючей смеси.

В зависимости от механизма распространения зоны химической реакции горения по горючей смеси различают несколько характерных режимов горения: дефлаграциоппое — сравнительно медленное распространение зоны химической реакции со скоростью движения тепловой волны по смеси 0,5—50 м/с; детонационное — раснространяющееся со скоростью ударной волны 1—5 км/с; взрывное — имеющее скорость от нескольких сотен метров до 1,5 км/с. Обычно в условиях пожара горение протекает в дефлаграционном режиме. Детонационное горение газопаровоздушных смесей встречается весьма редко.

В зависимости от агрегатного состояния компонентов горючей смеси различают два режима горения: гомогенное, когда оба компонента находятся в одинаковой фазе, и гетерогенное горение, когда агрегатное состояние компонентов горючей системы различное.

Поскольку в качестве окислителя в реакции горения на пожаре чаще всего участвует кислород воздуха, т. е. один из компонентов горючей системы находится всегда в газообразном состоянии, то гомогенным горение в условиях пожара бывает в тех случаях, когда само горючее тоже находится в газообразном состоянии.

Горючие жидкости и многие твердые горючие материалы также горят на пожаре преимущественно в режиме гомогенного пламенного горения, так как в зону горения поступают не сами эти жидкости и твердые вещества, а газои парообразные продукты их испарения и термического разложения.

Примером гетерогенного, беспламенного горения в условиях пожара является тление углеродного остатка твердых горючих материалов. Когда все летучие, пиролизуемые компоненты уже выгорели из прогретого слоя, наступает режим беспламенного, гетерогенного горения, называемого еще тлением (хотя оно может быть и очень интенсивным, с выделением большого количества тепла), при этом возможен повторный переход в пламенное горение. Тление может возникнуть и в начальной стадии пожара, если мощности источника зажигания не хватило для предварительного прогрева твердых горючих материалов и не образовалась горючая паровоздушная смесь, способная к пламенному (гомогенному) горению. По мере накопления тепла в твердом горючем материале, повышения его температуры и увеличения массы прогретого слоя процессы пиролиза и выделения горючих летучих фракций интенсифицируются. Смешиваясь с кислородом воздуха, они образуют горючую газовоздушную смесь, которая воспламеняется под действием высоких температур зоны тления. В результате начинается интенсивное пламенное горение, быстро распространяющееся, но поверхности твердых горючих материалов.

Такой же механизм возникновения имеют многие пожары, связанные с горением твердых горючих материалов: начинаются они под воздействием слабых источников зажигания — искр, тлеющих окурков, непотушенных спичек и т. д. Реже такой же механизм возникновения имеют пожары, связанные с самовозгоранием твердых горючих материалов в результате медленно текущей реакции окисления, г. е. они также могут начаться с тления, переходящего затем в открытое пламенное горение. Характерным для гетерогенного режима горения является наличие раздела фаз: твердого горючего и газообразного окислителя. При этом химические реакции окисления идут преимущественно на поверхности раздела фаз, однако при большой пористости материала они могут идти и в его толще, и внутри пор, но всегда — на границе раздела «твердое тело — газ».

Скорость распространения гетерогенных процессов горения (тления), как правило, несколько ниже скорости распространения гомогенного (пламенного) горения. Интенсивность процесса гетерогенного горения зависит от интенсивности поступления горючих компонентов в зону горения (преимущественно кислорода воздуха) и степени развитости поверхности горючего материала, на которой идет химическая реакция окисления.

В зависимости от условий смесеобразования горючих компонентов и соотношения скорости химической реакции горения и скорости смесеобразования различают два характерных режима горения: кинетический и диффузионный. Определяющим в этом случае является вопрос о том, какая из стадий является лимитирующей в суммарной скорости процесса горения: скорость смесеобразования или скорость химического превращения компонентов смеси в продукты горения.

Горение предварительно равномерно перемешанных газоили паровоздушных смесей всегда происходит в кинетическом режиме, так как смесь горючего с окислителем существует еще до момента ее воспламенения и суммарная скорость процесса горения лимитируется только скоростью (кинетикой) химической реакции окисления и скоростью перемещения зоны реакции горения по горючей смеси. Поэтому такое горение называется кинетическим. Если сгорание такой газовоздушной смеси происходит в замкнутом или ограниченном объеме, оно воспринимается как взрыв, так как энергия, выделяющаяся при сгорании смеси, не успевает отводиться за пределы рассматриваемого объема, давление возрастает, что и приводит к разрушению конструкции. Примером спокойного кинетического горения является горение газовоздушной смеси в конфорках кухонной газовой плиты, когда смесь хорошо подготовлена и пламя имеет равномерную сине-голубую окраску (без желтых или красноватых оконечностей язычков пламени). Появление желто-оранжевых зон пламени — признак недостатка воздуха, плохого смешения, образования продуктов неполного сгорания, в том числе светящихся желтым светом сажистых частиц.

Если компоненты горючей смеси смешиваются непосредственно перед зоной горения или в самой зоне, то наблюдается диффузионный или диффузионно-кинетический режим горения. Он определяется интенсивностью смешения, степенью равномерности и пропорциями смешения горючих компонентов. При пожаре на устье газового факела при истечении метана под большим давлением смесеобразование горючего газа с воздухом перед факелом пламени будет столь интенсивным и равномерным, что пламя будет почти полностью кинетическим. При наличии в горючем газе конденсата оно будет диффузионно-кинетическим, а при горении фонтанирующей нефти и при пожарах в резервуарах с легковоспламеняющейся (ЛВЖ), горючей жидкостью (ГЖ) или штабелей древесины режим горения будет диффузионным. Гетерогенное горение на пожаре также всегда идет в диффузионном режиме.

Важной характеристикой процессов горения является также газодинамическое состояние компонентов горючей смеси в зоне реакции. Оно, как правило, характеризуется интенсивностью их поступления в зону горения.

Если компоненты горючей смеси поступают в зону горения сравнительно «спокойно», по законам молекулярной или слабой (не сильно развитой) конвективной диффузии, то процесс горения будет ламинарным (т.е. относительно спокойным) с постепенным, плавным переходом от зоны смесеобразования к зоне горения и далее — к зоне формирования потока оттекающих продуктов горения.

Если потоки газообразного горючего или окислителя, или смеси горючего с окислителем в зону горения поступают достаточно интенсивно, то режим горения будет турбулентным, т. е. с интенсивными завихрениями, перемешиванием продуктов горения с непрореагировавшей смесью, отрывами клубящихся зон горения от основного факела пламени. Характерным примером такого горения является пожар на мощном газовом фонтане, на крупном резервуаре, на большом штабеле древесины с большим значением коэффициента поверхности горения.

где 5_гор — площадь поверхности горения; S_u — площадь проекции зоны горения на горизонтальную плоскость.

Таким образом, характеризовать процесс горения на пожаре можно по механизму распространения зоны химической реакции (дефлаграционное и детонационное горение), по его кинетическим параметрам (диффузионное или кинетическое горение), по природе химических реакций (в зоне их протекания — гомогенное или гетерогенное горение) и по газодинамическим параметрам режима горения (ламинарное или турбулентное).