Горіння - складний фізико-хімічний процес перетворення компонентів горючої суміші в продукти згоряння з виділенням теплового випромінювання, світла і променевої енергії. Наближено можна описати природу горіння як бурхливо йде окислення.
Дозвуковое горіння (дефлаграція) на відміну від вибуху і детонації протікає з низькими швидкостями і не пов'язане з утворенням ударної хвилі. До дозвукових горіння відносять нормальне ламинарное і турбулентний поширення полум'я, до надзвукового - детонацію.
Горіння підрозділяється на теплове і ланцюгове. В основі теплового горіння лежить хімічна реакція, здатна протікати з прогресуючим самоускорением внаслідок накопичення тепла, що виділяється. Ланцюгове горіння зустрічається у випадках деяких газофазних реакцій при низькому тиску.
Умови термічного самоускорения можуть бути забезпечені для всіх реакцій з досить великими тепловими ефектами і енергіями активації.
Горіння може початися мимовільно в результаті самозаймання або бути ініційованим запалюванням. При фіксованих зовнішніх умовах безперервне горіння може протікати в стаціонарному режимі, коли основні характеристики процесу - швидкість реакції, потужність тепловиділення, температура і склад продуктів - не змінюються в часі, або в періодичному режимі, коли ці характеристики коливаються біля своїх середніх значень. Внаслідок сильної нелінійної залежності швидкості реакції від температури, горіння відрізняється високою чутливістю до зовнішніх умов. Це ж властивість горіння обумовлює існування кількох стаціонарних режимів при одних і тих же умовах (гістерезисна ефект).
Розрізняють такі види горіння: самозаймання, самозаймання, спалах, займання, вибух.
Самозаймання - горіння, що виникає від зовнішнього нагрівання речовини до певної температури без не посередньо зіткнення горючої речовини з полум'ям зовнішнього джерела горіння.
Самозаймання - горіння твердих речовин, що виникає від нагрівання їх під впливом процесів, що відбуваються всередині самої речовини. Відбуваються фізичні або хімічні процеси всередині речовини пов'язані з утворенням тепла, яке прискорює процес окислення, що переходить в горіння відкритим вогнем.
Спалах - швидке, але, порівняно з вибухом, коротко тимчасове згоряння суміші парів горючої речовини з повітрям або киснем, виникає від місцевого підвищення темпера тури, яке може бути викликане електричною іскрою або дотиком до суміші полум'я або розжареного тіла. Температура, при якій відбувається спалах, називається температурою спалаху. Явище спалаху схоже з явищем вибуху, але, на відміну від останнього, воно відбувається без сильного звуку і не надає руйнівної дії.
Займання - стійке загоряння суміші парів і газів горючої речовини від місцевого підвищення температури, яке може бути викликане дотиком полум'я або розжареного тіла. Займання може тривати до тих пір, поки не згорить весь запас пального речовини, причому пароутворення при цьому відбувається за рахунок тепла, що виділяється при згорянні.
Займання відрізняється від спалаху своєю тривалістю. Крім того, під час спалаху тепловиділення в кожній ділянці досить для підпалювання суміжної ділянки вже готової горючої суміші, але недостатньо для поповнення її шляхом випаровування нових кількостей пального; тому, витративши запас горючих парів, полум'я гасне і спалах на цьому закінчується, поки знову не накопичаться горючі пари і не отримають місцевого перегріву. При запаленні ж парообразующего речовина буває доведено до такої температури, що теплоти згорання накопичилися парів виявляється досить для відновлення запасу горючої суміші.
Вибух - миттєве згоряння або розкладання речовини, що супроводжується виділенням великої кількості газів, які миттєво розширюються і викликають різке підвищення тиску в навколишньому середовищі. При зіткненні з повітрям: газоподібні продукти розкладання деяких речовин мають здатність займатися, що не тільки призводить до руйнувань від дії вибухової хвилі, але і викликає великі пожежі.
Так само виділяють високотемпературний синтез (СВС), - хімічний процес, що протікає з виділенням тепла в автоволнових режимі типу горіння і приводить до утворення твердих продуктів. СВС являє собою режим протікання екзотермічної реакції, в якому тепловиділення локалізовано в шарі і передається від шару до шару шляхом теплопередачі.
Щоб сталося загоряння, необхідні три фактори:
- тепло
- кисень
- горюча речовина (паливо)
Сенс питання в тому, що тільки тоді, коли ці три складових наявності в належній пропорції - може виникнути полум'я.
Існує так само безполуменеве горіння. На відміну від звичайного горіння, коли спостерігаються зони окисного полум'я і відновного полум'я, можливе створення умов для беспламенного горіння. Прикладом може служити каталітичне окислення органічних речовин на поверхні відповідного каталізатора, наприклад, окислення етанолу на платинової черні.
Пожежа - це неконтрольоване горіння поза спеціальним вогнищем.
1. Горюча речовина (паливо)
Горючі речовини (матеріали) - речовини (матеріали), здатні до взаємодії з окислювачем (киснем повітря) в режимі горіння. За горючості речовини (матеріали) підрозділяють на три групи:
негорючі речовини і матеріали не здатні до самостійного горіння на повітрі;
трудногорючие речовини і матеріали - здатні горіти на повітрі при впливі додаткової енергії джерела запалювання, але не здатні самостійно горіти після його видалення;
горючі речовини і матеріали - здатні самостійно горіти після займання або самозаймання самозаймання.
Горючі речовини (матеріали) - поняття умовне, так як в режимах, відмінних від стандартної методики, негорючі та важкогорючі речовини і матеріали нерідко стають горючими.
Серед горючих речовин є речовини (матеріали) в різних агрегатному стані: гази, пари, рідини, тверді речовини (матеріали), аерозолі. Практично всі органічні хімічні речовини відносяться до горючих речовин. Серед неорганічних хімічних речовин також є горючі речовини (водень, аміак, гідриди, сульфіди, азиди, Фосфіди, аміакати різних елементів).
Горючі речовини (матеріали) характеризуються показниками пожежної небезпеки. Введенням до складу цих речовин (матеріалів) різних добавок (промоторів, антипиренов, інгібіторів) можна змінювати в ту чи іншу сторону показники їх пожежної небезпеки. [3]
2. Окислювач
Окислювач є другою стороною трикутника горіння. Зазвичай в якості окислювача при горінні виступає кисень повітря, однак можуть бути і інші окислювачі - оксиди азоту і т.п.
Критичним показником для кисню повітря як окислювача, є його концентрація в повітряному середовищі закритого судового приміщення в об'ємних межах вище 12-14%. Нижче цієї концентрації горіння абсолютної більшості горючих речовин не відбувається. Однак деякі горючі речовини здатні горіти і при більш низьких концентраціях кисню в навколишньому газоповітряної середовищі.
3. Точка спалаху (тепло)
Є багато понять, які застосовуються до температур, при яких можливе займання. Найголовніші з них:
Температура спалаху - найнижча температура, при якій речовина виділяє достатньо горючих для займання парів, при впливі відкритим полум'ям, але горіння чи не продовжується.
Температура займання - найменша температура, при якій речовина дає досить горючих випарів для загоряння і продовження горіння при додатку відкритого полум'я.
Примітка. Можна помітити, що різниця між температурою спалаху і температурою горіння в тому, що в першому випадку відбувається миттєвий спалах, а в другому температура повинна бути досить висока, щоб виробляти досить горючих парів для горіння, незалежно від джерела запалення.
Самозаймання - це швидке самоускорением екзотермічної хімічної реакції, що приводить до появи яскравого світіння - полум'я. Самозаймання відбувається в результаті того, що при окисленні матеріалу киснем повітря утворюється тепла більше, ніж встигає відводитися за межі реагує системи. Для рідких і газоподібних горючих речовин це виникає при критичних параметрах температури і тиску.
Важливо повністю представляти, як зазвичай розвивається пожежа. Якщо виключити вибухи і спалахи, то процес горіння можна розділити на чотири наступних періоду:
- період загоряння
- розвитку пожежі
- період горіння
- період загасання
У зв'язку з цим показово, що зазвичай пожежа поширюється вгору дуже швидко, в сторону - з відносно малою швидкістю, а вниз - дуже повільно.
Це можна проілюструвати так: Якщо горіння виникло (трикутник замкнулося), дії з гасіння пожежі повинні бути спрямовані на те, щоб вивести показники трикутника (хоча б один) за переділи критичних величин - розірвати трикутник горіння. Це і є теоретична основа горіння і гасіння.
Залежно від агрегатного стану горючих компонентів (окислювача або пального) розрізняють три види горіння.
Гомогенне горіння - горіння газів і пароподібні горючих речовин в середовищі газоподібного окислювача.
Гетерогенне горіння - горіння рідких і твердих палив (горючих речовин) в середовищі газоподібного окислювача. Різновидом гетерогенного горіння є горіння рідких крапель палива.
Горіння вибухових речовин і порохів.
За швидкістю поширення полум'я горіння поділяється на дефлаграцію і детонацію. Дефлаграційне горіння - це такий режим горіння, при якому полум'я поширюється з дозвуковій швидкістю. При детонації полум'я поширюється з надзвуковою швидкістю, наприклад, в повітрі - зі швидкістю понад 300 м / с. Дозвуковое горіння підрозділяється на ламинарное і турбулентний. Швидкість ламинарного горіння залежить від складу суміші, початкових значень температури і тиску, а також від швидкості хімічних перетворень в полум'я. Швидкість поширення турбулентного полум'я крім зазначених факторів залежить від швидкості потоку, ступеня і масштабу турбулентності.
Самозаймання, виникнення горіння в результаті самонагрівання горючих твердих матеріалів, викликаного самоускорением в них екзотерміч. реакцій. Самозаймання відбувається через те, що тепловиділення в ході реакцій більше тепловідведення в навколишнє середовище.
Початок самозаймання характеризується температурою самонагревания (tсн), що представляє собою мінімальну в умовах досвіду температуру, при якій виявляється тепловиділення.
При досягненні в процесі самонагрівання певної температури, званої температурою самозаймання (Tсвоз), виникає горіння матеріалу, що виявляється або тлінням, або полум'яним горінням. В останньому випадку Tсвоз адекватна температурі самозаймання (tсв), під яким в пожежному справі розуміють виникнення горіння газів і рідин при нагріванні до певної критичної температури. (Див. Займання в пожежному справі). В принципі самозаймання та самозаймання з фізичної сутності подібні і розрізняються лише видом горіння, самозаймання виникає тільки у вигляді полум'яного горіння.
У разі самозаймання самонагрівання (предвзривной розігрів) розвивається в межах всього декількох градусів і тому не враховується при оцінці пожежовибухонебезпеки газів і рідин. При самозаймання область самонагревания може досягати декількох сотень градусів (наприклад, для торфу від 70 до 225 ° С). Внаслідок цього явище самонагрівання завжди враховується при визначенні схильності твердих речовин до самозаймання.
Самозаймання вивчають шляхом термостатування досліджуваного матеріалу при заданій температурі і встановлення залежності між температурою, при якій виникає горіння, розмірами зразка та часом його нагрівання в термостаті.
Процеси, що відбуваються при самозаймання зразків пального матеріалу, зображені на малюнку. При температурах до tсн (напр., T1) матеріал нагрівається без змін (тепловиділення відсутня). При досягненні tсн в матеріалі відбуваються екзотермічні реакції. Останні в залежності від умов накопичення теплоти (маса матеріалу, щільність упаковки його атомів і молекул, тривалість процесу і т. Д.) Можуть після періоду невеликого самонагревания після вичерпання здатних саморазогреваться компонентів матеріалу завершитися охолодженням зразка до початкової температури термостата (крива 1) або продовжувати самонагрівається аж до Tсвоз (крива 2). Область між ТСН і Tсвоз потенційно пожежонебезпечна, нижче tсн-безпечна.
Можливість самозаймання матеріалу, що знаходиться в потенційно пожежонебезпечної області, встановлюють за допомогою рівнянь:
де tокр-температура навколишнього середовища, ° С; l-який визначає розмір (зазвичай товщина) матеріалу; т-час, протягом якого може статися самозаймання; A1, n1 і А2, n2-коефіцієнт, що визначаються для кожного матеріалу по досвідченим даним.
За рівняння (1) при заданому l знаходять tокр, при якій може виникнути самозаймання даного матеріалу, на рівняння (2) -за відомої Токр величину т. При температурі, нижче обчисленої tокр, або при т, меншому, ніж час, розраховане за рівнянням (2), самозаймання не відбудеться.
Залежно від природи первинного процесу, що викликав самонагрівання матеріалу, і значень tсн розрізняють самозаймання:
- хімічне
- мікробіологічне
- теплове
До хімічного самозаймання відносяться екзотермічне взаємодія речовин (наприклад, при попаданні концентрованої HNО3 на папір, деревна тирса і ін.). Найбільш типовий і поширений приклад такого процесу - самозаймання промасленим дрантя або інших волокнистих матеріалів з розвиненою поверхнею. Особливо небезпечні масла, що містять сполуки з ненасиченими хімічними зв'язками і характеризуються високим йодним числом (бавовняне, соняшникова, джутове і т.д.). До явищ хімічного самозаймання відноситься також загоряння ряду речовин (наприклад, мелкораздробленного Аl і Fe, гідриди Si, В і деяких металів, металоорганічних сполук - алюмінійорганіческіх і ін.) При контакті їх з повітрям під час відсутності нагріву. Здатність речовин до самозаймання в таких умовах називають пірофорність. Особливість пірофорних речовин полягає в тому, що їх Tсвоз (або tсв) нижче кімнатної температури: - 200 ° С для SiH4, - 80 ° С для А1 (С2Н5) 3. Для попередження хімічного самозаймання порядок спільного зберігання горючих речовин і матеріалів суворо регламентований.
Існує так само вид хімічних реакцій речовин, який пов'язаний із взаємодією з водою або вологою. При цьому також виділяється достатня для самозаймання речовин і матеріалів температура. Прикладами можуть служити такі речовини, як калій, натрій, карбід кальцію, негашене вапно і ін. Особливістю лужноземельних металів є їх здатність горіти і без доступу кисню. Необхідний для реакції кисень вони добувають самі, розщеплюючи під дією високої температури вологу повітря на водень і кисень. Ось чому гасіння водою таких речовин призводить до вибуху утворюється водню.
Схильністю до мікробіологічного самозаймання мають горючі матеріали, особливо зволожені, що служать живильним середовищем для мікроорганізмів, життєдіяльність яких пов'язана з виділенням теплоти (торф, тирса та ін.). З цієї причини велика кількість пожеж і вибухів відбувається при зберіганні сільськогосподарських продуктів (наприклад, силос, зволожене сіно) в елеваторах. Для мікробіологічного і хімічного самозаймання характерно те, що tсн не перевищує звичайних значень Токр і може бути негативною. Матеріали, що мають tсн вище кімнатної температури, здатні до теплового самозаймання.
Взагалі схильністю до всіх видів самозаймання мають багато тверді матеріали з розвиненою поверхнею (наприклад, волокнисті), а також деякі рідкі і плавляться речовини, що містять у своєму складі ненасичені сполуки, нанесені на розвинену (в тому числі негорючую) поверхню. Розрахунок критичних умов для хімічного, мікробіологічного та теплового самозаймання здійснюється за рівнянням (1) і (2).
Через тяжіння Землі при горінні виникає конвекція (рух повітря): нагріте повітря легшає і спрямовується вгору, а холодний знизу приходить йому на зміну. Цей потік повітря призводить до значного градієнту температури уздовж полум'я.
Схематичне зображення полум'я свічки із зазначенням температури в його різних точках при горінні в нормальних умовах
Тому полум'я свічки в невагомості виглядає дещо інакше:
Жовто-оранжевий колір верхівки полум'я в звичайних умовах обумовлений світінням частинок сажі, що буря вгору піднімається потоком гарячого повітря. Сажа - це мікрочастинки, що містять вуглець, який не встиг згоріти, тобто перетворитися в СО2. В невагомості полум'я свічки менше за розміром і не таке гаряче, як зазвичай, тому що немає достатнього припливу свіжого повітря, що містить кисень. Тому сажі дуже мало, тому що вона не утворюється при температурі нижче 1000 ° С. Але, навіть якщо б її і було досить, і тоді через низьку температури вона світилася б в інфрачервоному діапазоні, а значить, колір у полум'я в невагомості завжди блакитний.
Так само колір полум'я залежить від того, які елементи «згорають» в ньому. Висока температура полум'я дає можливість атомам перескакувати на деякий час в більш високі енергетичні стану, а потім, повертаючись в початковий стан, випромінювати світло певної частоти, яка відповідає структурі електронних оболонок даного елемента. Наприклад, газовий пальник горить блакитним полум'ям через наявність CO, чадного газу, а жовто-помаранчеве полум'я сірника пояснюють наявністю солей натрію в деревині.
Основна література
1. Я.Б. Зельдович, Г.І., Г.І. Баренблатт, В.Б. Либрович, Г.М. Махвіладзе. Математична теорія горіння і вибуху. М .: Наука, 1980 - 478 с.
2. В.В. Померанцев, К.М. Ареф'єв, Д.Б. Ахмедов і ін. Основи практичної теорії горіння. Л .: Вища школа, Ленингр. отд-ие, 1986 - 309 с.
3. Гришин А.М. Математичне моделювання лісових пожеж і нові способи боротьби з ними. - Новосибірськ: Наука, Сиб. Отд-ие, 1992. - 408 с.
додаткова література
1. Концепція розвитку горіння і вибуху як галузі науково-технічного прогресу. Чорноголова: Територія, 2001..
2. Алексєєв Б.В., Гришин А.М. Курс лекцій з аеротермохіміі. Частина 1. Елементи кінетичної теорії, термодинаміки та хімічної кінетики. Частина 2. Елементи суворої теорії коефіцієнтів переносу, теорія перенесення енергії випромінюванням і основна система рівнянь аеротермохіміі. Томськ: Вид-во Том. ун-ту. Тисяча дев'ятсот сімдесят один.
3. Волокітіна А.В., Софронов М.А. Класифікація та картографування рослинних горючих матеріалів. Новосибірськ: Изд-во Наука, Сиб. отд-е РАН, 2002 - 306 с.
