Какой элемент необходим для возникновения горения. Общие сведения о горении

Для возникновения горения необходимо наличие в одном месте и в одно время трех компонентов: горючего вещества, окислителя и источника зажигания (рис 414). Кроме того, нужно, чтобы горючее вещество было наг. Грета до необходимой температуры и находилась в соответствующем количественном соотношении с окислителем, а источник зажигания мало необходимую энергию для начального импульса (зажигания). Так, спичкой можно зажечь лист бумаги, а деревянную колоду - невозможно. Необходимость для горения одновременно трех компонентов, так называемый треугольник огня, обнаружил еще в XVIII в французский ученый. Лавуазьвуазьє.

Рис 414. Условия, необходимые для возникновения горения

После возникновения горения протекает тем интенсивнее, чем больше удельная площадь контакта горючего вещества с окислителем (бумажные обрезки горят интенсивнее, чем пачки бумаги) и чем выше концентрация я окислителя, температура и давление. На пожарах температура достигает 1000-1300 °. С, а в отдельных случаях, например, при горении магниевых сплавов - 3000 °С.

Горючими веществами считаются вещества, которые при воздействии на них высоких температур, открытого пламени или другого источника зажигания могут заниматься и в дальнейшем гореть с образование м тепла и, зазвич чай, излучением света. В горючих веществ относятся: дерево, бумага, ткани, большинство пластмасс, природный газ, бензин, керосин и другие вещества в твердом, жидком, газообразном состоянии. Как правило, наиболее опасными в пожарном отношении являются горючие вещества в газообразном состояниині.

В состав подавляющего большинства горючих веществ входят углерод (Карбон) и водород (водород), которые являются основными горючими составляющими этих веществ. Поэтому и основными продуктами полного горения (при достаточно й количества кислорода) горючих веществ является. С02 и. Н20. Есть также целый ряд горючих веществ, которые представляют собой простые элементы, например, сера (Сера), фосфор (Фосфор), углерод (Карбонн).

Горючие вещества имеют разную теплотворную способность, поэтому температура на пожарах зависит не только от количества вещества, горит, но и от ее качества (химического состава). В табл 44 приведены температуру в пламя при горении некоторых веществ и материалелів.

Таблица 44. Температура пламени при горении некоторых веществ и материалов

окислителя при горении веществ чаще всего выступает кислород воздуха -. О, однако с уменьшением содержания кислорода в воздухе замедляется скорость горения, а при содержании кислорода менее 14% (норма 21%) горение большинства веществ становится невозможным. Кроме кислорода, окислителями могут быть химические соединения, в состав которых входит кислород, например, селитра (KNO3), азотная кислота (HNO3), марганцовокислый калий (КМn2O4) а также отдельные химические элементы (фтор, хлор, бром). Некоторые вещества содержат в своем составе кислорода столько, что его достаточно для горения без доступа воздуха (пыль, взрывчаткавка).

Источником зажигания, т.е. инициатором пожара может быть: открытое пламя, раскаленные предметы, электрические заряды, тепловые процессы химического, электрического и механического происхождения, искры от ударов т и трения, солнечная радиация, электромагнитные и другие излучения. Источники зажигания могут быть высоко-, средне-и маломощными (табл. 45)5):

таблице 45. Мощности некоторых источников зажигания

433 Разновидности горения

Различают следующие разновидности горения: взрыв, детонация, вспышка, возгорание, воспламенение, самовозгорание, самовоспламенение, тления

Взрыв - чрезвычайно быстрое химическое превращение, сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных выполнять механическую работу основном эта механическая работа сводится к разрушения нувань, возникающих при взрыве и обусловлены образованием ударной волны - внезапного скачкоподибного рост давления. При удалении от места взрыва механическое воздействие ударной волны ослабляетсяся.

Детонация - это горение, которое распространяется со скоростью несколько тысяч метров в секунду. Возникновение детонации объясняется сжатием, нагревом и перемещением несгоревшей смеси перед фронтом пламени в приводит к ускорению распространения пламени и возникновения в смеси ударной волны. Таким образом, наличие достаточно мощной ударной волны является необходимой предпосылкой для детонации, поскольку в этом случае передача теплоты в смеси осуществляется не путем медленного процесса теплопроводности, а распространением ударной минлі.

Вспышка - кратковременное интенсивное сгорания ограниченного объема газовоздушной смеси над поверхностью горючего вещества или пылевоздушной смеси сопровождается кратковременным видимым излучением, ал ле без ударной волны и устойчивое горение.

Возгорание - начало горения под воздействием источника зажигания

воспламенения - возгорание, сопровождающееся появлением пламени

Тление - беспламенное горения материала (вещества) в твердой фазе с видимым излучением света из зоны горения

Самовозгорание - начало горения вследствие самоиницийованих экзотермических процессов

самовоспламенения - самовозгорание, сопровождающееся появлением пламени

Самовозгорание возникает тогда, когда в результате экзотермических процессов скорость выделения тепла в массе горючего вещества превышает скорость его рассеивания в окружающую среду. Инициировать экзотермических процессы, а затем вызвать самовозгорание могут:

высокая температура горючего вещества, обусловлена??действием внешнего источника нагрева (тепловое самовозгорание);

Жизнедеятельность микроорганизмов в массе горючего вещества, что приводит к ее самонагревания (микробиологическое самовозгорание);

Химические реакции, в результате воздействия на вещество воздуха, воды или химически активных веществ (химическое самовозгорание)

Тепловое самовозгорание возникает в массе материалов, находящихся в энергетически благоприятном исходном состоянии для вступления в реакцию обмена с кислородом воздуха, при нагревании извне. Такой нагрев может осуществляться следующими путями:

Контактным (вследствие теплообмена при контакте с нагретым предметом);

Радиационным (вследствие лучистого тепла);

Конвективным (вследствие передачи тепла воздушным потоком)

"Механизм"теплового самовоспламенения заключается в следующем. Во время внешнего нагрева материала. Его температура постепенно повышается (фаза а, рис 415). После достижения температуры самонагревания. ТСН в материале происходит резкая интенсификация экзотермических процессов окисления и разложения, что приводит к самонагревания и повышения температуры материала (фаза б). Наиболее интенсивное самонагриван ния возникает в месте, где достигаются наилучшие условия аккумуляции тепла. Таким условиям отвечают глубинные места, поскольку именно в них наихудшие условия рассеивания тепла в окружающую среду. Так, ячейка самонагревания каменного угля, составленного в кучу, находится обычно на глубине 0,5-0,8 м от поверхн,8 м від поверхні.

При достижении температуры самовоспламенения. ТСЗ возникает горения материала без источника зажигания (фаза в)

Рис 415. Типичный график зависимости температуры горючего материала от времени при тепловое самовозгорание

Тепловое самовоспламенение наблюдается при хранении в кучах каменного угля (Та = 50-60 °. С) и хлопка (Та = 120-125 °. С), а также в кипах газетного (обойной) бумаги и гофрированного картона (Т. Три = 100-110 °. С.

Профилактика теплового самовоспламенения - предотвращение нагрева материалов (веществ) от внешних источников тепла

К микробиологического самовозгорания способны органические дисперсные и волокнистые материалы, внутри которых возможна жизнедеятельность, так называемых термофильных микроорганизмов. Именно жизнедеятельность таких микроор рганизмив приводит к первичному самонагревания массы материала. Особенно подвержены микробиологического самовозгорания невысушенные вещества растительного происхождения, сложенные в кучу (сено, солома, зерно, ле н, хлопок, торф и др.). Микробиологическое самовозгорание возникает в период от 10 до 30 суток с момента начала процессесу.

На рис 416 приведена типичная кривая развития процесса микробиологического самовозгорания невысушенной сена, заложенного на хранение

Рис 416. Типичная кривая развития процесса микробиологического самовозгорания невысушенной сена, заложенного на хранение

Химическое самовозгорание возникает в результате действия на горючее вещество воздуха, воды или химически активных веществ

К веществам, способные самовозгораться результате воздействия на них кислорода воздуха, относятся масла, жиры и олифы. Однако для этого необходимы соответствующие условия. Так, при хранении этих веществ в таре самовозгорания не в происходит, поскольку поверхность их соприкосновения с воздухом слишком мала. В то же время пропитанные ими волокнистые материалы имеют развитую поверхность окисления, что существенно увеличивает их способность к самовозгоранию. Пр оте еще одним непременным условием является составление пропитанных материалов в кучу, штабеля, пакеты. В этом случае поверхность окисления значительно превышает поверхность теплоотдачи, что приводит к самонагревания реч овин с последующим их самовозгораниеанням.

По опытным данным, 50 г ваты, пропитанной 100 г льняного масла, показали такой рост температуры (табл. 46)

таблице 46. Рост температуры образца после его утечки

Через 15 ч от момента утечки образца его температура достигнет 170 °. С и он вспыхнет без источника зажигания

К веществам, которые способны самовозгораться при действии на них воды, относятся калий, натрий, цезий, карбиды кальция и щелочных металлов и т.п.. Эти вещества при взаимодействии с водой выделяют горючие газы, которые нагревают иваються за счет теплоты реакции и. Самовозгораютсяя.

К химически активных веществ, которые могут вызвать самовозгорание, принадлежат главным образом окислители: сжатый кислород, азотная кислота, перманганат калия, перекись натрия, селитры, хлорная известь и др.

Например, сжатый кислород приводит к самовозгоранию минеральных масел, которые не занимаются на воздухе. А растительные материалы (солома, сено, лен, хлопок, опилки), скипидар, этиловый спирт самозаймають ься в результате контакта с азотной кислотойю.

Способность самовозгораться веществ и материалов необходимо учесть при разработке мер пожарной профилактики во время их хранения, транспортировки, термообработки, выполнения технологических опера этой тощ.

Горением называется химическая реакция окисления вещества, сопровождающаяся выделением тепла и излучением света.

Горение может возникнуть только при одновременном наличии трех условий: присутствии горючего вещества, окислителя и источника (импульса) зажигания . Горючее вещество и окислитель составляют горючую систему, а источник зажигания вызывает в ней реакцию окисления (горения).

Окислителем в процессах горения обычно является газообразный кислород, находящийся в воздухе, но горение может быть и в среде хлора, брома, озона и других окислителей.

Источником зажигания могут быть открытые или светящиеся источники – пламя, раскаленные поверхности, лучистая энергия, искры, а также скрытые (несветящиеся) – трение, удар, адиабатическое сжатие, экзотермическая реакция и т.д. Например, температура пламени спички составляет 750-860 0 С, тления сигареты – 700-750 0 С, пламени древесной лучины – 850-1000 0 С.

В некоторых случаях при горении конденсированных систем (твердых, жидких веществ или их смесей) пламя может и не возникать, т.е. происходит беспламенное горение , или тление .

Во всех случаях для горения характерны три типичных стадии: возникновение, распространение и погасание пламени.

В зависимости от агрегатного состояния горючего и окислителя различают три вида горения:

- гомогенное горение газов и газообразных горючих веществ в среде газообразного окислителя (такое горение может представлять собой взрыв или детонацию) – исходные вещества и продукты горения находятся в одинаковом агрегатном состоянии;

- гетерогенное горение жидких и твердых горючих веществ в среде газообразного окислителя – исходные вещества, например твердое или жидкое горючее и газообразный окислитель, находятся в разных агрегатных состояниях (горение угля, металлов, сжигание жидких топлив в топках, двигателях внутреннего сгорания и т.д.);

- горение взрывчатых веществ и порохов – сопровождается переходом вещества из конденсированного в газовое состояние.

Движение пламени по газовой смеси называется распространением пламени. В зависимости от скорости распространения пламени горение может быть:

- диффузионным (несколько метров в секунду) – все пожары представляют собой диффузионное горение;

- дефлаграционным или взрывным (десятки и сотни метров в секунду);

- детонационным (тысячи метров в секунду).

Пожарная профилактика при проектировании и строительстве предприятий. Огнестойкость и возгораемость строительных материалов и конструкций. Классификация производств по их пожаро- и взрывоопасности.

Взрыво- и пожароопасность производства определяется технологиями, в которых используются или могут образовываться вещества, материалы и смеси с определенными взрыво- и пожароопасными свойствами. Более высокую опасность представляют технологии, в которых используются вещества, способные образовывать взрывоопасные смеси с воздухом (горючие газы, легковоспламеняющиеся и горючие жидкости и т.п.).

При проектировании и строительстве производственных зданий необходимо учитывать пожарную опасность производства. Согласно Строительным нормам и правилам все производства в зависимости от применяемых или хранимых на них материалах и веществ по взрыво- и пожароопасности подразделяются на пять категорий: А, Б, В, Г и Д.

К категории Г относятся производства, в которых используются негорючие вещества и материалы в горячем, раскаленном или расплавленном состоянии, обработка которых сопровождается выделением лучистого тепла, искр и пламени; горючие газы, жидкости и твердые вещества, которые сжигаются в качестве топлива.

Большинство предприятий связи относятся к категории В (пожароопасные). К этому типу относятся помещения производств предприятий связи, в которых имеются кабели с горючей обмоткой, оборудование с применением дерева и пластика, бумага, мешкотара, горючая пленка и т.п.

Категорирование производств по пожаровзрывоопасности имеет важное значение, так как в значительной степени позволяет определить требования к зданию, его конструкции и планировке, организации пожарной охраны и ее техническую оснащенность, требования к режиму и эксплуатации технологического оборудования.

Расположение зданий на местности;

Материалы и конструкции, используемые для строительства;

Этажность и планирование внутренних помещений;

Пути эвакуации людей;

Системы отопления и вентиляции.

Выбор местоположения зданий должен определяться с учетом рельефа местности и господствующих ветров. Объекты с повышенной пожарной опасностью располагают с подветренной стороны по отношению к объектам с меньшей пожарной опасностью. Складские помещения и пожароопасные цехи должны располагаться отдельно на определенном расстоянии от основного помещения, чтобы при их возгорании пожар не распространялся на основное здание. Возможно зонирование территории, которое предполагает группирование производственных объектов предприятия, родственных по функциональному назначению и признаку пожарной опасности в отдельные комплексы.

Материалы и конструкции, применяемые на строительстве, определяют степень огнестойкости зданий и сооружений, т.е. способность противостоять воздействию огня. Материалы и конструкции по возгораемости делятся на негорючие, трудногорючие и горючие. В зависимости от огнестойкости здания выбираются те либо другие материалы. Огнестойкость конструкций оценивается минимальным пределом огнестойкости и максимальными пределами распространения по ним огня. Пределом огнестойкости строительных конструкций называется время (в часах), определяемое от начала испытания на огнестостойкость до возникновения одного из следующих признаков:

Образование в конструкции сквозных трещин или отверстий, через которые проникают продукты горения или дым;

Повышенная температура на необогреваемой поверхности конструкции в среднем более чем на 140 0 С по сравнению с температурой до испытания;

Потеря конструкцией несущей способности.

Пределы огнестойкости основных строительных конструкций, выполненных на негорючих или трудногорючих материалов, изменяются от 0,5 до 2,5 часа.

Пределы распространения огня по строительным конструкциям определяют размеры повреждения конструкции в сантиметрах вследствие ее горения за пределами зоны нагрева – в контрольной зоне.

В проектах всех сооружений предприятий связи должны быть предусмотрены пути для быстрой и безопасной эвакуации людей и материальных ценностей в случае возникновения пожара. Эвакуационные пути должны обеспечивать эвакуацию всех людей, находящихся в помещениях предприятий связи в течение необходимого времени.

Требования пожарной безопасности должны соблюдаться при проектировании и эксплуатации систем отопления и вентиляции. На предприятиях связи применяются различные виды отопления: печное, электрическое, газовое воздушное, водяное и паровое. Наиболее пожароопасным является печное отопление, так как поверхности печей могут нагреваться до 400-500 0 С. Системы центрального отопления менее пожароопасны, чем системы местного отопления, так как температура поверхности нагревательных приборов колеблется от 85 до 110 0 С. Такие системы опасны тем, что по трубопроводам пожар может распространиться в другие помещения. В связи с этим не допускается прокладка трубопроводов отопления совместно с трубопроводами, по которым транспортируются горючие жидкости, пары или газы.

Вентиляционные системы зданий и сооружений проектируются с учетом степени пожарной опасности производства. Для производств категорий А.Б вентиляционные воздуховоды и ограждающие конструкции вентиляционных камер выполняются из негорючих материалов; для производств остальных категорий – из трудногорючих. Чаще всего воздуховоды располагают в стенах зданий, но допускается их прокладка и внутри помещений. Вентиляционные устройства следует регулярно проверять, очищать от пыли и отходов производства. Проверки фиксируются в специальном журнале. В случае возникновения пожара вентиляционная система должна быть отключена.

ГЛАВА 21. ГОРЕНИЕ И ВЗРЫВОПОЖАРООПАСНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ

Условия, необходимые для горения. Классификация видов горения

Мероприятия, при которых исключается возможность пожара и взрыва, в случае их возникновения предотвращается воздействие на людей опасных и вредных факторов пожара и взрыва и обеспечивается защита материальных ценностей, называют пожарной безопасностью.

Пожары и взрывы причиняют значительный материальный ущерб народному хозяйству и в ряде случаев вызывают тяжелые травмы, а иногда и гибель людей.

В Советском Союзе существует система государственных мер борьбы с огнем, которая осуществляется на стадии проектирования, строительства и эксплуатации зданий и сооружений.

В обычных условиях горение представляет собой процесс окисления (ли соединения горючего вещества и кислорода воздуха. Однако известно, что некоторые вещества, например сжатый ацетилен, хлористый азот, взрывчатые вещества, могут гореть, взрываться без кислорода с образованием тепла и пламени. Следовательно, горение может явиться результатом не только реакции соединения, но и разложения.

Горением называют быстро протекающую химическую реакцию, сопровождающуюся выделением большого количества тепла и обычно свечением. В зависимости от скорости процесса процесса горение может происходить в форме собственно гонения, взрыва и детонации.

Наибольшая скорость горения наблюдается в чистом кислороде,
наименьшая - при содержании в воздухе 14-15%(об.) кислорода,
При дальнейшем уменьшении содержания кислорода горение большей
части веществ прекращается. Оно происходит тем быстрее, чем больше
удельная поверхность веществ; при тщательном смешении горючего
вещества и кислорода (окислителя) увеличивается скорость горения.

Для возникновения и развития процесса горения обычно необходимы,
горючее, окислитель и источник загорания. Горение прекращается, если нарушить какое – либо из этих условий. Так при тушении горящего дере­ва водой происходит охлаждение его ниже температуры воспламенения, при тушении горючих жидкостей пенами прекращается поступление паров горючего в зону горения.

Химический состав горючего вещества и соотношение компонентов горючей смеси имеет важное значение для процесса горения.

Различают два вида горения- полное (при достаточном и избыточном количестве кислорода) и неполное (при недостатке кислорода). Горение может быть диффузионным и кинети­ческим.

Рис. 21.1. Диффузионное пламя:

a - распределение концентрации газов в пла­мени; 1 - горючий газ; 2 - продукты сгора­ния; 3- фронт (поверхность) пламени; б - схематический разрез пламени (4, 5, 6 - зоны диффузионного пламени)

Если кислород проникает в зону гонения вследствие диффузии, то обра­зующееся пламя называется диффузи­онным (рис. 21.1). В зоне 6 находятся газы или пары; горение в этой зоне не происходит (температура в ней не превышает 500°С). В зоне 5 пары или газы сгорают неполностью и частично восстанавливаются до углерода. В зоне 4 происходит полное сгорание продук­тов зоны 5 и наблюдается наиболее высокая температура пламени. Высота пламени обратно пропорциональна ко­эффициенту диффузии, который в свою очередь пропорционален температуре в степени от 0,5 до 1. Высота пламени возрастает с увеличением скорости по­тока газов и изменяется обратно про­порционально плотности газов и паров.

От диффузионного отличается пла­мя, образующееся при кинетическом

горении, т. е. заранее перемешанного горючего газа с воздухом. Это пламя при воспламенении какой-либо части объема горючей смеси пред­ставляет собой светящуюся зону, в которой соприкасаются друг с другом свежая смесь и продукты горения; зона горения всегда движется в сто­рону свежей горючей смеси, а фронт пламени имеет большей частью сферическую форму. При сгорании смеси горючих газов или паров с воздухом, подаваемых с определенной скоростью в зону горения, образуется стационарное пламя, имеющее форму конуса. Во внутрен­ней части конуса смесь подогревается до температуры воспламенения. В остальной части конуса происходит горение, характер которого за­висит от состава смеси. Если в смеси недостаточно кислорода, то во внешней части конуса происходит полное сгорание продуктов, образо­вавшихся при неполном горении во внутренней части конуса.

Таким образом, в пламени одновременно могут происходит процес­сы диффузионного горения и горения предварительно смешанных ком­понентов горючей смеси.

Следует различать также гомогенное и гетерогенное горение. Гомо­генным является горение газообразных веществ, гетерогенным - ве­ществ других агрегатных состояний. Гетерогенное горение является од­новременно и диффузионным.

1Процесс горения требует наличия трех компонентов: вещества, способная гореть; источника огня с необходимым запасом энергии горения, определенного количества окислителяокислителя является кислород, в котором наиболее бурно происходят процессы горения окислителя могут быть кислородом вещества, такие как марганцовокислый калий КМn2О4 селитра КNО3, азотная кислота НМ03 и др.
2 Несмотря на большой опыт использования на практике, процессы горения остаются одними из наиболее сложных для научного изучения. Наука о горении является в высшей степени междисциплинарной, лежащей на стыке таких научных дисциплин, как газодинамика, химическая термодинамика, химическая кинетика, молекулярная и химическая физика, тепломассообмен, квантовая химия и физика, материаловедение и компьютерное моделирование
3 Прекращение горенияПрекращение горения любого вещества достигается путём физического или химического воздействия на реакцию горения, в результате чего происходит уменьшение количества выделяющегося тепла, снижение температуры горения и в конечном счете прекращение реакции.Прекращение горения достигается по нескольким механизмам. Исходя из этого различают следующие механизмы прекращения горения: разбавление концентраций реагирующих веществ; изоляция реагирующих веществ; охлаждение реагирующих веществ; химическое торможение реакции горения.
На практике, часто совмещают одновременно несколько методов прекращения горения. Прекращение горения путём разбавления концентрации реагирующих веществ основано на разбавлении воздуха или горючего вещества, поступающего в зону горения, негорючими веществами до тех пор, пока образующаяся в зоне реакции смесь станет негорючей. Условия прекращения горения в таком случае требуют, чтобы используемые для этой цели вещества были негорючими, низкотеплопроводными, обладать большой теплоемкостью и не поддерживать горения. К таким веществам относятся: азот, продукты сгорания, двуокись углерода, водяной пар.
Их можно вводить непосредственно в факел пламени, а также в объем помещения, где происходит горение. Прекращение горенияпутём изоляции реагирующих веществ. В этом случае горючее вещество или зону горения отделяют от воздуха. Огнетушащие средства: твердые листовые материалы (войлок, асбест, металлические крышки и др.), негорючие сыпучие материалы (песок, тальк и др.), жидкие вещества (химическую и воздушно-механическую пену, воду в чистом виде и с добавками, повышающими ее вязкость и смачивающую способность), газообразные вещества (продукты сгорания, азот, двуокись углерода).
Тушение методом охлаждения реагирующих веществ - до такого состояния, когда выделяющиеся пары не в состоянии будут воспламениться. Условия прекращения горения, которое осуществляется огнетушащими средствами, состоят в их высокой теплоёмкости, величиной удельной теплоты плавления и парообразования, способности равномерно распределяться на поверхности горящего вещества.

Горением называется химическая реакция окисления, со­провождающаяся выделением тепла и излучением света. Горе- пне возникает и протекает при определенных условиях. Для пего необходимы горючее вещество, кислород и источник вос­пламенения.

Чтобы возникло горение, горючее вещество должно быть на­грето до определенной температуры источником воспламенения (пламенем, искрой, накаленным телом) или тепловым прояв­лением какого-либо другого вида энергии: химической (экзо­термическая. реакция), механической (удар, сжатие, трение) и т. д.

Выделившиеся при нагревании горючего вещества пары и газы смешиваются с воздухом и окисляются, образуя горючую смесь. По мере накопления тепла в результате окисления газов и паров скорость химической реакции увеличивается, вследствие чего происходит самовоспламенение горючей смеси и появля­ется пламя.

С появлением пламени наступает горение, которое при бла-« гоприятных условиях продолжается до полного сгорания ве­щества.

В установившемся процессе горения постоянным источником воспламенения является зона горения, т. е. область, где про­текает химическая реакция, выделяется тепло и излучается свет.

Для возникновения и протекания горения горючее вещество н кислород должны находиться в определенном количественном соотношении. Содержание кислорода в воздухе для большинства горючих веществ должно быть не менее 14-18%".

Известно много различных видов очагов горения (горение свечи, мощной промышленной топки, пожар здания или соору­жения и прочее). Все они значительно отличаются друг от друга и различны по характеру горючего вещества, однако основ­ные явления, протекающие при горении и в процессе его, оди­наковы.

Рассмотрим процесс горения простого светильника (свечи восковой, стеариновой и др.). Зажженная свеча горит устойчиво в нормальной среде воздуха до тех пор, пока хватает для этого содержащегося в ней горючего (воска, стеарина, парафина). Свеча потухнет вследствие нарушения одного из основных условий

Механизм процесса горения

Сгорание является сложным физико-химическим процессом. На большую часть показателей двигателя влияют, однако, не физико-химические особенности процесса сгорания, а закономерности тепловыделения и вызываемого им изменения давления и температуры в цилиндре. Ими определяются энергетические и экономические показатели цикла, статические и динамические нагрузки на детали, оцениваемые максимальным давлением цикла р z и скоростью нарастания давления при сгорании (dp/d(j) max (МПа/°п. к. в.) или (dp/dt) max (МПа/с), тепловая напряженность деталей, оцениваемая по распределению температур и тепловых потоков, интенсивность шумоизлучения, в определенной степени механические потери в двигателе и токсичность отработавших газов. Благоприятные показатели работы двигателя обеспечиваются при тепловыделении, начинающемся за 5-15° до в. м. т., вызывающем равномерное повышение давления в интервале углов поворота коленчатого вала 15-30° и в основном завершающемся за 45-50°. Теплоиспользование в действительном цикле с таким характером тепловыделения мало отличается от имеющего место в цикле с подводом теплоты при V = const , так как поршень у в. м. т. движется с малыми скоростями и поэтому за время тепловыделения проходит малый путь. Так, если тепловыделение завершается через 35° после в. м. т., то степень последующего расширения газов отличается от степени сжатия лишь на 11-12%. В действительности постепенное тепловыделение выгоднее мгновенного в связи с уменьшением потерь теплоты в охлаждающую среду и механических потерь двигателя. Физико-химические особенности процесса сгорания оказывают существенное влияние на излучение пламени, отложения на деталях и токсичность отработавших газов.

Основы теории горения . По представлениям кинетики химических реакций, акт реагирования происходит при столкновении молекул, энергия которых превосходит определенное для каждой из реакций значение, достаточное для разрушения существующих внутримолекулярных связей и замещения их новыми. Это критическое значение энергии называют энергией активации, а сами молекулы, вступающие в реакцию,- термически активными. Число столкновений в единицу времени термически активных молекул существенно увеличивается с температурой. Оно также зависит от природы реагентов, их соотношения в смеси и давления. При увеличении давления частота столкновений возрастает вследствие увеличения числа молекул каждого из реагентов в единице объема, причем в тем большей степени, чем большее число молекул n м участвует в элементарном акте реакции. Скорость химических реакций, измеряемая количеством вещества, прореагировавшего в единице объема в единицу времени [кг/(с м 3) или кмоль/(с м 3)],

Здесь С - концентрация реагента; t - время; К о - константа столкновений, зависящая от природы и соотношения реагентов в смеси; р - давление; n м - порядок химической реакции; Q a - энергия активации, зависящая от природы реагентов, механизма реакции и параметров состояния; Т - температура смеси, mR - универсальная газовая постоянная.

Приведенная зависимость справедлива для случая, когда концентрация реагентов поддерживается неизменной. В действительности она изменяется. Поэтому в ходе реакции скорость ее достигает максимума, а затем снижается до нуля.

Изложенных ранее представлений о химических реакциях, происходящих в результате соударения термически активных молекул исходных веществ, оказалось недостаточно для объяснения ряда наблюдений, так как: 1) экспериментально полученные зависимости скорости реакции от давления имеют нередко дробный положительный показатель степени, хотя очевидно, что в реакции не может участвовать дробное число молекул; 2) добавка некоторых веществ, так называемых присадок, к топливам существенно влияет на процесс горения, несмотря на очень малые концентрации; 3) зависимость скоростей предпламенных реакций от параметров состояния заметно отклоняется от определяемой по (2.17) вплоть до того, что в некотором диапазоне увеличение температуры сопровождается уменьшением скорости реакции (отрицательная температурная зависимость); 4) ряд реакций происходит с большими скоростями без повышения температуры смеси.

Эти и многие другие явления удалось объяснить на основании теории цепных реакций, в разработке которой выдающаяся роль принадлежит школе советских ученых во главе с акад. Н. Н. Семеновым. В соответствии с представлениями этой теории подавляющее большинство химических реакций идет по цепному механизму, т. е. исходные вещества переходят в конечные через более или менее длинную цепь отдельных реакций с образованием ряда промежуточных, нередко крайне неустойчивых, соединений. Ведущую роль в развитии цепной реакции играют химически активные частицы, обладающие свободными валентностями, легко вступающие в соединение с исходными или промежуточными продуктами без термической активации. В результате указанных реакций получаются конечные продукты и одновременно вновь образуется некоторое количество таких же или других активных частиц, которые снова вступают в реакции, возобновляя, цепь превращений.

Если в результате элементарного акта химически активной частицы с какой-либо молекулой воссоздается лишь одна активная частила, то имеет место простое продолжение реакции и она является неразветвленной. Скорость неразветвленной цепной реакции определяется числом активных частиц, возникающих в единицу времени, и средней длиной цепи. Химически активные частицы образуются в результате столкновений или самопроизвольного распада термически активных молекул. Поэтому зависимость w = f(p, Т) для неразветвленной цепной реакции аналогична (2.17). При этом рассматривают некоторую эффективную энергию активации, характеризующую итоговую зависимость скорости процесса от температуры. Если в результате элементарной реакции с участием одной активной частицы возникают две или большее число новых активных частиц, то имеет место гак называемое разветвление цепи. Скорость такой реакции очень быстро возрастает со временем даже при отсутствии повышения температуры. Обрыв цепи происходит при столкновении между собой химически активных частиц и в результате адсорбции их стенками, окружающими реагирующую смесь. Поэтому увеличение концентрации химически активных частиц сопровождается увеличением числа обрывов цепей и, как следствие, скорость разветвленной цепной реакции стабилизируется, а затем уменьшается в результате выгорания исходных веществ.

В соответствии с теорией цепных реакций дробный порядок реакции - результат сложного механизма течения реакции, включающей в себя ряд элементарных стадий, каждая из которых имеет свой порядок. В зависимости от значимости каждой из промежуточных стадий получаются те или иные значения показателя степени при р в (2.17). То обстоятельство, что каждая химически активная частица является источником целой серии превращений, позволяет объяснить ускоряющее или тормозящее действие небольших количеств присадок к топливу. Отрицательная температурная зависимость w объясняется тем, что увеличение температуры приводит к росту концентрации промежуточного продукта реакции, тормозящего образование конечных продуктов.



 

Возможно, будет полезно почитать: