Раздел 13.1 Горение материалов, условия воспламенения и распространения огня
← План занятия

Пожар – это неконтролируемое горение, которое сопровождается уничтожением материальных ценностей и (или) создает угрозу жизни и здоровью людей. Горение – экзотермическая реакция окисления веществ, сопровождающаяся интенсивным выделением тепла, света, звука, дыма и пламени. Для возникновения горения необходимы три основных условия:

- наличие горючего вещества;
- наличие окислителя;
- наличие источника зажигания.

Причем, горючее вещество и окислитель должны быть нагреты до определенной температуры и находиться в соответствующем количественном соотношении. 

Источник зажигания – тепловая энергия, которая вызывает возгорание. Это может быть накаленное тело или локализованный в известных границах физический или химический процесс, имеющие запас энергии и температуру, достаточные для возникновения горения.

На процесс горения влияют такие факторы:

– химический состав материалов и/или свойства их отдельных компонентов (реагирование с окислителем);

– плотность и агрегатное состояние горючего вещества;

– количество окислителя (кислорода): при его недостатке реакция идет неинтенсивно, сгорание неполное, образуется много дыма;

– вид источника зажигания: пламя, искры, тление, перегретая поверхность…

Температура горючего вещества, при которой возникает его стойкое горение после воздействия источника зажигания, является температурой воспламенения материала. Количество теплоты, которое выделяется при сгорании 1 кг горючего вещества называют теплотой сгорания. Количество горючего вещества, сгорающего за единицу времени на площади 1 м2, характеризует скорость выгорания материала.

Горючие системы бывают:

1) химически неоднородные, в которых горючие вещества и окислитель не перемешанны и имеют поверхность раздела (горючие твердые материалы и жидкости, потоки горючих газов и испарений);

2) химически однородные, в которых горючие вещества равномерно перемешаны с окислителем (смеси горючих газов, испарений или пыли с воздухом).

Полное время сгорания любой системы (t г) состоит из времени, необходимого для возникновения физического контакта между горючим веществом и кислородом воздуха t ф, и времени, которое расходуется на протекание самой химической реакции t х

t г = t ф + t х ,

где t ф – физическое взаимодействие – время возникновения контакта между горючим веществом и окислителем (время смесеобразования при гомогенном горении); время транспорта окислителя к твердой поверхности горения при гетерогенном горении);

t х – химическое взаимодействие – время протекания химической реакции.

 

В неоднородной системе t ф > t х и, практически, t г » t ф. То есть скорость горения определяется только диффузией кислорода и/или горючего вещества к зоне горения. В неоднородных системах в зависимости от их свойств может происходить гетерогенное и гомогенное горение.

Гетерогенное горение характеризуется наличием накаленной поверхности или конденсированной фазы, которая горит непосредственно. Реакция окисления здесь происходит на границе раздела разных по агрегатныму состоянию фаз (как правило, твердого тела и газа). В этом случае наблюдается горение без пламени, характерное для каменного угля, антрацита, кокса, древесного угля и некоторых металлов (калия, натрия, тантала, ниобия).

Концентрация кислорода вблизи зоны горения (С0) в связи с интенсивным его расходом на окисление значительно меньше, чем в объеме воздуха (С1). Зона горения не совпадает с границей раздела фаз, т.к. кислород диффундирует к ней через слои твердых продуктов сгорания. В области раздела фаз концентрация кислорода, хотя постепенно уменьшается, но не равняется нулю. Тем не менее химическая реакция горения тормозится из-за отсутствия достаточного количества кислорода.

Гомогенное горение происходит при взаимодействии однородных по агрегатному состоянию фаз, как правило, газов.

В зависимости от взаимного расположения горючего вещества и окислителя различают горение диффузионное и ламинарное.

При диффузионном горении горючее вещество и окислитель не перемешаны, и окисление происходит на их границе, в довольно хорошо очерченной зоне горения. Концентрация окислителя в зоне горения резко уменьшается до нуля. Диффузионное горение лимитируется или диффузией окислителя в зону пламени, или диффузией горючих испарений, или обоими процессами. Оно бывает стационарным и турбулентным. Примером диффузионного горения является горение испарений, которые поднимаются со свободной поверхности жидкости. Кислород воздуха диффундирует сквозь слои газообразных продуктов сгорания к зоне горения. Скорость реакции горения зависит от скорости диффузии кислорода.

Признаком стационарного горения является стойкое пламя или факел. Например, горение газовой зажигалки, свечи. При турбулентном горении горючие компоненты окисляются не полностью, образуются крупные моли с излишком горючих испарений, которые лишь частично сгорают, а значительная часть не полностью окислившихся испарений, выносится за пределы зоны горения. Например, горение древесины или резервуаров с жидким горючим. Все пожары характеризуются диффузионным турбулентным горением.

Особый вид горения – тление, для которого характерны признаки как гетерогенного (накал конденсированной фазы), так и гомогенного (близкое к поверхности диффузионное пламя) горение. К тлению склонны высокопористые горючие не плавящиеся материалы, имеющие в порах некоторое количество окислителя, достаточное для окисления части газообразных продуктов пиролиза или еще определенную небольшую часть кислорода в составе молекул. Наиболее часто с тлением встречаются при горении целлюлозных материалов (древесины, хлопка).

В химически однородной системе, где молекулы кислорода хорошо перемешанны с молекулами горючего вещества, и время на смесеобразование не расходуется, t ф<t х, а t г » t х. Благодаря тому, что скорость химической реакции при высокой температуре большая, горение однородных смесей проходит почти мгновенно и имеет характер взрыва.

Примером однородной системы является ламинарное горение, которое возможно в случае предшествующего перемешивания газообразных горючих смесей с окислителем. Фронт пламени в этом случае распространяется по холодной свежей смеси.


© 2004 АГЗУ. Все права защищены