ВИДЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ГОРЕНИЯ

Возникновение горения — это быстрый переход от медленной реакции окисления к прогрессирующей самоускоряющейся, «взрывоподобной» реакции, сопровождающейся выделением света или звуковым эффектом.

Горение возникает только при определенных условиях: тепловой импульс достаточной мощности воздействует на горючую систему, состоящую из горючего вещества и окислителя, взятых в определенном соотношении.

В зависимости от начальных условий, в которых находится горючая система, и природы первоначального теплового импульса различают три вида возникновения горения: самовоспламенение, самовозгорание, вынужденное зажигание.

Самовоспламенение состоит в том, что вся горючая смесь нагревается из вне до такой температуры, выше которой она загорается самостоятельно, без дополнительного внешнего влияния.

Самовозгорание происходит вследствие накопления тепла протекания разнообразных внутренних экзотермических физико-химических или биологических процессов, которое тоже заканчивается возникновением горения.

Вынужденное зажигание — это возникновение горения горючей смеси в одной точке в результате действия источника зажигания (искры, нагретого тела, открытого пламени) с дальнейшим воспламенением всей системы.

Общим для всех этих процессов является следующее:

• температура системы превышает некоторое критическое значение;
• тепловыделение в горючей системе за счет химической реакции окисления превышает теплоотдачу из системы в окружающее пространство;
• переход от медленной реакции окисления к горению происходит за определенное время — период индукции.

За период индукции в горючей системе протекают подготовительные процессы к горению. Если горючее вещество находится в конденсированном состоянии (твердое или жидкое), то за этот период времени происходят:

• нагрев горючей системы;
• окисление газообразных продуктов с выделением тепла;
• самонагревание горючей системы;
• возникновение горения.

Существует такое значение температуры системы, при которой количество тепла, выделяющееся в процессе окисления, становится больше количества тепла, отводящегося от системы. При таком соотношении тепловыделения и теплоотдачи возникает самонагревание системы, что может привести к возникновению горения.

Графически изменение температуры (t) системы во времени (τ) отображено кривыми, приведенными на рисунке.

Если негорючий материал, имеющий температуру t_о, поместить в среду с постоянной температурой t₁, то температура материала (кривая 1) после некоторого промежутка времени станет равной t₁. Время установления температуры t₁ в этом случае зависит от массы, теплоемкости, теплопроводности и начальной температуры материала. При относительно низких температурах подобное поведение характерно и для горючих систем.

В горючей системе при более высокой температуре t₂ могут начаться процессы разложения горючего вещества и окисления с выделением тепла. Эту температуру принимают за температуру самонагревания t_сн. Если в системе существуют благоприятные условия, то процесс самонагревания может привести сначала к достижению критической температуры t_св и, в дальнейшем, к появлению горения при t_г (кривая 2).

Самонагревание не обязательно приводит к воспламенению. Повышение температуры системы может прекратиться и даже возможно охлаждение системы, если тепловыделение будет недостаточным и скорость отдачи тепла начнет превышать скорость его выделения. В таких условиях реакция окисления, начавшаяся в горючей системе, завершается лишь процессом самонагревания (кривая 3).

Резкое увеличение температуры окружающей среды способствует более интенсивному росту температуры горючей системы (кривая 4). Если температура системы достигает t_з происходит ее возгорание. Это возможно при действии источника зажигание, имеющего достаточную мощность и температуру.

Самовоспламенение

Основным параметром, характеризующим степень пожарной опасности вещества при самовоспламенении является:

температура самовоспламенения — наименьшая температура системы, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермической реакции, приводящее к появлению пламенного горения.

На температуру самовоспламенения влияют три основные группы факторов:

1. вид горючего вещества;
2. состав горючей смеси;
3. условия, в которых находится горючая смесь.

К первой группе факторов относятся:

• теплотворная способность горючего вещества Q_н и строение молекулы (определяется таким показателем, как средняя длина углеродной цепи l_ср).

Ко второй группе относятся:

• концентрация горючего вещества в смеси φ_гв;
• концентрация кислорода в окислительной среде φ_ок;
• наличие негорючих газов в смеси φ_нг;
• присутствие катализаторов или ингибиторов горения.

К третьей группе можно отнести:

• давление в системе P;
• объем горючей системы V_гс;
• площадь теплоотдачи S;
• коэффициент теплоотдачи α;
• начальная температура смеси Т_о.

Все факторы, увеличивающие интенсивность тепловыделения горючей системы приводят к снижению температуры самовоспламенения.

Все факторы увеличивающие теплоотдачу горючей системы приводят к увеличению температуры самовоспламенения.

Данные о температуре самовоспламенения используют при оценке пожаровзрывоопасности веществ. Чем ниже температура самовоспламенения вещества, тем легче возникнет горение и тем выше его пожарная опасность.

По температуре самовоспламенения определяют группу взрывоопасных смесей паров и газов с воздухом в соответствии с ДНАОП 0.00–1.32–01 „Правила устройства электроустановок. Электрооборудование специальных установок“ для выбора взрывозащищенности электрооборудования.

Значение температуры самовоспламенения используют при разработке мероприятий по обеспечению пожаро- и взрывобезопасности технологических процессов в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.004–91 для определения допустимой температуры нагрева рабочих поверхностей технологического оборудования.

Для обеспечения безопасности технологических процессов, в которых возможен контакт горючих веществ с нагретыми поверхностями, необходимо поддерживать безопасные температуры рабочих аппаратов (t_без≤ 0,8t_св) для предотвращения самовоспламенения веществ.

Самовозгорание

Самовозгорание — возникновение горения в результате превышения скорости тепловыделения за счет протекания внутренних экзотермических процессов над скоростью теплоотдачи в окружающую среду.

В зависимости от причины, вызывающей процесс первоначального саморазогрева вещества, различают четыре вида самовозгорания: микробиологическое, химическое, физическое, тепловое.

Не следует рассматривать перечисленные виды самовозгорания изолированно друг от друга, в чистом виде. В большинстве случаев процесс самовозгорания — это комбинация различных процессов, имеющих определенную первопричину.

Химическое самовозгорание возникает в месте контакта взаимодействующих веществ, реагирующих с выделением тепла. В зависимости от характера окислителя, вступающего в реакцию с горючим материалом, этот вид самовозгорания можно подразделить на самовозгорание при контакте с кислородом воздуха, при контакте с водой и при контакте с химическим окислителем.

Физическое самовозгорание является следствием тепловыделения физических процессов. К таким относятся: адсорбция — поглощение газов на поверхности твердых веществ, абсорбция — растворение паров и газов в жидкостях, тепловыделение при трении.

Микробиологическое самовозгорание характерно для материалов, в которых возможна жизнедеятельность микроорганизмов. В основном — это растительные материалы. Самовозгорание происходит, как правило, в глубине материала при длительном хранении и определенной влажности хранимого материала. В процессе протекания данного вида самовозгорания на разных его этапах могут проходить и другие процессы, характерные для ранее перечисленных видов самовозгорания.

Тепловое самовозгорание возникает при нагревании вещества до температуры, обеспечивающей его термическое разложение и дальнейшее самоускоряющееся самонагревание за счет теплоты экзотермической реакции окисления продуктов термического разложения в объеме горючего материала. Сам процесс протекает в глубине материала в форме тления, которое затем может переходить в пламенное горение на поверхности.

Основными параметрами, характеризующими степень пожарной опасности вещества при самовозгорании являются:

температура самонагревания вещества τ_сн — минимальная температура среды, выше которой при благоприятных условиях возможно развитие экзотермического процесса самонагревания, связанного с термическим разложением и окислением определенного объема (массы) горючего вещества.

период индукции τ_инд — время от момента достижения температуры самонагревания в очаге самовозгорания до момента возникновения горения.

Обычно процесс самовозгорания протекает при температуре окружающей среды не менее 10°С (при более низких температурах увеличивается интенсивность теплоотдачи так, что тепловыделение может быть недостаточным для возникновения горения). Однако, чем меньше рассеивается тепло (в случае большого скопления горючего материала), тем при более низкой температуре окружающей среды возможно самонагревание вещества.

Как правило, самовозгорание возникает в том случае, когда отношение внешней поверхности материала (площади теплоотдачи) к объему небольшое, а площадь поверхности реагирования много больше внешней поверхности материала. В противном случае за счет большого теплоотвода саморазогрев и самовозгорание будут невозможны.

Способность склонных к самовозгоранию материалов распространять тление внутри своей массы и поглощать продукты горения создает особую опасность возникновения пожара от самовозгорания. Опасность заключается в том, что не всегда можно своевременно обнаружить пожар.

Вынужденное зажигание

Вынужденное зажигание — процесс возникновения горения, в результате воздействия на холодную горючую систему источника зажигания.

Источником зажигания называется нагретое или горящее тело, электрический разряд, продукты горения, обладающие энергией и температурой, достаточной для возникновения горения.

В зависимости от природы источника тепла различают следующие виды источников зажигания:

• тепловые проявления химической энергии;
• тепловые проявления электрической энергии;
• тепловые проявления механической энергии;
• открытое пламя.

Рассмотрим наиболее распространенные виды источников зажигания.

Электрические искры

Не всякий электрический разряд способен вызвать горение. Зажигание происходит только в том случае, если энергия разряда Е больше некоторого критического значения. В противном случае не образуется необходимый объем газовой среды, способный к самостоятельному поддержанию горения.

Под минимальной энергией зажигания Е_min газа, пара или аэрозоля в воздухе понимают наименьшую энергию конденсатора (Е_конд. = 0,5 CU², где С — емкость конденсатора, Ф; U — напряжение, В), при разряде которого через воздушный промежуток возникает искра, которая зажигает стехиометрическую смесь данного вещества и воздуха с вероятностью 0,01.

Минимальная энергия зажигания может сильно изменяться в зависимости от природы горючего вещества, его агрегатного состояния, состава горючей смеси.

Фрикционные искры

При ударе по металлу или его трении возможно образование искр. Такие искры называют фрикционными.

Фрикционные искры — кусочки металла, размером 0,1—0,5 мм, оторванные и нагретые в результате механического воздействия и частично окисленные. Температура фрикционных искр во время образования значительно выше температуры зажигания многих веществ, поэтому искры являются потенциальным источником пожара. Зажигающая способность искр зависит от химического состава взаимодействующих материалов и от режима их взаимодействия. Так, например, начальная температура искр, образующихся при электросварочных работах, принимается 4000^оС, при коротком замыкании — 2500^оС, а для фрикционных искр — температура плавления более легкоплавкого металла. Кроме начальной температуры способность фрикционной искры к зажиганию определяется также ее массой и временем полета.

Если энергия искры в момент воздействия на горючее вещество будет превышать минимальную энергию зажигания для данного горючего вещества, то искра может быть источником зажигания.

Открытое пламя

Зажигание горючих систем открытым пламенем определяется его температурой и временем воздействия на горючее вещество.

Температура пламени при горении древесины, горючих жидкостей, природного газа находится в пределах от 880 до 1200°С, что значительно выше температуры самовоспламенения большинства горючих веществ, поэтому при непосредственном контакте открытого пламени с горючей средой возникнет горение.

Кроме прямого воздействия открытого пламени, следует учитывать и его излучение. Лучистый тепловой поток влияет на горючие вещества, которые находятся рядом с открытым огнем и если его мощности хватает для нагревания горючей системы до температуры самовоспламенения, то возникает горение. Численные значения критического теплового потока зависят от вида вещества, которое зажигается, и времени теплового влияния.

Горючее вещество	Критический тепловой поток кВт/м²
	3 минуты	5 минут
древесина	18,8	16,9
хлопок	11,0	9,7
резина	22,6	19,2
пластик	19,4	18,6

Если источником открытого огня выступает горящая спичка, то температура пламени может достичь 650°C время воздействия составляет около 20с, у тлеющей сигареты — температура в пределах 420—460°С, время воздействия 2—2,5 минуты.

Определение пожароопасных параметров при вынужденном зажигании изложено в ГОСТ 12.1.004–91.