Основы профилактики пожаров

Важнейший вопрос теории Г. —  распространение пламени (зоны резкого  возрастания температуры и интенсивной  реакции). Различают нормальное распространение  Г., или дефлаграцию, где ведущим процессом является передача тепла теплопроводностью, и детонацию, где поджигание производится ударной волной. Нормальное Г., 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) —  Г. струи при её истечении из трубы (сопла) в открытое пространство или  камеру — очень распространённый в технике вид Г. Различают  Г. при истечении заранее перемешанной смеси и Г. при раздельном истечении  горючего и окислителя, когда процесс  определяется перемешиванием (диффузией) двух потоков.

В условиях Г. 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 Г.

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 Г. могут свободно оттекать от горячего заряда, Г. 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 Г. 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  Г. жидких веществ большое значение имеет процесс их испарения. Г. легко  испаряющихся горючих практически относится к гомогенному Г., 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  Г. каждой отдельной капли. В отличие  от гомогенного Г. ,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, Г. металлов). В технике большое значение имеет Г. 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 называеть 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 Г. — сначала выход летучих компонентов и их воспламенение, затем воспламенение и Г. твёрдого, так называемого коксового, остатка, который кроме углерода содержит минеральную часть топлива — золу.

Каталитическое, или, вернее, поверхностное каталитическое, Г. газовых смесей относится к классу гомогенно-гетерогенных процессов Г.: 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 Г. При высоких температурах, когда объёмное Г. идёт быстро, роль поверхностно-каталитического Г., 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" Г. газовых смесей не всегда эквивалентен понятию поверхностно-каталитического Г. Скорее он является характеристикой Г. без светящегося пламени.

Горение, сложное, быстро протекающее  химическое превращение, сопровождающееся выделением значительного количества тепла и обычно ярким свечением (пламенем). В большинстве случаев  основу Г. составляют экзотермические  окислительные реакции вещества, способного к Г. (горючего), с окислителем. Современная физико-химическая теория Г. относит к Г. 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 Г. в большинстве случаев является сложной, т. е. состоит из большого числа элементарных химических процессов. Кроме того, химическое превращение при Г. тесно связано с рядом физических процессов — переносом тепла и масс и характеризуется соответствующими гидро- и газодинамическими закономерностями. В силу комплексной природы Г., суммарная скорость Г. практически никогда не тождественна скорости чисто химического взаимодействия реагентов системы. Более того, для гетерогенных процессов скорость Г. часто эквивалентна скорости того или иного лимитирующего чисто физического процесса (испарения, диффузии и т. д.).

Наиболее общее свойство Г. — возможность при известных  условиях прогрессивного самоускорения химического превращения — воспламенения, связанного с накоплением в реагирующей системе тепла или активных продуктов цепной реакции, Характерная черта явлений Г. — 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 Г. — 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 Г. обычно наблюдается при низких давлениях. Г. широко применяется в технике для получения тепла в топках, печах и камерах сгорания двигателей. При этом очень часто используется так называемое диффузионное Г., при котором распространение пламени определяется взаимной диффузией (кондуктивной или турбулентной) горючего и окислителя.

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

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

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

Для начала Г. 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 Г. —  распространение пламени (зоны резкого  возрастания температуры и интенсивной  реакции). Различают нормальное распространение  Г., или дефлаграцию, где ведущим процессом является передача тепла теплопроводностью, и детонацию, где поджигание производится ударной волной. Нормальное Г., 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) —  Г. струи при её истечении из трубы (сопла) в открытое пространство или  камеру — очень распространённый в технике вид Г. Различают  Г. при истечении заранее перемешанной смеси и Г. при раздельном истечении  горючего и окислителя, когда процесс  определяется перемешиванием (диффузией) двух потоков.

В условиях Г. 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  Г.

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 Г. могут свободно оттекать от горячего заряда, Г. 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 Г. 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  Г. жидких веществ большое значение имеет процесс их испарения. Г. легко  испаряющихся горючих практически относится к гомогенному Г., 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  Г. каждой отдельной капли. В отличие  от гомогенного Г. ,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, Г. металлов). В технике большое значение имеет Г. 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 называеть 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 Г. — сначала выход летучих компонентов и их воспламенение, затем воспламенение и Г. твёрдого, так называемого коксового, остатка, который кроме углерода содержит минеральную часть топлива — золу.

Каталитическое, или, вернее, поверхностное каталитическое, Г. газовых смесей относится к классу гомогенно-гетерогенных процессов Г.: 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 Г. При высоких температурах, когда объёмное Г. идёт быстро, роль поверхностно-каталитического Г., 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" Г. газовых смесей не всегда эквивалентен понятию поверхностно-каталитического Г. Скорее он является характеристикой Г. без светящегося пламени.

2 го До открытия кислорода в начале 1770-х годов Карлом Шееле и Джозефом Пристли считалось, что все тела, способные гореть, содержат особое начало, «флогистон», которое в процессе горения выделяется из тела, оставляя золу. В 1775 г. Лавуазье показал, что напротив, к горючему веществу при горении присоединяется кислород воздуха, а в 1783 г. Лавуазье и Лаплас обнаружили, что продукт горения водорода — чистая вода. Эти открытия заложили основу современных научных взглядов на природу горения.

Следующий шаг в развитии основ теории горения связан с  работами Малляра и Ле Шателье[4] и В. А. Михельсона, выполненными в 1880-е годы[5]. В 1890 г. Михельсон опубликовал работу[6] о распространении пламени в трубах и предложил теорию горелки Бунзена.