Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Документ'
В наше время средства по уходу за волосами – это неотъемлемая часть здоровой комфортной жизни. Одним из самых распространенных этих средств является ...полностью>>
'Анализ'
В 2010 – 2011 учебном году в педагогическом коллективе «Лицея Информационных Технологий» работали 64 человека, входящих в состав следующих предметных...полностью>>
'Рабочая программа'
Сборник “Программы для общеобразовательных школ, гимназий, лицеев: Математика. 5-11 кл.”/ Сост. Г.М.Кузнецова, Н.Г. Миндюк. – 3-е изд., стереотип.- М...полностью>>
'Книга'
Книга повествует о годах совместной работы автора с известным российским ученым хирургом-новатором академиком Г. А. Илизаровым. В ней раскрыты черты ...полностью>>

Корольченко А. Я. Процессы горения

Главная > Книга
Сохрани ссылку в одной из сетей:




Корольченко А.Я.

Процессы горения и взрыва. -М.: Пожнаука, 2007. -266 с, ил.

ISBN 978-5-91444-001-2

Книга написана применительно к действующей программе по дисциплине «Теория горения и взрыва» для высших учебных заведений. В ней изложены ос­новные разделы современной теории горения: химические и тепло-массообменные процессы при горении, механизм превращения исходных веществ в продукты го­рения, условия возникновения горения, процессы распространения пламени по га­зовым смесям, аэрозолям, твердым веществам, условия прекращения горения.

В книге рассмотрены характеристики горения и параметры пожаровзрыво-опасности газов, жидкостей, пылей и твердых материалов. Материал книги иллю­стрируется справочными данными, графиками и примерами. Показана тесная связь теории горения с прикладными науками о безопасности технологических процес­сов и строительных объектов.

Книга предназначена в качестве учебника для студентов технических вузов и может служить полезным пособием для научных и инженерно-технических работ­ников сферы обеспечения пожаровзрывобезопасности различных объектов, а также для преподавателей теории горения и смежных с нею дисциплин.

ISBN 978-5-91444-001-2

© Корольченко А.Я. О Пожнаука, 2007

Оглавление

Предисловие 6

Глава 1. Основные понятия теории горения 8

  1. Основные явления при горении 8

  2. Гомогенное, гетерогенное и диффузионное горение 12

  3. Горение в движущемся газе 15

  4. Турбулентное горение 16

  5. Особенности горения взрывчатых веществ 18

  6. Термодинамика сгорания углеводородовоздушных смесей 19

Глава 2. Химические процессы при горении 30

2.1. Цепные реакции 30

Зарождение цепей 33

Продолжение цепей 34

Обрыв цепей 37

  1. Химические процессы при горении водорода 39

  2. Химические реакции при горении оксида углерода 40

  3. Горение углеводородов 43

  4. Горение углерода 45

Глава 3. Возникновение процессов горения 48

  1. Самовоспламенение. Стационарная теория 48

  2. Зажигание 53

  3. Самовозгорание 59

Тепловое самовозгорание 64

Химическое самовозгорание 66

Микробиологическое самовозгорание 67

Математическая модель процесса самовозгорания насыпи

растительного материала 68

Приближенное решение задачи самовозгорания дисперсных
материалов для реакции порядка 75

3

Глава 4. Развитие горения 83

4.1. Распространение пламени по газам 83

Дефлаграционное горение 83

Детонация... 88

Переход дефлаграционного горения в детонацию 91

Расчет параметров детонационных волн в смесях водород-
кислород-инертный газ 93

4.2. Горение парогазовых смесей при повышенных температурах

и давлениях 102

4.3. Взрывы пылей 103

Влияние относительного движения фаз аэровзвеси на

распространение пламени 103

Гидродинамический анализ горения аэрозолей 112

Фазодинамический режим распространения пламени

по аэродисперсной системе 122

4.4. Диффузионное горение жидкостей 127

Механизм горения 127

Форма и размеры пламени 130

Прогрев жидкости при горении 131

Влияние диаметра сосуда на скорость выгорания 132

Влияние концентрации кислорода на скорость выгорания... 133

4.5. Горение твердых материалов 134

Механизм горения 134

Процессы тления в пенопластах 141

4.6. Горение дисперсных веществ в слое 145

Глава 5. Прекращение горения 154

  1. Условия потухания пламени 154

  2. Флегматизация 157

Флегматизация газовых смесей 157

Флегматизация пылевоздушных смесей инертными

разбавителями 159

Флегматизация пылевоздушных смесей инертными
частицами 162

5.3. Ингибирование 163

4

Глава 6. Характеристики горения газов 168

  1. Температура самовоспламенения 168

  2. Энергия зажигания 173

  3. Концентрационные пределы распространения пламени 177

  4. Нормальная скорость горения 187

  5. Флегматизирующие концентрации инертных разбавителей ... 190

  6. Давление взрыва 196

Глава 7. Характеристики горения жидкостей 201

  1. Температура вспышки 203

  2. Температура воспламенения 210

  3. Температура самовоспламенения , 212

  4. Температурные пределы распространения пламени 215

  5. Скорость выгорания 224

Глава 8. Характеристики горения аэрогелей и аэрозолей 229

  1. Показатели пожаровзрывоопасности аэрозолей 230

  2. Факторы, влияющие на опасность аэрозолей 233

Дисперсный состав твердой фазы 234

Теплота сгорания 237

Температура и давление 239

Влагосодержание частиц и воздуха 241

Состав твердой фазы аэрозоля 245

Газообразные флегматизаторы 249

  1. Гибридные смеси 252

  2. Показатели пожарной опасности аэрогелей 257

Литература 265

5

Предисловие

Данный курс процессов горения и взрыва предназначен для студен­тов, обучающихся по специальности «Пожарная безопасность» строительных и политехнических вузов. Он основан на лекциях, кото­рые читаются для студентов Московского государственного строитель­ного университета, и включает основные разделы теории горения: воз­никновение горения, его развитие и прекращение.

Процессы горения широко используются в различных сферах: в двигателях внутреннего сгорания, на тепловых электростанциях, в воен­ном деле (горение порохов, ракетного топлива). Подобные процессы реализуются на пожарах.

Имея общую физико-химическую основу, процессы горения в пе­речисленных областях характеризуются рядом особенностей, обуслов­ленных условиями их протекания, масштабами и др. факторами.

В данной книге излагаются теоретические основы процессов горе­ния, протекающих на пожарах. Знание этих основ необходимо для ус­пешного освоения студентами общепрофессиональных и специальных дисциплин: огнестойкость строительных конструкций, взрывоустойчи-вость зданий, пожарная безопасность электроустановок, здания, соору­жения и их устойчивость при пожаре, пожарная безопасность техноло­гических процессов, производственная и пожарная автоматика, прогно­зирование опасных факторов пожара.

При подготовке учебника использованы труды отечественных уче­ных в области теории горения: акад. Н. Н. Семенова, акад. Я. Б. Зельдо­вича, акад. Д.А. Франк-Каменецкого, акад. В. В. Азатяна, докт. техн. на­ук, проф. А.И. Баратова.

В книгу включены результаты исследований процессов горения и взрыва, полученные автором в период работы в ВНИИ Противопо­жарной обороны совместно с сотрудниками и учениками: докт. техн. наук, проф. Ю. Н. Шебеко, докт. техн. наук Л. П. Вогманом, докт. техн. наук, проф. В. В. Мольковым, докт. техн. наук Н. И. Константи­новой, докт. техн. наук В. Ю. Навценей, докт. техн. наук Н. Л. Поле-

6

таевым, докт. техн. наук Л. П. Шевчуком, докт. техн. наук С. Г. Ца-риченко, канд. техн. наук В. А. Зуйковым, канд. техн. наук А. Б. Иль­иным, канд. техн. наук И. М. Смолиным, канд. техн. наук С. А. Ша-роварниковым, канд. техн. наук В. И. Цапом. *

* Некоторые разделы учебника выходят за пределы вузовского курса дисциплины «Теория горения и взрыва» и не являются обязательными для изучения. К ним от­носятся: «Расчет параметров детонационных волн в смесях водород-кислород-инертный газ», «Влияние относительного движения фаз аэровзвеси на распро­странение пламени», «Гидродинамический анализ горения аэрозолей», «Фазодина-мический распространения пламени по аэродисперсной системе», «Влияние кон­центрации кислорода на скорость выгорания». Однако автор счел необходимым включить эти разделы в учебник для более глубокого понимания сложных процес­сов, протекающих при горении. Кроме того, освоение этих разделов имеет при­кладное значение. Например, значение особенностей развития пылевых взрывов позволяет разрабатывать эффективное мероприятия по их предупреждению и снижению тяжести последствий в случае их возникновения.

7

Глава 1.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ

1.1. Основные явления при горении

В природе и технике большое значение имеют быстропротекающие эк­зотермические процессы, сопровождающиеся выделением огромного количества тепла - процессы горения. При возникновении и развитии лес­ных пожаров, при сжигании каменного угля, дров, нефтепродуктов, при работе двигателей внутреннего сгорания протекают процессы горения. Эти же процессы сопровождают пожары в зданиях и сооружениях.

Имея одинаковую физико-химическую природу, процессы горения внутри топочных устройств и при пожарах различаются масштабами, ус­ловиями тепло- и массообмена.

Поэтому, рассматривая закономерности возникновения и развития горения, мы будем учитывать, что описываемые явления относятся преж­де всего к пожарам в зданиях и сооружениях.

Основная особенность явлений горения заключается в возможности их самоподдерживания и саморазвития. Реализуясь при высокой темпера­туре, реакции горения сами и создают эту температуру. Под горением мы будем понимать процесс протекания экзотермических химических реак­ций в условиях прогрессивного самоускорения, обусловленного накопле­нием в горючей системе тепла или катализирующих продуктов реакции. При этом мы будем разделять тепловые и цепные (автокаталитические) процессы при горении. Во втором случае решающее значение для реали­зации процессов горения имеют реакции с разветвляющимися цепями.

Особенности явлений горения заключаются в наличии критических условий их возникновения и в способности распространения по горючей смеси. При тепловом горении распространение пламени происходит по­средством передачи тепла из зоны реакции в свежую смесь, при цепном -посредством передачи активных веществ.

При тепловом горении цепные реакции также имеют место, но в от­личие от чисто цепных процессов повышение температуры является ос­новной причиной ускорения реакции. Поскольку скорость реакции зави-

8

Глава 1. Основные понятия теории горения

сит от температуры по экспоненциальному закону, а от концентраций реа­гирующих веществ только по степенному, то влияние нагрева, как прави­ло, существеннее.

Во всех процессах горения, независимо от их химической природы основную роль играют критические явления при возникновении горения и условия распространения зоны реакции. Критические явления при воз­никновении горения характеризуются резким изменением режима проте­кания процесса при незначительном изменении внешних условий. Скоро­сти всех элементарных химических процессов являются непрерывными функциями температуры, которые отражаются законом Аррениуса:

где к - константа скорости реакции; А - предэкспоненциальный множи­тель, Е - энергия активации; R - универсальная газовая постоянная; Т -температура.

Критические условия возникновения горения являются результатом нарушения теплового равновесия между реагирующей системой и окру­жающей средой.

К критическим условиям относятся самовоспламенение, зажигание и условия распространения пламени. При этом разница между самовос­пламенением и зажиганием по существу условна.

В теории горения самовоспламенением называют возникновение го­рения в горючей смеси, помещенной в нагретый сосуд, температура сте­нок которого принимается равной начальной температуре смеси.

Зажиганием (или вынужденным воспламенением) называют возникно­вение горения под действием местного теплового импульса, воздействующе­го на небольшую часть горючей смеси. В качестве теплого импульса прини­мают электрическую искру или накаченную поверхность. Электрическая ис­кра рассматривается как чисто тепловой импульс, нагревающий малый объ­ем газа до высокой температуры. При впуске холодной горючей смеси в со­суд с нагретыми стенками возможен непрерывный переход от самовоспла­менения к зажиганию. Его можно рассматривать как процесс зажигания, в котором роль горячей поверхности играет вся поверхность стенок сосуда. Повышая начальную температуру горючей смеси до температуры стенок со­суда, можно осуществить непрерывный переход к самовоспламенению.

Простейшим примером возникновения горения можно считать теп­ловое самовоспламенение, описанное Вант-Гоффом. Согласно его пред-

9

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва

ставлениям условием теплового воспламенения является нарушение теп­лового равновесия между реагирующей системой и окружающей средой. Академиком Н. Н. Семеновым и его учениками было открыто и детально исследовано явление цепного самовоспламенения, реализация которого происходит при нарушении равновесия между образованием и расходова­нием активных продуктов авто каталитической реакции. Условие возник­новения самовоспламенения связывает все параметры, влияющие на ско­рость реакции и на отвод тепла или активных продуктов в окружающую среду. Самовоспламенение происходит при изменении любого из этих параметров: либо свойств горючей смеси (температуры, давления, соста­ва, коэффициентов теплопроводности или диффузии), либо размеров со­суда, в котором протекает реакция. Наибольшее влияние на скорость ре­акции по сравнению с другими факторами имеет температура.

Критические условия зажигания местным тепловым импульсом также заключаются в нарушении теплового равновесия горючей системы. Условие самовоспламенения в простейшем случае (для чисто гомогенной реакции) включает только свойства и объем горючей смеси. Температура стенок сосуда, в котором находится смесь, предполагается заданной и по­стоянной. За время развития процесса самовоспламенения она практиче­ски не изменяется. При этих допущениях, хотя воспламенение и зависит от условий теплоотдачи, последние могут приниматься независящими от свойств стенок сосуда. Поэтому задача о воспламенении считается одной из простейших задач теории горения. А условие самовоспламенения - не­посредственной характеристикой горючей смеси*.

Условие самовоспламенения характеризует невозможность сохра­нения теплового равновесия в объеме горючей смеси с определенными размерами и свойствами. Условия же зажигания характеризуют наруше­ние этого равновесия при заданных начальных условиях.

При увеличении размеров зажигающей поверхности вплоть до пол­ного окружения его объема горючей смеси реализуется непрерывный пе­реход от зажигания к самовоспламенению.

После зажигания смеси каким-либо источником возможны два вари­анта: затухание пламени вблизи источника зажигания или его распростра­нение на весь объем горючей смеси. Реализация того или иного варианта

В практике обеспечения пожарной безопасности принято использовать понятие «стандартная температура самовоспламенения» или просто «температура само­воспламенения».

10

Глава 1. Основные понятия теории горения

зависит прежде всего от состава смеси, от концентрации горючего компо­нента. Для возможности распространения пламени существенна не на­чальная температура смеси, а температура, развивающаяся при горении. Схема распространения пламени по горючей газовой смеси показана на рис. 1.1.

Рис 1.1. Схема распространения пламени по горючей газовой смеси

В левой части рис. 1.1 показана вертикально расположенная трубка, заполненная горючей газовой смесью. При инициировании горения каким-либо источником в трубке формируется зона реакции (зона светящегося пламени), которая поднимается вверх. При этом наблюдается послойное сгорание смеси. Распределение температуры в окрестности зоны реакции показано на диаграмме в правой части рис. 1.1. Заметные превращения ком­понентов исходной смеси начинаются при температуре примерно 700 К; в зоне реакции температура достигает 1500-1600 К. За зоной активной реак­ции наблюдается некоторое увеличение температуры. Далее имеет место область примерно постоянной температуры, в которой потери тепла, на из­лучение, конвекцию и диффузионное охлаждение компенсируются выде­лениями тепла за счет рекомбинации радикалов и догорания избытка топ­лива. Затем пламя охлаждается и превращается в горячий газ. Ширина зоны реакции составляет 0,2-0,4 мм.

Распространение пламени по горючей газовой смеси характеризует­ся величиной нормальной скорости горения. Нормальным горением назы-

11

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва

вается распространение пламени при отсутствии газодинамических эф­фектов, обусловленных градиентами давления или турбулентностью. Скорость распространения этого идеализированного процесса называется нормальной скоростью пламени (горения). Она зависит только от кинети­ки реакции горения, коэффициентов диффузии и теплопроводности.

В начальных условиях процесс горения всегда сопровождается дви­жением газа. Если такое движение и не создается искусственно, оно воз­никает самопроизвольно вследствие термического расширения сгоревших объемов. При неоднородном движении газа искривление фронта пламени приводит к увеличению скорости горения. При возникновении турбу­лентности механизм ускорения горения определяется соотношением меж­ду масштабом турбулентности и толщиной фронта пламени. (Под толщи­ной фронта пламени понимается зона, в которой происходят химические реакции горения.) При крупномасштабной турбулентности (т. е. когда масштаб турбулентности существенно больше толщины фронта пламени) увеличивается поверхность пламени и, соответственно, скорость горения. При мелкомасштабной турбулентности меняется механизм тепломассопе-редачи во фронте пламени. Она осуществляется уже не молекулярной, а турбулентной теплопроводностью и диффузией.

При сверхзвуковом движении газа в нем возникают ударные волны -поверхности, где резкое сжатие происходит на расстоянии порядка свободного пробега молекул. В этих условиях работа сжатия преобразуется в тепловую энергию. Происходящий при этом разогрев приводит к самовоспламенению горючей смеси. Распространение горения посредством воспламенения удар­ной волной называется детонацией. Скорость детонации превосходит скорость распространения звука. В механизме детонации теплопередача и диффузия активных центров в свежую смесь не играют существенной роли. Тепло потери из зоны реакции могут быть существенны только для пределов детонации.

1.2. Гомогенное, гетерогенное и диффузионное горение

Перечисленные в предыдущем разделе физические явления наблю­даются в самых разнообразных процессах, различающихся как по природе химических реакций, так и по агрегатному состоянию участвующих в го­рении веществ.

Различают гомогенное, гетерогенное и диффузионное горение.

12

Глава 1. Основные понятия теории горения

К гомогенному относится горение предварительно перемешан­ных газов*. Многочисленными примерами гомогенного горения явля­ются процессы сгорания газов или паров, в которых окислителем яв­ляется кислород воздуха: горение смесей водорода, смесей оксида уг­лерода и углеводородов с воздухом. В практически важных случаях не всегда выполняется условие полного предварительного перемеши­вания. Поэтому всегда возможны комбинации гомогенного с другими видами горения.

Гомогенное горение может быть реализовано в двух режимах: ламинарном и турбулентном. Турбулентность ускоряет процесс горе­ния за счет дробления фронта пламени на отдельные фрагменты и со­ответственно увеличения площади контакта реагирующих веществ при крупномасштабной турбулентности или ускорения процессов те-пломассопереноса во фронте пламени при мелкомасштабной. Турбу­лентному горению присуща автомодельность: турбулентные вихри увеличивают скорость горения, что приводит к увеличению турбу­лентности.

Все параметры гомогенного горения проявляются и в процессах, в которых окислителем выступает не кислород, а другие газы. Напри­мер, фтор, хлор или бром.

При пожарах наиболее распространены процессы диффузионно­го горения. В них все реагирующие вещества находятся в газовой фа­зе, но предварительно не перемешаны. В случае горения жидкостей и твердых веществ процесс окисления горючего в газовой фазе проис­ходит одновременно с процессом испарения жидкости (или разложе­ния твердого материала) и с процессом смешения.

Простейшим примером диффузионного горения является горе­ние природного газа в газовой горелке. На пожарах реализуется ре­жим турбулентного диффузионного горения, когда скорость горения определяется скоростью турбулентного смешения.

При этом различают макросмешение и микросмешение. Процесс турбулентного смешения включает последовательное дробление газа на все более малые объемы и перемешивание их между собой. На по­следней стадии окончательное молекулярное смешение происходит молекулярной диффузией, скорость которой увеличивается по мере уменьшения масштаба дробления. По завершении макросмешения

* Подобное горение зачастую называют кинетическим.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Документация об аукционе по проведению открытого аукциона на право заключения государственного контракта на закупку печатных изданий книг Торги проводит

    Документация об аукционе
    Лот – предмет отдельного аукциона, путем проведения которого в порядке, предусмотренном законодательством о размещении государственных заказов, определяется лицо, получающее право на заключение отдельного государственного контракта
  2. Программы профессиональной подготовки, профессиональной переподготовки и повышения квалификации рядового и младшего начальствующего состава, работников и специалистов мчс россии Рассмотрено и одобрено на учебно-методическом совете мчс россии

    Документ
    Раздел 2.1. Деятельность органов исполнительной власти, специально уполномоченных на решение вопросов в области ГО, органов управления и подразделений ГПС МЧС России.
  3. Промышленная безопасность

    Документ
    1. Источники информации. * 30 3. . Данные о расследовании обстоятельств аварий 3S Глава 4. Природа опасностей и риска 39 4.
  4. Программа государственного междисциплинарного экзамена очной, очно-заочной форм обучения по специальности 280103

    Программа
    Программа гос. экзаменов обсуждена на заседании кафедры, утверждены дополнительные вопросы по ранее принятым дисциплинам (протокол № 4 от 14.10.2009 г) ТО ГО ЧС протокол № 4 от 8.
  5. Техническое задание Лот №1 Поставка зарубежной литературы для библиотеки гоу впо «СевКавгту»

    Техническое задание
    Порядок формирования цены контракта: в цену контракта должны быть включены все расходы Поставщика, связанные с выполнением контракта, в том числе расходы на доставку, разгрузку литературы до помещения библиотеки, оплату НДС и оплату

Другие похожие документы..