Теоретичні основи процесу горіння

Що таке горіння?

Горіння — це екзотермічний процес, який охоплює окисно-відновні перетворення речовин і (або) матеріалів і характеризується наявністю летких продуктів і (або) світлового випромінювання.

Основою процесу горіння є комплекс екзотермічних окислювально-відновних реакцій горючої речовини з окисником. Однак деякі речовини (стиснений ацетилен, хлористий азот, озон) можуть вибухати без кисню з утворенням тепла і полум’я.

Які умови необхідні для виникнення процесу горіння?

Процес горіння потребує наявності трьох компонентів: речовини, що здатна горіти; джерела вогню з необхідним запасом енергії горіння, певної кількості окисника.

Окисником є кисень, у якому найбільш бурхливо відбуваються процеси горіння. Окисником можуть бути кисневмісні речовини, такі як марганцевокислий калій КМn2О4 селітра КNО3, азотна кислота НМ03 та ін.

При зниженні концентрації кисню у повітрі, інтенсивність горіння різко послаблюється, а при 14 % горіння більшості речовин вже припиняється.

Найбільш розширеними джерелами вогню є: іскри, механічне тертя, апарати вогневої дії, адіабатичне стиснення, розряди статичного струму, хімічні реакції і т д.

Для процесу горіння у звичайних умовах має бути речовина здатна горіти у одному з трьох агрегатних станів: рідкому, твердому, газоподібному.

Як класифікуються види горіння?

Горіння може бути повним і неповним. При надмірній кількості кисню у повітрі горіння буде повним, при недостатній кількості кисню згоряння буде неповне.

Залежно від швидкості хімічної реакції, горіння може відбуватися у вигляді: тління (швидкість декілька см/с), власне горіння (декілька м/с), вибуху (сотні м/с) і детонаційне (тисячі м/с).

Залежно від швидкості розповсюдження полум’я горіння умовно класифікується як дефлаграційне, що відбувається з дозвуковими швидкостями, або як детонаційне, що має надзвукові швидкості.

Якщо горіння виникає у замкненому просторі, то за рахунок теплопровідності і високої температур незгорілий газ починає невпорядковано рухатись у суміші, збільшуючи поверхню полум’я, що призводить до вибуху дефлаграційного характеру.

Вибухове горіння - це швидке перетворення речовини, що супроводжується виділенням енергії та утворенням стиснених газів.

У процесі подальшого розповсюдження полум’я посилюється стиснення незгорілого газу перед фронтом полум’я. Таке стиснення супроводжується утворенням послідовних слабких ударних хвиль, які затим з’єднуються в одну потужну ударну хвилю.

Коли температура в ударній хвилі стає досить високою, виникає новий стійкий режим, що має назву — детонація, при якій передача теплоти здійснюється не шляхом повільного процесу теплопровідності, а шляхом розповсюдження ударної хвилі, у точці утворення якої настає різкий стрибок тиску до 20-30 кПа.

Детонація — це горіння, що розповсюджується з швидкістю, яка перевищує швидкість звуку (тисячі м/с).

Дозвукове горіння поділяється на ламінарне і турбулентне. Ламінарне горіння характеризується пошаровим поширенням фронту полум’я по свіжій горючій суміші, турбулентне — змішуванням шарів потоку.

Якщо речовина утворює з повітрям горючу суміш, вона вважається готовою до горіння. Важливою характеристикою горючої суміші є процентне співвідношення горючої речовини і кисню у повітрі. Горючі суміші залежно від співвідношення пального та окисника бувають бідними або багатими.

Горючі системи бувають хімічно однорідними й неоднорідними, а відтак горіння буває гомогенним і гетерогенним, або кінетичним і дифузійним.

Гомогенне (кінетичне) горіння - це горіння заздалегідь підготовленої суміші, у якій реагуючі речовини перебувають в одному агрегатному стані (суміші горючих газів, пари, пилу з повітрям.)

Гетерогенне (дифузійне) горіння відбувається тоді, коли горюча речовина і окисник не перемішані між собою, а процес горіння лімітується дифузією кисню у зону полум’я. Це буває тоді, коли реагуючі речовини перебувають у різних агрегатних станах і між ними є межа поділу фаз у горючій системі (рідкі і тверді горючі речовини). Більшість пожеж відбуваються шляхом гетерогенного дифузійного горіння, яке лімітується дифузією кисню повітря в осередок горіння.

Час, протягом якого згоряє вся горюча суміш, складається з часу, необхідного для появи контакту між горючою речовиною та окисником, і часу, протягом якого відбувається хімічна реакція окислення. Залежно від співвідношення складових цього часу здійснена класифікація, описаних вище видів горіння.

Якими властивостями характеризується горючість матеріалів і речовин?

Пожежонебезпечні властивості матеріалів і речовин характеризуються показником горючості.

Горючість - це здатність матеріалів та речовин спалахувати під дією джерела запалювання та продовжувати горіти після його вилучення.

За горючістю матеріали і речовини поділяються на три класи: негорючі, важкогорючі і горючі.

Негорючі (неспалимі) - це такі, які під дією вогню або високої температури не спалахують, не тліють і не обвуглюються (природні й штучні неорганічні матеріали — алебастр, залізобетон, пемзобетон, метал, мармур та ін.).

Важкогорючі (важко спалимі) - це такі, які під дією вогню або високої температури спалахують, тліють або обвуглюються тільки за наявності джерела запалювання, а після його вилучення горіння або тління припиняється (гіпсові з органічним наповнювачем і мінеральні плити з бітумним заповнювачем, просочена антипіренами деревина, полімерні матеріали, асфальтобетон, гіпсова штукатурка та ін.).

Горючі (спалимі) - це такі, які під дією вогню або високої температури спалахують, тліють або обвуглюються і продовжують горіти, тліти або обвуглюватися після вилучення джерела запалювання (всі органічні матеріали).

Групу горючості матеріалів визначають експериментальним шляхом і використовують для аналізу пожежної небезпеки.

Якими властивостями характеризується пожежна небезпека речовин?

Пожежна небезпека речовин характеризується горючістю, займанням і вибухонебезпечністю. Речовини, що мають такі властивості, позначаються (ГОСТ 12.1.004-85):

НГ— негорючі речовини, які не здатні горіти в атмосфері повітря звичайного складу;

ТГ - важко горюча речовина, може горіти лише під дією стороннього джерела запалювання, але не здатна горіти самостійно після його вилучення;

ГВ — горюча речовина, самостійно горить після вилучення джерела запалювання;

ГЖ — горюча рідина, самостійно горить після вилучення джерела запалювання і має температуру спалаху понад 61 °С (у закритому) або 66 °С (у відкритому тиглі);

ЛВЖ — легкозаймиста рідина. Може самостійно горіти після вилучення джерела запалювання і має температуру спалаху до 61 °С (у закритому) або до 66 °С (у відкритому титл і);

ГГ — горючий газ, здатний утворювати з повітрям займисті і вибухонебезпечні суміші;

ВВ — вибухонебезпечна речовина, яка може вибухнути або детонувати без наявності кисню повітря.