§ 3. Кинетическое горение

Горение химически однородной горючей системы, т. е. смеси горючих газов, паров или пыли с воздухом, протекает различно. Если горючая смесь поступает с определенной скоростью из горелки, то она сгорает устойчивым пламенем.

Горение же этой смеси, заполнившей замкнутый объем, представляет собой химический взрыв.
а.              Взрыв смеси газов или паров с воздухом. Горение в смесях горючих газов или паров с воздухом способно распространяться не при любом соотношении компонентов, а лишь в определенных пределах состава, называемых концентрационными пределами воспламенения (взрыва). Минимальная и максимальная концентрации горючих газов и паров в воздухе, способные воспламеняться, называют нижним и верхним концентрационными пределами воспламенения (взрыва).

Все смеси, концентрации которых находятся между пределами воспламенения, способны распространять горение и называются взрывоопасными.
которых находятся ниже нижнего и выше верхнего пределов воспламенения, в замкнутых объемах гореть не способны и являются безопасными. Однако необходимо отметить, что смеси, концентрации которых находятся выше верхнего предела воспламенения, при выходе из замкнутого объема в воздух способны гореть диффузионным пламенем, т. е. ведут себя, как пары и газы, не смешанные с воздухом. Прибор для определения концентрационных пределов воспламенения изображен на рис. 1.6. Метод определения пределов воспламенения на нем гостирован (ГОСТ 13919—68).
В табл. 1.5 приведены концентрационные пределы воспламенения (взрыва) некоторых паров и газов.
Для вычисления нижнего и верхнего пределов воспламенения смеси нескольких горючих компонентов применяется формула Ле-Шателье:
alt="" />


Таблица 1.5

Вещество	Пределы воспламенения, %		Вещество	Пределы воспламенения, %
	нижний	верхний		нижний	верхний
Аммиак ....	15,5	27,0	Керосин	1,1	7,0
Ацетилен ....	2,5	80,0	Метиловый спирт .	6,72	36,5
Ацетон ....	2,55	12,8	Окись этилена . . .	3,00	80,00
Бензин	0,76	5,4	Сероуглерод ....	1,25	50,00
Бензол ....	1,41	6,75	Скипидар	0,8	—
Бутан	1,86	8,41	Толуол	1,27	6,75
Водород ....	4,0	74,2	Этиловый спирт . . .	3,28	18,95

где Ch— нижний концентрационный предел воспламенения смеси нескольких горючих компонентов в объемных процентах; Cb C2,..., Cn — концентрация горючих компонентов в объемных процентах, причем Ci+ C2 + ...+ + Cn = 100%; Ch7, Cii", Сн—нижние пределы воспламенения горючих компонентов смеси в объемных процентах.
По формуле (1.13) можно определить и верхние концентрационные пределы воспламенения, при этом Cl/, C77h,..., Ch заменяются обозначениями верхних пределов воспламенения, т. е. Cb7, Cb77,..., Cb.
Концентрационные пределы воспламенения не постоянны и изменяются от ряда факторов. Наибольшее влияние на изменение пределов воспламенения оказывают мощность источника воспламенения, примесь инертных газов и паров, температура и давление горючей смеси.
Увеличение мощности источника воспламенения ведет к расширению области воспламенения (взрыва) с понижением нижнего предела и повышением верхнего предела воспламенения.
При введении негорючих газов в взрывчатую смесь происходит резкое уменьшение верхнего предела воспламенения и незначительное изменение нижнего. Область воспламенения сокращается и при определенной концентрации негорючих газов смесь перестает воспламеняться.
С повышением начальной температуры взрывчатой смеси промежуток воспламенения ее расширяется, при
этом нижний предел уменьшается, а верхний увеличивается.
При уменьшении давления горючей смеси ниже нормального происходит уменьшение области воспламенения, и при некотором давлении смесь становится безопасной.
Теоретическая температура взрыва газовых смесей вычисляется по формуле
(1.14)
где С/, C/7,..., Cv —теплоемкости продуктов сгорания при постоянном объеме, аг — число молей,/сг, мъ компонентов продуктов сгорания.
Произведения Cv * ^взр» Cv • 7в3р,..., Cv 'Т^взр представляют внутреннюю энергию продуктов сгорания, т. е. количества тепла, необходимые для нагревания моля, кг или м3 продуктов сгорания от 0° до T0 К при постоянном объеме.
Давление при взрыве газовоздушной смеси в закрытом объеме зависит от температуры взрыва и отношения числа молей продуктов сгорания к числу молей взрывчатой смеси:
где Г0, Гвзр — начальная температура взрывчатой смеси и температура взрыва, 0K; Ль ^взр— начальное давление взрывчатой смеси и давление при взрыве, ат; ат — число молей продуктов сгорания после взрыва; ав— число молей взрывчатой смеси.
При нижнем пределе воспламенения смеси количество выделяемого тепла незначительно и поэтому давление при взрыве не превышает 3—3,5 ат. С увеличением концентрации горючего растет и давление взрыва. Наибольшее давление соответствует смеси с концентрацией горючего, несколько превышающей стехиометрическую. Оно для большинства смесей составляет 10 ат, для ацетилена около 11 ат, для водорода 11 ат, а по некоторым данным и больше. При дальнейшем повышении концентрации горючего давление взрыва снижается и на верхнем пределе воспламенения становится таким же, как и на нижнем.
Пламя но взрывчатой смеси распространяется с определенной скоростью, которая получила название нормальной, или фундаментальной, скорости распространения пламени.
Она представляет собой линейную скорость перемещения элемента пламени в направлении нормали к этому элементу. Нормальная скорость распространения пламени для различных горючих смесей сравнительно невелика и не превышает нескольких метров в секунду. Такая скорость характерна при передаче тепла от горящего слоя к свежей смеси в основном путем теплопроводности и диффузии.
Нормальная скорость распространения пламени изменяется в зависимости от состава смеси, примеси негорючих газов, начальной температуры смеси и других факторов.
В табл. 1.6 приведены нормальные скорости распространения пламени стехиометрических смесей горючих газов и воздуха и максимальные, которые соответствуют смесям с избытком горючего.
Таблица I .G

Горючий газ	Содержание газа в стехиометрической смеси в объемных процентах	ин* см\сек	Содержание газа в объемных процентах в смеси при ин макс	wHMlKC см/сек
Водород (H2)	29,5	160	42,0	/>267
Окись углерода (CO) .	29,5	30	43,0	41,5
Метан (CH4)	9,5	34	10,5	37
Ацетилен (С2Н2) . . .	7,7	100	10,0	135
Этилен (C2H4) ....	6,5	60	7,0	63

Приведенные в табл. 1.6 опытные данные относятся к пламени, распространяющемуся в покоющейся или движущейся ламинарно среде. На практике обычно горение смеси происходит в условиях турбулентного движения, в сильно завихренных потоках. При этом происходит увеличение скорости распространения пламени. Так, скорости распространения турбулентного пламени в смесях пропана с воздухом увеличиваются до 4 м/сек, а водорода до 15 м/сек.
При распространении пламени по взрывчатой смеси, находящейся в закрытой трубе, а также в цилиндре двигателя, наблюдается распространение пламени со скоростью 2000—3000 м!сек. Сгорание смеси с такой скоростью называется детонацией. Возникновение детонации объясняется сжатием, нагревом и движением несгоревшей смеси перед фронтом пламени, что приводит к ускорению распространения пламени и возникновению в смеси ударной волны. Таким образом, наличие достаточно мощной ударной волны является необходимым условием для возникновения детонации.
Взрывоопасные свойства смесей паров с воздухом не отличаются от свойств смесей горючих газов с воздухом. Для них только в случае насыщенных смесей упрощается оценка взрывоопасности.
Известно, что концентрация насыщенных паров жидкости находится в определенной взаимосвязи с ее температурой. Используя это свойство, можно концентрационные пределы воспламенения насыщенных паров выражать через температуру жидкости, при которой они образуются.

Эти температуры называют температурными пределами воспламенения (взрываемости).
Нижним температурным пределом называется та наименьшая температура жидкости, при которой образуется смесь насыщенных паров с воздухом, способная воспламеняться при поднесении к ней источника воспламенения. При более низкой температуре жидкости смесь паров с воздухом не способна воспламеняться.
Верхним температурным пределом воспламенения называется та наибольшая температура жидкости, при которой образуется смесь насыщенных паров с воздухом, способная еще воспламеняться. Выше этой температуры жидкость образует насыщенные пары, которые в смеси с воздухом в закрытом объеме воспламеняться не могут.
Температурные пределы воспламенения определяются на приборе ТП (рис. 1.7). Метод определения их тестирован (ГОСТ 13922—68).
Нижний температурный предел воспламенения жидкостей иначе называется температурой вспышки, которая принята за основу классификации жидкостей по степени их пожарной опасности. Так, жидкости, имеющие температуру вспышки до 45° С, называются легковоспламеняющимися, а выше 45° С — горючими.

Приборы для определения температуры вспышки делятся на приборы с открытым и закрытым тиглем (ГОСТ 1421—53, 1369—42, 13921—68). Прибор с открытым тиглем TB (ГОСТ 13921—68) показан ,на рис. 1.8. На нем определяют не только температуру вспышки жидкости, но и температуру воспламенения, т. е. наименьшую
Вид А

Рис. 1.7. Прибор ТП для определения температурных пределов воспламенения:
I — реакционный сосуд; 2 — электроды спирального зажигания; 3 —- электроды искрового зажигания; 4 — двухзонная термопара; 5 — пробка


температуру жидкости, при которой от поднесенного к ней пламени воспламеняется смесь паров с воздухом и продолжается горение жидкости.
В табл. 1.7 приведены температурные пределы воспламенения некоторых жидкостей.
б.              Взрывы смесей пыли с воздухом. Пыль может находиться в двух состояниях: взвешенной в воздухе (аэрозоль) и осевшей на стенах, потолках, поверхностях станков и т. д. (аэрогель).
Аэрогель можно представить как твердое вещество в состоянии тонкого измельчения, поэтому температура самовоспламенения его мало отличается от температуры самовоспламенения твердого вещества.
Что же касается температуры самовоспламенения аэрозоля, то она всегда значительно выше, чем у аэро-

Рис. 1.8. Прибор TB для определения температур воспламенения и вспышки в открытом тигле: f — тигель фарфоровый;' 2 — нагревательная стальная ванна с металлическим кожухом; 3 — термометры; 4 — штатив с муфтой; 5 — держатель, состоящий из двух стержней, соединенных шарнирно; 6 — газовая горелка; 7 — кольцо из паронита; 8 — прокладка из асбестового картона; 9 — электрическая плитка


геля и даже превышает температуру самовоспламенения паров и газов. Объясняется это тем, что концентрация горючего вещества в единице объема аэрозоля в сотни раз меньше, чем у аэрогеля, поэтому скорость выделения тепла может превысить скорость теплоотдачи только при значительно высокой температуре. В табл. 1.8 приведены температуры самовоспламенения аэрогеля и аэрозоля некоторых пылей.
Таблица 1.7

Жидкости	Температурные пределы воспламенения, 0C		Жидкости	Температурные пределы воспламенения, 0C
	нижний (температура вспышки)	верхний		нижний (температура вспышки)	верхний
Ацетон . * s .I»j «	—20	+ 6	Масло соляровое . .	+116	+ 147
Бензол . . ,Jj,	—14	+12	Масло трансформа
Бензин А-74 . .	—36	—7	торное                                           I . .	+ 122	+ 163
Керосин трактор			Спирт этиловый . .	/>+11	+40
ный . . .	+4	+35	Скипидар . . . . .	+32	+53

Таблица 1.8

Наименование пыли	Температура самовоспламенения, 0C		Наименование пыли	Температура самовоспламенения, 0C
	аэро геля	аэро золя		аэро геля	аэро золя
Мучная ржаная пыль              j . Табачная пыль . Чайная пыль .	245 205 220	660 988 925	Древесная мука . . Сланцевая пыль . . Угольная пыль . . .	275 225 260	775 830 969

Как и у газовых смесей, воспламенение и распространение пламени по всему объему аэрозоля возникает только в том случае, если его концентрация находится выше нижнего предела воспламенения. В табл. 1.9 приведены нижние пределы воспламенения, некоторых аэрозолей.
Следует отметить, что концентрации аэрозоля, соответствующие нижним пределам воспламенения, обычно настолько значительны, что возможны только в аппаратуре, установках и непосредственно около них. В производственном же помещении концентрации аэрозолей обычно меньше нижних пределов воспламенения.
Что касается верхних пределов воспламенения аэрозолей, то они настолько велики, что в большинстве слу-
Таблица 1.9

	Технический анализ для
Наименование и характер	фракции 850 мк		Нижний предел пллтт TlQTUfATTAHHCI
пыли			DUtll ЛаМспспПду г1мя
	влажность, %	зольность, %
Мучная пыль всасыва	9,3	2,58	30,2
ющих фильтров . . ... .
Торфяная пыль из га
зоходов осадительной ка	16,5	7,8	17,6
меры
Угольная пыль под
московная . . .....	7.8	32,4	114,0
Эбонитовая пыль с			7,6
вальцового станка . * .		¦—

чаев практически недостижимы. Так, концентрация верхнего предела воспламенения для сахарной пыли равна 13 500 г/м3, для торфяной пыли — 2200 г/ж3.
Взрывоопасность аэрозолей зависит во многом от дисперсности, влажности, зольности и выхода летучих. Пыль каменного угля с выходом летучих до 40% при зольности от 15 до 30% не воспламеняется. Это используется для борьбы со взрывами угольной пыли в шахтах путем введения в нее инертной пыли (осланцевание).
Воспламенение и взрывчатые свойства пылей каменного угля, торфа и древесины зависят от выхода летучих. Установлено, что пыли каменных углей с содержанием летучих менее 10% практически не являются взрывчатыми. Пыли антрацита, кокса и древесного угля по указанной выше причине взрываться не способны.
Взрыв пыли при постоянном объеме вызывает повышение давления, величина которого зависит от свойств пыли.
Наибольшие давления, зафиксированные при взрыве промышленных пылей, показаны в табл. 1.10.
По пожарной опасности все пыли в зависимости от их свойств подразделяют на взрывоопасные в состоянии аэрозоля и пожароопасные в состоянии аэрогеля.
А. Взрывоопасные пыли. 1-й класс — наиболее взрывоопасные с нижним пределом воспламенения (взрыва- емости) до 15 г/м3. Kjhhm относятся пыль серы, канифоли, сахара, эбонита, торфа и др. 2-й класс — взрывоопасные с нижним пределом воспламенения (взрываемости) от 16




до 65 г/ж3. К ним относятся пыль алюминия, крахмала, лигнина, льняной костры, мучная, сланцевая и др.
Б. Пожароопасные пыли. 3-й класс — наиболее пожароопасные с температурой самовоспламенения до 250° С (например, табачная пыль — 205° С, элеваторная пыль — 250° С). 4-й класс — пожароопасные с температурой самовоспламенения выше 250° С (например, древесные опилки — 275° С).
Пыли этих двух классов имеют нижние пределы воспламенения при концентрации выше 65 г/мг.

Еще по теме § 3. Кинетическое горение:

1. § 4. Диффузионное горение
2. § I. Общие сведения о горении
3. § 2. Возникновение горения
4. Задание 4. Знакомство с проективной методикой Рене Жиля и методикой «Кинетический рисунок семьи» Р. Бернса
5. ГЛАВА 1 ГОРЕНИЕ И ПОЖАРООПАСНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ
6. § 1. Механизм действия огнегасительных средств
7. Пожары
8. § 2. Развитие пожара в здании
9. § 5. Производственные источники воспламенения и меры предупреждения их возникновения
10. § 3. Явления, сопровождающие пожары
11. Глава 13 Энергетическое обеспечение биологическогокруговорота
12. § 3. Дымовые люки и легкосбрасываемые конструкции зданий
13. § 2. Возгораемость строительных материалов и конструкций
14. ОСОБЕННОСТИ АВАРИЙ И КАТАСТРОФ НА ПОЖАРО-ВЗРЫВООПАСНЫХОБЪЕКТАХ
15. ОБРАЗОВАНИЕ ОКСИДОВ АЗОТА