Примітка - Обсяг повітря приведений до нормальних умов.
У таблиці 1.2 наведені значення теоретично необ-дімих кількостей повітря для повного згоряння различ-них речовин при 0 ° С і 101,3 кПа. Значення величин, наведених для деревини, тор-фа, бензину, гасу, нафти і водяного газу, є середніми, так як склад цих горючих матеріалів непо-стояння.
Вид формули для розрахунку теоретично необхідно-го кількості повітря залежить від складу пального ве-щества. Горюча речовина - індивідуальна хімічна сполука. Для таких горючих речовин, незалежно від їх агрегатного стану, теоретично необхідну кількість повітря визначається з рівнянь реакції горіння. На m кмольгорючего речовини доводиться m кмоль кисню і 3,76 mкмоль азоту. Позначивши масу (в кг) горючої речовини, чисельно рівну його молекулами-лярного вазі, через М, складають пропорцію:
m × М (кг) - (n +3,76 n) × 22,4 (м 3)
де 22,4 м 3 - обсяг 1 кмоль газів при 0 ° С і 101,3 кПа.
Теоретично необхідну кількість повітря для згоряння 1 кг речовини одно (з пропорції):
Подібним чином виводиться рівняння для визна-ділення теоретично необхідної кількості повітря для згоряння 1 м 3 горючих газів:
Якщо обсяги повітря, отримані за формулами (1.2) і (1.3), необхідно привести до інших умов температу-ри і тиску, то користуються формулою:
де - задана температура газів, К;
- заданий тиск, Па.
Для виведення рівняння розрахунку запишемо уравне-ня реакції горіння вуглецю, водню і сірки і ве-совое співвідношення реагуючих речовин:
12 + 32 = 44; 4 + 32 = 36; 32 + 32 = 64;
Якщо для згоряння 12 кг вуглецю потрібно 32 кгкіслорода, то для 0,01 кг вуглецю (1 ваговій відсоток) буде потрібно кисню 0,01 · 32/12 = 0,01 · 8/3 (кг), для по-огрядний відповідно потрібно 0 , 01 · 32/4 = 0,01 · 8 (кг) кіслородаі для сірки 0,01 · 32/32 = 0,01 · 1 (кг) кисню.
Для повного згоряння 1 кг горючої речовини по-вимагається кисню (в кг):
На обчислене кількість кисню в повітрі припадає в 77/23 рази більше азоту. Сума азоту і киць-лорода становить кількість повітря (в кг). Кількість повітря. необ-ходимое для горіння 1 кг речовини:
Провівши перетворення, отримаємо:
Щоб висловити кількість повітря в об'ємних оди-Ницаха, потрібно вираз (1.6) розділити на масу 1 м 3 повітря при 0 ° С і тиску 101,3 кПа, т. Е. 1,293 кг / м 3. У результаті отримаємо:
Розглянемо горюча речовина, як суміш газів. До цієї групи речовин належать горючі гази, наприклад, природний, доменний, коксовий і ін. Всі вони в тій чи іншій ко-лічестве містять СО, СН4. H2. H2 S, C2 Н4 і інші кому-тами. Склад горючих газів зазвичай висловлюють в об'єк-приймальних відсотках.
Для виведення формули розрахунку напишемо уравне-ня реакції горіння найбільш поширених газів:
Якщо на згоряння 1 м 3 метану потрібно 2 м 3 кисло-роду, як це видно з рівняння, то на згоряння 0,01 м 3 метану, т. Е. 1 об'ємний відсоток, потрібно 0,01 · 2 м 3 кисло-роду . Для окису вуглецю на цю ж кількість буде потрібно 0,01 / 2 м 3, для водню 0,01 / 2 м 3. а для сероводоро-да 0,01 / 1,5 м 3.
Для повного згоряння 1 м 3 горючого газу потребують-ся кисню (в м 3):
У повітрі на цей обсяг кисню доводиться в 79/21 рази більше азоту. Сума азоту і кисню склад-ляет обсяг (м 3) повітря, необхідний для згоряння 1 м 3 газу:
Зробивши перетворення, отримаємо:
Практично при горінні під час пожежі витр-дметься повітря значно більше теоретично необ-ходимо. Різниця між кількістю повітря, прак-тично витрачаються на горіння і теоретично необ-ходимо, називається надлишком повітря. Ситуація щодо ставлення кількості повітря, практично витрачається на горіння (), до теоретично необхідного називає-ся коефіцієнтом надлишку повітря і позначається:
Для орієнтовних розрахунків необхідну кількість повітря для згоряння 1 кг пального речовини можна розрахувати за формулою:
де - теплова здатність горючої речовини, кДж / кг.
Теплова здатність горючої речовини обчислюють за формулою:
де - теплота згоряння, кДж;
- молекулярна маса пального, кг.
Розрахунками встановлено, що для згоряння деревини необхідно 5,04 м 3 повітря, а для нафтопродукту - 11, 6 м 3.
В умовах пожежі, коли горіння протікає з природним припливом повітря, коефі-цієнт надлишку повітря в більшості випадків більше одиниці і коливається в широких межах.
Виділяється в зоні горіння тепло сприймається продуктами згоряння, внаслідок чого вони нагріваються до високої температури. Та температура, до якої в процесі горіння нагріваються продукти згоряння, на-ни опиняються температурою горіння. Розрізняють калориметр-ний, теоретичну і дійсну температури горіння. Дійсна температура горіння для усло-вий пожежі називається температурою пожежі.
Під калориметричній температурою горіння поні-мают ту температуру, до якої нагріваються продукти повного згоряння при наступних умовах:
1) все ви-ділячи при горінні тепло витрачається на нагре-вання продуктів згоряння (втрати тепла дорівнюють нулю);
2) початкова температура повітря і горючої речовини дорівнює 0 ° С;
3) кількість повітря одно теоретично необхідного (= 1);
4) відбувається повне згоряння.
Калориметрична температура горіння залежить толь-ко від складу горючої речовини і не залежить від його ко-лічества.
Теоретична температура, на відміну від калорімет-рической, характеризує горіння з урахуванням ендотерміче-ського процесу дисоціації продуктів згоряння при високій температурі:
2СОз → 2СО + О2 - 570,2 кДж
Практично дисоціацію продуктів згоряння необ-ходимо враховувати тільки при температурах вище 1700 ° С. При дифузійному горінні речовин в умов-ях пожежі дійсні температури горіння не до-Стігала таких значень, тому для оцінки умов пожежі використовують тільки калориметричну температуру горіння і температуру пожежі. Розрізняють тим-пература внутрішнього і зовнішнього пожежі.
Температура внутрішнього пожежі - це середня тим-пература диму в приміщенні, де відбувається пожежа. Температура зовнішнього пожежі - температура пла-мени.
Насправді не вся теплота, що виділяється при горінні в умовах пожежі, витрачається на нагрівання-ня продуктів згоряння. Велика частина її витрачається на нагрівання конструкцій, підготовку горючих речовин до горіння, нагрівання надлишкового повітря і ін. В свя-зи з цим температура внутрішнього пожежі значно нижче калориметричній. Так, через 10 хв після
раз-витку внутрішнього пожежі температура пожежі склад-ляет приблизно від 0,1 до 0,2 частини калориметричній темпе-ратури, через 20 хв від 0,2 до 0,3, через 30 хв від 0,3 до 0,35, через 40 хв від 0,35 до 0,4. Користуючись цими даними, можна по калориметричній температурі знаходити температу-ру внутрішнього пожежі.
Малюнок 1.2 - Температурний режим пожежі при горінні різних речовин
На малюнку 1.2 показана зміна температури внутрен-него пожежі (температурний режим пожежі) при горе-ванні різних твердих матеріалів. Як показує хід кривих, температура пожежі при горінні всіх ве-вин спочатку зростає, досягаючи максимуму, а за-тим у міру вигоряння матеріалу поступово знижує-ся.
Простір, де згоряють пари і гази, називається полум'ям або факелом. Полум'я може бути кинетич-ським або дифузійним в залежності від того, чи горить заздалегідь підготовлена суміш парів або газів з воз-духом або така суміш утворюється безпосередньо в полум'я в процесі горіння. В умовах пожежі га-зи, рідини і тверді речовини горять дифузійним полум'ям.
Структура дифузійного полум'я істотно за-висить від перетину потоку горючих парів і газів і його швидкості. За характером потоку розрізняють ламінарний і турбулентний диффузионное полум'я. Ламинарное полум'я виникає при малих перетинах потоку парів або га-зов, що рухаються з невеликою швидкістю (полум'я свічки, сірники, газу в пальнику невеликого діаметру і т. Д.). На пожежах при горінні всіх речовин утворюється тур-булентное полум'я. Воно менше вивчено, і для пояснення цього явища використовують положення теорії ламінарно-го полум'я. На малюнку 1.3 показано будову ламинарного дифузійного полум'я на прикладі полум'я рідини, що горить в посудині невеликого діаметру. Полум'я складається із зони горіння і зони парів, остання займає майже весь обсяг полум'я.
Малюнок 1.4 - Температура зон полум-ні при горінні гасу
Температура в зоні парів значно ні-же, чим в зоні горіння. Так, в полум'ї гасу (рисунок 1.4) температура потоку парів біля поверхні рідини дорівнює температурі її кипіння. У міру руху пото-ка до зони горіння температура парів (на малюнку 1.4 - точки на вертикальній лінії) підвищується спочатку за рахунок випромінювання зони горіння, а потім дифузії з неї на-гріти продуктів згоряння. В результаті нагрівання про-виходить термічна дисоціація парів біля зони горіння і утворюються вільні атоми і радикали спільно з продуктами горіння.
Атоми вуглецю, вступаючи в зону горіння, воз-спонукає і, будучи деякий час у вільному со-стоянні, світяться. Якщо замість вуглецю вводити в полум'я частки інших твердих речовин, полум'я набуває інший, ніж при горінні вуглецю, колір. Так, якщо в несвітними полум'я метилового спирту ввести сіль строн-ція, то полум'я забарвиться в червоний колір, при введенні солі міді - в синій або зе-лений.
Температура зо-ни горіння полум'я ме-вується по його висоті. Об'єк-ясняется це зміною со-става стехиометрической суміші в зоні горіння і за-тратою тепла на нагрів по-ступає в неї повітря. У нижній частині полум'я, хоча і утворюється стехіометрична суміш з най-більшою теплотою горіння, однак, температура горіння не є тут мак-симально, так як значи-тельное кількість тепла витрачається на нагрів хо-лодной повітря. У середній частині полум'я теплота горіння стехіометричної суміші менше, ніж в нижній, за рахунок дифузії в неї продуктів згоряння, однак, по-ступає в зону горіння нагріте повітря компенсуючого-рует втрати тепла, і температура горіння в цій частині полум'я є максимальною. У верхній частині диф-фузіонних полум'я стехіометрична суміш має ще меншу теплоту горіння, і нагріте повітря, посту-Пающіє для її освіти, не може компенсувати всіх втрат тепла, тому температура горіння тут мінімальна. У зв'язку з цим у верхній частині полум'я часто утворюється сажа.
Турбулентний полум'я відрізняється від ламінарного тим, що не має чітких обрисів і постійного положення фронту полум'я. Температура його при горінні нафтопродуктів становить: бензину 1200 ° С, гасу 1100 ° С, нафти 1100 ° С, мазуту 1000 ° С. При горінні деревини в штабелях температура турбулентного полум'я досягає від 1200 до 1300 ° С.
Горіння може здійснюватися в двох режимах:
- самозаймання, що полягає в мимовільному виникненні полум'яного горіння попередньо нагрітій до деякої критичної температури горючої суміші (званої температурою самозаймання) і проявляється в одночасному (у вигляді спалаху) згорянні всій горючої суміші;
- режимі поширення хвилі горіння (поширення фронту полум'я) по холодній суміші при її локальному запаленні (запаленні) зовнішнім джерелом.
Для отримання уявлень про поширення хвилі горіння помістимо гомогенну горючу суміш в скляну трубку, відкриту з одного кінця, і запалимо її зовнішнім джерелом біля відкритого кінця.
Розповсюджується спочатку сферически, полум'я при досягненні стінок трубки перетворюється в плоский, вузький (товщиною менше 10 -6 м) фронт, що поширюється в бік свіжої суміші. Відпрацьовані гази, обсяг яких в результаті підвищення температури в кілька разів перевищує обсяг вихідної суміші, закінчується з трубки через відкритий кінець. Швидкість переміщення фронту полум'я по нормалі до його поверхні називається нормальною швидкістю поширення полум'я. Нормальна швидкість поширення полум'я має мінімально можливу величину, не залежить від умов, а залежить лише від хімічного складу горючої суміші і співвідношення пального окислювача (максимальне значення нормальної швидкості поширення полум'я відповідає стехиометрическому співвідношенню компонентів горючої суміші). Цей показник, строго кажучи, є єдиним з усіх численних характеристик полум'я, що має характер фізико-хімічної константи.
Якщо ж закрити вільний кінець трубки, то гарячі продукти згоряння будуть, як поршень, тиснути на полум'я і збільшувати швидкість його переміщення. Сумарна швидкість такого переміщення фронту полум'я називається видимої швидкістю полум'я. м / с і визначається виразом:
де - нормальна швидкість поширення полум'я, м / с;
- ступінь розширення продуктів згоряння.
Ступінь розширення продуктів згоряння. обчислюють за формулою:
де. - температура горіння і початкова температура, o С;
- відношення числа молей продуктів згоряння до числа молей вихідної суміші (величина для вуглеводневих горючих речовин близька до одиниці).
У разі дифузійного горіння, полум'я як би стоїть на місці, а в нього втікають з одного боку горючі пари, з іншого боку - повітря. Найбільш характерним прикладом дифузійного полум'я є запалена свічка.
Поширення полум'я відбувається шляхом перенесення їх фронту полум'я в свіжу горючу суміш потоків тепла молекулярної теплопровідністю і активних центрів дифузії. Співвідношення між цими потоками залежить від хімічної природи горючої суміші, що розвивається у фронті полум'я температури і умов поширення полум'я. Для звичайних горючих речовин і матеріалів (органічних, тобто на основі вуглеводнів та їх похідних), нижня температурна межа полум'я яких становить близько 1030 ° С. максимальна температура горіння може досягати 2230 ° С, домінуюче значення набуває перенесення тепла.
Теплова теорія полум'я, розроблена Я.Б.Зельдовича, виходить з подібності полів концентрацій і температур у фронті полум'я.
Численні досвідчені дані свідчать, що швидкість полум'я вуглеводнів-повітряних сумішей з тиском зменшується згідно із законом:
де - тиск, Па.
Аналізуючи цей вислів, можна бачити, що порядок реакції при горінні таких сумішей має дробову величину. Це свідчить про складному немолекулярное механізмі хімічних перетворень в полум'я.