Начальная температура жидкости

Увеличение начальной температуры жидкости повышает скорость распространения пламени, так как время, необходимое для прогрева жидкости до температуры вспышки перед зоной горения, сокращается. Когда начальная температура жидкости достигает температуры вспышки, скорость распространения пламени резко возрастает, так как над поверхностью зеркала уже образована смесь, которая способна гореть без воздействия лучистого потока от пламени.

При повышении температуры жидкости от температуры вспышки до температуры, при которой над поверхностью образуется стехиометрическая концентрация насыщенных паров, скорость распространения будет возрастать, стремясь к максимальной величине в случае образования смеси, близкой к стехиометрической. При увеличении температуры жидкости выше температуры образования стехиометрической смеси будет возрастать расстояние (высота от поверхности жидкости), на котором будет достигаться стехиометрическая концентрация, а скорость распространения пламени будет оставаться постоянной.

Вывод по вопросу: рассмотрен механизм распространения пламени по поверхности горючих жидкостей.

Вопрос 2. Горение твердых веществ и материалов

Твёрдые вещества и материалы являются наиболее распространёнными в производстве и быту. Несмотря на большую работу по проведению огнезащиты натуральных материалов, основная их масса относится к группе горючих. Это обстоятельство является одной из причин неуклонного увеличения количества пожаров твёрдых материалов и значительного ущерба от них. Поэтому изучение механизмов возникновения и развития горения твёрдых веществ и материалов является необходимым условием для целенаправленной деятельности органов пожарной охраны для целенаправленной деятельности органов пожарной охраны по предотвращению и ликвидации пожаров с наименьшим ущербом.

Принципиального различия в механизме горения газообразных, жидких и большинства твёрдых веществ нет: это гомогенный, диффузионный процесс превращения горючего вещества в конечные продукты с интенсивным выделением тепла и света.

Гомогенный и гетерогенный режим горения древесины

Для древесины при нагревании переход из твёрдой фазы в газообразную протекает, минуя образование жидкой фазы (как, например, для парафина, натурального и искусственного каучуков).

Древесина представляет собой смесь большого количества веществ различного строения и состава. Основными её компонентами являются целлюлоза » 50%, геммицеллюлоза » 25%, и лигнин » 25%. Целлюлоза является высокомолекулярным полисахаридом (С₆Н₁₀О₅)_n, имеющая молекулярную массу свыше 1500000. Гемицелюлозы представляют собой смесь пентозанов (С₅Н₈О₄), гексозанов (С₆Н₁₀О₅). Лигнин имеет ароматическую природу. Элементный состав лигнина колеблется. Поэтому предложены разные эмпирические формулы (С₁₀Н₁₀О₃)n, (С₂₂Н₂₀О₃)n, (C₁₂₀H₁₃₈O₃₅)n. Молекулярный вес лигнина составляет несколько тысяч единиц.

Древесина является пористым веществом, объём пор составляет 50-75% её объёма. Соединения, входящие в состав древесины, обладают различной термоустойчивостью. Лигнин активно разлагается при Т = 350 - 450 ^оС, в то время как целлюлоза разлагается при 285 ^оС. Поэтому породы древесины, имеющие повышенное содержание гемицеллюлозы, способны к более легкому воспламенению.

Рассмотрим механизм медленного терморазложения древесины при постоянном и равномерном прогреве массы образца.

При нагревании до температуры 120-150 ^оС происходит выделение физически связанной воды (сушка).

При температуре 150 -180 ^оС, происходит выделение внутрикапиллярной и химически связанной воды, разложение наименее термически стойких компонентов (луминовой кислоты) с выделением СО₂, Н₂О.

При температуре 250 ^оС происходит пиролиз древесины (в основном гемицеллюлозы) с выделением СО, СН₄, Н₂, СО₂, Н₂О. Образующаяся газовая смесь способна воспламеняться от источника зажигания.

При температуре 350 - 450 ^оС происходит интенсивный пиролиз древесины и выделяется основная масса горючих газов, до 40% от максимально возможного количества. Выделяющаяся в этой температурной области газообразная смесь состоит из 25% Н₂ и 40% предельных и непредельных углеводородов. В этой области интенсивно протекают реакции окисления между продуктами первичного разложения – кислотами, альдегидами, сопровождающиеся выделением значительного количества тепла, составляющие 5 – 6 % (750 - 900 кДж/кг) от низшей теплоты сгорания равной 15000 кДж/кг.

При температуре 500 - 550^оС скорость термического разложения древесины резко снижается и уменьшается выход летучих продуктов.

При температуре 600 ^оС разложение древесины на газообразные продукты и углеродный остаток прекращается.

После воспламенения древесины температура верхнего слоя повышается за счёт тепла, излучаемого пламенем до 290 - 300 ^оС. В результате разложения верхний слой превращается в древесный уголь, который не вступает в реакцию горения, так как весь кислород, вступает в реакцию в зоне горения пламени. Температура угля в это время достигает 500 - 700 ^оС. По мере выгорания и обугливания верхнего слоя нижележащий слой древесины прогревается до 300 ^оС и разлагается. Рост слоя угля уменьшает выход газообразных продуктов разложения, что приводит к пламенному горению только у трещин угля. Кислород достигает поверхности угля и начинается его горение (тление), одновременно продолжается горение продуктов разложения. Одновременное горение продолжается до тех пор, пака вся древесина не превратиться в уголь.

Таким образом, процесс горения древесины состоит из двух фаз:

а) пламенное горение (гомогенный режим);

б) беспламенное горение угля (тление, гетерогенный режим).

Между этими фазами наблюдается промежуточная фаза, характеризуемая одновременным протеканием указанных фаз.

В условиях пожара основную роль играет первая фаза, так как она сопровождается выделением большого количества тепла, что способствует быстрому распространению пламени и увеличению площади пожара.

Механизм распространения пламени по поверхности твёрдых веществ

и факторы на него влияющие

Рис. 2. Схема распространения пламени по поверхности твердого материала.

1 - исходный образец; 2 - зона диффузионного горения; 3 - зона кинетического пламени (носик); 4 - зона газификации твердого материала; 5 - зона газообразных продуктов разложения; 6 - зона разложения твердого материала перед фронтом пламени; 7 - продукты горения.

После воспламенения твёрдого материала в месте воздействия источника зажигания происходит перемещение фронта пламени по его поверхности. Процесс распространения пламени протекает за счёт передачи части тепла, выделяющегося в зоне пламени, к поверхности горящего материала. Передача тепла от факела пламени осуществляется за счет лучеиспускания, конвекции и теплопроводности. В зависимости от условий горения соотношение количеств тепла, поступающих этими видами тепло­передачи, может быть различным. Это обстоятельство и является одной из главных причин зависимости скорости распространения пламени по поверхности твердых горючих материалов от условий горения.

Прогрев участков поверхности, расположенных перед фронтом пламени, за счет теплоподвода излучением, конвекцией и кондукцией (теплопроводностью) приводит к разложению слоев твердого вещества с образованием летучих продуктов (рис. 2). Выделяющиеся продукты пиролиза смешиваются с воздухом, образуя гомогенную кинетическую систему. При превышении концентрации горючих компонентов нижнего предела их воспламенения смесь воспламеняется от пламени и сгорает в кинетическом режиме. Таким образом, процесс распространения пламени по твердым материалам (как и по жидкостям) характеризуется двумя существенными признаками:

- скорость перемещения пламени равна скорости образования горючей (выше нижнего концентрационного предела воспламене­ния) смеси над поверхностью материала;

- горение на передней кромке пламени (носике) всегда протекает в кинетическом режиме, т. е. горит предварительно переме­шанная смесь горючего и окислителя.

Скорость распространения пламени по поверхности твердых горючих материалов зависит от многих факторов.

1. Вид материала. На скорость распространения пламени оказывают влияние физико-химические свойства материала (теплопроводность, теплоемкость, критическая температура терморазложения, тепловой эффект пиролиза и др.).

2. Влажность материала. С увеличением влажности горючего материала скорость распространения пламени снижается, и при достижении влажности 14% горение прекращается. По мере приближения к этому пределу влажности фронт пламени теряет сплошность, разбиваясь на ряд отдельных очагов.

3. Ориентация образца в пространстве. При отрицательных углах наклона (направление движения пламени сверху вниз) скорость распространения пламени не изменяется или же слабо уменьшается. При увеличении положительного угла наклона (направление движения пламени снизу вверх) свыше 10 - 15^оС скорость распространения пламени резко возрастает, так как направление скорости распространения пламени совпадает с конвективными потоками и, следовательно, горючий материал прогревается более интенсивно. При этом имеет место эффект дополнительного наклона факела пламени к поверхности горючего вещества.

4. Скорость и направление воздушных потоков (ветра). При увеличении скорости ветра в направлении распространения пламени скорость возрастает линейно. Механизм влияния ветра аналогичен механизму влияния угла наклона образца.

5. Состав атмосферы. С увеличением в атмосфере концентрации кислорода горючие материалы легче зажигаются, пламя распространяется быстрее, процесс горения протекает энергичнее. Это происходит потому, что пламя в обогащенной кислородом атмосфере будет иметь более высокую температуру, будет располагаться ближе к поверхности горючего, увеличивая интенсивность теплопередачи.

6. Температура горючего. Увеличение температуры горючего приводит к увеличению скорости распространения пламени. Чем выше первоначальная температура горючего, тем меньше тепла потребуется для подъема температуры свежего горючего до температуры воспламенения.

7. Геометрические размеры горючего образца. Основное влияние на скорость распространения пламени оказывает толщина образца. Различают термически толстые и термически тонкие образцы. Такое деление основано на сравнении геометрической или физической толщины с термической толщиной. Под этой величиной понимают толщину слоя твердого материала, прогретого перед фронтом пламени выше начальной температуры к моменту распространения пламени на данный участок поверхности. Если физическая толщина превышает термическую, такой образец называют термически толстым, если наоборот - термически тонким. При увеличении толщины в пределах термически тонких образцов снижение скорости распространения пламени происходит за счёт увеличения теплопотерь от поверхности горения, связанных с прогревом материала вглубь. Для термически толстых образцов скорость распространения пламени не зависит от их толщины.

8. Роль материала подложки. При анализе влияния толщины на скорость распространения пламени предполагалось, что с обратной распространению пламени поверхности образца находится воздух или другой газ. Однако в практике, например, при наклейке различных защитных декоративных покрытий на стены, металл, при изоляции электрических проводов и т. п. горючий образец (пленка) соприкасается с материалом (подложкой), теплофизические характеристики которого существенно отличаются от таковых для газов. Если негорючая подложка обладает коэффициентом теплопроводности большим, чем у горючего материала, то она интенсифицирует сток тепла, поступающего от зоны пламени к поверхности горючего, вглубь твердой фазы. Чем меньше толщина горючего слоя, тем выше скорость оттока тепла от поверхности.

Вывод по вопросу: существует две фазы горения древесины – пламенное горение (гомогенный режим) и тление (гетерогенный режим). В результате равномерного медленного нагрева древесины происходит ее пиролиз, на разных стадиях которого выделяются различные газообразные вещества. Выход газов определяет температуру воспламенения и самостоятельного горения. Скорость распространения фронта пламени по поверхности ТГМ зависит от ряда факторов.

Вопрос 3. Горение пылей

В технике и в повседневной жизни постоянно приходится сталкиваться с веществами, находящимися в измельченном состоянии. Многие технологические процессы направлены на приведение их в такое состояние, например, помол зерна для получения муки.

Пыль – это дисперсная система, состоящая из газообразной дисперсной среды и твердой дисперсной фазы с частицами размером менее 850 мкм.

Способность образовывать с воздухом взрывоопасную смесь и способность к воспламенению являются важнейшими отрицательными свойствами многих видов пыли. Ни в чем так не проявляется отличие физико-химических свойств пыли от свойств твердых веществ, из которых она образована, как в ее пожаро- и взрывоопасности. Такие вещества, как зерно и сахар, хотя и способны сгорать при определенных условиях, не являются взрывоопасными веществами. Будучи же приведенными в пылевидное состояние, они становятся не только пожароопасными, но и взрывоопасными.

Пыль, находящаяся во взвешенном состоянии в воздухе помещений, взрывоопасна. Осевшая пыль (гель) пожароопасна.

Однако при определенных условиях осевшая пыль способна переходить во взвешенное состояние, образуя взрывоопасные смеси. Может происходить как взрыв, так и горение пыли, находящейся во взвешенном состоянии. При взрыве реакция протекает значительно быстрее распространяясь со скоростью сотни и тысячи метров в секунду, при горении — со скоростью несколько десятков метров в секунду. Процесс горения пыли, находящейся во взвешенном состоянии, протекает гораздо интенсивнее, чем горение осевшей пыли (аэрогель).

Горение аэрогеля происходит с поверхности, однако при подъеме этой пыли в результате локального взрыва, удара и т. д. аэрогель переходит во взвешенное состояние, и может произойти интенсивный взрыв.

Локальный взрыв пыли может перевести во взвешенное состояние осевшую пыль, в результате фронт взрыва расширится. При первом или последующем взрыве происходит встряхивание здания и расположенного в нем оборудования. Пыль, покрывающая тонким слоем их поверхности, переходит во взвешенное состояние, образуя взрывоопасную смесь, которая вновь становится питательной средой для следующего взрыва. Последующий более мощный взрыв способен разрушить емкости, где хранятся пылевидные материалы. Это уже будет средой для мощного взрыва, способного разрушить здание.

Возбуждение взрыва пыли возможно при сочетании определенных условий, необходимых для взрыва. Если отсутствует хотя бы одно из этих условий, взрыв не произойдет, несмотря на наличие остальных.

Этими условиями являются следующие:

- концентрация пыли в воздухе между нижним и верхним КПР;

- наличие источника возбуждения взрыва достаточной температуры и мощности в запыленной зоне;

- питание кислородом, достаточное для обеспечения процесса горения.

Нижний концентрационный предел распространения пламени по пылевоздушным смесям, г/м³, — минимальное содержание пыли в воздухе, достаточное для возникновения взрыва (при наличии других условий).

НКПР соответствует определенному среднему значению расстояния между пылевыми частицами, при котором происходит достаточно интенсивный теплообмен между частицами. При этом накапливается необходимая для взрыва тепловая энергия. Если концентрация пыли в воздухе незначительна, расстояния между частицами велики и теплообмен ограничен.

Верхний концентрационный предел распространения пламени, г/м³, пылевоздушных смесей - максимальное содержание пыли в воздухе, при котором взрывообразование прекращается, несмотря на наличие прочих необходимых условий. При концентрациях больше ВКПР кислорода становится недостаточно для реакции, и процесс прекращается.

Между НКПР и ВКПР находится концентрация пыли в воздухе, которая является наиболее взрывоопасной. Ей соответствует наибольшее значение взрывного давления. Такое значение, естественно, имеется для каждого вида пыли.

НКПР зависит от химического состава, от дисперсности пыли. Высокодисперсный материал имеет большую поверхность контакта с окислителем (кислородом воздуха). У материала с развитой поверхностью большая электрическая емкость, следовательно, значительная способность получать заряды статического электричества вследствие трения частиц, что увеличивает пожарную опасность вещества. На НКПР пыли влияет также наличие в ее составе минеральных добавок, не участвующих во взрывообразовании. Являясь инертным компонентом, минеральная составляющая сдерживает взрывообразование в результате экранирования и поглощения теплоты.

Взрыво- и пожароопасность уменьшается также с увеличением влажности пыли.

Выделение из пыли летучих горючих газов повышает взрываемость. Пыль каменного угля при содержании в ней менее 10 % летучих газов не взрывоопасна. Не взрываются и пыли антрацита и древесного угля.

При содержании в воздухе кислорода до 11 - 13 % не происходит воспламенения пыли. НКПР, приводимый в таблицах, относится к условиям, когда воздух в помещении практически неподвижен. При движении воздуха со скоростью 5 м/с нижний предел повышается в 2 - 3 раза.

Вывод по вопросу: многие технологические процессы, связанные с получением или переработкой пылевидных материалов, являются пожаро- взрывоопасными. Наибольшую опасность по взрыву представляет взвешенная в воздухе пыль. Однако осевшая на конструкциях пыль представляет опасность не только с точки зрения возникновения пожара, но и вторичного взрыва, вызываемого в результате взвихривания пыли при первичном взрыве.

При нагревании пыли, так же как и газообразных горючих веществ, происходят окислительные процессы, которые при определенной скорости реакции могут перейти в самовоспламенение, заканчивающееся тлением или пламенным горением. Воспламенение аэровзвеси и распространение по ней пламени происходит только при определенных концентрациях взвешенной пыли в воздухе. Нижнему пределу воспламенения (взрываемости) придают особое значение, так как именно он характеризует пожаро- и взрывоопасность пыли. Так, наибольшую опасность представляет пыль, у которой нижний предел воспламенения (взрываемости) не превышает 15 г/м³.

Вывод по лекции: в условиях пожара наиболее распространен механизм диффузионного горения твердых веществ. Поэтому знание условий его возникновения и развития необходимо для успешной борьбы с пожарами, а также для их предотвращения.

Заключительная часть

В заключительной части занятия преподаватель осуществляет фронтальный опрос курсантов и студентов по материалу лекции.

1. От каких факторов зависит скорость распространения пламени по поверхности жидкости?

2. Какие фазы (режимы) выделяют в процессе горения древесины?

3. Назовите факторы, которые влияют на скорость распространения фронта пламени по поверхности твердого горючего материала.

4. Что такое пыль?

5. Какие факторы влияют на взрываемость пылей?

ЗАДАНИЕ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ

Используя материал, изложенный в [2] на страницах 169-171 и 175-178, письменно ответить на вопросы:

1. Особенности горения металлов.

2. Горение синтетических полимеров.

Задание на СП: конспект /1/ стр. 127-144, подготовиться к лабораторной работе:

вопросы для самоподготовки

1. Дать определение температуры вспышки.

2. Какие факторы влияют на температуру вспышки?

3. Какая температура вспышки у ЛВЖ в закрытом тигле?

4. Какая температура вспышки у ЛВЖ в открытом тигле?

5. Какая температура вспышки у ГЖ в закрытом тигле?

6. Какая температура вспышки у ГЖ в открытом тигле?

7. Перечислить разряды ЛВЖ.

8. С позиций молекулярно-кинетической теории объясните влияние содержания влаги в жидкости на ее температуру вспышки.

9. Изменится ли температура вспышки при изменении концентрации кислорода в окружающей среде? Объясните природу явления.

основная литература

1. Корольченко А.Я., Процессы горения и взрыва. – М.: Пожнаука, 2007. – 266 с., ил.

дополнительная литература

2. Марков В.Ф., Физико-химические основы развития и тушения пожаров: Учебное пособие для курсантов, студентов и слушателей образовательных учреждений МЧС России / В.Ф.Марков, Л.Н. Маскаева, М.П. Миронов, С.Н. Пазникова, Екатеринбург: УрО РАН.2009.- 274 с.

Разработала ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ старший преподаватель кафедры химии, теории горения и взрыва

майор внутренней службы Мочалова Т.А.

(подпись) (должность, фамилия, звание)

”______” _______________ 20__ года

Дата добавления: 2014-07-19; просмотров: 761; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!