Горение веществ

 

     Низшая теплота сгорания некоторых горючих материалов, рассчитанная по их элементарному составу, имеет следующие значения, кДж:

Материал	-ΔНсгор., кДж	Материал	-ΔНсгор., кДж
Бензин	43157,0—43785,5	Каучук    синтетический	37710
Бумага	13408,0	Керосин	42109,5—42947,5
Древесина Воздушно-сухая	12570—14665	Органическое  стекло	25140
Древесина в    конструкциях зданий	16760—17070	Резина	33520
Торф (W=20%)	15125,9

                                                                           

Существует  нижний предел теплоты сгорания, ниже которого вещества становятся не способными к горению в атмосфере воздуха. Эксперименты показывают, что вещества являются негорючими, если они не относятся к взрывоопасным и если их низшая теплота сгорания в воздухе не превышает 2100 кДж/кг. Следовательно теплота сгорания может служить для ориентировочной оценки горючести веществ. Однако следует отметить, что горючесть твердых веществ и материалов в значительной степени зависит и от их состояния. Так, лист бумаги, легко воспламеняющийся от пламени спички, будучи нанесенным на гладкую поверхность металлической плиты или бетонной стены, становится трудногорючим. Следовательно горючесть веществ зависит также от скорости отвода тепла из зоны горения.

Практически в процессе горения, особенно на пожарах, указанная в таблицах теплота сгорания полностью не выделяется, так как горение сопровождается недожогом. Известно, что нефтепродукты, также бензол, толуол, ацетилен, т. е. вещества, богатые углеродом, горят на пожарах с образованием значительного количества сажи. Сажа (углерод) способна гореть и выделять тепло. Если при горении она образуется, то, следовательно, горючее вещество выделяет тепла меньше того количества, которое указано в таблицах. Для веществ, богатых углеродом, коэффициент недожога h составляет 0,8— 0,9. Следовательно, на пожарах при горении 1 кг резины может выделиться не 33520 кДж, а только 33520• 0,8 = 26816 кДж.

Размер  пожара обычно характеризуется площадью пожара. Количество тепла, выделяющееся с единицы площади пожара в единицу времени, называется теплотой пожара Q_п

Qп = QhV«t\

 где u_м — массовая скорость выгорания, кг/(м^2.с).

Удельная  теплота пожара при внутренних пожарах характеризует тепловую нагрузку на конструкции зданий и сооружений и используется для расчета температуры пожара.

 

 

 

 

Лекция 3

Температура горения

 

Выделяющееся  в зоне горения тепло воспринимается продуктами сгорания, поэтому они  нагреваются до высокой температуры. Та температура, до которой в процессе горения нагреваются продукты сгорания, называется температурой горения. Различают калориметрическую, теоретическую и действительную температуры горения. Действительная температура горения для условий пожара называется температурой пожара.

Под калориметрической  температурой горения понимают ту температуру, до которой нагреваются продукты полного сгорания при следующих условиях: 1) все выделяющееся при горении тепло расходуется на нагревание продуктов сгорания (потери тепла равны нулю); 2) начальные температуры воздуха и горючего вещества равны 0°С; 3) количество воздуха равно теоретически необходимому (a=1); 4) происходит полное сгорание. Калориметрическая температура горения зависит только от состава горючего вещества и не зависит от его количества.

Теоретическая температура в отличие от калориметрической характеризует горение с учетом эндотермического процесса диссоциации продуктов сгорания при высокой температуре

2СО₂ à 2CO+ О₂ — 566,5 кДж

2Н_аО à 2Н₂+О₂—478,5 кДж.

Практически диссоциацию продуктов сгорания необходимо учитывать только при температурах выше 1700°С. При диффузионном горении веществ (см. п. 1.2) в условиях пожара действительные температуры горения не достигают таких значений, поэтому для оценки условий пожара используют только калориметрическую температуру горения и температуру пожара. Различают температуру внутреннего и наружного пожара. Температура внутреннего пожара — это средняя температура дыма в помещении, где происходит пожар. Температура наружного пожара — температура пламени.

При расчете  калориметрической температуры  горения и температуры внутреннего пожара исходят из того, что низшая теплота сгорания Q_H горючего вещества равна энергии q_T, необходимой для нагревания продуктов сгорания от 0°С до калориметрической температуры горения

Величину q_T назовем условно теплосодержанием продуктов сгорания

где V_п.с.—объем продуктов сгорания, м³/кг; С_pm—средняя объемная теплоемкость продуктов сгорания, кДж/(м³К); Т_г.— температура горения, °С.

Поскольку продукты сгорания состоят из нескольких газообразных веществ, теплоемкость которых различна, суммарное теплосодержание их может быть выражено следующим образом:

,

где Vro₂. Vh₂o—объемы компонентов продуктов сгорания (RO₂=CO₂+SO₂); , — теплоемкость компонентов продуктов сгорания (теплоемкость СО₂ принимается для смеси СО₂ и SO₂).

Теплосодержания различных газообразных веществ, которые обычно являются продуктами сгорания, приведены в табл. 1 приложений. Для определения Т_г. рассчитывают теплосодержание продуктов сгорания при нескольких температурах и выбирают два значения, между которыми находится значение низшей теплоты сгорания вещества. Искомую температуру определяют затем интерполяцией. Пример расчета приведен ниже.

Пример 12. Определить калориметрическую температуру горения керосина, состоящего из 86% С, 13,7% Н и 0,3% S. Опредляем низшую теплоту сгорания керосина по уравнению Д. И. Менделеева

  Q_H = 339,4 ^.86 + 1257^.13,7+ 108,9^.0,3 — 25,1^. 13,7^.9 = = 43347,1 кДж/кг

Вычисляем объем  продуктов сгорания, м³

V(Н₂О) = 11,9^.0,137= 1,53

 Vco₂ = 1,86^. 0,86 = 1,6

Vso₂ = 0,7 ^. 0,003 = 0,002

        V(H₂O) = 7^.0,86 + 21^. 0,137 + 2,63 ^. 0,003 = 8,905

Объем продуктов  сгорания керосина равен:

Vп.с.= 1,53+ 1,6 + 0,002 + 8,905= 12,037 м³/кг .

Теплосодержание   1   м³   продуктов сгорания   составляет 

q_r=43347,1/12,037 = 3601 кДж/м³

Продукты  сгорания в большей степени состоят из азота, следовательно, на его теплосодержание необходимо ориентироваться при подборе температуры горения. Поскольку теплосодержание диоксида углерода и паров воды выше, чем азота, их присутствие в продуктах сгорания несколько понижает температуру горения, поэтому ее нужно принимать несколько ниже, чем по азоту. В табл. 1 приложений вычисленному теплосодержанию (3601 кДж/м³) по азоту соответствует температура, находящаяся в пределах 2300— 2400 °С. Принимаем температуру горения 2200 °С, так как присутствие в продуктах сгорания диоксида углерода и паров воды несколько понижает температуру горения. Определяем при этой температуре теплосодержание продуктов сгорания, кДж:

Н₂О—1,53 ^.4405,8 = 6740,8

СО₂, SO₂—1,602 ^. 5392,5=8638,7

N₂—8,905 ^. 3306,3 = 29442,6

44822,1

При горении  керосина теплосодержание продуктов  сгорания не может превышать 43347,1 кДж/кг, следовательно истинная температура  горения ниже 2200 ^СС. Принимаем    температуру    горения 2100 °С.  Теплосодержание продуктов сгорания  керосина  при этой температуре равно, кДж:

Н_аО—1,53^.4166,1 =  6374,1

                     СО_а, SO₄—1,602 ^.5118,2 = 8199,3

N_a—8,905^.3142,9 = 27987,5

      42560,9

Как видно  из значений теплосодержания продуктов  сгорания, температура их находится  между 2100—2200 °С. Истинную температуру продуктов сгорания находим интерполяцией, принимая теплоемкость их в интервале 2100—2200 °С постоянной. На разность температур 100 °С теплосодержание продуктов сгорания изменяется на 44822,1—42560,9=2261,2 кДж. Разность между теплотой сгорания керосина и теплосодержанием продуктов сгорания при 2100 °С равна: 43347,1—42560,9 = 786,2 кДж. Следовательно, истинная калориметрическая температура горения равна

Т_г. = 2100 + 786,2^.100/2261,2 = 2100 + 34 = 2134 °С

В действительности не вся теплота, выделяющаяся при горении в условиях пожара, расходуется на нагревание продуктов сгорания. Большая часть ее расходуется на нагревание конструкций, подготовку горючих веществ к горению, нагревание избыточного воздуха и др. Поэтому температура внутреннего пожара значительно ниже -калориметрической. Методика расчета температуры горения предполагает, что весь объем продуктов сгорания нагрет до одной и той же температуры. В действительности температура в различных точках очага горения неодинакова. Наиболее высокой является температура в области пространства, где протекает реакция горения, т. е. в зоне горения (пламени). Значительно ниже температура в местах, где находятся горючие пары и газы, выделившиеся из горящего вещества и продуктов сгорания, смешавшихся с избытком воздуха.

Чтобы судить о характере изменения температуры при пожаре в зависимости от различных условий горения, введено понятие среднеобъемной температуры пожара, под которой понимают среднее значение из величины температур, измеренных термопарами в различных точках внутреннего пожара. Эта температура определяется из опыта.

В Российском научно-исследовательском институте противопожарной обороны (РНИИПО) среднеобъемную температуру пожара определяли в помещении площадью 10 м², где было установлено восемь термопар, фиксирующих температуру  в   различных точках помещения. Через определенный промежуток времени показания всех термопар одновременно фиксировали, сумму показаний делили на число термопар. По полученным средним температурам в координатах температура — время строили график, который отражал температурный режим пожара. На рис. 8 показано изменение температуры внутреннего пожара (температурный режим пожара) пpи горении различных твердых материалов. Как показывает ход кривых, температура пожара при горении всех веществ первоначально растет, достигая максимума, затем по мере выгорания материала постепенно понижается. С увеличением количества горючего вещества на единицу площади (горючая загрузка) повышаются максимальная температура и продолжительность пожара (рис.9).

                             

Рис.   8.    Температурный   режим    пожара   при горении различных

веществ:1 — каучук; 2 —резина; 3 —триацетатная   пленка;   4 — древесина.

 

 

 

 

 

 

Лекция 4

Оценка  пожарной опасности веществ и материалов

 

Классификация пожароопасных веществ. Человек научился добывать огонь и применять его для своих нужд много тысячелетий назад. Но огонь не только выполняет полезную работу, но и приносит человеку материальный ущерб. Пожарами, в основе которых лежит химическая реакция горения, могут быть уничтожены жилые и производственные здания, корабли, самолеты, продукты питания, т. е. все, что способно гореть, разрушаться от действия температуры и гибнуть в среде продуктов сгорания.

Пожаром называется неконтролируемое горение вне специального очага, наносящее материальный ущерб (Ост 78 2—73). Ранее были указаны условия, необходимые для возникновения горения, а следовательно, для возникновения пожара. В отсутствие контроля при создании этих условий возникает пожар, который может развиться до больших размеров и нанести значительный материальный ущерб. Следовательно, возможность создания условий возникновения пожара или его быстрого развития представляет собой пожарную опасность.

Пожарной  опасностью называется возможность возникновения или развития пожара, заключенная в каком-либо веществе, состоянии или процессе (Ост 78 2—73). Из этого определения можно сделать вывод, что пожарную опасность представляют вещества и материалы, если они в силу своих свойств благоприятствуют возникновению или развитию пожара. Такие вещества и материалы относятся к пожароопасным.

Пожароопасные вещества, по способности к горению, подразделяются на горючие, трудногорючие и негорючие.

Горючими называются вещества (материалы, смеси, изделия), способные самостоятельно гореть после удаления источника зажигания. Среди пожароопасных веществ  большинство являются горючими,  Горючие  вещества в свою очередь разделяются на легковоспламеняющиеся и трудновоспламеняющиеся.

Легковоспламеняющимся веществом (материалом, смесью) называется горючее вещество (материал, смесь), способное воспламеняться от кратковременного воздействия пламени спички, искры, накаленного электропровода и тому подобных источников зажигания с низкой энергией (Ост 78 2—73). Следует отметить, что воспламенение этих веществ происходит при хранении на открытом воздухе или в помещении без предварительного подогрева. К легковоспламеняющимся веществам относятся все горючие газы (водород, метан, этан, пропан и др.), горючие жидкости (ацетон, бензин, бензол, диэтиловый эфир и др.) и горючие твердые вещества (целлулоид, полистирол, древесная стружка, лист бумаги и др.).

Трудновоспламеняющимся  веществом (материалом, смесью) называется горючее вещество (материал, смесь), способное воспламеняться только под воздействием мощного источника зажигания. К таким веществам относятся гетинакс, полихлорвиниловая плитка, фенольноформальдегидный стеклопластик, древесина, подвергнутая поверхностной огнезащитной обработке, и другие.

Трудногорючими называют вещества (материалы, смеси, изделия), способные гореть под воздействием источника зажигания, но не способные к самостоятельному горению после удаления его.

По пожарной опасности их можно подразделить на три группы: