Температура воспламенения– это такая температура, при которой выделяются пары с такой скоростью, что после их зажигания возникает устойчивое горение.
У легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ) температура воспламенения выше температуры вспышки на 1-5 0С.
Чем ниже температура вспышки, тем меньше интервал между температурой вспышки и температурой воспламенения.
У горючих жидкостей (ГЖ) интервал между температурой вспышки и температурой воспламенения составляет 25-35 0С.
Итак, жидкость получила определенное количество тепла, необходимого для испарения такого количества паров, чтобы при наличии источника зажигания произошло воспламенение по всему объему.
Процесс горения жидкостей начинается с воспламенения паровоздушной смеси.
О свойствах пламени к самопроизвольному распространению при горении газовых смесей мы уже говорили.
Каков же механизм распространения пламени при горении жидкостей?
Рассмотрим распространение пламени по поверхности жидкости.
Распространение пламени по поверхности жидкости.
При локальном воздействии источника зажигания на горючую жидкость, жидкость будет прогреваться.
Будет возрастать скорость испарения и при достижении над поверхностью жидкости температуры воспламенения произойдет зажигание паровоздушной смеси и установится устойчивое пламя, которое с определенной скоростью будет распространяться над поверхностью жидкости.
Рассмотрим механизм распространения пламени по поверхности жидкости.
Распространение пламени происходит вследствие теплопередачи излучением, конвекцией и теплопроводностью от зоны пламени к поверхности зеркала жидкости.
Тепло распространяется на нижние слои горючей жидкости, прогревая и испаряя ее. Тем самым обеспечивается приток жидкости в парообразном состоянии к зоне горения.
Как это происходит? Жидкость в парообразном состоянии, смешиваясь с воздухом, образует горючую паровоздушную смесь и поставляет ее в зону горения.
Аналогичным образом, тепло частично поступает еще и на негорящие участки поверхности жидкости, прогревая последние.
Вследствие чего увеличивается процесс испарения жидкости и при достижении НКПРП паров жидкости над испаряемым участком они (пары) вспыхивают, и происходит их зажигание от пламени и так далее.
Таким образом, скорость распространения пламени по жидкости определяется скоростью прогрева поверхности жидкости под воздействием лучистого теплового потока, т.е. скоростью образования горючей паровоздушной смеси над зеркалом жидкости.
В установившемся процессе горения, т.е. при постоянной температуре пламени, наблюдается равновесие между количеством сгоревшего зоне горения (пламени) вещества и массой пара, поступающего в зону горения (в пламя).
Это определяет постоянную скорость испарения и, следовательно, выгорание жидкости в течение всего процесса горения.
Влияние природы ГЖ и начальной температуры на скорость распространения пламени.
1) Природа жидкости.
Влияет теплота испарения жидкости Qисп.и ееtвсп..
Чем выше значение этих параметров, тем более длительное время необходимо, чтобы прогреть эту жидкость до образования паровоздушных горючих концентраций и тем, следовательно, ниже скорость распространения пламени.
Теплота испарения и температура вспышки в гомологическом ряду предельных углеводородов повышается, следовательно, понижается скорость распространения пламени.
2) Влияние начальной температуры.
Повышение начальной температуры повышает скорость распространения пламени, так как снижается время, необходимое для прогрева данной жидкости до температуры вспышки.
Если начальная температура жидкости приближается к температуре вспышки, скорость распространения пламени резко возрастает, так как над поверхностью жидкости уже образовалась паровоздушная смесь, способная гореть без дополнительного прогрева.
Механизм выгорания жидкости.
После воспламенения жидкости и распространения пламени по ее поверхности устанавливается диффузионный режим ее выгорания, который характеризуется удельной массовой mи линейнойUлскоростями выгорания.
Удельная массовая скорость- количество вещества, выгорающего с единицы площади зеркала жидкости в единицу времени(кг.м-2.с-1).
Линейная скорость- расстояние, на которое перемещается уровень зеркала жидкости в единицу времени за счет ее выгорания(м.с-1).
Массовая и линейная скорости выгорания взаимосвязаны друг с другом через плотности жидкости ρ:
m = uлρ
Итак, после воспламенения жидкости температура ее поверхности повышается от температуры воспламенения до кипения, происходит формирование прогретого слоя.
В этот период скорость выгорания жидкости постепенно повышается, возрастает высота факела пламени в зависимости от диаметра резервуара и вида горючей жидкости.
После 1-10 мин горения наступает стабилизация процесса: скорость выгорания и размеры пламени остаются в дальнейшем неизменными.
Устанавливается тепловой баланс между зоной горения и поверхностью жидкости.
Нагрев поверхности жидкости лучистым потоком от пламенисопровождается передачей тепла вглубь жидкости. Этот процесс происходит за счет теплопроводности и конвекции, за счет движения нагретых пламенем слоев жидкости.
За счет этого образуется прогретый или гомотермический слой, толщина которого возрастает во время горения.
У некоторых жидкостей распределение температуры вглубь или образование гомотермического слоя идет плавно, т.е. постепенно понижается по мере удаления от поверхности горящего зеркала жидкости.
К таким жидкостям относятся – керосин, дизельное топливо, соляровое и трансформаторное масла.
У других жидкостей наблюдается слой определенной толщины, температура которого одинакова во всех точках.
За нижней границей этого слоя идет резкое понижение температуры.
Это происходит при горении таких жидкостей, как сырая нефть, бензин, мазут.
Графически прогревание жидкости вглубь можно представить следующим образом:
Прямым следствием образования прогретого слоя является выброс нефтепродуктов из горящего резервуара.
Он обусловлен вскипанием прогретых слоев воды, расположенных под гомотермическим слоем.
Выброс происходит в тот момент, когда толщина прогретого слоя достигает уровня воды.
Выброс горящей жидкости может произойти, если под ее слоем жидкости находится вода, жидкость при горении прогревается в глубину с образованием прогретого слоя, достигающего слоя воды, а температура прогретого слоя горящей жидкости выше температуры кипения воды.
Отсутствие одного их этих условий исключает возможность выброса. Первое условие на практике связано с хранением нефти и нефтепродуктов, два других условия определяются свойствами самой жидкости.
В связи с этим выбросы наблюдаются при горении только нефти и мазута и не наблюдаются при горении таких нефтепродуктов, как керосин, дизельное топливо и др.
Нефть и мазут прогреваются весьма интенсивно, и температура прогретого слоя при этом всегда выше 100оС.
Керосин и дизельное топливо прогреваются медленно и не образуют прогретого гомотермического слоя.
Температура прогретого слоя бензина всегда ниже температуры кипения воды, поэтому выброс маловероятен.
2.Х имические основы процессов термического разложения твёрдых веществ и материалов.
В связи с определяющим влиянием на параметры процесса горения термического разложения твердых материалов рассмотрим основные его закономерности. При повышении температуры твердого вещества происходит разрыв химических связей с образованием более простых компонентов (твердых, жидких и газообразных). Термическое разложение или пиролиз представляет собой особый класс химических реакций, кинетика которых описывается уравнением Аррениуса, согласно которому скорость реакции экспоненциально возрастает с увеличением температуры. При термическом разложении, как правило, одновременно протекает большое количество последовательно-параллельных реакций, и поэтому величина энергии активизации, определенная по опытным данным, характеризует некоторый усредненный процесс. Для большинства веществ ее значение изменяется в пределах 140-250 кДж/моль.
Термическое разложение является чрезвычайно сложным процессом, зависящим от множества параметров. Различают изотермический и неизотермический пиролиз. В первом случае температура образца постоянна и во время всего периода разложения не меняется. При неизотермическом пиролизе температура может меняться как во времени, так и по глубине образца. При горении имеет место неизотермический пиролиз твердой фазы.
Многочисленные исследования, проведенные для большого количества веществ, показывают, что закономерности разложения существенно зависят не только от вида горючего, но и от температуры пиролиза, скорости ее изменения во времени, размеров пиролизуемого образца, его формы, степени распада и т. д. Процесс пиролиза существенно зависит от того, находится ли образец в контакте с продуктами разложения или последние удаляются из реакционного сосуда.
На практике наиболее распространенным в настоящее время лабораторным методом определения скорости выгорания твердых материалов является установка «камера-весы». Она представляет собой модель помещения, пол которого соединен с платформой весов. Испытуемый материал загружают на пол камеры, перед зажиганием равномерно смачивают керосином и в процессе горения фиксируют, потери массы во времени. Производная кривой потери массы горючего, отнесенная к площади пола камеры, во времени представляет собой приведенную массовую скорость выгорания.
Массовая скорость выгорания на внутренних пожарах существенно зависит от условий газообмена, который определяется главным образом относительной площадью проема (отношение площади проема, через который осуществляется газообмен, к площади пожара). В таблице 6 приведены результаты для относительной площади проема, равной 0,16. При ее изменении от 0,085 до 0,25 массовая скорость выгорания может быть определена по эмпирической формуле
mf = 6,25fрп m
где fрп - относительная площадь проема;
mf - скорость выгорания при fi относительной площади проема, кг·м-2·с1;
m - скорость выгорания при f = 0,16, кг·м-2·с-1 (табл. 6).
Горение металлов
По характеру горения металлов их делят на две группы: летучие и нелетучие. Летучие металлы обладают относительно низкими температурами фазового перехода -- температура плавления менее 1000 К, температура кипения не превышает 1500 К. К этой группе относятся щелочные металлы (литии, натрий, калий и др.) и щелочноземельные (магний, кальций). Температуры фазового перехода нелетучих металлов значительно выше. Температура плавления, как правило, выше 1000 К. а температура кипения -- больше 2500 К (табл. 1).
Механизм горения металлов во многом определяется состоянием их окисла. Температура плавления летучих металлов значительно ниже температуры плавления их окислов. При этом последние представляют собой достаточно пористые образования.
При поднесении источника зажигания к поверхности металла происходит его испарение и окисление. При достижении концентрации паров, равной нижнему концентрационному пределу, происходит их воспламенение. Зона диффузионного горения устанавливается у поверхности, большая доля тепла перелается металлу, и он нагревается до температуры кипения. Образующиеся пары, свободно диффундируя через пористую окисную пленку, поступают в зону горения. Кипение металла вызывает периодическое разрушение окисной пленки, что интенсифицирует горение. Продукты горения (окислы металлов) диффундируют не только к поверхности металла, способствуя образованию корки окисла, но и в окружающее пространство, где, конденсируясь, образуют твердые частички в виде белого дыма. Образование белого плотного дыма является визуальным признаком горения летучих металлов.
У нелетучих металлов, обладающих высокими температурами фазового перехода, при горении на поверхности образуется весьма плотная окисная пленка, которая хорошо сцепляется с поверхностью металла. В результате этого скорость диффузии паров металла через пленку резко снижается и крупные частицы, например, алюминия и бериллия, гореть не способны. Как правило, пожары таких металлов имеют место в том случае, когда они находятся в виде стружки, порошков и аэрозолей. Их горение происходит без образования плотного дыма. Образование плотной окисной пленки на поверхности металла приводит к взрыву частицы. Это явление особенно часто наблюдается при движении частицы в высокотемпературной окислительной среде, связывают с накоплением паров металлов под окисной пленкой с последующим внезапным ее разрывом. Это, естественно, приводит к резкой интенсификации горения.
Основными параметрами их горения являются время воспламенения и сгорания. Из теории диффузионного горения следует, что время сгорания частицы металла г пропорционально квадрату ее диаметра do. Экспериментальные данные показывают, что фактическая зависимость несколько отличается от теоретической. Так, для алюминия г ~do1,5ч1,8, магния г~do2,6, а для титана г ~do1,59.
Повышение концентрации кислорода в атмосфере интенсифицирует горение металла. Частички алюминия диаметром (53 ч 66) 10-3мм в атмосфере, содержащей 23% кислорода, сгорают за 12,7·10-3с, а при повышении концентрации окислителя до 60% -- за 4,5·10-3с.
Однако для пожарно-технических расчетов большой интерес представляет не время сгорания частицы металла, а скорость распространения пламени по потоку взвеси частиц металла в окислителе. В табл.2 приведены экспериментальные данные по скорости распространения пламени и массовой скорости выгорания взвеси частиц диаметрами менее 10-2мм и 3·10-2мм алюминия в воздухе при различном коэффициенте избытка воздуха.