Теоретичні основи процесів горіння та вибуху

Наука про горіння – надзвичайно багатобічна галузь. Прояви горіння досить різноманітні: швидке згоряння горючих парів у двигунах внутрішнього згоряння, регулювання спалювання палива в теплоенергетичних установках, утилізація горючих відходів тощо. Наше завдання – розглянути процес горіння відносно до явищ, пов’язаних з пожежами.

ГОРІННЯ можна визначити як екзотермічну реакцію окиснення речовини, яка супроводжується виділенням диму та (або) виникненням полум’я та (або) світінням. ГОРІННЯ є з’єднання кисню або іншого окисника з горючою речовиною.

Дамо визначення вищевказаним явищам:

ПОЛУМ’Я – це зона горіння в газовій фазі з видимим випромінюванням світла.

СВІТІННЯ – безполуменеве горіння матеріалу (речовини) в твердій фазі з видимим випромінюванням світла із зони горіння.

ДИМ – видимі тверді та (або) рідкі частинки в газах, що утворюються в результаті горіння або піролізу матеріалів.

З’єднання окисника з горючою речовиною носить екзотермічний характер, тобто має місце виділення теплової енергії. Для деяких горючих речовин така реакція може початися за нормальними температурами навколишнього середовища під дією безпосередньо кисню повітря або ряду інших стимулюючих чинників. Однак лише у виключних випадках подібні реакції можуть призвести до пожежі, тому що швидкість їх перебігу невисока і у речовин з малою теплопровідністю тепло що розсіюється в навколишнє середовище, викликає незначне підвищення температури речовини.

При певній температурі (температурі займання), що залежить від природи речовини та деяких інших факторів, виникає активізація, різко підвищується рівноважна температура і речовина займається. Для того щоб мало місце спалахування, тобто займання, що супроводжується появою полум’я, речовина повинна розпочати виділяти горючі гази або пари в результаті випаровування, розкладу або хімічної реакції. У протилежному випадку горіння буде безполуменевим.

ДЖЕРЕЛО ЗАПАЛЮВАННЯ – це теплова енергія, що призводить до займання. Це джерело повинно мати певний запас енергії та температуру, достатню для початку реакції. Горюча речовина (пальне) та окисник повинні знаходитися в необхідному співвідношенні один з одним. Як правило, окисник – це кисень повітря, вміст якого в атмосфері, що нас оточує, становить близько 21%.. Умови виникнення горіння

Горючі речовини разом з окисником утворюють горючу систему (горючу суміш).

Широко використовується поняття ГОРЮЧЕ СЕРЕДОВИЩЕ. Це середовище, що здатне самостійно горіти після видалення джерела запалювання.

Горючі суміші, залежно від співвідношення пального та окисника, поділяються на:

бідні, що вміщують у достатку, в порівнянні зі стехіометричним співвідношенням компонентів, окисник;

багаті, що вміщують у достатку пальне.

У разі, коли співвідношення між компонентами горючої суміші таке, що згоряння проходить повністю та в продуктах горіння відсутні вихідні речовини, ми маємо справу зі СТЕХІОМЕТРИЧНОЮ горючою системою.

Для повного згоряння необхідна наявність достатньої кількості кисню, щоб забезпечити повне перетворення пального в його насичені оксиди. При недостатній подачі повітря окиснюється тільки частина речовини. Залишок розкладається з виділенням великої кількості диму. При цьому утворюється найбільш розповсюджений продукт неповного згоряння – оксид вуглецю (СО). Дим складається з твердих та рідких частинок, які залишаються у завислому стані в газоподібних продуктах горіння та пересуваються разом з ними. Речовини, в продуктах розкладу яких вміщується більший процент важких фракцій, наприклад смоли, утворюють густий дим.

На пожежах, як правило, горіння відбувається за браком окисника, що призводить до утворення неповних продуктів горіння та виділення диму. У свою чергу, такі обставини серйозно ускладнюють пожежогасіння внаслідок погіршення видимості або наявності токсичних речовин у повітряному середовищі.

Надлишок повітря, з іншого боку, охолоджує газоподібні продукти горіння. У тих випадках, коли пального небагато, охолодження буває достатньо, щоб загасити вогонь, оскільки температура падає нижче рівня, необхідного для займання. Саме таке явище має місце, коли задувають свічку. У той же час сильний вітер під час лісової пожежі здійснює зворотну дію, тому що маса горючого матеріалу та об’єм газоподібних продуктів горіння надто великі, щоб могло бути здійснено необхідне охолодження.

Горіння деяких речовин (наприклад, ацетилену, оксиду етилену тощо), які здатні при розкладанні виділяти велику кількість тепла, можливо й за відсутності окисника.

Горіння являє собою незворотний процес, тому що з продуктів горіння та термічного розкладу неможливо знову створити речовину, що згоріла. Під час простого згоряння речовини має місце руйнування хімічної структури та визволення дози енергії.

Основні СТАДІЇ ПОЛУМЕНЕВОГО ГОРІННЯ

Основні стадії полуменевого горіння

У всіх випадках для горіння характерні три типові стадії: виникнення, поширення та згасання полум’я. Найбільш загальними властивостями горіння є здатність осередку полум’я, яке виникло, пересуватися по всій горючій суміші шляхом передачі тепла або дифузії активних частинок із зони горіння в свіжу суміш. Звідси виникає й механізм поширення полум’я, відповідно ТЕПЛОВИЙ та ДИФУЗІЙНИЙ. Горіння проходить, як правило, за комбінованим тепловим дифузійним механізмом.

Існує два режими проходження горіння:

Схема поширення полум’я в гомогенній газовій суміші:

1– скляна трубка; 2 – джерело запалювання;

З – фронт полум’я; 4 – напрямок поширення полум’я

САМОСПАЛАХУВАННЯ – полягає в різкому збільшенні швидкості екзотермічних об’ємних реакцій, що супроводжується полуменевим горінням, тобто – це самочинне виникнення полуменевого горіння попередньо нагрітої до певної критичної температури горючої суміші. Така температура має назву ТЕМПЕРАТУРИ САМОСПАЛАХУВАННЯ.

ПОШИРЕННЯ ФРОНТУ ПОЛУМ’Я (МЕЖІ ЗОНИ ГОРІННЯ В ГАЗОВІЙ ФАЗІ) здійснюється по холодній суміші під час її локального займання (спалахування) від зовнішнього джерела.

Для того, щоб отримати уявлення про поширення фронту полум’я, помістимо гомогенну горючу суміш в скляну трубку, відкриту з одного кінця (рис. 2.3), та запалимо її за допомогою зовнішнього джерела запалювання.

Спочатку полум’я поширюється сферично. При досягненні стінок трубки воно перетворюється в плоский вузький – завтовшки менш 10^–6 м фронт, що рухається у бік свіжої суміші. Продукти горіння, що утворюються, об’єм яких внаслідок підвищення температури в декілька разів перевищує об’єм вихідної суміші, витікають з трубки через відкритий кінець. Швидкість переміщення фронту полум’я відносно неспаленого газу по нормалі до його поверхні називається НОРМАЛЬНОЮ ШВИДКІСТЮ ПОШИРЕННЯ ПОЛУМ’Я та позначається U_H.

Нормальна швидкість поширення полум’я характеризується мінімальною величиною, не залежить від умов, а тільки лише від хімічного складу горючої суміші та співвідношення пального з окисником. Максимальне значення U_H відповідає стехіометричному співвідношенню компонентів горючої суміші. Цей показник має характер фізико-хімічної константи.