Материал: Теория горения и взрыва. Возникновение и распространение горения. Оценка пожарозрывоопасности веществ и материалов. Однолько А.А., Колодяжный С.А

Диффузионное горение газов и паров

При диффузионном горении горючая смесь готовится в процессе горения и его скорость определяется (тормозится) скоростью смешения горючего и окислителя. Поэтому диффузионное горение менее быстрое, чем кинетическое: U^диф_пл = 0,4 – 2,5 м/с, тогда как у кинетического скорость составляет 2 – 150 м/с. Ударная волна не образуется, хотя сравнительно небольшое избыточное давление все же имеется – 0,5 кПа (реже до 5 кПа). Появление избыточного давления связано с тем, что из 1 л горючего газа образуется 10 л продуктов горения.

Так как интенсивность диффузионного горения в 1000 раз меньше, чем у кинетического, толщина пламени больше (химические превращения занимают больше времени) и достигает ^диф _пл  1 см.

Температура горения составляет порядка 1000 – 1200 С, до 1500 С.

Различают ламинарное и турбулентные диффузионные пламена.

Ламинарное диффузионное горение

Спокойное горение, когда видно очертание слоев пламени.

Структура ламинарного диффузионного пламени газовой горелки приведена на рис. 4.5, высота пламени зависит от скорости подачи газа.

Подача

воздуха

Подача газа

Рис. 4.5. Структура ламинарного диффузионного пламени

Турбулентное диффузионное горение

Ламинарное пламя переходит в турбулентное при увеличении скорости подачи газа или наличии помех.

Механизмы распространения турбулентного пламени:

• тепловой;

• диффузионный;

• «забрасывание» пламени в свежую смесь в результате турбулентных пульсаций. Скорость турбулентного пламени не постоянна, т.к. появляется пульсация (забрасывание) пламени.

Другими словами, при турбулентном режиме горения к диффузионно-тепловому механизму распространения пламени добавляется дробление, забрасывание пламени. Турбулентное пламя состоит из отдельных объемов свежей смеси, горящих в окружении продуктов горения с нормальной скоростью. Поэтому турбулентное пламя более быстрое, чем ламинарное. Интенсивность турбулентного пламени в 100 - 1000 раз выше чем ламинарного.

Таким образом, различают кинетическое и диффузионное горение газопаровоздушных смесей. Кинетическим называют горение предварительно перемешанных смесей горючего и окислителя. На пожарах обычно имеет место диффузионное горение, когда смешение смеси происходит в процессе горения. Скорость такого горения лимитируется скоростью образования горючей смеси, т.е. смешением горючего и окислителя за счет диффузии. При распространении пламени по газопаровой системе исходную смесь от продуктов горения отделяет узкая светящаяся зона, называемая фронтом пламени. Фронт пламени представляет собой трехмерную область, в которой начинается и завершается химическая реакция взаимодействия горючего с окислителем. В этой зоне выделяется вся потенциальная (химическая) энергия топлива в виде теплоты и температура горения повышается до максимального значения – температуры пламени. В зоне горения перед фронтом пламени концентрация исходных компонентов почти не меняется, поскольку химическое взаимодействие между ними не протекает и температура горючей смеси равна начальной. Непосредственно перед фронтом пламени (зоной пламенных реакций) концентрация регентов понижается, главным образом, вследствие разбавления ее продуктами горения. В зоне пламенных реакций в результате химической реакции горения концентрация исходных компонентов резко снижается практически до нуля, а температура достигает максимального значения. Вследствие молекулярной теплопроводности температура перед зоной химической реакции монотонно повышается от начальной температуры горючего вещества до температуры, близкой к температуре горения, образуя зону физического прогрева.

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите основные положение горения газов (паров).

2. Перечислите механизмы распространения кинетического горения.

3. Назовите способы передачи тепла из пламени в свежую ГПВС

4. Приведите значение толщины и скорости кинетического пламени?

5. Какие бывают значения возможных давлений детонационного и кинетического взрыва?

6. Перечислите изученные в этой главе показатели ПВО.

7. Какие факторы влияют на скорость пламени?

8. В каких случаях происходит переход ламинарного пламени в турбулентное?

9. Какие бывают значения толщины и скорости диффузионного пламени?

10. Приведите значение избыточного давления дефлаграционного горения.

11. Перечислите механизмы распространения турбулентного пламени.

4.4. Взрыв газопаровоздушной смеси

Различают взрывы:

• химические (сопровождающиеся химическими превращениями веществ);

• физические (не сопровождающиеся химическим превращением веществ).

Химические взрывы делят на объемные и взрывы конденсированных взрывчатых веществ (ВВ).

Для взрыва конденсированных ВВ не требуется кислород, в этом их отличие от взрывоопасных веществ. К конденсированным ВВ относятся, в частности:

• инициирующие (азид свинца, гремучая ртуть),

• бризантные (гексоген, динамиты, тротил, центролит),

• метательные (пороха, смесевые ракетные топлива – смесь перхлората аммония и органического связующего), взрывчатые вещества.

Некоторые характеристики разных видов взрывов приведены на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Характеристики различных видов взрывов

Форма работы взрыва может быть общего (фугасного) действия (ударная волна формируется на расстоянии от очага взрыва, максимальное разрушающее действие возникает при ударе о препятствие) и бризантного действия (дробление и разрушение тел, непосредственно примыкающих к месту взрыва). Бризантное действие характерно для конденсированных ВВ. Взрывная волна бывает проходящая и отраженная (последняя, как правило, мощнее).

В целом, если образуется ударная волна, то говорят о взрыве. К объемному взрыву приводит кинетическое горение (горение заранее подготовленной смеси), которое может быть дефлаграционным или детонационным.

Кинетическое дефлаграционное горение. При высокой скорости горения (от 50 до 900 м/с), свойственной кинетическому горению, фронт пламени сдвигает и сжимает свежую смесь, что приводит к значительному повышению давления. При наличии препятствия избыточное давление дефлаграционного горения образует проходящую и отраженную ударную волну (главную разрушающую силу взрыва), избыточно давление взрыва Р_взр достигает 1000 кПа.

Отметим, что взрыв ВВ приводит к более высоким давлениям, однако уже при избыточном давлении ударной волны порядка Р = 50 кПа наблюдается 50 % разрушение зданий, при Р = 500 кПа – здание разрушается полностью. Избыточное давление Р = 5кПа считается предельным безопасным давлением – разрушается только остекление, конструкции остаются целыми.

При разрыве емкости с горючей жидкостью, если давление жидкости больше атмосферного Р_жР_атм или топливно-воздушная смесь слишком богатая для одномоментного сгорания, образуются так называемый взрыв BLEVE (расширяющихся паров вскипающей жидкости), характеризующийся всплывающим огненным шаром. Характеризуется очень мощным излучением, зажигающим горючие вещества на расстоянии до 350 м. Взрывная волна сравнительно слабая.

Кинетическое детонационное горение (взрыв) – разновидность взрыва, при котором образуется самоподдерживающаяся сверхзвуковая волна (со скоростью порядка километров в секунду), сжимающая свежую смесь до такой степени, что в месте ее прохождения, еще до подхода пламени, начинается горение. Детонационная ударная волна не требует препятствий для своего развития. Детонация характеризуется очень сильными разрушениями, так как давление в проходящей волне достигает 2 МПа, в отраженной волне – 10 МПа.

Главное отличие детонации от дефлаграционного горения и дефлаграционного взрыва заключается:

• в очень высокой скорости распространения (порядка скорости звука и выше; при скорости горения, меньшей 45 м/с, возбуждение детонации не наблюдалось),

• в механизме распространения зоны горения.

Рассмотренные характеристики горения ГПВС приведены на рис. 4.7.

На пожарах чаще всего встречается дефлаграционные горение и взрыв.

Детонация – достаточно редкое явление на пожаре и может возникнуть при взрыве газопаровоздушных смесей при выполнении ряда условий:

• возникновение ударной волны, приводящей к возбуждению детонации;

• высокая скорость выделения энергии возбудителя детонации;

• ускорение и турбулизация пламени, приводящие к увеличению площади его поверхности и т.д. Необходимо достаточное расстояние - звуковой уровень скоростей достигается при L_кр = 70 м (водород), 600 м (этан), 3500 м (пропан), 5000 м (метан).

Рис. 4.7. Некоторые характеристики различных видов горения ГПВС

Случаи детонации фиксировались в газопроводах, при разливах легковоспламеняющихся жидкостей, в штольнях угольных шахт. В целом природа детонации еще нуждается в изучении. На практике детонация чаще наблюдается при взрыве различного рода взрывчатых веществ.

Итак, ударная волна – основная разрушающая сила взрыва. Ее мощность зависит от давления сжатия свежей смеси и продуктов горения, создаваемого при горении.

Представляется интересным выяснить, от чего зависит давление взрыва.

Факторы, влияющие на давление взрыва

1. Природа горючего газа (давление взрыва водорода, ацетилена до 8 раз больше чем у метана).

2. Состав смеси – концентрации газа (пара) и наличия флегматизаторов. При нижнем или верхнем КПРП (таких взрывов большинство) давление взрыва небольшое, здание обычно остается целым. Максимальное давление взрыва происходит при концентрациях газа (пара), немного превышающих стехиометрическую концентрацию (_смк). В практике наиболее мощные взрывы случались тогда, когда утечка газа происходила достаточно долго и создавалась концентрация, близкая к стехиометрической.

Стехиометрическая концентрация рассчитывается по следующим формулам:

[%], (4.8)

где – стехиометрический коэффициент;

[г/м³], (4.9)

где – молекулярная масса.

Пример. Определить наиболее пожаровзрывоопасную (стехиометрическую) концентрацию пропана С₃Н₈.

1. определяем β:

С₃Н₈+5(О₂+3,76N₂)=3СО₂+4Н₂О+3,76N₂, β=5;

3. Размещение проемов. При сосредоточенном размещении проемов в помещении давление взрыва Р_взр существенно ниже, чем при рассредоточенном размещении проемов (рис. 4.8).

4. Толщина конструкций (остекления). При увеличении толщины конструкций давление взрыва возрастает. На рис. 4.9 показана разница давлений взрыва Р_взр для помещений с неостекленными и с остекленными проемами, имеющими давление вскрытия Р_вскр = 2 кПа.

Д авление взрыва Р_взр

А – Р_взр при распределенном размещении проемов

В – Р_взр при сосредоточенном размещении проемов

А

В

время взрыва , с

Рис. 4.8. Зависимость давления взрыва Р_взр от размещения проемов