Тема 3 ПРЕКРАЩЕНИЕ ГОРЕНИЯ Лекция 3. 1 Предельные

Тема 3 ПРЕКРАЩЕНИЕ ГОРЕНИЯ Лекция 3. 1 Предельные параметры процессов горения, их роль и значение в обеспечении пожарной безопасности

Цели l l Изучить природу предельных явлений при горении. Изучить основные положения тепловой теории потухания, способы понижения температуры в зоне горения.

Учебные вопросы 1. Природа предельных явлений при горении. 2. Тепловая теория потухания. 3. Способы прекращения горения в зависимости от вида горючего материала и режима горения (сам. работа).

Вопрос № 1. Природа предельных явлений при горении Источник зажигания Горение Горючее вещество Окислитель

С позиций предотвращения и тушения пожаров заслуживают большого внимания предельные явления при горении, т. е. те условия и параметры, за пределами которых процессы горения возникнуть или существовать не могут. l l Процесс пламенного горения может протекать только при определенных условиях: в рамках концентрационных пределов распространения пламени; в рамках температурных пределов воспламенения; в пределах по давлению и критических значениях энергии зажигания; в пределах скорости распространения процессов горения и выгорания и др.

Концентрационные пределы в горении (вне этих пределов горение невозможно) Нижний (верхний) концентрационный предел распространения пламени минимальное (максимальное) содержание горючего вещества в однородной смеси с окислительной средой, при котором возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания

На границах концентрационных пределов значение энергии, необходимой для воспламенения смеси данного состава, так резко возрастает, что оно становится практически невозможным.

Применительно к уже существующему пламени: если концентрационный состав горючей смеси изменяется в процессе ее поступления в зону горения, то энергии, поступающей к свежей горючей смеси от фронта пламени, станет недостаточно для поддержания непрерывного воспламенения новых порций горючей смеси и процесс горения прекратится.

Предельные концентрации нейтральных разбавителей (или инертных газов) 25 - 30% для углекислого газа (СО 2) l 30 - 35% для водяного пара (Н 2 О) l 35 - 40% для гелия и азота (Не, N 2) l 50 - 55% для аргона (Ar) l При содержании в газовых смесях концентраций нейтральных разбавителей больше указанных ни воспламенение, ни горение таких смесей невозможно.

Предельная концентрация кислорода в атмосфере l l Для большинства горючих углеводородных веществ предельной концентрацией по кислороду является величина порядка 10 - 15 об. %. Ниже этой концентрации кислорода процесс диффузионного пламенного горения становится невозможным.

Предельные энергии зажигания Энергия электрической искры: - для газо- и паровоздушных смесей углеводородов 0, 1 м. Дж, - для водородовоздушных смесей 0, 01 м. Дж (примерно в 10 раз меньше). Пределы горения по давлению l l Для водородо-кислородной смеси стехиометрического состава 665 - 920 Па (0, 01 атм. ) Для углеводородо-воздушных смесей 9· 103 Па (0, 1 атм. )

Предельные скорости распространения горения l l Нижние пределы линейной скорости распространения пламени: для газовоздушных смесей: 0, 02 – 0, 04 м/с для твердых горючих материалов 0 (зависят от вида горючего материала, его состояния (дисперсности), внешних условий процесса горения. Массовая скорость выгорания Верхний предел VM: для жидкостей 0, 05 – 0, 1 кг/(м 2 с) для ТГМ 0, 015 - 0, 02 кг/(м 2 с) l Нижний предел VM: для ГЖ и ТГМ 0, 003 – 0, 005 кг/(м 2 с). l

Пределы по температуре самовоспламенения l Для предельных углеводородов предельное значение ТСВ ~ 200°С (зависит от вида горючего, давления и других факторов). Пределы по теплоте сгорания l Для всех углеводородных горючих в смеси с воздухом нижнее предельное значение теплового эффекта от сгорания кубометра газовоздушной смеси составляет 1830 к. Дж/м 3

Предельные значения температуры пламени Теоретическое значение температуры пламени составляет 2000 - 2500 К в зависимости от вида горючего, состава горючей смеси и режима горения. В условиях пожара за счет потерь тепла на излучение зоны горения и неполноты сгорания температура пламени редко превышает 1700 - 1800 К. Условно принимают, что верхний предел температуры пламени составляет: 1600 - 1800 К для газов; 1500 - 1600 К для ГЖ; 1400 - 1500 К для ТГМ.

Концентрация нейтральных разбавителей 25 - 30% СО 2, 30 - 35% Н 2 О, 35 - 40% Не, N 2 50 - 55% Ar Энергия зажигания газо- и паровоздушных смесей углеводородов 0, 1 м. Дж водородовоздушных смесей 0, 01 м. Дж Минимальная теплота сгорания газовоздушных смесей, ГЖ, ТГМ ~ 1830 к. Дж/м 3 Концентрация О 2 в атмосфере 10 - 15 об. % Предельные величины VPП. min по газовоздушным смесям 0, 02 – 0, 04 м/с по ТГМ 0 м/с Давление водороднокислородной смеси 0, 01 атм углеводородовоздушных смесей 0, 1 атм Vм. min ГЖ и ТГМ 0, 003 – 0, 005 кг/(м 2 с) Тсв парафинов ~ 200°С

Вопрос 2. Тепловая теория потухания (Я. Б. Зельдович, А. Франк-Каменецкий, Л. А. Вулис, В. И. Блинов) Ориентировочно предельное значение температуры пламени при потухании можно вычислить по теплоте сгорания. l Нижний предел теплоты сгорания большинства углеводородовоздушных смесей QH ~ 1830 к. Дж/м 3. С учетом тепловых потерь на излучение (около 20%), нагрев продуктов горения остается ~ 1460 к. Дж/м 3. Учитывая, что из 1 м 3 горючей смеси образуется примерно 1 м 3 продуктов горения, приведенного к нормальным условиям, и что средняя теплоемкость продуктов горения в диапазоне температур от 100 до 1000°С ≈ 1, 45 к. Дж/(м 3∙град), пренебрегая начальной температурой горючей смеси, получим: ТП = (Qпред - Qпот)/( VПГ ∙Ср(ПГ)) = 1460/1, 45 1000° С или, с учетом начальной температуры горючей смеси ~ 27°С, ТП~1300 К. Ниже этой температуры пламенное горение в большинстве случаев становится невозможным, пламя потухает и процесс горения прекращается.

l l Если температуру среды в зоне протекания химических реакций горения снизить до 1000°С любым способом, то процесс самопроизвольного горения станет невозможным и горение прекратится. Температура, ниже которой горение становится невозможным принято называть температурой потухания.

Способы снижения температуры в зоне протекания реакции горения 1. Путем снижения скорости протекания химических реакций l l окисления, в результате чего уменьшится интенсивность тепловыделения и, соответственно, понизится температура в зоне горения. изменение соотношения компонентов горючего и окислителя (доводя их до бедного или богатого концентрационного предела горения); разбавление зоны горения нейтральными газами; введение химически активных ингибиторов, снижающих скорость химических реакций; снижение давления в зоне реакций горения (если это возможно).

Способы снижения температуры в зоне протекания реакции горения 2. Путем интенсификации процессов теплоотвода из зоны • • горения: увеличить излучательную способность компонентов в зоне горения; увеличить теплопроводность компонентов в зоне горения; трата значительной часть тепла на эндотермические процессы фазового превращения посторонних компонентов в зоне протекания высокотемпературных реакций горения, одновременное сочетание и комбинация некоторых из указанных выше способов.

Вопрос 3. Способы прекращения горения в зависимости от вида горючего материала и режима горения l Для того чтобы потушить пожар, необходимо создать в зоне горения такие физико-химические условия, при которых самопроизвольное горение данного вида горючего материала в рассматриваемый момент времени станет невозможным ни в какой форме.

Прекращение горения газовоздушных смесей l Так как такие смеси способны гореть практически при любой начальной температуре, тепло необходимо отводить непосредственно из зоны горения, т. е. из зоны реакций.

Прекращение горения горючих жидкостей l l Можно осуществить охлаждением зоны горения до температуры потухания (трудно осуществимы, требуют больших затрат). Прекращением доступа паров горючей жидкости в зону горения путем внезапного охлаждения поверхностного слоя горючей жидкости (жидкий азот, твердая углекислота)

Прекращение горения ТГМ l l Химическим торможением процессов горения в зоне реакций или прекращением доступа кислорода воздуха в зону горения (если это возможно) или доступа продуктов пиролиза к факелу пламени. С помощью огнетушащих средств, действующих по механизму охлаждения. Это может быть достигнуто только после охлаждения прогретых слоев ТГМ до температуры ниже начала пиролиза данного материала.