Всем нам практически ежедневно приходится сталкиваться с тем или иным проявлением процессом горения. В нашей статье мы хотим более подробно рассказать какие особенности включает в себя данный процесс с научной точки зрения.
Горение является основной составляющим процессом на пожаре. Пожар начинается с возникновения горения, его интенсивность развития как правило путь пройденный огнем, то есть скорость горения, а тушение заканчивается прекращением горения.
Под горением обычно понимают экзотермическую реакцию между горючим и окислителем, сопровождающуюся, по крайней мере, одним из трех следующих факторов: пламенем, свечением, дымообразованием. Из-за сложности процесса горения указанное определение не является исчерпывающим. В нем не учтены такие важнейшие особенности горения, как быстрое протекание лежащей в его основе экзотермической реакции, ее самоподдерживающийся характер и способность к самораспространению процесса по горючей смеси.
Различие между медленной экзотермической окислительно-восстановительной реакцией (коррозия железа, гниение) и горением заключается в том, что последняя протекает настолько быстро, что теплота производится быстрее, чем рассеивается. Это приводит к повышению температуры в зоне реакции на сотни и даже тысячи градусов, к видимому свечению и образованию пламени. По сути так образуется пламенное горение.Если происходит выделение тепла но пламя при это отсутствует, то этот процесс называется тлением.И в том и в другом процессе происходит образование дыма – аэрозоля полного или неполного сгорания веществ. Стоит отметить, что при горении некоторых веществ пламени не видно, а также отсутствует и выделение дыма, к таким веществам относится водород. Слишком быстрые реакции (взрывчатое превращение) также не входят в понятие горения.
Необходимым условием для возникновения горения является наличие горючего вещества, окислителя (при пожаре его роль выполняет кислород воздуха) и источника зажигания. Для непосредственного возгорания необходимо наличие критических условий по составу горючей смеси, геометрии и температуре горючего материала, давлению и др. После возникновения горения в качестве источника зажигания выступает уже само пламя или зона реакции.
Например, метан способен окисляться кислородом с выделением тепла до метилового спирта и муравьиной кислоты при 500-700 К. Однако, чтобы реакция продолжилась, необходимо пополнение теплоты за счет внешнего подогрева. Горением это не является. При нагревании реакционной смеси до температуры выше 1000 К скорость окисления метана возрастает настолько, что выделяющегося тепла становится достаточно для дальнейшего продолжения реакции, необходимость в подводе теплоты извне исчезает, начинается горение. Таким образом, реакция горения, возникнув, способна сама себя поддерживать. Это главная отличительная особенность процесса горения. Другая, связанная с ней особенность — способность пламени, являющегося зоной химической реакции, самопроизвольно распространяться по горючей среде или горючему материалу со скоростью, определяемой природой и составом реакционной смеси, а также условиями процесса. Это основной механизм развития пожара.
Типичная модель горения построена на реакции окисления органических веществ или углерода кислородом воздуха. Множество физических и химических процессов сопровождают горение. Физика это перенос тепла в систему. Окислительные и восстановительные реакции это составляющая природы горения со стороны химии. Отсюда из понятия горение вытекают самые разные химические превращения, включая разложение исходных соединений, диссоциации и ионизации продуктов.
Совокупность горючего вещества или материала с окислителем представляет собой горючую среду. В результате разложения горючих веществ под воздействием источника зажигания происходит образование газопаровоздушной реакционной смеси. Горючие смеси, которые по составу (соотношению компонентов горючего и окислителя) отвечают уравнению химической реакции, называются смесями стехиометрического состава. Они наиболее опасны в пожарном отношении: легче воспламеняются, интенсивнее горят, обеспечивая полное сгорание вещества, в результате чего выделяют максимальное количество теплоты.
Рис. 1. Формы диффузионных пламен
а – горение реактивной струи, б – горение разлитой жидкости, в – горение лесной подстилки
По соотношению количества горючего материала и объема окислителя различают бедные и богатые смеси: бедные содержат в изобилии окислитель, богатые — горючий материал. Минимальное количество окислителя, необходимое для полного сгорания единицы массы (объема) того или иного горючего вещества, определяется по уравнению химической реакции. При горении с участием кислорода требуемый (удельный) расход воздуха для большинства горючих веществ находится в пределах 4-15 м3/кг. Горение веществ и материалов возможно только при обусловленном содержании в воздухе их паров или газообразных продуктов, а также при концентрации кислорода не ниже заданного предела.
Так, для картона и хлопка самопотухание наступает уже при 14 об. % кислорода, а полиэфирной ваты — при 16 об. %. В процессе горения, как и в других химических процессах, обязательны два этапа: создание молекулярного контакта между реагентами и само взаимодействие молекул горючего с окислителем с образованием продуктов реакции. Если скорость превращения исходных реагентов определяется диффузионными процессами, т.е. скоростью переноса (пары горючих газов и кислорода переносятся в зону реакции за счет градиента концентраций в соответствии с законами диффузии Фика), то такой режим горения называется диффузионным. На рис. 1 приведены различные формы диффузионных пламен. При диффузионном режиме зона горения размыта, и в ней образуется значительное количество продуктов неполного сгорания. Если же скорость горения зависит только от скорости химической реакции, которая значительно выше скорости диффузии, то режим горения называется кинетическим. Ему свойственны более высокие скорости и полнота сгорания и как следствие высокие скорости тепловыделения и температура пламени. Этот режим имеет место в предварительно перемешанных смесях горючего и окислителя. Отсюда, если реагенты в зоне химической реакции находятся в одинаковой (обычно газовой) фазе, то такое горение называют гомогенным, при нахождении горючего и окислителя в зоне реакции в разных фазах — гетерогенным. Гомогенным является горение не только газов, но и жидкостей, а также большинства твердых веществ и материалов. Объясняется это тем, что в зоне реакции горят не сами материалы, а их пары и газообразные продукты разложения. Наличие пламени является отличительным признаком гомогенного горения.
Примерами гетерогенного горения служат горение углерода, углистых остатков древесины, нелетучих металлов, которые даже при высоких температурах остаются в твердом состоянии. Химическая реакция горения в этом случае будет происходить на поверхности раздела фаз (твердой и газообразной). Отметим, что конечными продуктами горения могут быть не только оксиды, но и фториды, хлориды, нитриды, сульфиды, карбиды и др.
Характеристики процесса горения разнообразны. Их можно подразделить на следующие группы: форма, размер и структура пламени; температура пламени, его излучательная способность; тепловыделение и теплота сгорания; скорость горения и концентрационные пределы устойчивого горения и др.
Всем известно, что при горении образуется свечение которое сопровождает пламя продукта горения.
Рассмотрим две системы:
- газообразная система
- конденсированная система
В первом случае при возникновении горения весь процесс будет происходить в пламени, во втором же случае часть реакций будет происходить в самом материале, либо его поверхности. Как упоминалось выше существуют газы которые могут гореть без пламени, но если рассматривать твердые вещества существуют также группы металлов которые также способны гореть без проявления пламени.
Часть пламени с максимальным значением, где происходят интенсивные превращения, называется фронтом пламени.
Теплообменные процессы и диффузия активных частиц из зоны горения которые являются ключевыми механизмами движения фронта пламени по горючей смеси.
Скорость распространения пламени принято разделять на:
- дефлаграционное (нормальное), протекающее с дозвуковыми скоростями (0,05-50 м/с)
- детонационное, когда скорости достигают 500-3000 м/с.
Рис. 2. Ламинарное диффузионное пламя
В зависимости от характера скорости движения газового потока, создающего пламя, различают ламинарные и турбулентные пламена. В ламинарном пламени движение газов происходит в разных слоях, все процессы тепло-, массообмена происходят путем молекулярной диффузии и конвекции. В турбулентных пламенах процессы тепло-, массообмена осуществляются в основном за счет макроскопического вихревого движения. Пламя свечи — пример ламинарного диффузионного пламени (рис. 2). Любое пламя высотой более 30 см будет уже обладать случайной газовой механической неустойчивостью, которая проявляется видимыми завихрениями дыма и пламени.
Рис. 3. Переход ламинарного потока в турбулентный
Очень наглядным примером перехода ламинарного потока в турбулентный является струйка сигаретного дыма (рис. 3), которая, поднявшись на высоту около 30 см, приобретает турбулентность.
При пожарах пламена имеют диффузионный турбулентный характер. Присутствие турбулентности в пламени усиливает перенос тепла, а смешивание влияет на химические процессы. В турбулентном пламени выше также скорости горения. Это явление делает затруднительным перенос поведения мелкомасштабных пламен на крупномасштабные, имеющих большую глубину и высоту.
Экспериментально доказано, что температура горения веществ в воздухе гораздо ниже температуры горения в атмосферной кислородной среде
В воздухе температура будет колебаться от 650 до 3100 °С, а в кислородной показатели температуры возрастут на 500-800 °С.
