ПРОТИВОПОЖАРНАЯ ПОДГОТОВКА

Введение

Тушение пожаров, спасение людей, оказавшихся в опасности – важнейшие задачи подразделений спасателей, принимающих участие в тушении пожара.

Тактика тушения пожаров – совокупность боевых действий по организации усилий подразделений спасателей для успешной ликвидации пожара в тех размерах, которые он принял к моменту прибытия подразделений, и по спасению людей в случае угрозы для их жизни. Оно базируется на теории и практике борьбы с огнем, результатах научных исследований и закономерностях процессов развития и тушения пожаров, достижениях в области пожарной техники и огнетушащих средств.

Общие сведения о процессе горения, пожаре и его развитии

1.1. Краткие сведения о процессе горения и характере горения наиболее распространенных горючих

Горение – сложный физико-химический процесс, в основе которого лежат быстро текущие реакции окисления, сопровождаемые выделением тепла и, как правило, световым излучением. Горение возникает и протекает при наличии горючего вещества, окислителя (обычно кислорода) и источника зажигания.

Различают два вида горения: гомогенное и гетерогенное. Гомогенное горение происходит в случае нахождения горючего вещества в газообразном состоянии. Если же реакция идет между твердым горючим веществом и газообразным окислителем, то говорят о гетерогенном горении.

Внешним признаком гомогенного горения является пламя, гетерогенного – накал. Пламя представляет собой область, где происходит реакция соединения паров (газов) горящего вещества с кислородом. Температура пламени – это и температура горения. При пожарах в жилых и административных зданиях она составляет в среднем 850-900°, в лесу – 500-900°.

Продолжительность и интенсивность горения зависят от многих факторов и в первую очередь от обеспеченности процесса кислородом, от количества и состояния материала. Скорость горения твердых горючих веществ в значительной степени зависит от их удельной поверхности и степени влажности. Особенно опасно горение торфа. Торф имеет низкую температуру самовоспламенения (225 - 280°С) и высокую раздробленность, что обусловливает его утойчивое горение. При безветрии или слабом ветре торф горит очень медленно. На местах торфодобычи горение торфа начинается на поверхности торфа, добытого из залежей, и постепенно распространяется в глубь добытого слоя. Возгарание торфа может происходить в процессе его сушки. В жаркое летнее время на высоких местах торф высыхает на столько, что может воспламениться от малейшей искры. Горение торфа сопровождается обильным выделением густого белого дыма. При затяжном горении торфа на больших площадях во время усиления ветра с мест добытого торфа могут подыматься огромные массы сухого торфа и торфянной пыли, которые сгорают пламенем, образуя так называемые смерчи. Огненные смерчи могут привести к гибели людей, а также к уничтожению расположенных в близи населенных пунктов.

Горение пыли (мучной, угольной, сахарной и т.п.) происходит со скоростью взрыва, массивные куски этих веществ загораются с трудом. Увеличение количества влаги в горючих материалах снижает скорость горения.

Особую опасность при горении представляют легковоспламеняющиеся жидкости (ЛВЖ) и горючие жидкости (ГЖ), к которым относятся нефть и нефтепродукты Скорость горения ЛВЖ и ГЖ определяется их способностью испаряться. Это связано с тем, что горит не сама жидкость, а ее пары. Нефть и нефтепродукты как правило хранятся вертикально в цилиндрических резервуарах, а также в мелкой таре (бочки, бидоны). Горение в резервуаре с ЛВЖ и ГЖ начинается, как правило, со взрыва паровоздушной смеси, сопровождающегося частично или полным отрывом крыши резервуара и воспламенения жидкости по всей свободной поверхности. Горение нефти и нефтепродуктов на свободной поверхности после взрыва происходит сравнительно спокойно. Температура светящей части пламени в зависимости от вида горючей жидкости колеблется в пределах 1000-1300°С. Бензин и другие светлые нефтепродукты горят относительно спокойно. Скорость горения темных нефтепродуктов весьма неравномерна. Еще более резко может изменяться скорость горения газообразных веществ. При выходе горючих газов под давлением они горят в виде факела, если же газ накапливается постепенно с образованием горючей смеси с воздухом, то происходит взрыв.

Нефть и мазуты при длительном горении в резервуарах прогреваются вглубь по этому горение сопровождается вскипанием и выбросом горящей жидкости. Бензин и другие светлые нефтепродукты при горении в крупных резервуарах не прогреваются.

При горении нефтепродуктов дым черный, от горения древесины - серовато-черный, фосфорные и магниевые дымы имеют белый цвет.

В том случае, когда процесс горения находится под наблюдением человека – это не опасно. Однако, вырвавшись из под его контроля, огонь превращается в страшное бедствие, имя которому – пожар.

1.2. Общие понятия о пожаре и его развитии

Пожар – это неконтролируемое горение, вне специального очага, сопровождающиеся уничтожением материальных ценностей и создающий опасность для жизни людей.

Основными параметрами, характеризующими пожар, являются: площадь очага пожара, интенсивность горения, скорость распространения и продолжительность пожара.

Под очагом пожара понимают место (участок) наиболее интенсивного горения при трех основных условиях:

непрерывное поступление окислителя (воздуха);

непрерывная подача топлива (горючих материалов);

непрерывное выделение теплоты, необходимой для поддержания процесса горения.

В очаге пожара выделяют три зоны: зона горения, зона теплового воздействия и зона задымления.

Зона горения – часть пространства в котором происходит подготовка горючих веществ к горению.

Зона теплового воздействия – часть пространства, примыкающего к зоне горения, в котором тепловое воздействие делает невозможным пребывание в нем людей без специальной тепловой защиты.

Зона задымления – часть пространства, примыкающая к зоне горения и задымления дымовыми газами в концентрациях, создающих угрозу жизни и здоровья людей или затрудняющих действия подразделения спасателей.

Интенсивность пожаров во многом зависит от огнестойкости объектов и их составных частей.

Все пожары можно квалифицировать по внешним признакам горения, месту возникновения пожара и времени прибытия первых пожарных подразделений.

А) По внешним признакам горения пожары делятся на наружные, внутренние, одновременно наружные и внутренние, открытые и скрытые.

К наружным относятся пожары, у которых признаки горения (пламя, дым) можно установить визуально. Такие пожары бывают при горении зданий и их конструкций, штабелей лесопиломатериалов, угля, торфа и других материальных ценностей, размещенных на открытых складских площадках; при горении нефти и нефтепродуктов в резервуарах и т.д. Наружные пожары всегда бывают открытыми.

К внутренним относятся пожары, которые возникают и развиваются внутри зданий. Они могут быть открытыми и скрытыми.

Признаки горения при открытых пожарах можно установить осмотрами помещений (например, горение имущества в зданиях различного назначения; горение оборудования и материаллов в производственных цехах и т.д.).

У скрытых пожарах горение протекает в пустотах строительных конструкций, вентиляционных каналах и шахтах, внутри торфяной залежи или штабелей торфа и т.д. Признаки горения обнаруживаются по выходу дыма через щели, изменению цвета штукатурки и т.д.

Наиболее сложными являются пожары одновременно наружные и внутренние, открытые и скрытые. С изменением обстановки изменяется вид пожара. Так, при развитии пожара в здании скрытое внутреннее горение может перейти в открытое внутреннее, а внутреннее – в наружное и наоборот.

Б) По месту возникновения пожары бывают в зданиях, сооружениях, на открытых площадках складов и на сгораемых массивах (лесные, степные, торфяные и хлебные поля).

В) По времени прибытия первых пожарных подразделений пожары подразделяются на запущенные и незапущенные.

К запущенным относятся пожары, которые ко времени прибытия первых пожарных подразделений получили значительное развитие по различным причинам (например, в связи с поздним обнаружением пожара или сообщением в пожарную охрану). Для тушения запущенных пожаров, как правило, оказывается недостаточно сил и средств первых подразделений.

Незапущенные пожары в большинстве случаев ликвидируются силами и средствами первого прибывшего подразделения, населением или рабочими объекта.

Процесс развития пожара можно разделить на три фазы. В первой фазе происходит распространение горения, когда огонь охватывает основную часть горючих материалов (не менее 80%). Во второй фазе после достижения максимальной скорости выгорания материалов пожар характеризуется активным пламенным горением с постоянной скоростью потери горючих материалов. В третьей фазе скорость выгорания резко падает и происходит догорание тлеющих материалов и конструкций.

1.3. Способы прекращения горения. Классификация основных огнетушащих средств, общие сведения о них: виды, краткая характеристика, области и условия применения

Основным и наиболее распространенным огнетушащим средством тушения пожаров на лесоскладах является вода. Однако, более эффективна воздушно-механическая пена, которая, покрывая поверхность горящей древесины, защищает ее от лучистой теплоты, а содержащийся в пенообразователе смачиватель способствует лучшему прониканию воды в поры древесины, а следовательно, более быстрому снижению температуры.

В зависимости от сгорающих материалов различают 3 основных вида лесных пожаров: низовые, верховые, почвенные и подземные.

Низовым называется лесной пожар, при котором основным горючим материалом является напочвенный покров, подрост, подлесок или валежник.

К верховым относят такие пожары, при которых сгорает полог древостоя. Эти пожары возникают из низовых, как дальнейшая стадия их развития.

Лесными почвенными пожарами называют беспламенное горение верхнего торфянистого слоя почвы. Почвенные пожары наблюдаются на участках с торфянистыми почвами.

На первых стадиях просыхания торфянистый слой выгорает только под деревьями, которые беспорядочно падают, и лесной участок, поврежденный пожаром, выглядит, как изрытый. Низовые пожары за короткий срок охватывают большую площадь, а затем продолжаются как почвенные, углубляясь отдельными воронками в торф.

При крупных торфяных пожарах большую опасность представляет неожиданное изменение ветра, увеличение скорости распространения огня, переброска искр через участки, где работают люди, и образование в тылу новых очагов горения, в результате чего люди могут потерять ориентировку и оказаться окруженными огнем.

Возникновение и развитие пожара в резервуаре с нефтью или нефтепродуктами, как правило, начинается со взрыва паровоздушной смеси, частичного или полного отрыва (обрушения) крыши емкости и воспламенения жидкости на всей свободной поверхности.

Полный отрыв крыши и сбрасывание ее силой взрыва на землю (иногда она отбрасывается на несколько десятков метров) наиболее благоприятен для последующего тушения пожара.

Горение обогащенной нефти и нефтепродуктов на свободной поверхности происходит достаточно спокойно.

Боевые действия подразделений спасателей по тушению пожара в резервуаре хранения нефти и нефтепродуктов организуют в зависимости от сложившейся обстановки, а именно:

проводят разведку пожара;

немедленно организуют охлаждение горящего и соседних с ним резервуаров;

организовывают подготовку пенной атаки с помощью передвижных средств.

При горении нескольких резервуаров и недостатке сил и средств для тушения всех резервуаров одновременно необходимо все силы и средства сконцентрировать на тушении одного резервуара, расположенного с наветренной стороны или того резервуара, пожар которого больше всего угрожает соседним негорящим резервуарам. После прекращения горения подачу пены в резервуары продолжают примерно 3-5 мин. для предупреждения повторного воспламенения нефтепродукта. При этом следует, чтобы вся поверхность нефтепродукта была покрыта пеной. Охлаждение продолжают до полного остывания резервуара.

В начале подачи пены тушении нефти и тёмных нефтепродуктов возможны вскипания горящих жидкостей и их выбросы. В таких случаях заблаговременно принимаются меры по обеспечению безопасности людей, участвующих в тушении, и по защите струями воды рукавных линий, находящихся в зоне активного воздействия пламени.

Иногда горящий нефтепродукт выбрасывается на значительную высоту и растекается на расстоянии 70-120 м от горящего резервуара, создавая угрозу не только соседним резервуарам, но и отдельным установкам, сооружениям, пожарной технике и личному составу. Для обеспечения личного состава и техники при угрозе выброса пожарные автомобили устанавливаются с наветренной стороны на расстоянии не менее 100 м.

Пожары в резервуарах хранения сжиженных углеводородных газов (СУГ) и нестабильного бензина, хранящегося под повышенным давлением могут возникнуть при разгерметизации аппаратуры и коммуникаций резервуаров, а также в результате других аварийных ситуаций. Как правило, пожары начинаются с факельного горения СГУ в местах их пропуска или со взрыва и горения разлитых жидкостей.

В процессе горения сжиженного газа почти всегда имеется опасность разрыва емкостей и трубопроводов в результате быстрого нарастания в них давления вследствие обогрева.

При пожарах на стадиях сжиженного газа необходимо принять меры к понижению давления в емкостях и трубопроводах, подвергающихся тепловому воздействию пожара, стравливание газа на факел и перекачкой (пропуском) газа в свободные емкости.

Борьба с пожарами каучука и радиотехнических изделий представляет ряд трудностей, связанных главным образом с физико-техническими свойствами этих веществ. Как показали опыт и практика тушения пожаров, горящий каучук и резинотехнические изделия можно тушить водой, хотя смачиваемость их нельзя признать удовлетворительной.

Локализация пожара – это действия, направленные на ограничение распространения горения. При тушении (ликвидации) пожара достигается полное прекращение горения. Как правило, локализация является составной частью, первым этапом мероприятий по тушению пожара.

Прекращение горения может быть достигнуто либо разделением реагирующих веществ, либо путем охлаждения горящих материалов ниже температуры их воспламенения. С этой целью применяются различные средства тушения пожара. К ним относятся огнетушащие средства и различные приборы, машины, агрегаты.

Все огнетушащие средства в зависимости от принципа прекращения горения разделяются на виды:

охлаждающие зону реакции или горящие вещества (вода, водные растворы смесей и другие);

разбавляющие вещества в зоне реакции горения (инертные газы, водяной пар, тонкораспыленная вода и другие);

изолирующие вещества от зоны горения (химическая и воздушно-механические пены, огнетушащие порошки, несгорающие сыпучие вещества, листовые материалы и другие).

Все существующие огнетушащие средства оказывают комбинированное воздействие на процесс горения вещества. Вода, например, может охлаждать и изолировать (или разбавлять) источник горения; пенные средства действуют изолирующе и охлаждающе; порошковые составы изолируют и тормозят реакцию горения; наиболее эффективные газовые средства действуют одновременно как разбавители и как тормозящие реакцию горения. Однако любое огнетушащее средство обладает каким-либо одним доминирующим свойством.

Вода – основное огнетушащее средство охлаждения, наиболее доступное и универсальное. При попадании на горящее вещество вода частично испаряется и превращается в пар (1 л. воды превращается в 1700 л. пара), благодаря чему кислород воздуха вытесняется из зоны очага пожара водяным паром. Огнетушащая эффективность воды зависит от способа подачи ее в очаг пожара (сплошной или распыленной струей). Наибольший огнетушащий эффект достигается при подаче воды в распыленном состоянии, т.к. увеличивается площадь одновременного равномерного охлаждения. Распыленная вода быстро нагревается и превращается в пар, отнимая большое количество теплоты. Распыленные водяные струи применяют также для снижения температуры в помещениях, защиты от теплового излучения (водяные завесы), для охлаждения нагретых поверхностей строительных конструкций, сооружений, установок, а также для осаждения дыма.

Как огнетушащее средство, вода имеет недостатки: реагирует с некоторыми веществами и материалами, которые поэтому нельзя тушить водой; плохо смачивает твердые материалы из-за высокого поверхностного напряжения, что препятствует быстрому распределению ее по поверхности, проникновению в глубь горящих твердых материалов и замедляет охлаждение. При тушении пожара водой надо помнить, что она электропроводна.

К огнетушащим средствам, оказывающим изолирующее действие, относятся: пена, огнетушащие порошки, негорючие сыпучие вещества (песок, земля, графит и другие), листовые материалы (войлочные, асбестовые, брезентовые покрывала, щиты).

Пена – наиболее эффективное и широко применяемое огнетушащее средство изолирующего действия – представляет собой коллоидную систему из жидких пузырьков, наполненных газом. Пены подразделяются на воздушно-механическую и химическую. Пены – достаточно универсальное средство и используются для тушения жидких и твердых веществ, за исключением веществ, взаимодействующих с водой. Пены электропроводны и коррозируют металлы. Наиболее электропроводна и активна химическая пена. Воздушно-механическая пена менее электропроводна, чем химическая, однако, более электропроводна, чем вода, входящая в состав пены.

Огнетушащие порошковые составы (ОПС) находят все более широкое применение для тушения пожаров. В настоящее время промышленность выпускает ОПС марок ПС, ПСБ-3, СИ-2 и П-14.

Огнетушащие порошки не токсичны, не электропроводны и не оказывают вредного воздействия на материалы, они не замерзают, поэтому их применяют при низкой температуре.

Огнетушащее действие ОПС заключается в основном в изоляции горящей поверхности от воздуха, а при объемном тушении – в ингибирующем действии порошков, связанной с обрывом цепей реакции горения. Необходимое условие прекращение горения поверхности – покрытие ее слоем ОПС толщиной не более 2 см.

Огнетушащие средства разбавления понижают концентрацию реагирующих веществ ниже пределов, необходимых для горения. В результате уменьшается скорость реакции горения, скорость выделения тепла, снижается температура горения. Наиболее распространены диоксины углерода, водяной пар, азот и тонкораспыленная вода.

Диоксин углерода применяется для тушения пожаров в складах, аккумуляторных станциях, сушильных печах, архивах, книгохранилищах, а также электрооборудования и электроустановок.

Азот применяется для тушения пожаров натрия, калия, берилия и кальция, а также некоторых технологических аппаратов и установок.

Водяной пар наиболее эффективно применять при тушении пожаров в достаточно герметизированных помещениях объемом до 500 м 3 (трюмах судов, сушильных и окрасочных камерах, насосных по перекачке, нефтеперерабатывающих установках и т.п.).

Для возникновения горения необходимо наличие в одном месте и в одно время трех компонентов: горючего вещества, окислителя и источника зажигания (рис. 4.14). Кроме того, нужно, чтобы горючее вещество была нагрета до необходимой температуры и находилась в соответствующем количественном соотношении с окислителем, а источник зажигания мало необходимую энергию для начального импульса (зажигания). Так, спичкой можно зажечь лист бумаги, а деревянную колоду - невозможно. Необходимость для горения одновременно трех компонентов, так называемый треугольник огня, обнаружил еще в XVIII в. французский ученый Лавуазье.

Рис. 4.14.

После возникновения горения протекает тем интенсивнее, чем больше удельная площадь контакта горючего вещества с окислителем (бумажные обрезки горят интенсивнее, чем пачки бумаги) и чем выше концентрация окислителя, температура и давление. На пожарах температура достигает 1000-1300 ° С, а в отдельных случаях, например, при горении магниевых сплавов - 3000 ° С.

Горючими веществами считаются вещества, которые в случае воздействия на них высоких температур, открытого пламени или другого источника зажигания могут заниматься и в дальнейшем гореть с образованием тепла и, как правило, излучением света. К горючих веществ относятся: дерево, бумага, ткани, большинство пластмасс, природный газ, бензин, керосин и другие вещества в твердом, жидком, газообразном состоянии. Как правило, наиболее опасными в пожарном отношении являются горючие вещества в газообразном состоянии.

В состав подавляющего большинства горючих веществ входят углерод (Карбон) и водород (водород), которые являются основными горючими составляющими этих веществ. Поэтому и основными продуктами полного горения (при достаточном количестве кислорода) горючих веществ является С02 и Н20. Есть также целый ряд горючих веществ, которые представляют собой простые элементы, например, сера (Сера), фосфор (Фосфор), углерод (Карбон).

Горючие вещества имеют разную теплотворную способность, поэтому температура на пожарах зависит не только от количества вещества, горит, но и от ее качества (химического состава). В табл. 4.4 приведены температуру пламени при горении некоторых веществ и материалов.

Таблица 4.4.

Окислителем при горении веществ чаще всего выступает кислород воздуха - О.,. Однако с уменьшением содержания кислорода в воздухе замедляется скорость горения, а при содержании кислорода менее 14% (норма 21%) горения большинства веществ становится невозможным. Кроме кислорода, окислителями могут быть химические соединения, в состав которых входит кислород, например, селитра (KNO3), азотная кислота (HNO3), марганцовокислый калий (КМn2O4), а также отдельные химические элементы (фтор, хлор, бром). Некоторые вещества содержат в своем составе кислорода столько, что его достаточно для горения без доступа воздуха (порох, взрывчатка).

Источником зажигания, то есть инициатором пожара может быть: открытый огонь, раскаленные предметы, электрические заряды, тепловые процессы химического, электрического и механического происхождения, искры от ударов и трения, солнечная радиация, электромагнитные и другие излучения. Источники зажигания могут быть высоко-, средне- и маломощными (табл. 4.5):

Таблица 4.5.

> Разновидности горения

Различают следующие разновидности горения: взрыв, детонация, вспышка, возгорание, воспламенение, самовозгорание, самовоспламенение, тления.

Взрыв - чрезвычайно быстрое химическое превращение, сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных выполнять механическую работу. Преимущественно эта механическая работа сводится к разрушениям, которые возникают во время взрыва и обусловлены образованием ударной волны - внезапного скачкообразно рост давления. При удалении от места взрыва механическое воздействие ударной волны ослабляется.

Детонация - это горение, которое распространяется со скоростью несколько тысяч метров в секунду. Возникновение детонации объясняется сжатием, нагревом и перемещением несгоревшей смеси перед фронтом пламени, что приводит к ускорению распространения пламени и возникновения в смеси ударной волны. Таким образом, наличие достаточно мощной ударной волны является необходимым условием для детонации, поскольку в этом случае передача теплоты в смеси осуществляется не путем медленного процесса теплопроводности, а распространением ударной волны.

Вспышка - кратковременное интенсивное сгорания ограниченного объема газовоздушной смеси над поверхностью горючего вещества или пылевоздушной смеси, сопровождается кратковременным видимым излучением, но без ударной волны и устойчивого горения.

Возгорания - начало горения под воздействием источника зажигания.

Воспламенения - возгорание, сопровождающееся появлением пламени.

Тления - беспламенное горения материала (вещества) в твердой фазе с видимым излучением света из зоны горения.

Самовозгорание - начало горения вследствие самоиницийованих экзотермических процессов.

Самовоспламенение - самовозгорание, сопровождающееся появлением пламени.

Самовозгорание возникает тогда, когда в результате экзотермических процессов скорость выделения тепла в массе горючего вещества превышает скорость его рассеивания в окружающую среду. Инициировать экзотермические процессы, а затем вызвать самовозгорание могут:

высокая температура горючего вещества, обусловленная действием внешнего источника нагрева (тепловое самовозгорание)

Жизнедеятельность микроорганизмов в массе горючего вещества, что приводит к ее самонагревания (микробиологическое самовозгорание)

Химические реакции, в результате воздействия на вещество воздуха, воды или химически активных веществ (химическое самовозгорание).

Тепловое самовозгорание возникает в массе материалов, находящихся в энергетически благоприятном исходном состоянии для вступления в реакцию обмена с кислородом воздуха, при нагревании извне. Такой нагрев может осуществляться следующими способами:

Контактным (вследствие теплообмена при контакте с нагретым предметом)

Радиационным (вследствие лучистого тепла);

Конвективным (вследствие передачи тепла воздушным потоком).

"Механизм" теплового самовоспламенения заключается в следующем. Во время внешнего нагрева материала Его температура постепенно повышается (фаза а, рис. 4.15). После достижения температуры самонагревания ТСН в материале происходит резкая интенсификация экзотермических процессов окисления и разложения, что приводит к самонагревания и повышение температуры материала (фаза б). Наиболее интенсивное самонагревания возникает в месте, где достигаются наилучшие условия аккумуляции тепла. Таким условиям отвечают глубинные места, поскольку именно в них худшие условия рассеивания тепла в окружающую среду. Так, центр самонагревания угля, составленного в кучу, находится, как правило, на глубине 0,5-0,8 м от поверхности.

При достижении температуры самовоспламенения ТСЗ возникает горения материала без источника зажигания (фаза в).

Рис. 4.15.

Тепловое самовозгорание наблюдается при хранении в кучах каменного угля (Та = 50-60 ° С) и хлопка (Та = 120-125 ° С), а также в кипах газетного (обойного) бумаги и гофрированного картона (Три = 100- 110 ° С).

Профилактика теплового самовоспламенения - предотвращение нагрева материалов (веществ) от внешних источников тепла.

К микробиологического самовозгорания способны органические дисперсные и волокнистые материалы, внутри которых возможна жизнедеятельность, так называемых термофильных микроорганизмов. Именно жизнедеятельность таких микроорганизмов приводит к первичному самонагревания массы материала. Особенно подвержены микробиологического самовозгорания невысушенные вещества растительного происхождения, сложенные в кучу (сено, солома, зерно, лен, хлопок, торф и т.д.). Микробиологическое самовозгорание возникает в период от 10 до 30 суток с момента начала процесса.

На рис. 4.16 приведены типичную кривую развития процесса микробиологического самовозгорания невысушенного сена, заложенного на хранение.

Рис. 4.16. Типичная кривая развития процесса микробиологического самовозгорания невысушенного сена, заложенного на хранение

Химическое самовозгорание возникает вследствие воздействия на горючее вещество воздуха, воды или химически активных веществ.

К веществам, способные самовозгораться вследствие воздействия на них кислорода воздуха, относятся масла, жиры и олифы. Однако для этого необходимы соответствующие условия. Так, при хранении этих веществ в таре самовозгорания не происходит, так как поверхность их соприкосновения с воздухом слишком мала. В то же время пропитанные ими волокнистые материалы имеют развитую поверхность окисления, что существенно увеличивает их способность к самовозгоранию. Однако еще одним непременным условием является составление пропитанных материалов в кучу, штабеля, пакеты. В этом случае поверхность окисления значительно превышает поверхность теплоотдачи, что приводит к самонагревания веществ с последующим их самовозгоранию.

По опытным данным, 50 г ваты, пропитанной 100 г льняного масла, показали такой рост температуры (табл. 4.6).

Таблица 4.6.

Через 15 ч с момента утечки образца его температура достигнет 170 ° С и он вспыхнет без источника зажигания.

К веществам, способные самовозгораться при воздействии на них воды, относятся калий, натрий, цезий, карбиды кальция и щелочных металлов и тому подобное. Эти вещества при взаимодействии с водой выделяют горючие газы, которые нагреваются за счет теплоты реакции и самовозгораются.

К химически активных веществ, которые могут вызвать самовозгорание, принадлежат главным образом окислители: сжатый кислород, азотная кислота, перманганат калия, перекись натрия, селитры, хлорная известь и др.

Например, сжатый кислород приводит к самовозгоранию минеральных масел, которые не занимаются на воздухе. А растительные материалы (солома, сено, лен, хлопок, опилки), скипидар, этиловый спирт самовозгораются в результате контакта с азотной кислотой.

Способность самовозгораться веществ и материалов необходимо учесть при разработке мер пожарной профилактики во время их хранения, транспортировки, термообработки, выполнения технологических операций и тому подобное.

3. Понятие о пожаре как о процессе

3.1. Общие сведения о горении

Горением называется сложный физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, характеризующийся самоускоряющимся химическим превращением и сопровождающийся выделением большого количества тепла и света. Пламенное горение может возникнуть или под действием источника зажигания (воспламенения), или вследствие резкого увеличения скорости экзотермических реакций (самовоспламенение).

Режим самовоспламенения заключается в самопроизвольном возникновении пламенного горения предварительно нагретой до некоторой критической температуры горючей смеси (так называемой температуры самовоспламенения); этот режим проявляется в виде вспышки и характеризуется одновременным сгоранием всей горючей смеси. В таблице 1 представлены некоторые горючие вещества и их температуры самовоспламенения.

Таблица 1.

Температура самовоспламенения некоторых горючих веществ

Вещество	Температура, °С	Вещество	Температура, °С
Древесина		Бензин авиационный
		Масло подсолнечное
		Этиловый спирт

Режим воспламенения представляет собой распространение волны горения (распространение фронта пламени) по холодной смеси при ее локальном зажигании (воспламенении) внешним источником. Пламя - это видимая зона горения, в которой наблюдаются свечение и излучение тепла. Возникшее в результате воспламенения пламя само становится источником потока тепла и химически активных частиц в прилегающие слои свежей горючей смеси, за счет чего обеспечивается перемещение фронта пламени.

О самовозгорании растительных продуктов . Из растительных продуктов склонны к самовозгоранию сено, солома, листья, солод, хмель. Особенно подвержены самовозгоранию недосушенные растительные продукты, в которых продолжается жизнедеятельность растительных клеток.

Согласно бактериальной теории, наличие влаги и повышение температуры за счет жизнедеятельности растительных клеток способствует размножению имеющихся в растительных продуктах микроорганизмов. Вследствие плохой теплопроводности растительных продуктов выделяющаяся теплота постепенно накапливается и температура в массе продукта повышается. При повышенной температуре микроорганизмы погибают и превращаются в пористый уголь, который обладает свойством нагреваться за счет интенсивного окисления и поэтому является следующим, после микроорганизмов, источником выделения тепла. Температура в растительных продуктах поднимается до 300°С, и они самовозгораются.

Древесный, бурый и каменный уголь, торф самовозгораются также за счет интенсивного окисления кислородом воздуха.

Растительные и животные жиры, если они нанесены на измельченные или волокнистые материалы (тряпки, веревки, пакля, рогожа, шерсть, опилки, сажа и др.) обладают способностью самовозгораться.

При смачивании измельченных или волокнистых материалов маслом, оно распределяется по поверхности и при соприкосновении с воздухом, начинает окисляться. Одновременно с окислением в масле происходит процесс полимеризации (соединения нескольких молекул в одну). Как первый, так и второй процессы сопровождаются значительным выделением тепла. Если выделяемое тепло не рассеивается, т.е. накапливается внутри плотно уложенной кипы, то температура в промасленном материале поднимается, и может достигнуть температуры самовоспламенения.

Горение возникает при наличии трех обязательных составляющих : горючего вещества, окислителя и источника зажигания. Остановимся на каждом из них подробнее.

Под термином горючее вещество подразумевается такое вещество, которое способно самостоятельно гореть после того, как будет удален внешний источник зажигания. Горючее вещество может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. Горючими веществами являются большинство органических веществ, ряд газообразных неорганических соединений и веществ, многие металлы и т.д. Наибольшую взрывопожарную опасность представляют газы.

Горение жидкости. Для воспламенения горючей жидкости над ее поверхностью сначала должна образоваться паровоздушная смесь. Горение жидкостей возможно только в паровой фазе, при этом поверхность самой жидкости остается сравнительно холодной. Среди горючих жидкостей (ГЖ) выделяют класс наиболее опасных представителей  легковоспламеняющиеся жидкости (ЛВЖ). К ЛВЖ относятся бензины, ацетон, бензол, толуол, некоторые спирты, эфиры и т.п.

Существует ряд веществ (газообразных, жидких или в твердом состоянии), которые способны самовоспламеняться при контакте с воздухом без предварительного нагрева (при комнатной температуре), такие вещества называют пирофорными. К ним относятся: фтористый водород, белый фосфор, гидриды и металлоорганические соединения легких металлов и т.д.

Есть достаточно большая группа веществ, при контакте которых с водой или водяными парами, находящимися в воздухе, начинается химическая реакция, протекающая с выделением большого количества теплоты. Под действием выделяющейся теплоты происходит самовоспламенение горючих продуктов реакции и исходных веществ. К этой группе веществ относятся щелочные и щелочноземельные металлы (литий, натрий, калий, кальций, стронций, уран и др.), гидриды, карбиды, фосфиды указанных металлов, низкомолекулярные металлоорганические соединения (триэтилалюминий, триизобутилалюминий, триэтилбор) и т.д.

Горение твердого вещества происходит по более сложному механизму и ему присуще несколько стадий. При воздействии внешнего источника происходит прогрев поверхностного слоя твердого вещества, из него начинается выделение газообразных летучих продуктов. Этот процесс может сопровождаться или плавлением поверхностного слоя твердого вещества, или его возгонкой (образованием газов, минуя стадию плавления). При достижении определенной концентрации горючих газов в воздухе (нижнего концентрационного предела), они воспламеняются и посредством выделяющейся теплоты начинают сами воздействовать на поверхностный слой, вызывая его плавление и поступление в зону горения новых порций горючих газов и паров твердого вещества.

Рассмотрим в качестве примера древесину. При нагревании до 110°С происходит высушивание древесины и незначительные испарения смолы. Слабое разложение начинается при 130°С. Более заметное разложение древесины (изменение цвета) происходит при 150°С и выше. Образующиеся при 150-200°С продукты разложения составляют, в основном, воду и углекислый газ, поэтому гореть не могут. При температуре выше 200°С начинает разлагаться главная составная часть древесины - клетчатка. Газы, образующиеся при этих температурах, являются горючими, так как они содержат значительные количества окиси углерода, водорода, углеводородов и паров других органических веществ. Когда концентрация этих продуктов в воздухе станет достаточной, при определенных условиях произойдет их воспламенение.

Если горючее вещество плавится растекаясь, оно увеличивает очаг горения (например, каучук, резина, металлы и т.д.). В том случае, если вещество не плавится, кислород постепенно подходит к поверхности горючего и процесс приобретает форму гетерогенного горения (стадия выжигания кокса углеродного горючего). Процесс горения твердых веществ сложен и многообразен, он зависит от многих факторов (дисперсность твердого материала, его влажность, наличие пленки окислов на его поверхности и ее прочность, присутствие примесей и т.д.).

Более интенсивно (часто со взрывом), происходит возгорание мелкодисперсных металлических порошков и пылевидных горючих материалов (например, древесная пыль, сахарная пудра).

Как окислитель наиболее часто при пожаре выступает кислород, содержание которого в воздухе, как известно, составляет около 21%. Сильными окислителями являются перекись водорода, азотная и серная кислоты, фтор, бром, хлор и их газообразные соединения, хромовый ангидрид, перманганат калия, хлораты и другие соединения.

При взаимодействии с металлами, которые в расплавленном состоянии проявляют очень высокую активность, в роли окислителей выступают вода, двуокись углерода и другие кислородсодержащие соединения, которые в обычной практике считаются инертными.

Однако только наличия смеси горючего и окислителя еще недостаточно для начала процесса горения. Необходим еще источник зажигания . Для того чтобы произошла химическая реакция, необходимо появление достаточного количества активных молекул, их обломков (радикалов) или свободных атомов (еще не успевших объединиться в молекулы), которые обладают избыточной энергией, равной или превышающей энергию активации для данной системы.

Появление активных атомов и молекул возможно при нагреве всей системы, при локальном контакте газов с нагретой поверхностью, при воздействии пламени, электрического разряда (искра или дуга), локального нагрева стенки сосуда в результате трения или при введении катализатора и т.п. Источником воспламенения может быть также внезапное адиабатическое (без теплообмена с окружающей средой) сжатие газовой системы или воздействие на нее ударной волны.

В настоящее время ученые установили, что механизм возникновения и развития реальных пожаров и взрывов характеризуется комбинированным цепочечно – тепловым процессом. Начавшись цепным путем, реакция окисления за счет ее экзотермичности продолжает ускоряться за счет тепла. В конечном счете критические (предельные) условия возникновения и развития горения будут определяться тепловыделением и условиями тепломассообмена реагирующей системы с окружающей средой.

3.2. Механизм прекращения горения

Под механизмом прекращения горения понимают систему факторов, приводящих к окончанию процесса (реакции) горения.

Механизм прекращения горения может быть естественно обусловленным, когда он реализуется без участия человека (самоликвидация горения, например, в природе). Вместе с тем, знание сути механизма прекращения горения позволяет целенаправленно задействовать его факторы как при ликвидации небольших очагов горения, так и при тушении пожаров.

Для прекращения горения необходимо выполнить хотя бы одно из условий:

прекратить поступление в зону горения новых порций паров горючего;

прекратить поступление окислителя (кислорода воздуха);

уменьшить тепловой поток от факела пламени;

уменьшить концентрацию активных частиц (радикалов) в зоне горения.

Исходя из этого, одним из возможных принципов (способов) тушения огня может быть:

снижение температуры очага горения ниже температуры самовоспламенения или температуры вспышки горючего путем введения в пламя веществ, которые в результате испарения, сублимации или разложения забирают на себя некоторое количество теплоты (классическим веществом является вода);

уменьшение количества паров горючего, поступающего в зону горения, путем изоляции горючего вещества от воздействия факела очага горения (например, при помощи плотного покрывала);

снижение концентрации кислорода в газовой среде путем разбавления среды негорючими добавками (например, азотом, углекислым газом);

снижение скорости химической реакции окисления за счет связывания активных радикалов и прерывания цепной реакции горения, протекающей в пламени, путем введения специальных химически активных веществ (ингибиторов);

создание условий гашения пламени при прохождении его через узкие каналы между частицами огнетушащего вещества (эффект огнепреграждения);

срыв пламени в результате динамического воздействия струи огнетушащего вещества на очаг пожара.

Как правило, при воздействии огнетушащего вещества на очаг пожара не встречается в чистом виде какой-нибудь один механизм воздействия, процесс тушения имеет комбинированный характер. Так пена оказывает изолирующее и охлаждающее воздействие, порошковые составы обладают ингибирующим, огнепреграждающим и динамическим действием.

3.3 Классификация пожаров

Все пожары, в зависимости от того, в каком агрегатном состоянии находятся горючие вещества, участвующие в процессе горения, делят на несколько классов и обозначают их прописными латинскими буквами A, B, C, D, E. Характеристики классов пожара и пиктограммы, используемые для их обозначения, приведены в приложении.

В зависимости от вида заряженного вещества, огнетушители могут быть использованы для тушения одного или нескольких классов загорания:

класс А загорание твердых горючих веществ

класс В загорание жидких горючих веществ

класс С загорание газообразных горючих веществ

класс D загорание металлов и металлсодержащих веществ

класс Е загорание электроустановок, находящихся под напряжением.

Необходимо отметить, что приведенная классификация почти совпадает с той, которая утверждена международным стандартом ISO 3941. В международном стандарте отсутствуют подклассы, и нет класса «Е», но есть класс “F”, которым обозначают пожары, которые могут происходить на участках приготовления пищи объектов питания. Необходимо иметь в виду, что национальная классификация в некоторых странах отличается от международной. Так в США буквой “A” обозначают пожары твердых горючих веществ, буквой “B”  пожары жидких и газообразных веществ, а вот буквой “C”  пожары электрооборудования, находящегося под напряжением, буквой “D”  пожары металлов и металлсодержащих веществ. Поэтому, когда вы берете в руки огнетушитель, обязательно посмотрите на его этикетку, рассмотрите пиктограммы классов пожаров, для тушения которых предназначен этот огнетушитель.

Пиктограммы классов пожаров, для тушения которых огнетушитель не может быть использован, или перечеркнуты диагональной полосой, или не приводятся вовсе.

3.4. Опасные факторы пожара

В соответствии с ГОСТ 12.01.004-85 «Пожарная безопасность» опасными факторами пожара являются: пламя и искры, повышенная температура окружающей среды, токсичные продукты горения и термического разложения, дым, пониженная концентрация кислорода.

Пламя

Горение всех жидких, газообразных и большинства твердых горючих веществ, которые, разлагаясь или испаряясь, выделяют газообразные продукты, сопровождается образованием пламени. Таким образом, пламя представляет собой газовый объем, в котором происходит процесс горения паров и газов.

Без пламени горят твердые вещества: графит, антрацит, кокс, сажа, древесный уголь. Эти вещества не разлагаются и не образуют при нагревании газов, либо образуют их в количествах, недостаточных для горения.

Свечение пламени при горении органических веществ зависит от наличия в нем раскаленных твердых частиц углерода, которые успевают сгорать. Несветящееся (синее) пламя обычно бывает при сгорании газообразных продуктов: окиси углерода, водорода, метана, аммиака, сероводорода.

Температура пламени при горении на воздухе некоторых горючих веществ составляет: древесины - 850-1400°С, нефтепродуктов в резервуаре - 1100-1300°С, сероуглерода - 2195°С, стеарина - 640-940°С.

Открытый огонь очень опасен для человека, т.к. воздействие пламени на тело вызывает ожоги. Еще большую опасность представляет тепловое излучение огня, которое может вызвать ожоги тела, глаз и др.

Температура

Вдыхание нагретого воздуха приводит к поражению и некрозу верхних дыхательных путей, удушью и смерти человека. При воздействии температуры свыше 100°С человек теряет сознание и гибнет через несколько минут.

Опасны для человека ожоги кожи. Несмотря на большие успехи медицины в их лечении, у пострадавшего, получившего ожоги второй степени на 30% поверхности тела, мало шансов выжить. Время же, за которое человек получает ожоги второй степени, невелико: при температуре среды 71°С - 26 сек., при 100°С - 15 сек. Исследованиями установлено, что во влажной атмосфере, типичной для пожара, вторую степень ожога вызывает температура значительно ниже указанной. Таким образом, температура окружающей среды 60-70°С опасна для жизни человека, причем не только в горящем, но и смежных с ним помещениях, в которые попали продукты горения и нагретый воздух.

Пониженная концентрации кислорода

Чаще всего люди на пожарах гибнут не от огня и высокой температуры, а из-за понижения концентрации кислорода в воздухе и отравления токсичными продуктами горения.

Первые симптомы кислородной недостаточности (увеличение объема дыхания, снижение внимания, нарушение мышечной координации) наблюдается у людей при содержании кислорода во вдыхаемой смеси газов на уровне 16-17%. Снижение концентрации О 2 до 12-15% вызывает одышку, учащение пульса, ухудшение умственной деятельности, головокружение, быструю утомляемость. В случаях, когда концентрация О 2 уменьшается до 10-12%, сознание сохраняется, но появляется тошнота, сильная усталость, дыхание становится прерывистым. При концентрации 8% быстро наступает потеря сознания, а ниже 6% - смерть в течении 6-8 минут.

Токсичные продукты горения

Эту тему более полно раскроют специалисты (Химик, Токсиколог).

Насколько опасны токсичные продукты горения, наглядно показывает пример пожара, произошедшего в магазине одежды в г. Токио (Япония). Пожар вспыхнул на 3 этаже, а в баре, расположенном на 7 этаже этого же здания, погибли 118 человек, из них 96 - от отравления токсичными продуктами горения, 22 человека выпрыгнули из окон. Многие люди потеряли сознание в течение первых 2-3 мин.; их смерть наступила через 4-5 мин. после потери сознания.

Дым

Дым опасен не только содержащимися в нем токсичными веществами, но и снижением видимости. Это затрудняет, а порой делает практически невозможной эвакуацию людей из опасного помещения. Чтобы быстро выйти в безопасное место, люди должны четко видеть эвакуационные выходы или их указатели.

При потере видимости организованное движение (особенно в незнакомом здании, на объектах с массовым пребыванием людей) нарушается, становится хаотичным, каждый движется в произвольно выбранном направлении. Возникает паника. Людьми овладевает страх, подавляющий сознание, волю. В таком состоянии человек теряет способность ориентироваться, правильно оценивать обстановку.

Взрыв

Одним из видов мгновенного горения является взрыв специальных взрывчатых веществ, а также смеси горючих газов, паров или пыли с воздухом. Это взрывы химического характера.

Взрывы физического характера - это разрывы различных емкостей и аппаратов (котлов, резервуаров, баллонов и т.п.), происходящие в результате развития газами или парами чрезмерного давления, превышающего давление, которое могут выдержать стенки емкостей и аппаратов.

В момент взрыва химического характера вещество сгорает с большой скоростью, а образующиеся газы и пары сильно расширяются и создают большое давление на окружающую среду. Этим и объясняется громадная сила разрушения, вызываемая взрывом. При взрыве обычно появляется пламя, от которого могут загораться находящиеся вблизи горючие вещества.

Известно, что для возникновения горения необходимо наличие:
1. Горючего вещества
2. Окислителя
3. Источника зажигания (энергетический импульс)
Эти три составляющие часто называют треугольником пожара. Если исключить одну из них, то горение возникнуть не может. Это важнейшее свойство треугольника используется на практике для предотвращения и тушения пожаров.

Воздух и горючее вещество составляют систему, способную гореть, а температурные условия обуславливают возможность самовоспламенения и горения системы.

Наибольшая скорость горения получается при горении вещества в чистом кислороде, наименьшая (прекращение горения) – при содержании 14–15% кислорода.

Горение веществ может происходить за счет кислорода, находящегося в составе других веществ, способных легко его отдавать. Такие вещества называются окислителями. Приведем наиболее известные окислители.

· Бертолетова соль (KClO 3).

· Калийная селитра (KNO 3).

· Натриевая селитра (NaNO 3).

В составе окислителей содержится кислород, который может быть выделен путем разложения соли, например:

2 KClO 3 = 2KCl + 3 O 2

Разложение окислителей происходит при нагревании, а некоторых из них даже под воздействием сильного удара.

2. Продукты горения. Полное и неполное сгорание. Экологические аспекты процессов горения.

В процессе горения образуются продукты сгорания. Состав usшвисит от горящего вещества и условий горения. Продукты сгорания, за исключением окиси углерода, гореть не способны.

Дым, образующийся при горении органических веществ, содержит твердые частицы и газообразные продукты (углекислый газ, окись углерода, азот, сернистый газ и другие). В зависи­мости от состава веществ и условий их горения получается различный по содержанию дым. Дымы, образующиеся при горении разных веществ, отличаются не только составом, но цветом и запахом. По цвету дыма можно определить, какое вещество горит, хотя цвет дыма изменяется в зависимости от условий трения. При горении древесины дым имеет серовато-черный пнет; бумаги, сена, соломы - беловато-желтый; ткани и хлоп­ка- бурый; нефтепродуктов - черный и т. д.

Продукты горения – это газообразные, жидкие или твердые вещества, образующиеся в процессе горения. Состав продуктов сгорания зависит от состава горящего вещества и от условий его горения. Органические и неорганические горючие вещества состоят, главным образом, из углерода, кислорода, водорода, серы, фосфора и азота. Из них углерод, водород, сера и фосфор способны окисляться при температуре горения и образовывать продукты горения: СО, CO 2 , SO 2 , P 2 O 5 . Азот при температуре горения не окисляется и выделяется в свободном состоянии, а кислород расходуется на окисление горючих элементов вещества. Все указанные продукты сгорания (за исключение окиси углерода СО) гореть в дальнейшем больше не способны. Они образуются при полном сгорании, то есть при горении, которое протекает при доступе достаточного количества воздуха и при высокой температуре.

Углекислый газ или двуокись углерода (СО 2) – продукт полного горения углерода. Не имеет запаха и цвета. Горение магния, например, происходит в атмосфере углекислого газа по уравнению:

CO 2 +2 Mg = C + 2 MgO.

При концентрации углекислого газа в воздухе, превышающей 3-4.5%, нахождение в помещении и вдыхание газа в течение получаса опасно для жизни.

Оксид углерода или угарный газ (СО) – продукт неполного сгорания углерода. Этот газ не имеет запаха и цвета, поэтому особо опасен.

Сернистый газ (SO 2) – продукт горения серы и сернистых соединений. Бесцветный газ с характерным резким запахом.

Дым При горении многих веществ, кроме рассмотренных выше продуктов сгорания выделяется дым – дисперсная система, состоящая из мельчайших твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в каком-либо газе.

При неполном сгорании органических веществ в условиях низких температур и недостатка воздуха образуются более разнообразные продукты – окись углерода, спирты, кетоны, альдегиды, кислоты и другие сложные химические соединения. Они получаются при частичном окислении как самого горючего, так и продуктов его сухой перегонки (пиролиза). Эти продукты образуют едкий и ядовитый дым. Кроме того, продукты неполного горения сами способны гореть и образовывать с воздухом взрывчатые смеси. Такие взрывы бывают при тушении пожаров в подвалах, сушилках и в закрытых помещениях с большим количеством горючего материала. Рассмотрим кратко свойства основных продуктов горения.

Экологические аспекты процессов горения. Применение природного газа позволяет уменьшить загрязнение атмосферы оксидам серы, твердыми частицами и окисью углерода, однако в атмосферу поступает большое количество оксидов азота, окиси углерода и канцерогенных веществ (3,4-бенз(о)перен). Правильная организация горения, выбор рациональных способов сжигания позволяет свести к минимуму образование вредных веществ и выделение их в воздушный бассейн. Использование природного газа позволяет вести не только пассивную, но и активную борьбу за чистоту воздуха: использование установок для дожигания, использование выбросных газов для подачи в газовый горелки вместо соответствующего количества воздуха.

Экологические проблемы горения. Задача – не навредить при сжигании топлив. Негативные проявления:

Техногенное тепловыделение соизмеримо с компонентами теплового баланса атмосферы;

Акустический шум турбулентных пламен при работе авиационных и ракетных двигателей – загрязнитель окружающей среды.

Выброс вредных продуктов сгорания – окислов азота, окислов металлов, угарного газа (при высоких Тг), окислов серы, канцерогенных веществ – продуктов неполного пиролиза органических горючих, сажи, углекислого газа (при низких Тг) – является причиной: изменения оптических свойств атмосферы и уменьшения потока солнечного излучения, возникновения кислотных дождей, усиления «парникового эффекта», разрушения озонового слоя Земли, негативного воздействия на флору и фауну, здания и конструкции. Общий итог: глобальное потепление, климатические катастрофы (циклоны, бураны, смерчи, цунами, наводнения, засухи, сходы лавин, сели)..

3. Уравнения горения веществ в кислороде и на воздухе, методика их составления. Термодинамика процессов горения. Тепловые эффекты реакций горения.

Общее уравнение реакции горения любого углеводорода
C m H n + (m + n/4) O 2 = mCO 2 + (n/2) Н 2 O + Q (8.1)
где m, n - число атомов углерода и водорода в молекуле; Q - тепловой эффект реакции, или теплота сгорания.

Тепловой эффект (теплота сгорания) Q - количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кмоля, 1 кг или 1 м 3 газа при нормальных физических условиях. Различают высшую Q в и низшую Q н теплоту сгорания: высшая теплота сгорания включает в себя теплоту конденсации водяных паров в процессе горения (в реальности при сжигании газа водяные пары не конденсируются, а удаляются вместе с другими продуктами сгорания). Обычно технические расчеты обычно ведут по низшей теплоте сгорания, без учета теплоты конденсации водяных паров (около 2400 кДж/кг).
КПД, рассчитанный по низшей теплоте сгорания, формально выше, но теплота конденсации водяных паров достаточно велика, и ее использование более чем целесообразно. Подтверждение этому - активное применение в отопительной технике контактных теплообменников, весьма разнообразных по конструкции.
Для смеси горючих газов высшая (и низшая) теплота сгорания газов определяется по соотношению
Q = r 1 Q 1 + r 2 Q 2 + ... + r n Q n (8.2)
где r 1 , r 2 , …, r n - объемные (молярные, массовые) доли компонентов, входящих в смесь; Q 1 , Q 2 , …, Q n - теплота сгорания компонентов.
Процесс горения протекает гораздо сложнее, чем по формуле (8.1), так как наряду с разветвлением цепей происходит их обрыв за счет образования промежуточных стабильных соединений, которые при высокой температуре претерпевают дальнейшие преобразования. При достаточной концентрации кислорода образуются конечные продукты: водяной пар Н 2 О и двуокись углерода СО 2 . При недостатке окислителя, а также при охлаждении зоны реакции, промежуточные соединения могут стабилизироваться и попадать в окружающую среду.
Высокотемпературное горение углеводородов имеет весьма сложный характер и связано с образованием активных частиц в виде атомов и радикалов, а также промежуточных молекулярных соединений. В качестве примера приводятся реакции горения простейшего углеводорода - метана:

1. Н + О 2 -› ОН + О
СН 4 + ОН -› СН 3 + Н 2 О
СН 4 + О -› СН 2 + Н 2 О
2. СН 3 + О 2 -› НСНО + ОН
СН 2 + О 2 -› НСНО + О
3. НСНО + ОН -› НСО + Н 2 О
НСНО + О -› СО + Н 2 О
НСО + О 2 -› СО + О + ОН
4. СО + О -› СО 2
СО + ОН -› СО 2 + Н

Итог единичного цикла:
2СН 4 + 4О 2 -› 2СО 2 + 4Н 2 О

Термодинамика горения

Исходный состав горючей смеси характеризуется молярными или массовыми долями компонентов и начальными давлением и температурой. Если состав смеси подобран так, что при её сгорании и горючее, и окислитель полностью преобразуются в продукты реакции, то такая смесь называется стехиометрической. Смеси с избытком топлива называются богатыми , а с недостатком топлива - бедными . Степень отклонения состава смеси от стехиометрического характеризуется коэффициентом избытка топлива (англ. equivalenceratio ) :

где Y F и Y O - массовые доли топлива и окислителя соответственно, а (Y F /Y O) st - их отношение в стехиометрической смеси. В русскоязычной литературе используется также коэффициент избытка окислителя (или воздуха), обратный коэффициенту избытка топлива.

Адиабатическая температура горения смесей CH 4 с воздухом в зависимости от коэффициента избытка топлива. P = 1 бар, T 0 = 298,15 K.

Если горение происходит адиабатически при постоянном объёме, то сохраняется полная внутренняя энергия системы, если же при постоянном давлении - то энтальпия системы. На практике условия адиабатического горения приближённо реализуются в свободно распространяющемся пламени (без учёта теплопотерь излучением) и в других случаях, когда потерями тепла из зоны реакции можно пренебречь, например, в камерах сгорания мощных газотурбинных установок или ракетных двигателей.

Адиабатическая температура горения - это температура продуктов, достигаемая при полном протекании химических реакций и установлении термодинамического равновесия. Для термодинамических расчётов используются таблицы термодинамических функций всех компонентов исходной смеси и продуктов. Методы химической термодинамики позволяют рассчитать состав продуктов, конечное давление и температуру при заданных условиях сгорания. В настоящее время доступно много программ, способных выполнять эти расчёты .

Теплота сгорания - это количество теплоты, выделившейся при полном сгорании исходных компонентов, то есть до CO 2 и H 2 O для углеводородных топлив. На практике часть выделившейся энергии расходуется на диссоциацию продуктов, поэтому адиабатическая температура горения без учёта диссоциации оказывается заметно выше той, что наблюдается на практике .

Термодинамический расчёт позволяет определить равновесный состав и температуру продуктов, но не даёт никакой информации о том, с какой скоростью система приближается к равновесному состоянию. Полное описание горения требует знания механизма и кинетики реакций и условий тепло- и массообмена с окружающей средой.

4. Типы пламени и скорость горения. Теории горения: тепловая, цепная, диффузионная.

В общем случае скорость горения зависит от скорости смешения исходных компонентов в зоне прогрева и зоне реакции (для гетерогенных систем), от скорости химических реакций между компонентами, от скорости передачи тепла и активных частиц из зоны реакции к исходной системе. Нормальная скорость горения (и тем более форма фронта горения) зависит от условий течения свежей смеси и продуктов горения (особенно при горении в двигателях).

Поэтому в теории горения рассматривается несколько основных типов пламен. Они неодинаковы по своему научному и практическому значению и степени изученности. Неодинаковы параметры, представляющие наибольший интерес для данного типа пламени. Существенно отличается подход к теоретическому рассмотрению каждого типа пламени. Некоторые различия имеются и в экспериментальных методах.

Перечислим наиболее важные для теории горения типы пламен:

1) ламинарное пламя в гомогенной газовой смеси. К этому же типу относится пламя при горении летучих взрывчатых веществ;

2) ламинарное диффузионное пламя при горении струи горючего газа в окислительной атмосфере. К этому типу примыкает пламя при диффузионном горении жидкого горючего, налитого в цилиндрический сосуд, и т. п.;

3) пламя при горении капли жидкого горючего или частицы твердого горючего в окислительной атмосфере;

4) турбулентные пламена в гомогенных или в предварительно не смешанных газовых смесях;

5) пламя при горении нелетучих взрывчатых веществ, порохов и т. д. в тех случаях, когда существенную роль играет реакция в конденсированной фазе.

Коротко рассмотрим некоторые характеристики основных типов пламен в той мере, в какой это полезно для понимания закономерностей горения конденсированных смесей.

Предварительно следует остановиться на определении скорости горения . При ламинарном горении газовых смесей и гомогенных конденсированных систем большое принципиальное значение имеет понятие нормальной скорости горения (uн ). По определейию, uн равна скорости перемещения пламени относительно свежей смеси в направлении, перпендикулярном поверхности пламени в данной точке. Размерность uн в системе СИ - м/сек, однако для скорости горения эта единица пока употребляется редко и только для газовых систем. Обычно величину uн для газовых систем выражают в см/сек, а для конденсированных систем в мм/сек (если выражать скорость горения конденсированных систем в м/сек, то в обычном диапазоне давлений получаются очень малые дробные числа).

Для гомогенных конденсированных систем чаще всего измеряется скорость горения цилиндрических зарядов, горящих с торца, причем фронт горения полагается плоским (опыт показывает, что в большинстве случаев при наличии надлежащей оболочки это допущение справедливо, и искажения наблюдаются лишь на краях заряда). К тому же для твердых веществ (и достаточно вязких жидких веществ) исходное (твердое или жидкое) вещество неподвижно во время горения. Поэтому в данном случае нормальная скорость горения просто равна видимой скорости пламени (в лабораторной системе координат) и постоянна в различных точках заряда.