Стандартный и научный подходы к вынужденному зажиганию Текст научной статьи по специальности «Математика»

УДК 614.84.664

СТАНДАРТНЫЙ И НАУЧНЫЙ ПОДХОДЫ К ВЫНУЖДЕННОМУ ЗАЖИГАНИЮ

Я. С. Киселев, О. А. Хорошилов

Санкт-Петербургский институт Государственной противопожарной службы МЧС России

В. Я. Киселев

Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны МЧС России

Проведен терминологический анализ понятия "вынужденное зажигание". Подробно обсуждаются термины "инициирование горения" и "возникновение и распространение горения" и делается заключение об их неэквивалентности. Отмечается, что представление о возникновении и распространении горения посредством химического "инициирования" без привлечения прогрева горючей среды до температуры зажигания с помощью теплового потока от зоны горения к зоне прогрева не является достаточно корректным для количественного описания реальных процессов, протекающих при возникновении и распространении горения. Делается вывод, что подмена понятия "условия возникновения горения в режиме вынужденного зажигания" понятием "источник зажигания" не позволяет количественно описать реальные условия, при которых возникает горение в режиме вынужденного зажигания.

Напомним, что в физике горения явление вынужденного зажигания рассматривается как предельный случай самопроизвольного. При вынужденном зажигании первоначальный очаг горения возникает от места воздействия на горючую среду термического источника на глубине не более половины длины волны горения [1] и процесс возникновения горения сопровождается возникновением волны горения или тления. В этом предельном случае перехода самопроизвольного возникновения горения в вынужденное зажигание критическая для самовозгорания температура окружающей среды Т0 становится температурой зажигания Т3 и предвзрывной разогрев АТв самопроизвольного возникновения горения равен характерному температурному интервалу при горении АТг.

Интенсивные исследования в области вынужденного зажигания парогазовых смесей проводились до середины XX в., явление возникновения горения тогда именовалось воспламенением. Изучение вынужденного зажигания конденсированных систем проводились во второй половине прошлого века. Так как вынужденное зажигание таких систем не всегда сопровождается появлением пламени, то называть это явление воспламенением стало неразумным, поэтому появился новый термин "вынужденное зажигание" или просто "зажигание" [1]. Термин "зажигание" достаточно корректно отражает сущность вынужденного возникновения горения, как пламенного, так и беспламенного. Поэтому термины "воспламенение" и "возгорание" для обозначения вынужденного зажигания в настоящее время являются устаревшими и из лексикона в

области горения и пожарной безопасности должны быть исключены.

В физике горения условия зажигания оценивают по критической температуре воздействующего термического источника (температура должна быть не ниже температуры зажигания) или по плотности теплового потока, вызывающего возникновение горения в режиме зажигания, а также для точечного источника теплоты, когда его температура много выше температуры горения, поджигающую способность искры оценивают по теплосодержанию, которым обладает эта искра. Для возникновения горения от точечного источника необходимо, чтобы в месте воздействия источника сформировалась волна горения.

В стандартном подходе условия зажигания тепловым излучением также оценивают по критической плотности теплового потока, однако указанную плотность не увязывают с толщиной облучаемого образца или скопления горючей среды [2].

В стандартном подходе к оценке поджигающей способности термического источника исходят из энергии, передаваемой от этого источника горючей среде. "Источником зажигания" называют такой термический источник, который обладает энергией, температурой и временем действия, достаточными для возникновения устойчивого горения [2]. При этом за характеристическую температуру возникновения горения принимается температура самовоспламенения горючей среды. Считается, что если нагретое тело, внесенное в горючую среду, нагрело ее до 0,8 температуры самовоспламенения, то

возникновение горения в режиме вынужденного зажигания неизбежно.

В теории горения принимается, что для того, чтобы сформировалась волна горения, горючую среду необходимо нагреть до температуры зажигания.

Поджигающую способность электрических искр в обоих подходах оценивают по одной и той же методике, основанной на минимальной энергии зажигания. Энергию искры определяют по энергии конденсатора, при разряде которого возникает искра. Следует, однако, отметить, что функциональной зависимости условий зажигания от переданной энергии от термического источника не существует, но, как справедливо отмечал Я. Б. Зельдович [3], если температура искры много выше температуры горения, то по ее энергии можно достаточно надежно оценивать поджигающую способность.

Применительно к низкотемпературным термическим источникам такой подход не применим, что не учли пожарные работники, введя в обиход некорректное понятие "малокалорийный источник зажигания". Отметим еще раз, что ответственной за поджигание является не энергия, переданная горючей среде, а температура или тепловой поток, воздействующие на горючую среду. Если температура нагретого тела или поверхности ниже температуры зажигания горючей среды, то они не могут вызвать ее горения в режиме зажигания при сколь угодно длительном воздействии. Аналогично, если плотность теплового потока меньше критической величины, то такой тепловой поток также не вызовет горения в режиме зажигания. Однако возникновение горения в режиме самопроизвольного возникновения в том и другом случае возможно.

Знание условий возникновения, распространения и прекращения горения имеет определяющее значение в подготовке инженеров пожарной безопасности. С момента организации в России учебного заведения по пожарной безопасности вопросам горения уделялось первостепенное значение. Учебник по "Химии горения", написанный в начале XX в., не потерял своего значения и в настоящее время.

Одновременно в XX в. зародилась и успешно развивается новая область научных знаний о горения — физика горения и взрыва. Однако эта область научных знаний при подготовке инженеров пожарной безопасности должного отражения пока не нашла. Отметим, что физика горения не является частью химии горения, как это пытаются утверждать некоторые химики, специализирующиеся в области пожарной безопасности. Видимо следует отметить, что химия горения — наука о химических превращениях, протекающих при горении, а физика

горения — наука об условиях возникновения, распространения и прекращения горения.

Специалист пожарного дела, безусловно, должен не только ориентироваться в химических превращениях, протекающих при горении на пожарах, но и уметь количественно определять условия, при которых возникает, распространяется и прекращается горение.

Как известно, физика горения и взрыва должного места в пожарном деле пока не нашла из-за недостаточности проработки проблемы, сложности самой научной дисциплины и отсутствия специалистов. Свободную нишу в этой области знаний заняли термины и определения, не имеющие физического смысла. Поскольку в области химии горения процессы описываются химическими формулами, а в физике горения — физико-математическими, то сочинители новых терминов и определений придумывают таковые, которые не подлежат количественной оценке. Таковыми являются, например, термины "источник зажигания", "инициатор горения". Безусловно, в период вакуума в области физики горения и взрыва эти термины заполняли его и создавали видимость благополучия в науке о пожарном горении. Но в связи с развитием физики горения, эти заменители стали играть отрицательную роль.

В стандартном подходе к оценке процессов возникновения и распространения горения, применяется понятие "инициирование" горения, отсюда и "источник зажигания" как средство энергетического воздействия на горючую среду, инициирующее горение [4].

Чтобы ответить на вопрос, что вкладывают в понятие "инициирование" горения авторы, сделаем некоторые извлечения из упомянутого выше справочника [4].

"Зажигание, — считают авторы [4], — это процесс инициирования начального очага горения в горючей смеси". Из приведенной цитаты следует, что авторы справочника под "зажиганием" понимают процесс, а не явление возникновения горения в режиме вынужденного зажигания, как это принято в физике горения.

Продолжим цитировать справочник: "Зажигание в результате соприкосновения с накаленной поверхностью происходит, если температура этой поверхности превышает некоторое предельное значение, называемое температурой зажигания Т3. Инициирование горения газовой смеси в одной точке приводит к нагреву близлежащих слоев; в них также начинаются химические превращения. Сгорание этих слоев влечет за собой инициирование следующих и т.д. Таким образом, при зажигании горючая смесь сгорает послойно. Зона горения пере-

Схема распространения волны горения: 1 —температурный профиль волны горения; 2 — фронт горения; Тг — температура горения; Т3 — температура зажигания; Тн — начальная температура горючей смеси; 8г,ф — размер "фронта горения"; 0,55г — половина ширины зоны горения; Ьпр — зона прогрева; ин — нормальная скорость распространения горения

мещается по смеси, обеспечивая распространение пламени.

Зона, в которой протекает химическое превращение и происходит интенсивный разогрев сгорающего газа, называется фронтом пламени" [4].

Из приведенной цитаты видно, что под "инициированием" горения понимается вынужденное зажигание, сопровождающееся распространением волны горения. Замечание можно высказать лишь по поводу описания механизма распространения горения.

На рисунке, иллюстрирующем распространение пламени, авторы [4] температуру горения соединяют с температурой холодного газа прямой, зону горения от зоны прогрева никак не отделяют. Тепловой поток от пламени к непрогретому газу описывают формулой:

д = Х(Тг - То)/5, (1)

где д — тепловой поток от пламени, Вт/м2;

X — коэффициент теплопроводности газовой

смеси, Вт/(м • К);

Тг и Т0 — температуры горения и начальная соответственно, К;

5 — толщина зоны горения и прогрева ("фронта

горения").

Как видно, в формуле (1) нет температурного градиента на границе зон горения и прогрева и перепад температур рассматривается на всем "фронте горения".

Иначе рассматривают этот вопрос специалисты по физике горения. "Фронт горения" они делят на две зоны: подогрева и горения [1, 3]. По их представлениям распространение горения происходит следующим образом. Тепловой поток от зоны горения воздействует на исходную горючую среду, нагревая ее от начальной температуры Тн до темпе-

ратуры зажигания Т3. Затем горючая среда самостоятельно разогревается от Т3 до температуры горения Тг.

Тепловые потоки, обеспечивающие распространение горения, описываются уравнением Ми-хельсона [1, 3]:

-Х ягаёТ = инСр р (Тз- Тн X (2)

где §гаёТ — температурный градиент, К/м;

ин — нормальная скорость распространения горения, м/с;

ср — удельная теплоемкость, Дж/(кг • К); р — плотность, кг/м3.

Пригодность этого уравнения для описания процесса распространения горения, как пламенного, так и тления, пока никто не подверг сомнению.

Рассмотрим процесс поджигания горючей среды нагретой поверхностью.

Если температура поверхности не ниже температуры зажигания, то в области, примыкающей к нагретой стенке, формируется волна горения (см. рисунок). При этом непосредственно к стенке примыкает зона горения в виде гребня волны горения. Над температурой зажигания гребень волны горения возвышается на величину разогрева

АТг = ятЦЕ ,

где АТг = Тг - Т3 — максимальный разогрев при горении, К;

Я = 8,314 Дж/(моль • К) — универсальная константа;

Е—эффективная энергия активации, Дж/моль. Поскольку температура в зоне горения выше температуры зажигания, то от зоны горения теплота отводится как в направлении распространения горения, так и в противоположном направлении к продуктам горения. Тепловой поток к продуктам горения можно описать отношением:

X §гаёТ = п -

Тг - Т3 0,55 г

(3)

в направлении распространения горения Т - Т

п

0,55 г

= инСр р (Т3 - Тн ).

(4)

Температура от зоны горения к зоне прогрева и в зоне прогрева снижается не по прямой, а по кривой. Это происходит потому, что на процесс снижения температуры от температуры горения до температуры зажигания и далее от температуры зажигания до начальной температуры накладывается процесс саморазогрева, обусловленный экзотермическими превращениями. Поэтому в физике горения температурный профиль волны горения изоб-

ражают кривой, на которой различают условную границу, разделяющую зону горения от зоны прогрева. Тепловой поток от зоны горения к зоне прогрева описывают с использованием градиента температуры на границе, разделяющей эти зоны.

В литературном источнике [4] температурный градиент опущен, заменен перепадом температур на "фронте горения", под которым понимается вся зона горения вместе с зоной прогрева. В результате такого понимания температурного градиента на границе зон горения и прогрева левую часть соотношения (2) записывают в виде (1).

Замена температурного градиента на границе зон горения и прогрева перепадом температур на "фронте горения" приводит к уменьшению фактического температурного градиента, а следовательно, теплового потока и вычисленной нормальной скорости распространения горения ин не менее, чем в два раза.

Для устранения этой погрешности (точнее, ошибки) уравнение Михельсона (2) в работе [1] преобразовано следующим образом: §гаёТ заменяется произведением из перепада температур на половине ширины зоны горения (Тг - Т3 )/0,55 г и относительного градиента п, т.е.

§гаёТ

Тг - Т. ' 0,55 г

п.

В результате такой замены уравнение Михель-сона (2) (по модулю) записывается в виде:

Т - Т

пк-^Т3- = инСр р (Тз - Тн ).

0,55 г

(5)

В уравнении (5) левая часть выражает величину теплового потока от зоны горения к зоне прогрева, а правая — величину воспринимаемого теплового потока зоной прогрева, с помощью которого горючая смесь нагревается от начальной температуры до температуры зажигания

Формула (5) эквивалентна исходному уравнению Михельсона (2), отличие состоит только в том, что она представлена не в дифференциальной, а в алгебраической форме. Решение преобразованного уравнения значительно проще, так как позволяет получать достаточно точные данные о величинах, характеризующих распространение как пламенного горения, так и тления посредством алгебраических преобразований [1]. При расчетах относительного градиента п с достаточной для практики точностью его можно принимать равным двум. Это означает, что фактический температурный градиент на границе зон горения и прогрева больше среднего перепада температур в два раза.

В уравнение (5) кроме новой физической величины — относительного градиента п, входит температура зажигания Т3 Следует отметить, что температура зажигания, по Зельдовичу и Киселеву, имеет различные физический смысл и численное значение. Я. Б. Зельдович [3] под температурой зажигания понимал температуру стенки, воздействующую на горючую среду, при которой начинается разогрев горючей смеси. По А. Г. Мержанову [5] и Я. С. Киселеву [1] температура зажигания — это температура стенки (или температура окружающей среды), при которой процесс возникновения горения переходит из режима самопроизвольного возникновения горения в режим вынужденного зажигания. При этой температуре в приграничной области, где на горючую среду воздействует нагретая стенка, формируется гребень волны горения. При этом температура в зоне горения повышается от температуры зажигания до температуры горения (или тления). Однако, если температура стенки ниже температуры зажигания, то горение все же возникнуть может, но не в режиме вынужденного зажигания, а в режиме самопроизвольного возникновения горения.

Итак, горение от нагретой стенки в режиме вынужденного зажигания возникает при температурах стенки, не ниже температуры зажигания. При этом, для перехода горения из режима самопроизвольного возникновения горения в режим вынужденного зажигания никакой дополнительный "источник зажигания" не требуется.

Чтобы наглядно проследить условия перехода самопроизвольного возникновения горения в режим вынужденного зажигания, обратимся к мысленному эксперименту. Наполним цилиндрическую сетчатую корзиночку опилками или другим самонагревающимся измельченным материалом. Предпочтительный размер цилиндра—100 мм. Нагреем внутренний объем сушильного шкафа до температуры, равной критической температуре теплового самовозгорания испытуемого образца (критическая температура самовозгорания опилок в такой корзиночке около 150°С). Подождем некоторое время, чтобы из корзиночки начал выходить дым. Вынем корзиночку из сушильного шкафа и осмотрим состояние опилок. Оказывается, что дым выходит в основном из центральной части корзиночки. Это свидетельствует о том, что опилки к корзиночке при заданной температуре в сушильном шкафу самовозгорелись и очаг тления образовался в центре скопления опилок.

Проведем второй опыт со свежими опилками. Температуру в сушильном шкафу установим на 20 - 30°С выше по сравнению с первым опытом. Естественно, что опилки, как и в первом опыте, самовозгорятся, но при осмотре корзиночки заметим,

что первоначальный очаг тления в этом случае появился не в центре корзиночки, а между центром и стенкой корзиночки. Это так называемый переходный режим возникновения горения от самовозгорания к вынужденному зажиганию.

Проделаем третий опыт. Корзиночку также наполним свежими опилками, но температуру в сушильном шкафу установим еще на 20 - 30°С более высокую по сравнению со вторым опытом. При осмотре опилок заметим, что они тлеют не в центре корзиночки, а снаружи вблизи металлической сетки. Этот режим возникновения горения и называется вынужденным зажиганием или просто зажиганием [5]. Никакого внешнего "источника зажигания", который вызвал горение, в данном случае нет. Горение из одного режима возникновения (самопроизвольного) в другой (вынужденное зажигание) перешло как бы самопроизвольно без всякого постороннего "источника зажигания". Роль "источника зажигания" при самовозгорании и вынужденном зажигании выполнял нагретый воздух: при температурах, ниже температуры зажигания, нагретый воздух вызывал горение в режиме самопроизвольного возникновения горения, выше температуры зажигания — в режиме вынужденного зажигания.

Условия перехода возникновения горения из режима самопроизвольного в режим вынужденного зажигания впервые обнаружил и исследовал выдающийся отечественный ученый в области горения А. Г. Мержанов с сотрудниками [5].

Перемещение первоначального очага горения из центра корзиночки с самонагревающимся материалом к ее стенке с повышением температуры наблюдал В. В. Померанцев с соавторами [6]. Таким образом, перемещение первоначального очага горения от центра скопления самонагревающейся горючей среды к периферии при повышении температуры является экспериментальным фактом. Критические условия, при которых это происходит, теоретически обосновали сначала А. Г. Мержанов [5], а затем — Я. С. Киселев [1]. Заслуга последнего состоит в том, что критические условия перехода самопроизвольного возникновения горения в режим вынужденного зажигания он представил в элементарном виде.

Решением уравнения (5) получены математические формулы для ширины зон горения (или тления) и подогрева, а также скорости распространения пламенного горения и тления [1]. Отметим, что в нормативных документах по пожарной безопасности и разработанной в согласии с ними пожарно-технической литературе вопросы тления рассмотрены неудовлетворительно. Одним из следствий этого являются затяжные пожары, сопровождающиеся распространением тления, в жилых и общественных зданиях с деревянными пустотами, осо-

бенно при использовании в качестве утеплителя древесных опилок.

Одним из несомненных достижений в области физики горения является установление связи температуры зажигания, вызывающей тление, со стандартной температурой тления, а также начальной температуры тления с характеристической "температурой распределения активных центров по уровням энергии" [1].

Как было рассмотрено выше, "физхимики", придумавшие термин "источник зажигания", под зажиганием понимали процесс возникновения горения, названный ими "инициированием" горения. При этом теплофизическая сторона явления возникновения горения рассматривалась недостаточно корректно, для того, чтобы как-то учесть эту сторону, они вынуждены были привлечь теплофизиче-ские модели. Однако, как это было показано выше на примере "инициирования" пламенного горения нагретой стенкой, такое привлечение физики оказалось недостаточно корректным. Понятие "инициирование" горения не совпадает с физическим понятием "условия возникновения и распространение горения" и не отражает физической сущности данного явления.

Для нас, специалистов пожарного дела, небезразлично, какой термин и какой смысл вкладывается в сущность явления возникновения горения. Без понимания физической сущности явления возникновения горения нельзя ни разработать научно обоснованных пожарно-профилактических мероприятий, ни установить истинную причину пожаров. Представления об "источнике зажигания", как о "инициаторе" химических превращений при горении, являются недостаточными для профилактических целей. Для установления причины пожара необходимо знать теплофизические условия возникновения горения. Но если рассмотреть этот вопрос с позиций физики горения, то термин "источник зажигания" вообще лишен физического смысла. Источник — это родник, а зажигание — это физическое явление. Тогда выходит, что явление зажигания может рождаться и профилактическую работу надо проводить в направлении поиска и устранения этих источников — "источников зажигания". Такой смысл в понятие "источник зажигания" его авторы безусловно не вкладывали. Трансформация понятия произошла потому, что появилась новая отрасль знаний о горении — физика горения, в которой зажигание рассматривается не как процесс возникновения горения, а как явление возникновения горения в режиме вынужденного зажигания. Горение, возникающее в этом режиме, характеризуется некоторыми теплофизическими условиями. Профилактика возникновения пожаров в указанном режиме сводится к устранению условий, при которых оно возникает. В физике горения такие условия харак-

теризуются определенными математическими соотношениями (формулами). Вследствие этого профилактика пожаров становится возможной на научной основе. Использование же в данном случае понятия "источник зажигания" является ни только не корректным в смысловом отношении, но и вредным для профилактики пожаров. Те, кто при экспертизе и профилактике пожаров пользуются понятием "источник зажигания", условия возникновения горения практически не определяют, так как это область не химии, а физики горения.

При преподавании пожарно-профилактических дисциплин понятие "источник зажигания" приносит еще больший вред, так как вместо изучения условий возникновения горения (как в режиме самопроизвольного возникновения горения, так и вынужденного зажигания) сторонники понятия "источник зажигания" сочиняют различные классы "источников зажигания", отвлекая внимание курсантов и слушателей от изучения физических условий возникновения горения, необходимых для понимания физической сущности этих условий и разработки мероприятий, направленных на реальное предотвращение пожаров.

Трансформация понятия "источник зажигания" произошла вследствие того, что появилась новая отрасль науки о горении — физика горения, которая рассматривает условия возникновения, распространения и прекращения горения. В этой области науки процесс возникновения горения стали называть не "зажиганием", а "поджиганием". Слово же "зажигание" стали применять для обозначения явления возникновения горения в режиме вынужденного зажигания. В этой связи у пожарных специалистов может возникнуть сомнение в правильности такого изменения понятия "зажигание". Возможно, что для обозначения явления вынужденного зажи-

гания можно предложить и другой термин, однако это не улучшит понимание явления возникновения горения. Любой словесный термин не освободит пожарного инженера от необходимости количественного определения условий, при которых возникает горение. А математическое описание условий, при которых возникает, распространяется и прекращается горение, является основным содержанием физики горения. Таким образом, при подготовке пожарных специалистов, способных на инженерном уровне решать задачи по предупреждению пожаров, главная задача состоит не в сочинении новых терминов, призванных закамуфлировать незнание физической сущности явлений горения, а в количественном определении условий возникновения, распространения и прекращения горения.

Выводы

1. Химическое понятие "послойное инициирование горения" не эквивалентно физическому понятию "условия возникновения и распространения горения".

2. Представление о возникновении и распространении горения посредством химического "инициирования" без привлечения прогрева горючей среды до температуры зажигания с помощью теплового потока от зоны горения к зоне прогрева не является достаточно корректным для количественного описания реальных процессов, протекающих при возникновении и распространении горения.

3. Подмена понятия "условия возникновения горения в режиме вынужденного зажигания" понятием "источник зажигания" не позволяет количественно описать реальные условия, при которых возникает горение в режиме вынужденного зажигания.

ЛИТЕРАТУРА

1. Киселев Я. С. Физические модели горения в системе предупреждения пожаров. — СПб.: Санкт-Петербургский университет МВД России, 2000. — 264 с.

2. ГОСТ 12.1.004. Пожарная безопасность. Общиетребования.

3. Зельдович Я. Б., Воеводский В. В. Тепловой взрыв и распространение пламени в газах. — М.: Московский механический институт, 1947. — 294 с.

4. Пожарная безопасность. Взрывобезопасность: Справ. изд. / А. Н. Баратов, Е. Н. Иванов,

A. Я. Корольченко и др. — М.: Химия, 1987. — 272 с.

5. Мержанов А. Г., Абрамов В. Г., Гонтковская В. Т. О закономерностях перехода от самовоспламенения кзажиганию // Докл. АН СССР. 1963. Т. 148. № 1. -С. 156-159.

6. Самовозгорание и взрывы пыли натуральных топлив / В. В. Померанцев, С. Л. Шагалова,

B. А. Резник, В. В. Кушнаренко. — Л.: Энергия. Ленингр. отд., 1978. — 144 с.

Поступила в редакцию 14.06.04.