Физико-химические основы горения и взрыва. Горение, виды горения

1. Го­ре­ние - это хи­ми­че­с­кая ре­ак­ция оки­с­ле­ния, со­про­во­ж­да­ю­ща­я­ся вы­де­ле­ни­ем боль­шо­го ко­ли­чет­ва те­п­ла и све­че­ни­ем.

2. В за­ви­си­мо­сти от ско­ро­сти про­те­ка­ния про­цес­са, го­ре­ние мо­жет про­ис­хо­дить в фор­ме соб­ст­вен­но го­ре­ния и взры­ва.

3. Взрыв - это ча­ст­ный слу­чай го­ре­ния, про­те­ка­ю­ще­го мгно­вен­но с крат­ко­вре­мен­ным вы­де­ле­ни­ем зна­чи­тель­но­го

ко­ли­че­ст­ва те­п­ла и све­та.

4. Для про­цес­са го­ре­ния не­об­хо­ди­мо:

1) на­ли­чие го­рю­чей сре­ды, со­сто­я­щей ив го­рю­че­го ве­ще­ст­ва и оки­с­ли­те­ля; 2) ис­то­ч­ни­ка вос­пла­ме­не­ния.

Что­бы воз­ник про­цесс го­ре­ния, го­рю­чая сре­да дол­ж­на быть на­гре­та до оп­ре­де­лен­ной тем­пе­ра­ту­ры при по­мо­щи ис­то­ч­ни­ка вос­пла­ме­не­ния (пла­мя, ис­кра элек­т­ри­че­с­ко­го или ме­ха­ни­че­с­ко­го про­ис­хо­ж­де­ния, на­ка­лен­ные те­ла, те­п­ло­вое про­яв­ле­ние хи­ми­че­с­кой, элек­т­ри­че­с­кой или ме­ха­ни­че­с­кой энер­гий).

5. По­с­ле воз­ни­к­но­ве­ния го­ре­ния по­сто­ян­ным ис­то­ч­ни­ком вос­пла­ме­не­ния яв­ля­ет­ся зо­на го­ре­ния. Воз­ни­к­но­ве­ние и

6. про­дол­же­ние го­ре­ния воз­мо­ж­но при оп­ре­де­лен­ном ко­ли­че­ст­вен­ном со­от­но­ше­нии го­рю­че­го ве­ще­ст­ва и ки­с­ло­ро­да, а так­же при оп­ре­де­лен­ных тем­пе­ра­ту­рах и за­па­се те­п­ло­вой энер­гии ис­то­ч­ни­ка вос­пла­ме­не­ния. Наи­боль­шая

ско­рость ста­ци­о­нар­но­го го­ре­ния на­блю­да­ет­ся в чи­с­том ки­с­ло­ро­де, наи­мень­шая - при со­дер­жа­нии в воз­ду­хе 14 - 15% ки­с­ло­ро­да. При мень­шем со­дер­жа­нии ки­с­ло­ро­да в воз­ду­хе го­ре­ние боль­шей ча­с­ти ве­ществ пре­кра­ща­ет­ся.

6. Раз­ли­ча­ют сле­ду­ю­щие ви­ды го­ре­ния:

- по­л­ное - го­ре­ние при до­с­та­то­ч­ном ко­ли­че­ст­ве или из­быт­ке ки­с­ло­ро­да;

- не­по­л­ное - го­ре­ние при не­до­с­тат­ке ки­с­ло­ро­да.

При по­л­ном го­ре­нии про­ду­к­та­ми сго­ра­ния яв­ля­ют­ся дву­окись уг­ле­ро­да (CO₂), во­да (H₂O), азот (N), сер­ни­стый ан­ги­д­рид (SO₂), фо­с­фор­ный ан­ги­д­рид. При не­по­л­ном го­ре­нии обы­ч­но об­ра­зу­ют­ся ед­кие, ядо­ви­тые го­рю­чие и взры­во­о­па­с­ные

про­ду­к­ты: окись уг­ле­ро­да, спир­ты, ки­с­ло­ты, аль­де­ги­ды.

7. Го­ре­ние ве­ществ мо­жет про­те­кать не толь­ко в сре­де ки­с­ло­ро­да, но так­же в сре­де не­ко­то­рых ве­ществ, не со­дер­жа­щих ки­с­ло­ро­да, хло­ра, па­ров бро­ма, се­ры и т.д.

8. Го­рю­чие ве­ще­ст­ва мо­гут быть в трех аг­ре­гат­ных со­сто­я­ни­ях:
жид­ком, твер­дом, га­зо­об­раз­ном. От­дель­ные твер­дые ве­ще­ст­ва при на­гре­ва­нии

пла­вят­ся и ис­па­ря­ют­ся, дру­гие - раз­ла­га­ют­ся и вы­де­ля­ют га­зо­об­раз­ные про­ду­к­ты и твер­дый ос­та­ток в ви­де уг­ля и шла­ка, тре­тьи не раз­ла­га­ют­ся и не пла­вят­ся. Боль­шин­ст­во го­рю­чих ве­ществ не­за­ви­си­мо от аг­ре­гат­но­го со­сто­я­ния при

на­гре­ва­нии об­ра­зу­ют га­зо­об­раз­ные про­ду­к­ты, ко­то­рые при сме­ши­ва­нии с ки­с­ло­ро­дом воз­ду­ха об­ра­зу­ют го­рю­чую сре­ду.

По аг­ре­гат­но­му со­сто­я­нию го­рю­че­го и оки­с­ли­те­ля раз­ли­ча­ют;

- го­мо­ген­ное го­ре­ние - го­ре­ние га­зов и го­рю­чих па­ро­об­ра­зу­ю­щих ве­ществ в сре­де га­зо­об­раз­но­го оки­с­ли­те­ля;

- го­ре­ние взрыв­ча­тых ве­ществ и по­ро­хов;

- ге­те­ро­ген­ное го­ре­ние - го­ре­ние жид­ких и твер­дых го­рю­чих ве­ществ в сре­де га­зо­об­раз­но­го оки­с­ли­те­ля;

- го­ре­ние в си­с­те­ме «жид­кая го­рю­чая смесь - жид­кий оки­с­ли­тель»
9. Ва­ж­ней­шим во­п­ро­сом те­о­рии го­ре­ния яв­ля­ет­ся рас­про­стра­не­ние пла­ме­ни (зо­ны ре­з­ко­го воз­рас­та­ния тем­пе­ра­ту­ры и ин­тен­сив­ной ре­ак­ции). Раз­ли­ча­ют сле­ду­ю­щие ре­жи­мы рас­про­стра­не­ния пла­ме­ни (го­ре­ния):

- нор­маль­ный ре­жим го­ре­ния;

- де­фле­гра­ци­он­ное го­ре­ние;
- де­то­на­ция.

а) Нор­маль­ный ре­жим го­ре­ния на­блю­да­ет­ся при спо­кой­ном ге­те­ро­ген­ном двух­фаз­ном диф­фу­зи­он­ном го­ре­нии. Ско­рость го­ре­ния бу­дет оп­ре­де­лять­ся ско­ро­стью диф­фу­зии ки­с­ло­ро­да к го­рю­че­му ве­ще­ст­ву в зо­ну го­ре­ния.

Рас­про­стра­не­ние пла­ме­ни про­ис­хо­дит от ка­ж­дой то­ч­ки фрон­та пла­ме­ни по нор­ма­ли к его по­верх­но­сти. Та­кое го­ре­ние и ско­рость рас­про­стра­не­ния пла­ме­ни по не­под­ви­ж­ной сме­си вдоль нор­ма­ли к его по­верх­но­сти на­зы­ва­ют нор­маль­ным

(ла­ми­нар­ным).

Нор­маль­ные ско­ро­сти го­ре­ния не­ве­ли­ки. В этом слу­чае по­вы­ше­ния да­в­ле­ния и об­ра­зо­ва­ния удар­ной во­л­ны не

про­ис­хо­дит.

б) В ре­аль­ных ус­ло­ви­ях вслед­ст­вие про­те­ка­ния вну­т­рен­них про­цес­сов и при внеш­них ос­ло­ж­ня­ю­щих фа­к­то­рах про­ис­хо­дит ис­кри­в­ле­ние фрон­та пла­ме­ни, что при­во­дит к ро­с­ту ско­ро­сти го­ре­ния. При до­с­ти­же­нии ско­ро­стей

рас­про­стра­не­ния пла­ме­ни до де­сят­ков и со­тен ме­т­ров в се­кун­ду, но не пре­вы­ша­ю­щих ско­ро­сти зву­ка в дан­ной сре­де (300 – 320м/сек) про­ис­хо­дит взрыв­ное (де­фле­гра­ци­он­ное) го­ре­ние.

При взрыв­ном го­ре­нии про­ду­к­ты го­ре­ния на­гре­ва­ют­ся до 1.5-3.0 ты­сяч °С, а да­в­ле­ние в за­кры­тых си­с­те­мах

уве­ли­чи­ва­ет­ся до 0.б-0.9МПа.

Про­дол­жи­тель­ность ре­ак­ции го­ре­ния до взрыв­но­го ре­жи­ма со­ста­в­ля­ет для га­зов ~0.1 сек, па­ров ~0.2 – 0.3 сек, пы­ли ~0.5 сек.

При­ме­ни­тель­но к слу­чай­ным про­мыш­лен­ным взры­вам под де­фле­б­ра­ци­ей обы­ч­но по­ни­ма­ют го­ре­ние об­ла­ка с ви­ди­мой ско­ро­стью по­ряд­ка 100 - 300 м/сек, при ко­то­рой ге­не­ри­ру­ют­ся удар­ные во­л­ны с ма­к­си­маль­ным да­в­ле­ни­ем 20 - 100 кПа.

в) В оп­ре­де­лен­ных ус­ло­ви­ях взрыв­ное го­ре­ние мо­жет пе­рей­ти в де­то­на­ци­он­ный про­цесс,

при ко­то­ром ско­рость рас­про­стра­не­ния пла­ме­ни пре­вы­ша­ет ско­рость рас­про­стра­не­ния зву­ка и до­с­ти­га­ет 1 - 5 км/сек. Это про­ис­хо­дит при силь­ной тур­бу­ли­за­ции ма­те­ри­аль­ных по­то­ков,

вы­зы­ва­ю­щей зна­чи­тель­ное ис­кри­в­ле­ние фрон­та пла­ме­ни боль­шое уве­ли­че­ние его по­верх­но­сти.

При этом воз­ни­ка­ет удар­ная во­л­на, во фрон­те ко­то­рой ре­з­ко по­вы­ша­ет­ся плот­ность, да­в­ле­ние тем­пе­ра­ту­ра сме­си. При

воз­рас­та­нии этих па­ра­ме­т­ров сме­си до са­мо­вос­пла­ме­не­ния го­ря­чих ве­ществ воз­ни­ка­ет де­то­на­ци­он­ная во­л­на, яв­ля­ю­ща­я­ся ре­зуль­та­том сло­же­ния удар­ной во­л­ны и об­ра­зу­ю­щей­ся зо­ны сжа­той бы­ст­ро­ре­а­ги­ру­ю­щей (са­мо­вос­пла­ме­ня­ю­щей­ся) сме­си.

Из­бы­то­ч­ное да­в­ле­ние в пре­де­лах де­то­ни­ру­ю­ще­го об­ла­ка сме­си мо­жет до­с­ти­гать 2 МПа.

Про­цесс хи­ми­че­с­ко­го пре­вра­ще­ния го­рю­чих ве­ществ, ко­то­рый вво­дит­ся удар­ной во­л­ной и со­про­во­ж­да­ет­ся бы­ст­рым вы­де­ле­ни­ем энер­гии, на­зы­ва­ет­ся де­то­на­ци­ей.

При де­то­на­ци­он­ном ре­жи­ме го­ре­ния об­ла­ка ГВ боль­шая часть энер­гии взры­ва пе­ре­хо­дит в воз­душ­ную удар­ную во­л­ну, при де­фле­гра­ци­он­ном го­ре­нии со ско­ро­стью рас­про­стра­не­ния пла­ме­ни ~200 м/сек пе­ре­ход энер­гии в во­л­ну со­ста­в­ля­ет от 30 до 40%.

Основные понятия о процессах горения и взрыва. Особенности горения веществ в различных агрегатных состояниях.

Пожарная безопасность – это состояние помещения в котором с установленной вероятностью исключается возможность возникновения пожара.
Пожар – это неконтролируемое горение в результате которого повреждаются материальные ценности и создаётся угроза жизни человека.
Горение – это быстро протекающая реакция окисления в результате которой выделяется большое количество тепла.
Горение различают по скорости:
- горение;
- взрыв;
- детонация.
Все горючие вещества обладают определёнными характеристиками, которые объясняют их опасность:
Вспышка – это быстрое сгорание горючей смеси, не сопровождающие образование сжатых газов.
Температура вспышки (основная характеристика горючих жидкостей) – это наименьшая температура, при которой происходит процесс вспышки, но нет устойчивого горения.
Температура воспламенения – это температура, при которой начинается процесс горения вещества.
Нижний концентрационный придел воспламенения (основная характеристика воспламенения пыли) – это минимальное содержание горючего вещества в воздухе при котором начинается процесс воспламенения.
Из группы горючих веществ выделяют легко воспламеняющие вещества:
- жидкости;
- газы;
- твёрдые.

В зависимости от агрегатного состояния исходного вещества и продуктов Г. различают три основных типа Г.: гомогенное Г., Г. взрывчатых веществ и порохов, гетерогенное Г. Гомогенное горение. Исходные вещества и продукты при таком Г. находятся в одинаковом агрегатном состоянии. К этому типу относится Г. газовых смесей (природного газа, водорода и т. п. с окислителем - обычно кислородом воздуха), Г. негазифицирующихся конденсиров. веществ (напр., термитов - смесей алюминия с окислами разл. металлов) и изотермическое Г.- распространение цепной разветвлённой реакции в газовой смеси без значит. разогрева. На рис. изображена структура фронта Г. в смеси газообразных горючего и окислителя. Хим. реакция происходит в очень узкой зоне (10^-5 м) при темп-ре, близкой к темп-ре Г.: (T₀ - темп-pa исходной смеси, Q - теплота сгорания, с_р - теплоёмкость газа при пост. давлении). В зоне подогрева темп-pa газа растёт за счёт тепла, выделившегося при Г. предыдущих порций смеси. В этой зоне происходит также убывание (вследствие диффузии) концентрации исходного вещества, хим. реакция идёт в очень обеднённой смеси. Скорость тепловыделения имеет резкий максимум, связанный с тем, что в начале реакции низка темп-pa, а в конце её нет горючего. Скорость Г. , где - коэффициенттемпературопроводности, а - характерное время хим. реакции в зоне Г., к-рое определяется в основном энергией активации и темп-рой Г. (R - универсальная газовая постоянная).

Гетерогенное горение. Исходные вещества при этом находятся в разных агрегатных состояниях. Важнейшие техн. процессы гетерогенного Г.: Г. угля, частиц металлов, сжигание жидких топлив в нефтяных топках, нек-рых двигателях внутр. сгорания, камерах сгорания ракетных двигателей. Процесс гетерогенного Г. обычно очень сложен. Хим. превращение сопровождается дроблением и испарением капель и частиц, образованием окисных плёнок на частицах металла, турбулизацией газовой смеси и т. п.

Горение взрывчатых веществ и пороков. Mн. конденсиров. взрывчатые вещества (BB), кроме быстрого (взрывного) протекания реакции (см. Взрыв, Детонация), способны к значительно более медленному хим. превращению путём Г. В отличие от обычных твёрдых и жидких топлив при горении BB не требуется подводить извне окислитель, т. к. горючее и окислитель во BB перемешаны на молекулярном уровне.

Г. BB связано с переходом вещества из конденсиров. состояния в газ. При этом на поверхности раздела фаз происходит сложный физико-хим. процесс, при к-ром в результате хим. реакции выделяется теплота и горючие газы, догорающие в зоне Г., отстоящей от поверхности на нек-ром расстоянии. Процесс Г. усложняется явлением диспергирования - переходом части конденсиров. вещества в газовую фазу в виде небольших частичек или капель.

Важной особенностью процесса Г. является наличие критич. условий. Распространение Г. возможно лишь в нек-рых интервалах изменения состава смеси, темп-ры и давления, условий теплоотвода во внеш. среду. Критич. значения этих параметров наз. пределами Г. Скорость Г. на пределе отлична от нуля, а при переходе через предел Г. прекращается.

При эксперим. исследовании Г. изучается зависимость скорости Г. от разл. параметров Г.: состава смеси, дисперености компонентов, структуры фронта Г., скорости хим. реакций, пределов Г. При этом используются оптич. методы (высокоскоростная киносъёмка, голография), микротермопары (толщина их измеряется микронами), манометрические и калориметрич. бомбы.