CC BY
166
И. М. АБДУРАГИМОВ, д-р техн. наук, профессор, академик НАНПБ, профессор МГТУ им. Н. Э. Баумана, г. Москва, Россия
УДК 614.841.425
ПРЕДЕЛЬНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ГОРЕНИИ КАК НАУЧНО-ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОСНОВА ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ
На основании анализа условий и параметров возникновения пожаров и взрывов в природе и практически во всех сферах человеческой деятельности установлено, что предотвращение, возникновение, развитие и прекращение этих чрезвычайно опасных и нежелательных процессов и явлений практически всегда сопровождается переходом через так называемые предельные явления или состояния, известные и хорошо изученные в физике и химии горения и взрыва. Показано, что знание и соблюдение этих закономерностей должно быть положено в основу всей научной и практической деятельности по обеспечению пожаровзрывобезопасности объектов защиты.
Ключевые слова: пожар; горение; взрыв; предельные явления; пожаровзрывобезопасность.
В середине 70-х годов прошлого века, вскоре после создания кафедры "Процессы горения" в единственном в стране в те годы высшем учебном заведении по пожарной безопасности (ВИПТШ МВД СССР), автором была написана статья с очень претенциозным названием "Предельные явления в горении — научная основа пожаровзрывобезопасности". Естественно, статью с таким названием единственный тогда в стране журнал по пожарной безопасности "Пожарное дело" напечатать не осмелился (а других по этим проблемам не было). И только почти через 10 лет (в конце 1984 г.) эта статья в несколько адаптированном виде была опубликована Журналом Всероссийского химического общества им. Д. И. Менделеева (он так и назывался), достаточно известным в мире, поскольку он переиздавался на английском языке. А надо сказать, что в нашей стране среди специалистов по пожаровзрывобезопасности высшим достижением считалось опубликовать свою работу в этом замечательном журнале.
Через 2-3 года после этой публикации университеты многих стран мира (Канады, Бразилии, Японии) стали приглашать автора на семинары, конгрессы, симпозиумы по проблемам пожаровзрывобезопас-ности (но "почему-то" эти приглашения вручались ему через 2-3 месяца после того, как данные мероприятия уже состоялись).
В 1984 г. было издано учебное пособие "Процессы горения" для пожарных инженеров, вся заключительная глава которого написана почти целиком по материалам упомянутой выше статьи (естественно, без ссылки на саму статью). Еще через 23 года на кафедре выходит второе учебное пособие на эту же тему "Теория горения и взрыва". Последняя, 8-я,
© Абдурагимов И. М., 2012
глава пособия так и называется: "Предельные явления в горении — теоретическая основа обеспечения пожаровзрывобезопасности" — и написана почти полностью по материалам этой статьи. И тоже, "естественно", без ссылки на статью и даже упоминания о ней.
Более того, к 1985 г. на основе материалов данной статьи был написан новый учебник (объемом 250 с.), название которого полностью совпадает с названием статьи, но и он, "естественно", не был издан.
На основе каждого раздела этой статьи за истекшие 25 лет было написано по 2-3, а то и более статей (в 90 % случаев без ссылки на первоисточник!). Последний случай — отличная статья в сентябрьском номере "Пожаровзрывобезопасности" за 2012 г. о температуре потухания пламени как предельном явлении, лежащем в основе процессов тушения (и тоже, "естественно", без ссылки!).
Надеюсь, что после этой публикации мои коллеги станут более часто ссылаться на упомянутую выше статью, ставшую первоосновой для нескольких десятков статей по пожарной безопасности. ***
Обзор и анализ статистических данных по числу пожаров, их масштабам, размерам материального ущерба и числу человеческих жертв при пожарах и взрывах за последние 10-12 лет убедительно показывают тенденцию их неуклонного и устойчивого роста практически во всех технически развитых странах мира. Как отмечалось в ряде работ [1-6], такое положение обусловлено, с одной стороны, резкой интенсификацией производства и потребления энергии, повышением общих и единичных мощно-
стей агрегатов, объектов и целых отраслей промышленности, а с другой — отставанием научных разработок и производства систем и средств обеспечения пожаровзрывобезопасности. Даже такие чрезвычайные меры, предпринятые в США, как многомиллионные ассигнования на обеспечение пожа-ровзрывобезопасности космических полетов [4] и федеральный закон о мерах по снижению материального ущерба при пожарах [5], дают лишь временный успех, в лучшем случае в виде стабилизации показателей потерь и ущерба на 2-3 года, после чего они вновь начинают возрастать.
В ряде стран не полностью решены некоторые проблемы обеспечения требуемого уровня пожаро-взрывобезопасности современной авиации и аэрокосмических полетов; пожарной безопасности атомных энергоустановок, крупных резервуаров с ЛВЖ и ГЖ; крупных магистральных газопроводов и нефтеналивных судов, многих видов химического производства, крупных складов материальных ценностей, жилых и общественных высотных зданий; обеспечения радикальными средствами для борьбы с крупными лесными и торфяными пожарами и многими другими видами пожаров и взрывов на современных объектах. В нашей стране приняты необходимые меры и разработаны эффективные средства обеспечения максимально возможной степени пожаро-взрывобезопасности объектов народного хозяйства, и тем не менее часто случаются взрывы и весьма крупные пожары, нередко сопряженные с жертвами и большим материальным ущербом [6, 7].
Система обеспечения пожаровзрывобезопасности
В соответствии с действующими в нашей стране законодательством и нормами технического проектирования, строительства и эксплуатации объектов народного хозяйства обеспечение требуемого уровня пожаровзрывобезопасности любого объекта предусматривается еще на стадии разработки технического задания на его проектирование. Затем эти требования реализуются в процессе проектирования данного объекта. В соответствии с принципами кате-горирования объектов по степени их пожаровзрыво-безопасности, принятыми еще в СССР, в проект закладываются параметры, системы и целые комплексы, предусмотренные соответствующими нормативными документами (СНиПами и СН). Особые меры обеспечения пожаровзрывобезопасности принимаются при строительстве объектов и монтаже технологического оборудования, а перед сдачей в эксплуатацию специальной комиссией составляется акт о достаточности мер обеспечения пожаровзрывобезопасности данного объекта. Ответственность за обеспечение пожаровзрывобезопасности любого
объекта в процессе его эксплуатации (помимо специально выделенных лиц, ответственных за каждый участок, помещение, цех) возложена на высшее руководство предприятия (чаще всего на главного инженера завода, фабрики, комбината). В нашей стране регулярно осуществляется профилактический контроль за состоянием пожаровзрывобезопасности всех объектов на всей территории страны. Ежегодно монтируются десятки тысяч комплектов автоматических систем сигнализации о пожаре и автоматических систем пожаротушения. Особенно интенсивно эта работа ведется в нашей стране в последние 3-4 года.
Для тушения возникших пожаров по территории всей страны рассредоточена сеть оперативных подразделений пожарной охраны с радиусом выезда до любого охраняемого объекта не более 3-5 км (в соответствии с нормативными документами); при этом время прибытия сил и средств пожарной охраны для тушения возникших пожаров должно быть не более 10 мин с момента сообщения о пожаре.
Установлены довольно жесткие нормы и правила обеспечения пожарной безопасности и особенно предупреждения пожаров в строительстве, в технологических процессах производств, в системах отопления и вентиляции, в электросиловых и теплосиловых установках и т. п.
Предотвращение загораний, локализация зоны горения, снижение интенсивности развития и прекращение горения как способы обеспечения пожаровзрывобезопасности
Каковы конкретные приемы и методы профилактики пожаров и взрывов и борьбы с ними на современных объектах народного хозяйства вообще и в химической промышленности в частности?
Прежде всего, это комплекс мер, направленных на предотвращение основного процесса на пожаре — процесса горения. Условия, необходимые и достаточные для возникновения пожара, можно выразить в виде мнемонической схемы классического треугольника пожара горючее - окислитель - источник воспламенения (см. рисунок). Согласно этой схеме для предотвращения пожара и взрыва достаточно разорвать хотя бы одну из связей в этом треугольнике, т. е. исключить либо горючее, либо окислитель,
Источник поджигания
Мнемоническая схема классического треугольника пожара
либо источник поджигания (воспламенения). Однако такая упрощенная схема дает лишь качественное представление об условиях возникновения пожара или взрыва. Для более строгого, количественного представления необходимо вместо комплекса горючее - окислитель ввести понятие "горючая система", поскольку даже для сравнительно редких в практике пожарной охраны случаев, когда пожар начинается со взрыва гомогенной газовоздушной горючей смеси, вопрос о вероятности воспламенения такой горючей системы сводится к достаточности удельной мощности и характеру источника поджигания.
Общеизвестно, что пожаро- и взрывоопасной является не всякая смесь горючего газа (или паров горючих жидкостей) с воздухом, а только смесь определенного состава, находящегося в концентрационных пределах воспламенения данного вида горючего с воздухом. В то же время допустимый уровень энергии потенциально опасного источника поджигания нередко ошибочно оценивается по критической энергии зажигания данного вида горючих смесей электрической искрой Екр, которая для большинства углеводородных горючих ничтожно мала. Для предельных углеводородов в смеси с воздухом Екр составляет 0,2-0,3 мДж, для этиленовоздушных смесей — около 0,1 мДж, а для водородно-воздушных и аце-тиленовоздушных смесей — порядка 0,01 мДж. При этом практические работники нередко упускают из виду следующее: при разряде электрической искры мощность источника поджигания и (что более существенно) удельная мощность (т. е. величина, выражаемая в Дж/(м3 с)) огромна, поскольку в этом случае энергия выделяется за тысячные доли секунды в объеме, измеряемом тысячными долями кубического сантиметра. В других случаях критическая энергия, которой должен обладать потенциально опасный источник поджигания, значительно выше. Эти факты достаточно известны и обстоятельно изложены в ряде работ [8, 9]. Тем не менее на практике продолжают действовать подчас недостаточно обоснованные жесткие требования по фрикционной искробезопасности ряда производств, опасных по взрыву пыли, паров горючих жидкостей и некоторых горючих газов (в том числе не относящихся к группе легко инициируемых, типа водорода, ацетилена, этилена, сероуглегода, сероводорода). Это подчас сильно затрудняет, осложняет технологический процесс производства, приводит к необоснованным дополнительным материальным затратам на обеспечение его пожаровзрывобезопас-ности.
Вероятность образования горючей системы при технологических процессах, связанных с хранением, транспортировкой или переработкой легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, как извест-
но, определяется их температурой и газодинамическими условиями смесеобразования (по известным температурным пределам воспламенения данной горючей жидкости). Фактическая же вероятность их воспламенения зависит от мощности источника поджигания, и для этого случая в полной мере справедливо сказанное выше о газовоздушных смесях.
Еще сложнее обстоит дело с определением понятия горючей системы, когда речь идет о твердых горючих материалах (ТГМ). Для ТГМ, не относящихся к категории самовозгорающихся, вероятность воспламенения зависит от их физико-химического состояния, мощности и энергии источника поджигания еще в большей мере, чем для парогазовых смесей. В тонкодисперсной фазе, в состоянии аэровзвеси ТГМ ближе к парогазовоздушным смесям, т. е. имеют очень высокую пожаровзрывоопасность. В измельченном состоянии они пожароопасны, но требуемый для их воспламенения источник поджигания должен обладать значительно большим запасом энергии, а время его действия должно быть достаточно велико (по сравнению со временем действия искры). В компактном состоянии (особенно в состоянии "термически толстых" элементов, когда физическая толщина материала, куда происходит отвод тепла по механизму кондуктивной теплопроводности, существенно больше толщины слоя материала, прогретого при его воспламенении и в процессе горения) твердые горючие материалы становятся формально практически негорючими или, по крайней мере, трудногорючими, так как единичные образцы при поджигании сверху с горизонтальной поверхности не горят без дополнительных внешних источников теплового воздействия, а после удаления источника поджигания происходит их самозатухание.
Таким образом, комплекс мер, направленных на предотвращение возникновения процессов горения как начальной стадии любого взрыва и пожара и основанных на понятии концентрационных пределов воспламенения или критических энергий поджигания, помимо формальных требований и "нормативных" параметров, должен учитывать реальное физическое состояние и механизм воспламенения той или иной горючей системы. Неучет этих обстоятельств приводит либо к неоправданно высоким материальным затратам на обеспечение пожаровзры-вобезопасности, либо (что еще хуже) к риску возникновения пожара.
Другой широко применяемый способ обеспечения пожаровзрывобезопасности объектов и технологических процессов производств, в том числе в химической промышленности, основан на локализации зон возможного горения. Если не удается предотвратить возникновение горючей системы и
ограничить мощность источника поджигания такой системы, прибегают к ограничению зоны возможного распространения горения. При противопожарной защите — это расчленение объемов помещения негорючими огнестойкими перекрытиями в горизонтальной плоскости и ограничение площади единичных помещений огнестойкими вертикальными преградами. При взрывозащите — это расчленение взрывоопасных объемов огнепреградителями (принцип действия которых основан на том, что максимальные размеры газопроницаемых элементов должны быть меньше гасящего (критического) размера для данного вида горючей смеси и данного режима горения); установка автоматических систем, например систем подачи огнетушащих средств в виде заградительных заслонов на пути распространения огня или в виде быстродействующих отсечных клапанов.
В шахтах, на рудниках и других подземных объектах, опасных по взрыву газа и пыли, нередко рекомендуется также предусматривать системы взры-возащиты по принципу локализации зоны взрыва экстренной подачей водяных завес или порошковых заслонов на пути распространения фронта взрывной волны. Практическая эффективность таких систем представляется сомнительной из-за инерционности срабатывания и технических трудностей обеспечения равномерной плотности распределения огнету-шащего средства по всему сечению штольни на достаточно большой протяженности канала.
Наконец, на объектах, где не представляется возможным полностью исключить вероятность воспламенения горючей системы, предусматривают комплекс мероприятий, направленных на снижение интенсивности процессов диффузионного горения или кинетического взрывного горения. При пожароза-щите — это ограничение величины горючей нагрузки; соблюдение регламентируемых противопожарных разрывов между пожароопасными объектами или элементами "горючей нагрузки"; ограничение единичной площади и допустимой высоты помещения; ограничение интенсивности газообмена при диффузионном режиме горения в условиях пожара и т. д., а также применение автоматических систем подачи огнетушащих средств, которые если и не приводят к локализации или тушению пожаров, то, по крайней мере, снижают интенсивность их развития до момента прибытия сил и средств пожарной охраны. При взрывозащите — это поддержание заведомо низких концентраций горючего или окислителя (в зависимости от вида технологического процесса производства); введение флегматизирующих добавок, нейтральных разбавителей или применение сбросных клапанов и разрывных мембран, позволяющих снизить давление взрыва в зоне его воз-
никновения и тем самым ограничить интенсивность его дальнейшего развития.
Все эти профилактические приемы так или иначе основаны на использовании предельных явлений в процессе горения: предельных концентраций; предельных давлений; предельных размеров гасящей щели; предельных интенсивностей теплоотво-да; предельных температур и т. п. Если всех указанных предупредительных мер оказывается почему-либо недостаточно и пожар все-таки возникает, то для прекращения процессов горения прибегают к способам, которые также основаны на использовании предельных явлений. При тушении пожара — это подача в зону горения огнетушащих средств, реализующих тот или иной механизм прекращения горения, а при подавлении взрыва — это экстренный ввод огнетушащих средств во фронт пламени.
Во всех случаях механизм действия огнетуша-щих средств сводится в конечном счете к достижению одного или нескольких из предельных параметров процесса горения. При тушении пожаров инертными газами — это достижение концентраций выше предельных для данного вида инертных газов; при тушении химически активными ингибиторами — это торможение скорости химических реакций до снижения интенсивности тепловыделения ниже критической, когда температура в зоне горения падает ниже температуры потухания пламени (что относится и к тушению путем охлаждения зоны горения водой); при тушении путем охлаждения горючего материала—это снижение его температуры ниже температуры вспышки (для ЛВЖ и ГЖ) или начала пиролиза (для твердых горючих материалов) и т. д. [10, 11].
Согласно тепловой теории потухания пламени во всех рассмотренных выше случаях температура в зоне протекания химических реакций горения должна снизиться до температуры потухания, и процесс горения прекратится. Аналогичная картина наблюдается и при прекращении процессов горения во фронте пламени в момент включения быстродействующих автоматических систем взрывоподавле-ния [12].
Предельные явления в горении как теоретическая основа предотвращения воспламенения, локализации зон горения и его прекращения
Степень изученности предельных явлений в процессах горения и правильность применения их для обеспечения пожаровзрывобезопасности неодинаковы и в ряде случаев явно недостаточны. Предельные параметры горения перечислить довольно трудно, однако в практике обеспечения пожаровзрыво-безопасности используются, как правило, всего 9-10 основных параметров.
В первую группу прежде всего входят концентрационные пределы воспламенения (НКПВ и ВКПВ) горючих смесей (фнкпв и ФВКПВ), которые условно с достаточной для практических целей точностью можно принять и за концентрационные пределы горения (распространения пламени).
Правда, исследования последних лет [13] показали, что, строго говоря, некоторые околопредельные смеси в больших объемах могут воспламеняться, но их способность к распространению пламени зависит от направления его распространения ("снизу вверх" или "сверху вниз") и на всю горючую смесь пламя распространиться не может из-за больших конвективных тепловых потерь от фронта пламени. Для данной работы эта деталь не столь существенна, хотя и позволяет несколько уточнить концентрационные пределы распространения пламени (в отличие от концентрационных пределов воспламенения).
Другими предельными параметрами, производными от концентрационных пределов воспламенения, являются температурные пределы воспламенения (НТПВ и ВТПВ) для ЛЖВ - ГЖ и пределы по давлению (Рпред) для газовоздушных смесей. Действие этих предельных параметров основано на том, что самопроизвольные реакции горения в смеси возможны только при определенном соотношении горючего и окислителя в единице объема.
Ко второй группе предельных параметров процесса горения относятся температура самовоспламенения Гсв, температура поджигания Гподж (температура вынужденного зажигания или вынужденного воспламенения горючей смеси) и, как производная от них, минимальная критическая энергия поджигания Екр. кр
В третью группу параметров входит низшая теплота сгорания бпред ~ 1830 кДж/м3; связанная с ней минимальная температура в зоне реакций горения — температура потухания пламени Гпот и зависящий от нее критический гасящий размер
Наконец, четвертая группа предельных параметров, используемых главным образом при реализации того или иного механизма прекращения горения, — это параметры, также сопряженные с минимальной теплотой сгорания и температурой потухания: предельная минимальная скорость распространения фронта пламени V пред (м/с) и минимальная массовая скорость выгорания горючего материала V мред (кг/(м -с)). Оба параметра тесно связаны между собой, и если пренебречь детальным различием в механизмах кинетического (при установлении V пред) и диффузионного (при определении V ,Лред) горения, то формально минимальную предельную массовую скорость выгорания с предельной скоростью рас-
пространения пламени можно связать соотношением
. пред
v пред ~ 0 или V пред « ^_Р г ФНКПВ
уп км г в ^м 100 '
где Гв0 —количество воздуха, необходимое для полного сгорания единицы массы горючего вещества, м3/кг;
рг — плотность горючего, кг/м3; ФНКПВ — нижний концентрационный предел горючего в смеси с воздухом, %. Приведенная массовая скорость выгорания горючих веществ и материалов является одним из важнейших параметров процесса горения при пожаре. Именно она определяет интенсивность тепловыделения при горении на пожаре, а через нее — всю динамику развития пожара:
Qп = Р Vм ^п бн.р,
где Qп — тепловыделение, кДж/с;
Р — коэффициент полноты сгорания; Р = (1 -^ — сумма физического и химического недожога;
т-1 2
гп — площадь поверхности горения, м ; Qнp — низшая теплота сгорания горючего (по рабочей массе), кДж/кг.
Более детальный анализ внутренней природы связей и взаимозависимостей всех этих предельных параметров процессов горения позволяет предположить, что в основе их, по существу, лежат два основных положения из бесчисленного множества законов и закономерностей, описывающих всю сложную совокупность явлений и процессов, сопровождающих процесс горения [14, 15]:
1) резкое экспоненциальное ускорение реакций химического взаимодействия горючего с окислителем при повышении температуры горючей смеси до температуры самовоспламенения;
2) невозможность самопроизвольного продолжения реакций горения при понижении температуры среды в зоне реакций до некоторой определенной величины Гпот.
Раскрытие цепного характера ускорения химических реакций окисления при температурах, близких к температуре самовоспламенения, развитое в работах советских ученых Н. Н. Семенова, Ю. Б. Ха-ритона, Я. Б. Зельдовича, Д. А. Франк-Каменецкого и др., позволило разработать тепловую теорию потухания пламени. При снижении температуры в зоне протекания химических реакций горения ниже определенного (предельного) значения температуру потухания можно получить исходя из следующих условий теплового равновесия в зоне горения:
1) интенсивность тепловыделения Qвыд в результате химических реакций горения должна быть равна интенсивности теплоотвода Qотв из этой зоны, т. е.
QвЫд = Q отв
2) первые производные от этих величин по температуре должны быть равны между собой, т. е.
(ёбвыд/аг )т пот = (¿ботв/аг )т пот;
3) вторая производная от интенсивности тепловыделения по температуре отрицательна, т. е. (¿2 бвыд/ёТ2)т < 0, в отличие от условия самовоспламенения, когда первые два условия аналогичны этим а (¿20.ЪЪЩ1&Т2 )тпот > 0.
Согласно законам химической кинетики интенсивность тепловыделения при горении можно выразить через уравнение Аррениуса:
Q выд = QoVk0C V1 C V2exp (- —
а интенсивность теплопотерь из зоны химической реакции — в виде выражения
ботв ~ блуч + бконв ~ а ^пл (Тпл — Т0) + + ^Ш(Т-4 - То-4),
где V — объем зоны реакции, м3; к0 — константа скорости реакции; С Г1, С0"2 — концентрация соответственно горючего и окислителя, %;
у1, у2 — индексы, означающие порядок реакции соответственно по горючему и окислителю; Е — энергия активации реакции окисления (горения), кДж/моль;
блуч, бконв — теплопотери излучением и конвекцией соответственно, кДж/с; а — коэффициент теплоотдачи, кДж/(м2-с-°С); ^пл — площадь поверхности пламени (излучающей поверхности), м2;
тпл, т0 — температура пламени и окружающей среды соответственно, К;
е — коэффициент черноты излучающей поверхности (пламени);
а0—коэффициент излучения абсолютно черного тела; а0 = 5,810-3 кДж/(м2-с-К4). Решая эту систему уравнений, можно получить выражение для оценки предельной температуры потухания пламени Тпот. С большей или меньшей степенью точности эту величину можно выразить через адиабатическую температуру пламени тад:
Тпот = Тад - 3ЯТ2,/Е
или приближенно — через фактическую термодинамическую температуру продуктов сгорания Тпл:
Т ~Т —ВТ2 Е
1 пот ~ 1 пл Л 1 пл/Е '
В первом случае адиабатическая температура среды на пределе скорости распространения пламени составляет 1700-1800 К, во втором — порядка 1300 К. Эти два нижних температурных предела (Тад и Тпот) позволяют связать между собой практи-
чески все основные нижние предельные параметры процессов горения, наиболее важные для обеспечения пожаровзрывобезопасности.
Проследим эту взаимосвязь на примере некоторых основных предельных параметров процессов горения, а именно энергии активации брутто-про-цессов реакций горения и температуры самовоспламенения данной пары компонентов горючей смеси (или смесей данного концентрационного состава).
Энергия активации реакций горения — это та энергия, которую необходимо сообщить системе для интенсификации процессов химического взаимодействия горючего с окислителем, после чего станет возможным дальнейший самопроизвольный процесс горения, т. е. подогрев системы до температуры, близкой к температуре самовоспламенения данного вида горючей смеси Тсв. Однако практические работники редко усматривают прямую связь между этими важнейшими показателями пожарной опасности горючих веществ и материалов и возможность выражения одного из них через другой с достаточной для практических целей точностью. Согласно определению
Е'акт Ф г
22,4(CP )см. 100р c
(1)
или для табличных значений этих параметров, т. е. для смесей состава, близкого к стехиометрическому:
E мин m акт Y стех
22,4(Cp )см. 100р c
(2)
где Eакт — энергия активации химической реакции окисления (горения);
Ф. — концентрация горючего в рассматриваемой смеси, %;
Фстех — стехиометрический состав смеси, %; (Cp)см i — средняя теплоемкость смеси при Р = const;
рсс—плотность "свежей" горючей смеси, кг/м3. В таблице сопоставляются значения температур самовоспламенения ряда углеводородовоздушных смесей, приведенные в работе [16], с данными, полученными по формуле (2).
Сравнение Тсрвасч и Тсэвксп свидетельствует о хорошем совпадении расчета с экспериментом: разница не превышает 5-30 К, что вполне достаточно для практических целей. При этом следует также учесть, что погрешность экспериментальных методов определения Тсв составляет, как правило, 25-30 К.
Еще реже можно встретить в технической литературе данные о количественной взаимосвязи таких важнейших показателей пожаровзрывоопасности горючих систем и технологических процессов производств, как энергия активации Еакт горючей смеси и минимальная критическая энергия поджигания смеси данного состава: Екр = f (Еакт).
мин
св
Расчетные и экспериментальные температуры самовоспламенения для ряда углеводородовоздушных смесей
Углеводород Е -10 3 Еакт 10 , кДж/моль [17] ТРасч ,К Тэксп К [16]
Метан 122 805 810
Этан 205 800 788
Гексан 213 515 534
Гептан 254 490 520
В то же время эти предельные параметры, теснейшим образом связанные, вполне соизмеримы друг с другом, а в некоторых простейших случаях, например для предельных углеводородов, практически совпадают при выражении их в одинаковых размерностях:
Е
Е акт ф стех ДК
с.с пред
кр
22,4 • 100
(3)
где Д^пред — минимальный объем свежей горючей смеси состава, близкого к стехиометрическому, после воспламенения которого происходит дальнейшее самопроизвольное распространение процесса горения на остальную горючую смесь. Согласно данным современной теории вынужденного зажигания это — сферический объем радиусом гэкв порядка толщины фронта пламени горючей смеси данного состава 5ф п:
гмин > 3 75
ф.п '
Полагая для углеводородовоздушных смесей сте-хиометрического состава 5фп « 0,1 мм, получим кри-
мин А с . А Т^с.с А С 3
тический радиус гэкв « 0,5 мм, т. е. Д V« 0,5 мм .
Подставив в формулу (3) значения Еакт для метана, этана, пропана и т. д. [17], получим £кр » « 0,25+0,28 мДж, что вполне удовлетворительно согласуется с известными значениями этого параметра для большинства углеводородовоздушных смесей (порядка 0,2-0,3 мДж). Для других соединений — непредельных углеводородов, а также кислород-и азотсодержащих соединений и т. п., для которых механизм инициирования химических реакций при воспламенении имеет более сложный характер, эта связь не столь точна и наглядна, но по порядку величин (с точностью до принятых в формуле (3) приближенных значений параметров) подтверждается для большинства углеводородных газовоздушных горючих смесей. Подобно тому, как с изменением концентрационного состава смеси, давления, начальной температуры и других параметров воспламенения возрастает Еакт, с увеличением 5ф.п, Д Vпр^д и Тсв значения Екр также возрастают, приближаясь к Екр при предельных условиях воспламенения горючих смесей.
Интересно отметить еще одно обстоятельство, связанное с искровым зажиганием горючих паро-газовоздушных смесей. Если бы даже вся энергия электрической искры пошла на повышение температуры горючей смеси, то температура предвзрыв-ного разогрева элементарного объема вокруг искрового разряда (в предположении, что вся энергия электрической искры перешла в тепловую энергию горючей смеси, равномерно разогреваемой до некоторой температуры) составила бы:
Е " - + * 0. (4)
(СР )св.
с. с
см ' пред Рс.с
Для метановоздушной смеси состава, близкого к стехиометрическому, Екр « 0,3 мДж. Подставив числовые значения в (4) (?0 « 20 °С и ДК^д ~ 0,5 мм3, что соответствует гэкв > 3,75ф.п), получим температуру порядка 850-900 К, которая на 50-100 К превышает температуру самовоспламенения метано-воздушных смесей.
В то же время известно, что до 85 % (и более) энергии, выделившейся при разряде электрической искры в газовоздушном промежутке между электродами, из-за очень высокой начальной температуры "разрядного газа" (порядка 104 °С) теряется из зоны разряда на излучение, т. е. не передается горючей смеси в зоне газового разряда. Это означает, что до температуры горения (или даже до температуры самовоспламенения) разогреется не начальный объем горючей смеси Д К^д ~ 0,5 мм3, взятый для расчета, а объем, примерно в 10 раз меньший. Это означает, что температура этого объема горючей смеси повысится до температуры Т, которая примерно в 10 раз меньше, чем Ткр > Тсв, т. е. до температуры, при которой никакие реакции горения возникнуть не могут.
Тем не менее, как показывают эксперименты, вынужденное воспламенение большинства газовоздушных углеводородных смесей стехиометриче-с кого с остава неизбежно проис ходит при Е « Екр = = 0,2+0,3 мДж. Причина кажущегося несоответствия, по-видимому, в том, что в большинстве оригинальных работ, посвященных этому вопросу, не учитывается тепловая энергия с горания с амого начального объема горючей смеси.
В то же время эта энергия ДQ0 весьма значительна для большинства углеводородовоздушных ме ей:
ДQo
.
Д' пред Р с.с ф стехQ н.р 100
1,5+2,0 мДж,
т. е. примерно на порядок выше минимальной критической энергии поджигания (Е « 0,2+0,3 мДж). Именно это, видимо, и компен ирует потерю энергии излучением при вынужденном во пламенении
горючих и особенно взрывоопасных газовоздушных смесей искрой электрического разряда. И это же тепло, передаваясь в прилежащий к продуктам сгорания первоначально прореагировавшего газа слой свежей смеси толщиной порядка 5фп, определяет возможность (или невозможность) дальнейшего распространения фронта пламени. Примерно так рассмотрен механизм вынужденного зажигания в работе [18].
Наконец, весьма интересен круг предельных параметров процессов горения, определяемых предельной минимальной температурой протекания реакций горения Тг, условно называемой температурой потухания [19]:
RT2
T --
численное значение которой условно принято равным Тад« 1600-1800 К.
ад
Именно величиной Тпот определяется минимальная теплота сгорания предельно бедных и предельно богатых смесей бпред, равная для большинства углеводородных горючих в смеси с воздухом примерно 1830кДж/м3. На этом основан один из методов расчета нижнего концентрационного предела воспламенения углеводородовоздушных газовых смесей:
ф НКПВ
Q
пред
100
Q н
Очевидно, что те же закономерности, определяющие минимальную температуру зоны реакций горения, должны быть справедливы и при горении аэровзвесевых систем твердых и жидких горючих веществ и материалов.
Концентрационный предел взрываемости пыле-взвесевых систем на "бедном пределе" должен определяться формулой такого же вида. В то же время приводимые в таблицах многих справочников [20, 21] нижние концентрационные пределы взрываемости пылевзвесевых и некоторых других аэродисперсных систем значительно (почти на порядок) ниже предельных значений по предельной теплоте сгорания: для аэродисперсных смесей камфоры, пыли магния, резиновой пыли — порядка 10 г/м3; для сахарной пудры — 8-9 г/м3; эбонитовой пыли — 7,6 г/м3; антрацена — 5г/м3; нафталина, серы — 2,5 г/м3 (!). Это почти на порядок ниже концентрационных пределов воспламенения даже газообразных углеводо-
родов, для которых гомогенные процессы пламенных реакций кинетического горения должны протекать при самых низких (по сравнению с другими веществами) концентрациях горючего. Например, для газообразных горючих углеводородов парафинового ряда минимальные концентрации составляют 35-50 г/м3, а для аэровзвесей жидких горючих веществ и пылевзвесевых систем они в 10-20 раз ниже, что противоречит и энергетическим, и кинетическим законам процессов горения. Тем не менее это экспериментально установленный факт.
Из этого следует два практически важных вывода:
1) пылевзвесевые и жидкостные аэродисперсные системы имеют более высокую взрывопожароопас-ность, чем газовоздушные. Это объясняется прежде всего тем, что у них более широкие концентрационные пределы воспламенения, так как понятия верхнего концентрационного предела для них практически не существует (верхним концентрационным пределом в этом случае служит минимальное взрывоопасное содержание кислорода), а также тем, что нижний концентрационный предел у них значительно ниже, чем у горючих газов;
2) в существующих методах экспериментальной оценки взрывоопасности аэродисперсных систем имеются систематические методические "ошибки": устранить их можно путем создания новых концепций механизма реакций горения аэродисперсных систем, на основе которых можно было бы разработать более корректные методы экспериментальной оценки концентрационных пределов распространения пламени в таких системах.
Выводы
Таким образом, в основе всех мер по предупреждению, локализации и ликвидации пожаров и взрывов лежит использование предельных параметров горения. Особенно убедительно это показано в ряде специальных монографий по пожаровзрывобезопас-ности, в том числе в [8, 22]. Разработка наглядных представлений о предельных параметрах процессов горения и их взаимосвязи, а также разработка методов их количественной оценки имеют не только феноменологическое, но и большое практическое значение при обеспечении пожаровзрывобезопасности объектов народного хозяйства.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. АбдурагимовИ. М. //Ж. Всесоюз. хим. о-ва им. Д. И. Менделеева. —1976. —№ 21. — С. 363.
2. Эльнатанов А. И. // Там же. — С. 402.
3. Баратов А. Н. // Там же. — С. 369.
4. Aviation Week and Space Technol. —1970. — Vol. 92, No. 19.—P.23;No.23.—P. 18;No.24.— P. 49.
5. Public Law 93-498 93rd Congress, October 29, 1974. — P. 1769.
6. Иллеш А., Резник Б. // Известия. — 1984. — № 170 (20881).
7. Сб. науч. трудов ВНИИПО МВД СССР. — М. : ВНИИПО, 1983. — С. 3.
8. Розловский А. И. Научные основы техники взрывобезопасности при работе с горючими газами и парами. — М. : Химия, 1972.
9. BrennerP, Everscheim P. // Gliickauf. — 1958. — № 94. — S. 180.
10. АбдурагимовИ. М. // Ж. Всесоюз. хим. о-ва им. Д. И. Менделеева. —1976. —№21. — С. 379.
11. Абдурагимов И. М. // Там же. — 1982. — № 27. — С. 11.
12. Абдурагимов И. М. // Там же. — 1974. — № 19. — С. 489.
13. Кривулин В. Н. : дис. ... канд. техн. наук. — М. : ВНИИПО МВД СССР, 1980.
14. Зельдович Я. Б. // Ж. эксперим. итеор. физ. — 1941. —№ 11. — С. 159.
15. Зельдович Я. Б. // Там же. — 1949. — № 19. — С. 1199.
16. ДемидовП.Г., СаушевВ. С. Горениеисвойствагорючихвеществ.—М.: ВИПТШ МВД СССР, 1975.
17. Щетинков Е. С. Физика горения газов. —М. : Наука, 1965.
18. Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах.—М. : Мир, 1968.
19. Абдурагимов И. М. и др. Физико-химические основы развития и тушения пожаров. — М. : ВИПТШ МВД СССР, 1980.
20. Рябов И. В. Пожарная опасность веществ и материалов, применяемых в химической промышленности. — М. : Химия, 1970.
21. Померанцев В. В. и др. Самовозгорание и взрывы пыли натуральных топлив. —Л.: Энергия, 1978.
22. Иванов Б. А. Безопасность применения материалов в контакте с кислородом. —М.: Химия, 1984.
Материал поступил в редакцию 1 июля 2012 г. Электронный адрес автора: [email protected].
Издательство «П0ЖНАУКА»
JU Хн Е С Сют л Гг CiTTi™
ПРЕДЛАГАЕТ ВАШЕМУ ВНИМАНИЮ
Р. М. АСЕЕВА, Б. Б. СЕРКОВ, А. Б. СИВЕНК0В
ГОРЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ И ЕЕ ПОЖАРООПАСНЫЕ СВОЙСТВА
ГОРЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ И ЕЁ ПОЖАРООПАСНЫЕ СВОЙСТВА
Монография. — М.: Академия ГПС МЧС России, 2010. — 262 с.
Предлагаемая вниманию читателей монография посвящена одному из актуальных направлений развития науки о древесине — ее поведению при пожаре, способам снижения горючести и защиты от воздействия огня. Впервые с единых позиций рассматриваются многие процессы, связанные с возникновением горения, распространением пламени по поверхности древесины, опасными последствиями пожара, огнезащитой древесины. Проведен анализ пожароопасных свойств только самой древесины, а не производных материалов типа древесностружечных и древесноволокнистых плит. При этом акцент сделан на установление зависимости указанных характеристик от вида и породы древесины.
Монография может быть полезна научным работникам, преподавателям, адъюнктам и слушателям пожарно-технических и лесотехнических образовательных учреждений, изучающим пожарную опасность древесины и древесных материалов, а также практическим сотрудникам и работникам Государственной противопожарной службы МЧС России.
121352, г. Москва, а/я 43; тел./факс: (495) 228-09-03; e-mail: [email protected]
