Пожарная безопасность. Горение - Общие сведения о горении (2)

Горение может осуществляться в двух режимах: самовос­пламенения, заключающемся в самопроизвольном возникновении пламенного горения предварительно нагретой до некоторой кри­тической температуры горючей смеси (называемой температурой самовоспламенения) и проявляющегося в одновременном (в виде вспышки) сгорании всей горючей смеси, и в режиме распростра­нения волны горения (распространения 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.

Для получения представлений о распространении волны го­рения поместим гомогенную горючую смесь в стеклянную трубку, открытую с одного конца (рис. 1.1), и воспламеним ее внешним источником у открытого конца.

1

Продукты сгорания 2

3 Свежая смесь

Схема распространения пламени в гомогенной газовой смеси:

1 - стеклянная трубка, 2 - фронт пламени, 3 - направление распространения пламени

Распространяющееся вначале сферически пламя при дости­жении стенок трубки преобразуется в плоский узкий (толщиной менее 10^{-6 м) фронт, распространяющийся в сторону свежей сме­си. Продукты сгорания, объем которых в результате повышения температуры в несколько раз превышает объем исходной смеси, истекает из трубки через открытый конец. Скорость перемещения фронта пламени по нормали к его поверхности называется нор­мальной скоростью распространения пламени и обозначается} U_н. Нормальная скорость пламени имеет минимально возможную ве­личину, не зависит от условий, а лишь от химического состава горючей смеси и соотношения горючего и окислителя (макси­мальное значение U_н соответствует стехиометрическому соотно­шению компонентов горючей смеси). Этот показатель, строго го­воря, является единственным из всех многочисленных характери­стик пламени, имеющим характер физико-химической константы.

Если же закрыть свободный конец трубки, то горячие про­дукты сгорания как поршень будут давить на пламя и увеличивать скорость его перемещения. Суммарная скорость такого переме­щения фронта пламени называется видимой скоростью пламени (обозначается U_в) и определяется выражением: U_в = U_н e где e - степень расширения продуктов сгорания:

h - отношение числа молей продуктов сгорания к числу молей исходной смеси, Т_г, Т_о - температура горения и начальная температура. Ве­личина h для углеводородных горючих веществ близка к единице.

Рис. 1.2. Схема диффузионного ламинарного пламени:

а - зона горючих паров, б - зона горения, в - окружающая среда (воздух).

В случае диффузионного го­рения, схема которого показана на рис. 1.2, пламя как бы стоит на месте, а в него втекают с одной стороны (область "а") горючие па­ры, а с другой стороны (область "в") - воздух. Наиболее характер­ным примером диффузионного пламени является горящая свеча.

Важнейшей особенностью процесса горения является само­ускоряющийся характер химиче­ского превращения. В соот­ветствии с представлениями о ки­нетике химических реакций скорость реакции описывается урав­нением Аррениуса:

W = A [Г]^a [O]^в exp(-E/RT) (1.3)

где [Г] и [О] - соответственно концентрации горючего и окисли­теля;

А - предэкспонента;

а, в - стехиометрические коэффициенты, с которыми уча­ствуют в реакции компоненты горючей смеси;

Е - энергия активации, требуемая для такого ослабления внутримолекулярных связей, чтобы началась реакция;

Т - температура;

R - газовая постоянная.