Сущность процесса горения, самовоспламенение, самовозгорание.

Горением называют физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества с окислителем (кислородом воздуха), в резуль­тате которого выделяется теплота и излучается свет. Это определе­ние процесса горения характеризует обычные условия строитель­ства.

Из химии известно, что в особых условиях окислителем в про­цессе горения может служить не только кислород, но и азотная кислота, хлор и др вещества. Кроме того, некоторые в-ва (например, сжатый ацетилен) могут взрываться (быстрое горение) без кислорода-с образованием теплоты и света. При этом происхо­дит реакция разложения, а не соединения.

В общем случае процесс горения можно охарактеризовать так: горение быстро протекающая хим реакция окисления, сопровождающаяся выделением теплоты и излучением света.

Согласно теории окисления, в реакции с горючим веществом участвуют лишь те молекулы кислорода, запас энергии которых достигает энергии активации или превышает ее. Под энергией акти­вации понимают тот минимум энергии, которым должны обладать взаимодействующие частицы, чтобы между ними произошла ре­акция.

Молекулы кислорода, обладающие энергией активации, при­обретают активное состояние, т. е. такое, при котором одна из двух связей в молекуле О₂ разорвана:

о=о-> — о—о—

Наличие свободных связей у атомов кислорода обеспечивает группе —О—О— высокую реакционную способность. Группа —О—О—, вступив в реакцию, образует перекись R—О—О—R или гидроперекись R—О—О—Н. Такие соединения нестойки — при на­гревании, ударе или трении они распадаются. В результате распада образуются атомарный кислород, свободные радикалы и атомы, способствующие окислению новых порций горючего в-ва.

Перекисная теория получила развитие и дополнение в теории цепных реакций. Согласно этой теории, при воздействии на молеку­лы вещества избыточным кол-ом энергии (теплоты, лучистой энергии, эл. разряда) они поглощают некоторое коли­чество теплоты и распадаются на атомы и радикалы (Н, С1, О, ОН, СН₂, C₂H₅ и Др.). Возникшие промежуточные продукты, обладая повышенной хим. активностью, во вторичных реакциях вос­станавливаются и могут продолжать реакцию. Продолжение пер­вичной реакции создает цепную реакцию.

При эксплуатации строит машин кислород воздуха мо­жет соединяться с горючим веществом (например, сжигание топли­ва в топке асфальтосмесителя). Горение возможно и при отсутствии воздушной среды, если кислород входит в состав окислителей (на­пример, горение порошка термита при сварочном процессе).

Процесс горения может возникнуть при наличии импульса, вы­зывающего воспламенение. Такими импульсами могут служить от­крытые, или светящиеся, источники — пламя, накаленная поверх­ность, лучистая энергия, искра и скрытые, или несвятящиеся,— трение, удар, адиабатическое сжатие, экзотермическая реакция. Некоторые источники воспламенения имеют следующую t° пламени, тления и нагрева, °С: пламя спички — 750...860,

тление папиросы —700...750, пламя древесной лучины-—850...1000.

На процесс горения сильно влияет продолжительность импуль­са воспламенения. Так, известно, что древесная доска загорается от пламени с t° 1200°С, воздействующего в течение 15...20 с. Но этот же материал не воспламеняется от горящего тер­мита с t° 3000°С, а в доске лишь прожигается отверстие, если контакт с термитом длится 2...3 с.

При нормальном атмосферном давлении в-ва в воздушной среде могут гореть при содержании кислорода более 14%- При не­достатке его в воздухе происходит неполное горение. Таким обра­зом, процесс горения может возникнуть и протекать при наличии трех факторов: горючего вещества, окислителя и источника вос­пламенения. Процесс горения может быть диффузионным и кинетическим. При диффузионном горении горючее в-во и воздух не переме­шаны друг с другом. В этом случае воздух соприкасается с поверх­ностью горючего вещества (как твердого, так и жидкого) и посту­пает к нему через продукты горения. Скорость горения будет зависеть от скорости диффузии кислорода воздуха в зону реакции. Диффузия — медленно протекающий процесс.

При кинетическом горении горючее в-во и воздух переме­шаны между собой и представляют чаще всего смесь газов. Скорость горения в этом случае не зависит от диф­фузии воздуха, а определяется скоростью хим реакции и проявляется как взрыв или детонация.

Кол-во воздуха V°_в, необходимого для горения горючего в-ва, зависит от его хим состава. Например, объем воздуха, потребный для горения 1 кг в-ва, составляет, м³: для древесины — 4,18, бензина—10,25, пропана — 23,8. В действитель­ности в условиях пожара воздуха V_в расходуется в 2...10 раз боль­ше против теоретической потребности.

Отношение V_в: V°_в=cc называют коэффициентом избытка воз­духа.

В результате горения образуются продукты сгорания в газооб­разном, жидком и твердом состоянии. При сгорании таких органи­ческих веществ, как древесина и бензин, образуются СО₂, СО, H₂O, N₂. Дым содержит частицы углерода — сажу.

Для горючих в-тв характерно выделение теплоты при их сгорании (с единицы массы или объема), называемой теплотой сгорания. Теплоту сгорания делят на высшую и низшую. Низшая теплота сгорания отличается от высшей на величину теплоты испа­рения влаги, имеющейся в продуктах сгорания. Теплота, выделяю­щаяся из зоны горения, нагревает продукты сгорания; t°, достигнутая ими при этом, называется t° горения.

 t° горения различают: калориметрическую, если про­дукты сгорания приобретают t° от всей выделяемой теп­лоты (допускается, что потери теплоты отсутствуют); теоретиче­скую, когда учитывают потери теплоты на диссоциацию продуктов

сгорания при t° горения более 1700°; действительную, т. e. t° пожара с учетом потерь теплоты на нагревание здания, излучение и др.

Процесс нагревания горючей смеси в сосуде можно представить графически (рис. 133,а), когда по оси абсцисс откладывают t° стенки сосуда и горючей смеси t, а по оси ординат — скоро­сти тепловыделения q₁ и теплоотвода q ₂ сосуда. При t ₀, когда t° недостаточна, кисло­род воздуха в реакцию с горючим не вступает из-за отсутствия активных молекул. При нагрева­нии смеси до t° t _}. и выше в ней появ­ляются активные молеку­лы и начинается реакция окисления с выделением теплоты. Скорость тепловыделения характеризуется кривой, уравнение которой

где Q —теплота сгорания горючей системы; V —объем горючей смеси; Ко — предэкспоненциальный множитель; С —концентрация горючего в системе; v—суммарный порядок реакции; Е — энергия активации; R — газовая постоянная; t — t° горючей смеси.

С повышением t° горючей системы t° сте­нок сосуда и окружающего воздуха также повышается, и при  t°, например, t ₂ начинается теплоотвод в окружающую сре­ду. Скорость теплоотвода можно выразить графически прямой ли­нией q ₂, уравнение которой имеет вид

где а - коэффициент теплоотвода от горючей системы к стенкам сосуда; А — поверхность стенок сосуда; t и t_c — t°горю­чей смеси и стенок сосуда. Линия теплоотвода пересекается с кривой тепловыделения в точке А. До этой точки соблюдалось условие q ₁ > q ₂, т. е. происходи­ло самонагревание системы. В точке А при состоянии, характери­зуемом q₁=q₂, окисление будет продолжаться и t° стенки сосуда повысится до t_c1.

При дальнейшем нагревании сосуда, например до t° t₃, t° стенки сосуда составит t_c3, линия теплоотвода не пересечется с кривой тепловыделения, горючая система будет само­нагреваться и при q ₁ > q ₂ начнется самовоспламенение.

При t° t₂, промежуточной между t ₁ и t ₃, когда линия теплоотвода будет касаться кривой тепловыделения в точке В, на­ступает тепловое равновесие. Но как только наступит состояние q ₁ > q ₂, начнется самонагрев вещества, приводящий к его само­воспламенению.

Следовательно, t° самовоспламенения горючего ве­щества нужно считать наименьшую t°   горючего веще­ства, при которой наступает самонагревание и начало горения.

Зависимость t° нагрева в-ва от времени показа­на на рис. 133,6. Точкой t _н обозначено начало нагрева горючей системы. На отрезке t _н — 1₀ затрачиваемая теплота расходуется на плавление, разложение и испарение горючего в-ва. В точке t ₀ начинается окисление, и за счет теплоты реакции окисления  t° в-ва возрастает быстрее. Когда тепловыделение из го­рючего вещества превысит теплоотдачу в окружающую среду, это в-во самовоспламенится в точке t_c. Пламя появится в точке t_п. Точкой t_г обозначена t° горения.

Температура самовоспламенения некоторых веществ и материа­лов следующая, °С: бензина — 255...300, древесины сосновой — 399, линолеума резинового — 410, плит древесноволокнистых — 345, вой­лока строительного — 370°С.

Исходя из t° самовоспламенения, горючие в-ва подразделяют на два вида: с t° самовоспламенения вы­ше t° окружающей их среды. Они самовоспламеняются лишь при нагреве их выше t° окружающей среды; такие в-ва, t° воспламенения которых ниже t° окружающей среды. Они воспламеняются без нагревания, т.к. окружающей их средой бывают нагреты до t° само­воспламенения; их называют самовозгорающимися в-ми, а появление горения — самовозгоранием.

В свою очередь, самовозгорающиеся в-ва делят на три группы: самовозгорающиеся от воздействия на них воздуха (напри­мер, опилки, торф, каменные угли, промасленные обтирочные мате­риалы и спецодежда); вызывающие горение при контакте с водой (карбид кальция, негашеная известь); самовозгорающиеся в ре­зультате смешения друг с другом (минеральное масло в среде сжа­того кислорода, смоченные азотной кислотой).

Горение, возникшее в результате воспламенения лишь части общего количества горючего вещества, называется воспламенением. При этом горит весь объем горючего вещества, тогда как при воспламенении части его другая часть горючего не воспламеняется. Таким образом, в основе процесса горения лежит самовоспламене­ние; самовозгорание и воспламенение являются частными явления­ми самовоспламенения.

При горении твердых веществ они плавятся, образуя жидкий слой, или разлагаются, превращаясь в газы, пары, уголь. Твердые вещества горят сами и распространяют горение, характеризуемое массовой скоростью выгорания. На единицу площади, например, для изделий из древесины она составляет 0,84 кг/(м²-мин).

Скорость выгорания жидких горючих в-в подразделяют на массовую скорость выгорания (масса жидкости, выгоревшая с единицы пов-ти за единицу времени) и линейную скорость выгорания (высота слоя жидкости, выгоревшая за единицу вре­мени). Например, массовая скорость выгорания бензина состав­ляет 2,7...3,2 кг/(м²-мин), линейная — 3,8...4,5 мм/мин.