Распространение горения и его значение для человека

Физические закономерности распространения пламени

Горение, сложное, быстро протекающее химическое превращение, сопровождающееся выделением значительного количества тепла и обычно ярким свечением (пламенем). В большинстве случаев основу горения составляют экзотермические окислительные реакции вещества, способного к горению (горючего), с окислителем. Современная физико-химическая теория горения относит к горению все химические процессы, связанные с быстрым превращением и тепловым или диффузионным их ускорением, в том числе разложение взрывчатых веществ, озона, и др.; соединение ряда веществ с хлором, фтором и т. д.; взаимодействие многих металлов с хлором, окисей натрия и бария с двуокисью углерода и т. д. Химическая реакция горения в большинстве случаев является сложной, т. е. состоит из большого числа элементарных химических процессов. Кроме того, химическое превращение при горении тесно связано с рядом физических процессов — переносом тепла и масс и характеризуется соответствующими гидро — и газодинамическими закономерностями. В силу комплексной природы горения, суммарная скорость горения практически никогда не тождественна скорости чисто химического взаимодействия реагентов системы. Более того, для гетерогенных процессов скорость горения часто эквивалентна скорости того или иного лимитирующего чисто физического процесса (испарения, диффузии и т. д.).

Наиболее общее свойство горения — возможность при известных условиях прогрессивного самоускорения химического превращения — воспламенения, связанного с накоплением в реагирующей системе тепла или активных продуктов цепной реакции, Характерная черта явлений горения — способность к пространственному распространению, вследствие передачи тепла или диффузии активных частиц; в первом случае говорят о тепловом, во втором — о диффузионном механизме распространения пламени. Другая характерная особенность горения — наличие критических условий, т. е. определенных, характерных для данной горючей системы областей значений параметров (состав смеси, давление, содержание примесей, начальная температура смеси и т. д.), вне которых реакция горения протекает стационарно, а внутри области — самоускоряется. Диффузионный механизм горения обычно наблюдается при низких давлениях. Горение широко применяется в технике для получения тепла в топках, печах и камерах сгорания двигателей. При этом очень часто используется так называемое диффузионное горение, при котором распространение пламени определяется взаимной диффузией (кондуктивной или турбулентной) горючего и окислителя.

Для любого вида горения характерны две типичные стадии — воспламенение и последующее сгорание (догорание) вещества до продуктов полного горения. Время, затрачиваемое на обе стадии, составляет общее время горения. Обеспечение минимального суммарного времени горения при максимальной полноте горения (полноте тепловыделения) — основная задача техники сжигания. Для технического горения важны также физические процессы подготовки смеси: испарение, перемешивание и т. д. Основные термодинамические характеристики горючей смеси — теплотворная способность и теоретическая (или адиабатическая) температура горения, т. е. та температура, которая могла бы быть достигнута при полном сгорании без потерь тепла.

Распространение горения (распространение пламени, тления) — перемещение границы горения по горючей среде независимо от его проявления (пламя, тление, взрыв). Характеризуется скоростью (м/с): может осуществляться с постоянной скоростью, быть ускоряющимся, замедляющимся или пульсирующим. Распространение пламенного горения называют распространением пламени. С изменением условий, влияющих на процесс горения, может наблюдаться трансформирование одного механизма Р. г., напр. пламени, в др.

Передача тепла из зоны горения происходит как внутрь зоны горения, так и в зону теплового воздействия. Тепло, передаваемое внутрь зоны горения, воспринимается горящими жидкостью или твердым материалом и затрачивается на их испарение и разложение. Вследствие этого поверхность горения постепенно перемещается по направлению вглубь горящего материала. Такое перемещение поверхности горения называется выгоранием.

Тепло, передаваемое конвекцией и излучением в зону теплового воздействия, воспринимается поверхностью еще не горящих горючих веществ, вследствие чего они нагреваются, испаряются или разлагаются, а пары и газы, соприкасаясь с зоной горения, воспламеняются. При этом фронт горения перемещается по поверхности еще не горящего вещества. Такое перемещение фронта горения называется распространением горения. Под фронтом горения понимается периметр площади пожара. В пожарно-технической литературе периметр площади пожара называется периметром пожара. В частном случае при пламенном горении фронтом горения может являться периметр основания пламени.

Распространение горения может происходить не по всему фронту горения, а только по его части. В связи с этим введено понятие «фронт распространения горения», под которым понимается величина периметра пожара, где в данный момент происходит распространение горения.

Быстрота перемещения фронта горения по горючим материалам характеризуется линейной скоростью распространения горения, под которой понимается перемещение фронта горения (пламени) в данном направлении в единицу времени.

Исследования показывают, что фронт горения за одинаковые промежутки времени проходит неравные расстояния, т. е. его перемещение является неравномерным. Следовательно, и линейная скорость распространения огня в каждый промежуток времени различна.

На практике чаще всего пользуются средними значениями линейкой скорости за отдельные промежутки времени или за все время перемещения фронта горения. Тем не менее она вполне приемлема при различных практических расчетах.

Линейная скорость распространения горения зависит от свойств и состояния горючих материалов, интенсивности передачи тепла им и условий подвода воздуха.

Наибольшей линейной скоростью распространения горения обладают газы, так как они подготовлены к горению и для его продолжения затрачивается тепло только на нагрев их до температуры самовоспламенения. Линейная скорость распространения горения по газам практически равна скорости распространения горения по смеси их с воздухом.

Наименьшей линейной скоростью распространения горения обладают твердые горючие материалы, для подготовки к горению которых требуется больше тепла, чем для жидкостей и газов.

Твердые материалы в зависимости от их расположения имеют горизонтальную и вертикальную поверхности, по которым происходит распространение горения. Линейные скорости распространения горения по этим поверхностям различны. Наибольшая линейная скорость распространения горения наблюдается при движении пламени по вертикальной поверхности снизу вверх, а наименьшая — сверху вниз.

Твердые материалы в большинстве случаев располагаются с разрывами.

На пожарах в зданиях I и II степени огнестойкости путями распространения горения из одного этажа в другой чаще всею являются оконные, дверные, вентиляционные и другого рода проемы и отверстия в ограждающих конструкциях, а также сами конструкции, трубопроводы и балки.

Кроме того, в процессе развития и тушения пожара в результате взрывов, ударов, деформации конструкций и других причин в ограждающих конструкциях иногда возникают отверстия, достаточные для распространения горения.

В зданиях III, IV и V степени огнестойкости распространение горения, кроме того, происходит в результате прогорания ограждающих конструкций.

Распространение горения через проемы и отверстия происходит в результате выхода через них пламени, движения нагретых продуктов сгорания, передачи лучистой теплоты, распространения взрывной волны, смеси горючих паров, газов и пыли с воздухом, перелива горящей жидкости и т. д.

В зданиях с наличием большого числа сгораемых и трудносгораемых перегородок скорость распространения горения крайне неравномерна. Распространение горения внутри отдельного помещения происходит с определенной для его горючей загрузки скоростью, но при подходе фронта горения к перегородке распространение горения по горизонтальной поверхности прекращается и продолжается лишь по вертикальной наружной или внутренней поверхностям перегородки.

Скорость распространения горения по поверхности твердых материалов главным образом зависит от степени их возгораемости, которая характеризуется минимальным тепловым импульсом вызывающим устойчивое горение этих материалов.

Чем более возгораемый материал, т. е. чем меньший тепловой импульс вызывает его воспламенение, тем выше при прочих равных условиях скорость распространения горения.

С увеличением времени воздействия источника воспламенения на горючий материал величина теплового импульса уменьшается.

При возрастании влажности горючих материалов скорость распространения горения уменьшается, так как много тепла затрачивается на удаление влаги.

Дисперсность материалов также связана с их поверхностью, воспринимающей тепло. Чем выше дисперсность материалов, тем больше удельная их воспринимающая тепло поверхность и, следовательно, быстрее происходит нагрев, испарение или разложение, т. е. подготовка к горению. Линейная скорость распространения горения у таких материалов очень велика и составляет несколько десятков метров в минуту.

Скорость распространения горения также во многом зависит от температуры горения, интенсивности газообмена и направленности нагретых газовых потоков, ветра, а также других факторов.

С ростом температуры горения (пламени) возрастают интенсивность излучения и температура продуктов сгорания, которые в свою очередь увеличивают скорость нагрева и воспламенения горючих материалов.

Ветер увеличивает интенсивность передачи тепла горючим материалам за счет приближения пламени к ним и омывания нагретыми продуктами сгорания. Если нагретые газовые потоки при газообмене на пожаре в здании направлены в сторону расположения горючих материалов, то интенсивность передачи тепла значительно возрастает по сравнению с интенсивностью передачи тепла только излучением пламени. Кроме того, при повышении скорости газовых потоков из зоны горения увлекаются горящие частицы, а при крупных пожарах — горящие головни. Падая на землю и соприкасаясь со сгораемыми материалами и конструкциями, они вызывают их воспламенение, образование новых очагов горения, ускоряя распространение пожара.

Значительное влияние на скорость распространения горения оказывают взрывы, происходящие чаще всего в зоне горения и теплового воздействия.

При взрыве создастся быстро распространяющаяся волна сжатых газов, так называемая ударная волна, давление во фронте которой больше атмосферного. Ударная волна разрушает аппараты и коммуникации с горючими газами и жидкостями, уничтожает защитные слои трудносгораемых элементов конструкций, разбрасывает горящие материалы, активизирует газообмен. Волной взрыва раскаленные газы и пламя могут проникнуть через неплотности и пустотелые конструкции в соседние помещения.

По агрегатному состоянию горючего и окислителя различают:

• 1) гомогенное горение — горение газов и парообразных горючих в среде газообразного окислителя (большей частью кислорода воздуха);
• 2) горение взрывчатых веществ и порохов;
• 3) гетерогенное горение — горение жидких и твёрдых горючих в среде газообразного окислителя; горение в системе жидкая горючая смесь — жидкий окислитель (например, кислота).

Гомогенное горение. Наиболее простой случай представляет горение заранее перемешанных смесей. Большей частью реакции являются цепными. В обычных условиях горения при их развитии (зарождении и развитии цепей) определяющее значение имеет предварительное нагревание вещества (термическая активация).

Для начала горения необходим начальный энергетический импульс, чаще всего нагревание горючего. Различают 2 способа воспламенения: самовоспламенение и вынужденное воспламенение, или зажигание (накалённым телом, пламенем, электрической искрой и др.).

Важнейший вопрос теории горения — распространение пламени (зоны резкого возрастания температуры и интенсивной реакции). Различают нормальное распространение горения, или дефлаграцию, где ведущим процессом является передача тепла теплопроводностью, и детонацию, где поджигание производится ударной волной. Нормальное горение, в свою очередь, подразделяется на ламинарное и турбулентное.

Ламинарное пламя обладает вполне определённой скоростью перемещения относительно неподвижного газа, которая зависит от состава смеси, давления и температуры и определяется только химической кинетикой и молекулярной теплопроводностью. Эта нормальная скорость является физико-химической константой смеси.

Скорость распространения турбулентного пламени зависит от скорости потока, а также степени и масштаба турбулентности. Горение в потоке (факельный процесс) — горение струи при её истечении из трубы (сопла) в открытое пространство или камеру — очень распространённый в технике вид горения. Различают горение при истечении заранее перемешанной смеси и горение при раздельном истечении горючего и окислителя, когда процесс определяется перемешиванием (диффузией) двух потоков.

В условиях горения в потоке большое практическое значение имеет вопрос удержания пламени на горелке или в камере. Задача обычно решается или путём непрерывного зажигания смеси от специального зажигательного устройства, или с помощью установки поперёк потока плохо обтекаемых тел (стабилизирующих экранов), обеспечивающих обратную циркуляцию горячих продуктов горения.

Горение взрывчатых веществ (ВВ) — самораспространение зоны экзотермической химической реакции разложения взрывчатого вещества или взаимодействия его компонентов посредством передачи от слоя к слою энергии реакции в виде тепла. В том случае, когда газообразные продукты горения могут свободно оттекать от горячего заряда, горение ВВ, в отличие от их детонации, обычно не сопровождается значительным повышением давления и не принимает характера взрыва. Конденсированные ВВ, аналогично смесям газообразных горючих и окислителей, не требуют подвода кислорода извне.

Скорость горения зависит от природы ВВ, а также от давления, температуры, плотности заряда и др. факторов и при атмосферном давлении для различных ВВ изменяется от долей мм до нескольких м в сек. Для инициирующих ВВ она, как правило, в десятки и сотни раз больше, чем для вторичных.

Гетерогенное горение. Для горения жидких веществ большое значение имеет процесс их испарения. Горение легко испаряющихся горючих практически относится к гомогенному горению, т.к. такие горючие ещё до воспламенения полностью или почти полностью успевают испариться. Применительно к жидким горючим различают 2 характеристики: температуру вспышки и температуру обычного самовоспламенения.

Широко распространённой жидкой гетерогенной системой является высокодисперсная капельная система, для которой определяющее значение имеют законы воспламенения и горения каждой отдельной капли. В отличие от гомогенного горения, в этом случае стадия воспламенения играет относительно меньшую роль.

Горение твёрдых веществ в простейшем случае не сопровождается разложением вещества с выделением их летучих компонентов (например, горение металлов). В технике большое значение имеет горение твёрдого топлива, главным образом углей, содержащих углерод и некоторое количество органических веществ, которые при нагревании топлива разлагаются и выделяются в виде паров и газов. Термически неустойчивую часть топлива принято называть летучей, а газы — летучими. При быстром нагревании частиц топлива (что возможно для частиц малого размера) летучие компоненты могут не успеть выделиться и сгорают вместе с углеродом. При медленном нагревании наблюдается чёткая стадийность начального этапа горения — сначала выход летучих компонентов и их воспламенение, затем воспламенение и горение твёрдого, так называемого коксового, остатка, который кроме углерода содержит минеральную часть топлива — золу.

Каталитическое, или, вернее, поверхностное каталитическое, горение газовых смесей относится к классу гомогенно-гетерогенных процессов горения: химический процесс может протекать как в объёме, так и на катализирующей твёрдой поверхности (например, на платине). В зависимости от конкретных условий может проявляться гомогенный или гетерогенный тип горения. При высоких температурах, когда объёмное горение идёт быстро, роль поверхностно-каталитического горения, как правило, мала и может быть заметной только в случае, когда смесь течёт в узких каналах, пористых материалах или мелкозернистых засыпках из катализатора. Применяемый в технике термин «беспламенное» горение газовых смесей не всегда эквивалентен понятию поверхностно-каталитического горения Скорее он является характеристикой горения без светящегося пламени.