7889

При воспламенении накаленными телами чем меньше его размер, тем больше должна быть его температура. Тепловые источники очень маленьких размеров не могут воспламенить горючие смеси.

Не всякие искры одинаковы по своей способности воспламенять смеси. Искры, возникающие при точке металлических изделий на наждачном круге, не могут воспламенить смеси метана или бензина с воздухом. Искры, образующиеся при ударах металла о металл, металла о камень и при их трении, имеют разную воспламеняющую способность. Установлено, что метано-воздушная смесь не воспламеняется от искр при сильных ударах стальных молотков о стальные образцы и от искр трения сталей о карборунд. Однако воспламенение метано-воздушных смесей может происходить от искр, возникающих при ударах между твердой породой и сталью, а также при трении твердой породы о породу. При трении о породу воспламенение происходит не от искр, образующихся при этом, а от теплового воздействия раскаленной зоны, которая может достигать 1200°С.

Трение стали о сталь способно воспламенить смеси воздуха с водородом, ацетиленом, сероводородом, коксовым газом. Трение алюминиевых сплавов по стальным поверхностям, покрытым ржавчиной, вызывает воспламенение всех известных взрывоопасных газовых смесей. Причиной является экзотермическая реакция:

Al + Fe2O3 = Al2O3 + Fe; Н = 853,5 кДж/моль,

вызывающая нагрев места трения.

Эти знания позволяют подбирать правильные материалы для разработки инструментов и механизмов, работающих на взрывоопасных участках (шахты, газовые месторождения, перекачивающие и заправочные станции и т.п.).

Различная воспламеняющая способность различных физико-химических процессов связана с энергией, которая выделяется в форме теплоты и способна нагреть участок горючей смеси. Наглядным примером важности энергии искр

11

является воспламенение электрическими искрами. Для каждой смеси есть минимальная мощность электрической искры, способной ее воспламенить. Минимальная мощность зависит от состава, температуры, давления смеси. Увеличение мощности искр ведет к расширению области воспламенения газовых смесей. Однако при достижении определенной мощности искр ее увеличение уже не вызывает расширения пределов воспламенения смеси. Искры такой мощности называют насыщенными. Их использование в приборах по определению концентрационных или температурных пределов воспламенения дает такие же результаты, как воспламенение накаленными телами или пламенем. Насыщенные искры можно считать разновидностью высокотемпературных источников воспламенения.

Пламя всегда является эффективным источником воспламенения.

Воспламенение гетерогенных горючих смесей имеет свои особенности, отличающие их от гомогенных горючих смесей. Из твердых горючих веществ наиболее подвержены воспламенению волокнистые и мелкораздробленные материалы (хлопок, войлок, ткань, сено, шерсть, мучная и каменноугольная пыль и др.). Все они обладают малой теплопроводностью и большой поверхностью, что способствует сохранению тепловой энергии искры в небольшом объеме горючего вещества и быстрому нагреву. Так как искрой нагревается небольшой объем твердых горючих веществ, то образующихся газообразных продуктов разложения и энергии искры недостаточно для образования горючей смеси. Поэтому воспламенение искрами сопровождается не горением волокнистых веществ, а тлением углеродистого остатка. Только более мощные источники воспламенения и более длительное их действие (пламя, большие по величине накаленные тела) могут вызвать воспламенение твердых веществ с образованием пламени.

Для загорания твердых видов топлива их составляющие

12

должны быть переведены в газообразное состояние или превращены в легковоспламеняющийся уголь. Для этого требуется нагрев до высокой температуры. При этом образуются горючие смеси с воздухом, которые воспламеняются. Так происходит воспламенение древесины и природного угля. Первой стадией является разложение топлива с образованием летучих горючих веществ или испарение летучих органических веществ топлива. Потом происходит воспламенение горючей газовой смеси с воздухом. На следующем этапе от пламени воспламеняется само твердое топливо.

Горение жидкого топлива всегда сопровождается испарением топлива и горением его паров. В жидком виде топливо, как правило, не окисляется кислородом. В результате сгорает только та его часть, которая успела испариться. Поэтому в двигателях внутреннего сгорания важнейшую роль играет процесс впрыска и испарения капелек топлива. Чем более эффективны эти процессы, тем выше к.п.д. и мощность двигателя, и ниже расход топлива.

Как сказано выше, характерной особенностью горения гомогенных смесей является самопроизвольное пространственное распространение пламени. В процессе распространения горения газовая смесь делится на две части: сгоревший газ и несгоревшая смесь, а их граница называется фронтом пламени. Она представляет собой тонкий газовый слой, в котором происходит процесс горения.

Гомогенное и гетерогенное горение

Различают гомогенные (однородные) и гетерогенные (неоднородные системы). В гомогенных системах степень раздробленности веществ атомная, ионная, молекулярная. В таких смесях нет поверхности раздела фаз для индивидуальных веществ, т.е. нет ни капелек жидкости, ни твердых частичек. При гомогенном горении горючее вещество и окислитель находятся в одной фазе, обычно в газовой, например, смесь метана с воздухом.

13

При гетерогенном горении горючее вещество и окислитель находятся в разных фазах, например, окислитель – газообразное вещество (О2), а восстановитель твердое (уголь, древесина, торф) или жидкое (бензин, мазут, дизельное топливо) вещество. К гетерогенному горению относится тление.

Тлением называют беспламенное горение твердых тел. Так горит кокс – каменный уголь, из которого

предварительно выжгли летучие соединения. Он применяется в металлургии. Так горят пористые материалы (ткани, кошма, пластмассы и др.). При тлении процессы имеют низкую интенсивность и свечение красного типа.

Горение в отсутствии пламени обусловлено условиями теплообмена зоны тления с внешней средой. Устойчивое распространение тления определяется содержанием кислорода в окружающей среде и разностью температур ∆Т = Ттлен – Тсреда. Чем выше температура окружающей среды, тем выше скорость тления и выше скорость распространения фронта тления. Стационарный режим тления достигается при равенстве скоростей тепловыделения и теплоотвода.

Отступление. Под системой подразумевают совокупность взаимосвязанных частей, выделенных из окружающей среды и выступающих по отношению к ней как целое. Фаза – гомогенная часть системы, обладающая одинаковыми физическими и химическими свойствами и отделенная от других частей системы поверхностью раздела. Гомогенная или однородная система – система, химический состав и физические свойства которой во всех частях одинаковы. Гетерогенная или неоднородная система – система, состоящая из однородных частей (фаз), разделенных поверхностью раздела. Однородные части (фазы) могут отличаться друг от друга по составу и свойствам.

Наиболее общим свойством горения гомогенных горючих газовых смесей является проявление в определенных условиях прогрессивного самоускорения процесса – воспламенения.

Самовоспламенение, самовозгорание, вынужденное зажигание

14

Горение возникает при определенных (критических) условиях (температура, размеры реакционного сосуда и др.) изза того, что тепловыделение в ходе реакции превышает теплоотдачу в окружающую среду. В зависимости от начальных условий, в которых находится горючая система, и природы первоначального теплового импульса различают три вида возникновения горения: самовоспламенение, самовозгорание, вынужденное зажигание.

Самовоспламенение – явление быстрого нарастания скорости окислительно-восстановительной реакции, приводящее при определенных внешних условиях к воспламенению горючего вещества без соприкосновения с пламенем или раскаленным телом. Условиями самовоспламенения могут быть резкое повышение температуры или давления, а также введение смеси в нагретый сосуд. Необходимо, чтобы при этом смесь находилась в концентрационных пределах воспламенения и была достигнута температура самовоспламенения, характерная для данной горючей смеси и конструкции конкретного устройства. Самовоспламенение характерно и для гомогенных и для гетерогенных смесей. Отличие гомогенного от гетерогенного самовоспламенения в том, что гомогенный это чисто химический процесс, а гетерогенный состоит из двух стадий: физической и химической. Отличительная особенность самовоспламенения является загорание всей смеси сразу. В этом его отличие от воспламенения. Для того чтобы самовоспламенение произошло, требуется достижение определенной температуры – температуры самовоспламенения.

Температура самовоспламенения — это наименьшая температура горючего вещества, при достижении которой происходит резкое увеличение скорости экзотермической реакции, приводящее к появлению пламенного горения.

Температура самовоспламенения непостоянна, она зависит от состава горючей смеси, давления, начальной температуры, концентрации горючего материала. Факторы, увеличивающие интенсивность тепловыделения горючей

15

системы, приводят к снижению температуры самовоспламенения, а факторы, увеличивающие теплоотдачу горючей системы, приводят к увеличению температуры самовоспламенения.

Температура самовоспламенения горючих веществ разнообразна. У одних она превышает 500°С у других находится в пределах температуры окружающей среды и условно её можно принять равной от 0 до 50°С.

Например, желтый фосфор при температуре 15°С окисляется кислородом воздуха и загорается. Вещества, способные самовоспламеняться без нагрева, представляют большую пожарную опасность и называются самовозгорающимися, а процесс самонагревания их до стадии горения определяют термином самовозгорание. К самовозгорающимся относят вещества трех групп:

-группа 1 включает вещества, самовозгорающиеся при окислении кислородом воздуха. Это, прежде всего, растительные масла, животные жиры, бурый и каменный угли, сульфиды железа, желтый фосфор и др.;

-группа 2 включает вещества, самовозгорающиеся в результате реакции с водой. К ним относятся такие металлы, как калий, натрий и такие соединения, как карбид кальция, карбиды щелочных металлов, фосфористые кальций и натрий, негашеная известь и др.;

-группа 3 включает вещества, самовозгорающиеся при смешивании друг с другом (ацетилен, водород, метан и этилен в смеси с хлором; перманганат калия, смешанный с глицерином или этиленгликолем; скипидар в хлоре и др.).

Самовозгорание в отличие от самовоспламенения представляет собой процесс горения, вызванный происходящими в веществе экзотермическими химическими, физико-химическими или биологическими явлениями. Самовозгорание возникает без соприкосновения с открытым пламенем и притока тепла извне. Процесс самовозгорания

ускоряется, когда накопление тепла и, следовательно,

16

нарастание температуры, происходящее в результате процесса окисления, превышают рассеивание тепла в окружающую среду.

Накопление тепла вследствие протекания экзотермических реакций происходит при определённых условиях (высокая удельная поверхность дисперсных материалов, слабая теплоотдача). Вследствие самонагревания (повышения температуры материала) происходит самоускорение таких реакций.

Есть материалы, которые при известных условиях могут самовоспламеняться и самовозгораться. Среди материалов, используемых на строительстве, особенно подвержены самовозгоранию волокнистые: пакля, тряпки, опилки, пропитанные различными маслами.

Начало самовозгорания характеризуется температурой самовозгорания (Tсв), представляющей собой минимальную в условиях опыта температуру, при которой обнаруживается тепловыделение. При достижении в процессе самонагревания температуры Tсв. возникает либо тление, либо пламенное горение.

Вынужденное зажигание обусловлено возникновением горения горючей смеси в одной точке в результате действия источника зажигания (искры, нагретого тела, открытого пламени) с дальнейшим воспламенением всей системы.

В зависимости от природы источника тепла различают следующие виды источников зажигания:

-экзотермические химические реакции;

-тепловые проявления электрической и механической

энергии;

-открытое пламя.

Общим для всех процессов зажигания служат следующие признаки:

- температура системы превышает некоторое критическое значение;

17

-тепловыделение в горючей системе за счет химической реакции окисления превышает теплоотдачу из системы в окружающее пространство;

-переходу от медленной реакции окисления к горению предшествует период индукции. Период индукции в горючей системе – это подготовительный процессы к началу горения

Если горючее вещество находится в конденсированном состоянии (твердое или жидкое), то за этот период индукции происходит:

-нагрев горючей системы;

-окисление газообразных продуктов с выделением тепла;

-самонагревание горючей системы;

-возникновение горения.

Один и тот же вид горючего может гореть контролируемым путем, например, природный газ в горелке кухонной плиты, но может его горение сопровождаться взрывом, если помещение заполнено смесью природного газа с воздухом в определенном соотношении. Достаточно искры, чтобы произошел так называемый цепной взрыв.

Взрыв

Взрыв – быстро протекающий процесс физического или химического характера, сопровождающийся выделением большого количества энергии в ограниченном объеме за короткий промежуток времени.

В подавляющем большинстве случаев взрывы, с которыми приходится иметь дело на практике, имеют химическую природу превращения веществ. К ним относятся взрывы, применяемые в производственной практике или в военных целях и, разумеется, происходят взрывы аварийного характера, например, взрывы метана газа в шахтах.

Примерами взрывов физического характера могут служить взрывы сжатых газов или взрывы, связанные с эксплуатацией паровых котлов.

18

Взрывы, связанные с химическим превращением взрывчатых веществ (ВВ), являются разновидностью реакций горения.

Такие вещества уже содержат в своем составе и окислитель ( NO2), и восстановитель ( СН группы). Например, взрыв кристаллического 2,4,6-тринитротолуола (тротила) сопровождается повышением температуры и давления образовавшихся газообразных продуктов реакции:

NO2

O2N CH3 32 N2 + 52 H2O + 72 CO + 72 C ; NO2

Энергетический потенциал (∆Н) взрыва тротила составляет 4520 кДж/кг.

Аналогичная картина наблюдается при взрыве жидких ВВ, например, тринитроглицерина:

H2CONO2

Горение при взрыве сопровождается высокой скоростью энерговыделения и распространения пламени в соответствующей среде. Например, для твердых ВВ таких, как тротил и жидких таких, как тринитроглицерин скорость распространения взрывной волны лежит в пределах 2 – 9 тыс. м/с.

Заметим, что при взрыве горючей газовой смеси скорость распространения взрывной волны лишь в несколько раз превосходит скорость звука и составляет около 1 тыс. м/с.

Специалисты по взрывному делу обратили внимание на то, что энергетический потенциал (суммарное выделение

19

энергии при взрыве) газовых смесей, таких как метан – воздух, водород – воздух намного превосходит традиционные взрывчатые вещества. Например, энтальпия сгорания 1 кг водорода в стехиометрической смеси с кислородом воздуха составляет 120 МДж/кг, в то время как такой же показатель для тротила равен, как было сказано выше, всего 4520 кДж/кг. Известно, что при определении энергетического потенциала ВВ учитывается масса и горючей и окислительной части взрывчатого вещества. Для газовой смеси учитывается энергетический потенциал только по горючему веществу. Это обстоятельство использовано при создании боеприпасов объемного взрыва («вакуумных бомб»). В таких бомбах сначала подрывается вспомогательный заряд, разрушая корпус, содержащий, например, такое горючее вещество, как этиленоксид. Горючее вещество распыляется на значительное пространство, смешиваясь с воздухом и заполняя негерметизированные полости и укрытия. Затем эта смесь, близкая к стехиометрическому составу, подрывается специальным детонатором, установленным в бомбе. Происходит громадный объемный взрыв большой разрушительной силы, превосходящий взрыв ВВ в несколько раз.

Различают два вида взрывного горения: дефлаграционное и детонационное горение.

Дефлаграционное горение осуществляется посредством передачи энергии в форме теплоты в соседние с зоной горения участки ВВ. Скорость развития дефлаграционного горения зависит главным образом от теплоемкости и теплопроводности горючего материала, по которому распространяется горение.

Детонационное горение осуществляется посредством скачкообразного изменения давления, температуры, плотности ВВ в узкой зоне, где происходит горение. Эта узкая зона – детонационная волна распространяется с громадной скоростью и вызывает самовоспламенение ВВ.

Детонационная волна – один из видов ударной волны, распространение которой сопровождается тепловыделением

20