Задать вопрос юристу

Горение и пожароопасные свойства материалов


Горением называется сложный самоподдерживающийся физикохимический процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, сопровождающийся образованием различных веществ и выделением энергии в виде тепла и света.
При пожаре в большинстве случаев окислителем является кислород воздуха, но роль окислителя могут играть и другие вещества, например вещества, полученные в технологических процессах современных производств, вещества, образуемые при высокотемпературном разложении материалов конструкций и т.д.
Процесс горения, как правило, происходит в газовой фазе компонентов горючей смеси. Видимой частью непосредственного горения является пламя. Если сгораемые вещества представляют собой твердые или жидкие материалы, то в процессе горения они, как правило, предварительно подвергаются газификации (испарению, разложению) за счет нагрева пламенем.
Понятно, что в реальных пожарах в зоне горения присутствуют различные материалы - набор горючих веществ и окислителей.
177

Кроме того, присутствуют и другие химически пассивные (флегма- тизаторы) и активные (катализаторы) вещества (примеси), часто способные существенно влиять на режим горения.
Взрывы по своей сути представляют собой разновидность горения. Отличительным признаком взрывов является высокая скорость протекания физико-химических превращений компонентов горючей смеси и, как следствие этого, образование ударных волн, способных оказывать ударное воздействие на окружающую среду, разрушать объекты и поражать людей.
Развитие процессов горения, наблюдаемая картина горения зависят, естественно, от физических и химических свойств компонентов горючей смеси, а также от их исходного состояния и внешних условий горения.
Для понимания процессов горения и их зависимости от этих факторов целесообразна следующая классификация видов горения (рис. 4.2).

Рис. 4.2


Реальные пожары, как правило, представляют собой гетерогенное дефляграционное горение твердых (реже жидких или газообразных) горючих веществ в кислороде воздуха.
Процесс возникновения и развития горения условно можно представить в виде последовательности следующих этапов. Нагрев веществ во всем объеме или в отдельном очаге (для твердых и жидких веществ - газификация компонентов смеси). Развитие в очаге разогрева экзотермических реакций разложения, окисления-восстановления, приводящие к самонагреванию. Ускорения реакций до воспламенения (при определенных условиях - взрывное или детонационное горение). Распространение пламени по массе горючей смеси или приток компонентов смеси в область пламени. Затухание горения.
Приведенная последовательность этапов можно пояснить на примере умозрительного (нетрудно выполнимого и практически) эксперимента. Возьмем длинную колбу, открытую с одного конца, заполнив ее газообразной смесью горючего и окислителя, химическая реакция между которыми соответствует записи:
(4.1)
где Г, О, П - химические символы горючего, окислителя и продуктов их горения; а, р, у/ - стехиометрические коэффициенты; Q - тепловой эффект реакции (процесс горения экзотермичен).
Подожжем с открытого конца колбы горючую смесь. При определенных условиях, которые будут понятны из нижеследующего, сможем наблюдать картину горения смеси. Это горение будет происходить в режиме распространения вдоль трубки пламенного слоя с некоторой скоростью Vu, ее называют нормальной скоростью, поскольку она перпендикулярна фронту пламенного слоя. Толщина пламенного слоя составляет сотые-десятые доли миллиметра. Именно в этом тонком слое происходят химические окислительновосстановительные реакции.
Физическая сторона наблюдаемой картины горения упрощенно может быть объяснена следующим образом. Согласно постулату Аррениуса молекулы газообразных веществ, способных к химическому взаимодействию, вступают в такое взаимодействие в случа-

ях, когда их энергия движения при соударении больше некоторого значения (Е), называемой энергией активизации.
Распределение молекул газа по энергии теплового движения подчиняется закону Максвелла. Из этого следует, что скорость окислительно-восстановительной реакции в газовой смеси составляет:
(4.2)
Здесь n - число актов химического взаимодействия молекул горючего и окислителя в единице объема в единицу времени; 5 - константа; Сг и Со - объемная концентрация молекул горючего и окислителя соответственно; Т - температура газовой смеси; R - газовая постоянная.
Очевидно, что тепловая производительность объема горения смеси (V), т.е. объема пламенного слоя, применительно к нашему эксперименту составит:
(4.3)

Тепло, выделяемое в процессе горения газовой смеси, частично передается окружающей среде со скоростью теплопередачи (amp;2) от пламенного слоя в окружающее пространство. Процесс горения будет самоподдерживающимся при условии:

Здесь записью amp;2 (S) подчеркивается зависимость скорости теплопередачи от величины площади пламенного слоя. Таким образом, для воспламенения газовой смеси необходимо обеспечить выполнение условия:
(4.4)
Минимальная температура (T*), при которой выполняется это условие, и есть температура воспламенения.

Осуществляя поджог газовой смеси в пробирке, по существу, осуществляем разогрев некоторого объема газовой смеси до температуры воспламенения.
С момента выполнения условия (4.4) в газовой смеси срабатывает механизм самоускоряющихся превращений: за счет экзотер- мичности реакции увеличивается температура смеси, а это приводит к возрастанию q, что ведет к дальнейшему возрастанию температуры. Процесс продолжается до достижения равновесия скорости тепловыделения и теплоотдачи при некоторой температуре горения Тгор.
Прилегающий к пламенному слою объем газовой смеси, как только он будет нагрет до температуры воспламенения, вовлекается в пламенный слой, а в прежде горящем пламенном слое горение прекращается за счет израсходования компонентов смеси. Визуальная картина горения газовой смеси в пробирке, если эксперимент проводить реально, убедительно согласуется с приведенным пояснением физики процессов. Скорость распространения пламени по объему газовой смеси зависит от вида горючего и окислителя, а также от исходной температуры и объемной концентрации продуктов горения. В процессе горения из открытого конца пробирки будет истекать газ со скоростью Уи:
(4.5)
где Тп и То - температура продуктов сгорания и исходных продуктов соответственно; Vn - нормальная скорость горения.

Важно отметить, что в записи условия самовоспламенения (4.4) газовой смеси присутствуют геометрические параметры: объем и площадь горючего слоя газовой смеси. Это означает, что температура воспламенения газовой смеси и температура горения не является константой и зависит от геометрических факторов. С уменьшением диаметра колбы отношение S/ V снижается, газ в такой колбе надо разогреть до более высокой температуры Т, чтобы вызвать его воспламенение. Этот эффект, в частности, используется в конструкции шахтерских ламп: во избежание воспламенения руднич

ных газов от пламени ламп ее кожух изготавливается в виде сетки с мелкими отверстиями.
Еще раз вернемся к соотношению (4.4). Из него следует, что значение температуры газовой смеси не является единственным критерием ее самоподдерживающегося горения. Большое значение имеет концентрация продуктов горения. Если рассматривать беспримесную смесь окислителя и горючего, а их концентрации выражать в процентах от общей массы, то, очевидно, что неравенство (4.4), выражающее условие горения, будет выполняться, если концентрация горючего не превысит определенные пределы. Эти предельные значения концентрации горючего называются верхним (ВКП) и нижним (НКП) концентрационными пределами горючести смеси. С увеличением температуры смеси концентрационные пределы расширяются.
Присутствие химически пассивных примесей в горючей смеси снижает концентрационный интервал горючей смеси. С учетом этого горючесть всякой смеси горючего и окислителя может быть представлена в графическом виде, как это показано на рис. 4.3.

Рис. 4.3


Если смесь является горючей в некоторых пределах концентрации горючего, то она наиболее интенсивно горит при стехиометрическом соотношении концентраций горючего и окислителя.
Особый интерес с позиций пожаробезопасности представляют случаи самовоспламенения некоторых твердых веществ. Самовозгораться могут вещества, в которых при температуре близкой к нормальной возможно протекание экзотермических превращений (разложение, окисление и т.п.). Поведение таких материалов при изменениях температуры внешней среды можно пояснить рис. 4.4.

Рис. 4.4


При нагревании материала, способного к самовозгоранию, до температуры ниже некоторого значения Тсн (на рисунке, в качестве примера, - до температуры Ti) поведение образца будет обычным: образец со временем нагревается до температуры Т1 и не более. Если же температура нагревания (окружающей среды) немного превысит порог Тсн (температуру самонагревания), то в образце начнутся экзотермические превращения, которые приведут к временному превышению его температуры над температурой окружающей среды. Экзотермический ресурс материала при небольшом превышении температуры над уровнем Тсн постепенно будет израсходован и температура образца сравняется с температурой окружающей среды Т2.
Если же температура образца будет повышена до некоторого уровня Тсв (температуры самовоспламенения), то интенсивность экзотермических превращений окажется столь высокой, что выделяемое тепло не успевает рассеиваться в окружающее пространство, материал самопроизвольно разогревается и, в конце концов, возникает горение (верхний график на рис. 4.4).
Нагрев вещества до его температуры самовоспламенения может быть вызван за счет: температуры окружающей среды; теплового излучения близко расположенных источников тепла; химических реакций в массе самовоспламеняющегося вещества; микробиологических процессах в веществе, например в стоге сена, опилках, торфе и т.п.
Реализация той или иной ситуации зависит от состава материала и условий аккумуляции в нем тепла. Практически частыми случаями самовозгорания являются самовозгорание в промасленной ветоши, торфа, предметов домашнего обихода в контакте с дымоходами отопительных печей и т.п.
Реальные пожары, особенно пожары на объектах производства, нередко сопровождаются взрывами. Проблема пожаро- и взрывобезопасности едина. С позиций этой проблемы взрывы следует определять как горение, проистекающее в специфическом режиме и сопровождающееся образованием ударных волн.
Дефляграционное горение может привести к взрыву лишь в том случае, если оно происходит в замкнутом объеме. Продукты горения за счет высокого давления могут внезапно разрушить стенки емкости и, вырвавшись, ударно воздействовать на окружающую среду. Такие взрывы, по сути, аналогичны взрывам емкостей со сжатым или сжиженным газом.
Существенно отличаются от таких взрывы, порождаемые взрывным или детонационным горением. Ускорение горения как газообразных, так и конденсированных веществ до сверхзвуковых скоростей может быть достигнуто несколькими способами, по крайней мере двумя.
Первый способ - механизм, когда присутствуют в горючей смеси вещества, которые при химических превращениях (в конце горения) способны образовывать промежуточные продукты с повышенной химической активностью (с меньшей энергией активации молекул по сравнению с молекулами исходных продуктов). За счет этого в зоне горения образуются так называемые активные центры и их разветвляющиеся цепочки реакций горения.
Второй способ - механизм детонационного горения. Такой режим горения возникает за счет того, что при детонационной скорости горения на границе слоя горения возникает скачок давления и температуры. Воздействие продуктов горения на приграничные слои взрывчатого вещества приводит к быстрому нагреву, плавлению, испарению и разрыву химических связей этого вещества; другими словами, происходит практически мгновенная подготовка газообразных продуктов горения. Скорость их горения лимитируется только скоростью подготовки этих продуктов, а она определяется в основном скоростью передачи давления из зоны детонации в прилежащие слои взрывчатого вещества.
Типичным примером такого горения является взрыв тротилового заряда. Заметим при этом, что для инициирования взрыва в массе взрывчатого вещества первоначально надо создать зону детонационного горения за счет подрыва небольшого заряда высокочувствительного инициирующего взрывчатого вещества детонатора.
Очевидные поражающие факторы при пожарах - пламя и высокая температура среды, дымовые и другие примеси в воздухе. Вторичными факторами могут быть обрушения, выделение в атмосферу токсичных веществ, взрывы, тепловое излучение зоны горения, способное вызывать ожоги у людей и возгорание близко находящихся объектов.
При взрывах дополнительным поражающим фактором является воздушная ударная волна. 
<< | >>
Источник: Е.А. Крамер- Агеев, В.В. Костерев, И.К. Леденев, С.Г. Михеенко, Н.Н. Могиленец, Н.И. Морозова, С.И. Хайретдинов. Основы безопасности жизнедеятельности: учебное пособие. 2007

Еще по теме Горение и пожароопасные свойства материалов:

  1. 16.4. Организация учета материалов на складах и его связь с учетом материалов в бухгалтерии
  2. 3 . 8 . Формы PR-материалов . Текстовые и нетекстовые материалы
  3. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА АЭРОЗОЛЕ
  4. Свойства внимания
  5. СВОЙСТВА ВНИМАНИЯ
  6. 1.1. ПОНЯТИЕ ИНФОРМАЦИИ И ЕЕ СВОЙСТВА
  7. СВОЙСТВА И ВИДЫ ВОСПРИЯТИЯ
  8. § 124. Свойство
  9. Основные свойства восприятия
  10. ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РЕЧЕВОГО ГОЛОСА
  11. Термины родства и свойства
  12. Основные свойства внешней среды
  13. 3.2. СВОЙСТВА ИНФОРМАЦИОННОГО ПРОСТРАНСТВА
  14. 1.2. Основные свойства культуры
  15. Свойства информационного общества
  16. § 3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ
  17. 2.11. Правомерное поведение: понятие, свойства
  18. 8.2. Понятие и юридические свойства Конституция России
  19. 1. Основные биологические и психические свойства индивидов