Охорона праці - Москальова В.М - 4.2.1. Теоретичні основи процесу горіння

4.2.1. Теоретичні основи процесу горіння

Що таке горіння?

У кінці ХІХ ст. академік А. М. Бах розробив теорію процесів окислення, встановивши, що вони самочинно відбуваються у природних умовах. Пізніше цю проблему досконало обґрунтовував академік М. М. Семенов, за що йому в 1956 р. було присвоєно Нобелівську премію.

Процес горіння, згідно з теорією М. М. Семенова - це ланцюгова реакція самозаймання горючої речовини, коли її молекули вступають у реакцію, створюючи активні центри. Через подальшу активацію виникають нові активні центри, що призводить до подальшого окислення нових порцій горючої речовини.

Доповненням до теорії ланцюгової реакції процесу горіння є теорія, згідно з якою молекули горючої речовини через надлишок теплоти, розпадаються на атоми і радикали, які мають підвищену хімічну активність, що продовжує ланцюгову реакцію доти, доки не вигорить весь об’єм горючої речовини. Тривалість ланцюгової реакції залежить від фізико-хімічних властивостей горючої речовини, кількості кисню та інших чинників, що обумовлюють протікання процесів горіння.

Горіння — це екзотермічний процес, який охоплює окисно-відновні перетворення речовин і (або) матеріалів і характеризується наявністю летких продуктів і (або) світлового випромінювання.

Основою процесу горіння є комплекс екзотермічних окислювально-відновних реакцій горючої речовини з окисником. Однак деякі речовини (стиснений ацетилен, хлористий азот, озон) можуть вибухати без кисню з утворенням тепла і полум’я.

Які умови необхідні для виникнення процесу горіння?

Процес горіння потребує наявності трьох компонентів: речовини, що здатна горіти; джерела вогню з необхідним запасом енергії горіння, певної кількості окисника.

Окисником є кисень, у якому найбільш бурхливо відбуваються процеси горіння. Окисником можуть бути кисневмісні речовини, такі як марганцевокислий калій КМn2О4 селітра КNО3, азотна кислота НМ03 та ін.

При зниженні концентрації кисню у повітрі, інтенсивність горіння різко послаблюється, а при 14 % горіння більшості речовин вже припиняється.

Найбільш розширеними джерелами вогню є: іскри, механічне тертя, апарати вогневої дії, адіабатичне стиснення, розряди статичного струму, хімічні реакції і т д.

Для процесу горіння у звичайних умовах має бути речовина здатна горіти у одному з трьох агрегатних станів: рідкому, твердому, газоподібному.

Як класифікуються види горіння?

Горіння може бути повним і неповним. При надмірній кількості кисню у повітрі горіння буде повним, при недостатній кількості кисню згоряння буде неповне.

Залежно від швидкості хімічної реакції, горіння може відбуватися у вигляді: тління (швидкість декілька см/с), власне горіння (декілька м/с), вибуху (сотні м/с) і детонаційне (тисячі м/с).

Залежно від швидкості розповсюдження полум’я горіння умовно класифікується як дефлаграційне, що відбувається з дозвуковими швидкостями, або як детонаційне, що має надзвукові швидкості.

Якщо горіння виникає у замкненому просторі, то за рахунок теплопровідності і високої температур незгорілий газ починає невпорядковано рухатись у суміші, збільшуючи поверхню полум’я, що призводить до вибуху дефлаграційного характеру.

Вибухове горіння - це швидке перетворення речовини, що супроводжується виділенням енергії та утворенням стиснених газів.

У процесі подальшого розповсюдження полум’я посилюється стиснення незгорілого газу перед фронтом полум’я. Таке стиснення супроводжується утворенням послідовних слабких ударних хвиль, які затим з’єднуються в одну потужну ударну хвилю.

Коли температура в ударній хвилі стає досить високою, виникає новий стійкий режим, що має назву — детонація, при якій передача теплоти здійснюється не шляхом повільного процесу теплопровідності, а шляхом розповсюдження ударної хвилі, у точці утворення якої настає різкий стрибок тиску до 20-30 кПа.

Детонація — це горіння, що розповсюджується з швидкістю, яка перевищує швидкість звуку (тисячі м/с).

Дозвукове горіння поділяється на ламінарне і турбулентне. Ламінарне горіння характеризується пошаровим поширенням фронту полум’я по свіжій горючій суміші, турбулентне — змішуванням шарів потоку.

Якщо речовина утворює з повітрям горючу суміш, вона вважається готовою до горіння. Важливою характеристикою горючої суміші є процентне співвідношення горючої речовини і кисню у повітрі. Горючі суміші залежно від співвідношення пального та окисника бувають бідними або багатими.

Горючі системи бувають хімічно однорідними й неоднорідними, а відтак горіння буває гомогенним і гетерогенним, або кінетичним і дифузійним.

Гомогенне (кінетичне) горіння - це горіння заздалегідь підготовленої суміші, у якій реагуючі речовини перебувають в одному агрегатному стані (суміші горючих газів, пари, пилу з повітрям.)

Гетерогенне (дифузійне) горіння відбувається тоді, коли горюча речовина і окисник не перемішані між собою, а процес горіння лімітується дифузією кисню у зону полум’я. Це буває тоді, коли реагуючі речовини перебувають у різних агрегатних станах і між ними є межа поділу фаз у горючій системі (рідкі і тверді горючі речовини). Більшість пожеж відбуваються шляхом гетерогенного дифузійного горіння, яке лімітується дифузією кисню повітря в осередок горіння.

Час, протягом якого згоряє вся горюча суміш, складається з часу, необхідного для появи контакту між горючою речовиною та окисником, і часу, протягом якого відбувається хімічна реакція окислення. Залежно від співвідношення складових цього часу здійснена класифікація, описаних вище видів горіння.