Горение — это сложный физико-химический процесс, основой которого является быстрая реакция окисления, которая сопровождается интенсивным выделением энергии в виде тепла и светового излучения.

К реакциям горения относятся не только реакции взаимодействия между горючими веществами и кислородом, но и другие окислительно-восстановительные реакции: взаимодействие некоторых веществ с галогенами, парами серы, реакции разложения взрывчатых веществ, некоторых эндотермических соединений, например, ацетилена.

Н₂ + Cl₂ = 2 НCl + Q

С₃Н₅(NO₃)₃ = 3CO₂ +2,5H₂O + 1,5N₂ + 0,25O2

C₂Н₂ = 2С + Н₂ + Q

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ

Процессы горения классифицируют по нескольких признакам:

1. По агрегатному состоянию компонентов горючей смеси в зоне горения.

Как известно, вещества могут находиться в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. В зависимости от того, в каком агрегатном состоянии находятся компоненты горючей смеси в зоне горения, различают два вида или режима горения: гомогенное, если оба компонента находятся в зоне горения в одинаковой фазе (одинаковом агрегатном состоянии), и гетерогенное, если компоненты горючей смеси в зоне горения находятся в разных агрегатных состояниях.

В большинстве случаев горение является гомогенным. Примером гетерогенного, безпламенного горения является горение антрацита, кокса, а в условиях пожара — твердого углеродистого остатка, который получается при разложении твердых горючих материалов, например древесины. В этом случае все летучие продукты пиролиза уже выгорели и горение происходит непосредственно на поверхности материала.

2. По способу образования горючей смеси.

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

Полное время сгорания химически неоднородной системы состоит из времени, необходимого для возникновения физического контакта между горючим веществом и кислородом воздуха, t_фи времени самой химической реакции t_x:

t_гор = t_ф + t_x.

На пожаре в основном встречается горение заранее несмешанных газов. Горючая смесь получается в самой зоне горения. Компоненты реакции поступают в зону взаимодействия из разных сред, любая из которых содержит только один из реагирующих компонентов. В этой ситуации взаимодействие возможно только вследствие переноса реагирующих компонентов за счет диффузии через границу раздела обоих сред.

Время физического процесса диффузии кислорода к горючему веществу несравненно больше времени, необходимого для протекания химической реакции горения. В этом случае

t_диф >> t_x,

t_гор >> t_диф.

Если скорость переноса вещества меньше скорости реакции, то скорость горения определяется лишь скоростью массообмена (скоростью диффузии кислорода к горючему веществу):

w_гор >> w_ф,

w_ф = gj_в.

где j_в — концентрация окислителя в объеме,
g — коэффициент массопередачи.

В этом случае принято говорить, что реакция горения протекает в диффузионной области, а само горение называется диффузионным.

Если уже есть готовая смесь, которая состоит из горючего газа и окислителя, то горение классифицируется как кинетическое.

Термин «кинетическое горение» введен вследствие того, что скорость процесса горения зависит, в основном, от скорости протекания химической реакции между горючим веществом и окислителем, то есть от кинетики соответствующей реакции горения. В этом случае суммарная скорость процесса горения лимитируется только скоростью (кинетикой) химической реакции.

w_гор >> w_хим.р.

Полное время сгорания химически однородной системы приблизительно равняется времени, которое расходуется на протекание самой химической реакции.

t_гор >> t_хим.р.

Кинетическое горение наиболее часто протекает на начальной стадии пожара.

Если сгорание такой газовоздушной смеси происходит в закрытом или ограниченном пространстве, оно приобретает характер взрыва. Взрывной характер наблюдается тогда, когда выделяющаяся при сгорании смеси энергия не успевает отводиться за пределы данного объема, при этом давление возрастает, что часто приводит к разрушению конструкций.

3. По механизму распространения горения.

После возникновения горения фронт пламени, или зона химической реакции, начинает распространяться по горючей смеси. В зависимости от механизма распространения горения по горючей смеси различают два характерных режима горения: дефлаграционное и детонационное.

При относительно небольших скоростях (сравнительно медленное распространение зоны химических реакций, со скоростями движения фронта пламени по горючей смеси от 0,5 до 50 м/с) происходит послойное воспламенение холодной газовой смеси за счет ее нагрева от зоны горения. Это тепло и является причиной поддержания процесса горения. Передача теплового импульса из зоны горения в холодную горючую смесь происходит за счет процесса теплопроводности. Такой механизм называется дефлаграцией.

Существует и другой механизм распространения горения — за счет быстрого адиабатического сжатия горючей смеси. Такой механизм горения называется детонацией.

Детонация может возникнуть во взрывчатой среде в случае ее предварительного быстрого сжатия сильной ударной волной. Такую волну может создать внешний импульс (например сгорание взрывного вещества). Характерной особенностью ударного сжатия является сильное нагревание газа (до 1500—1700К). Горючая смесь, нагретая сильной ударной волной до такой температуры, вспыхивает. Самопроизвольное возникновение детонации в горящем газе, возможно при достаточной скорости распространения горения — большей, чем 500 м/с, в то время как нормальная скорость распространения пламени не превышает 10 м/с.

4. По газодинамическому режиму горения.

Важной характеристикой гомогенного горения является газодинамическое состояние компонентов горючей смеси в зоне реакции, которое зависит от интенсивности поступления компонентов горючей смеси в зону реакции.

Если компоненты горючей смеси поступают в зону реакции медленно, по законам молекулярной или слабой конвекционной диффузии, то процесс горения является ламинарным. При ламинарном режиме горения скорость и направление отдельных частей газового потока практически одинаковы.

Если потоки горючего газа и окислителя или готовой горючей смеси поступают интенсивно, то режим горения будет турбулентным, то есть с интенсивными завихрениями, перемешиванием продуктов горения с исходной смесью, отрывами зоны горения от основного факела пламени.

Параметром, который характеризует газодинамический режим горения, является критерий Рейнольдса — Re. Так, в случае горения смеси в трубе, если Re < 2300, то пламя относится к ламинарному, если 2300 < Re < 10 000 — пламя переходное, при Re > 10 000 — турбулентное.