Для возникновения процесса горения необходимы: горючее вещество, кислород, источник воспламенения. Некоторые вещества способны гореть без кислорода, в атмосфере хлора, брома и т.п., но это явление, скорее всего, следует отнести к исключениям из правил.

Горючие вещества могут быть в виде газов, пыли, твердых веществ и жидкостей. Углерод, водород, сера и фосфор, входящие в состав горючих веществ, при горении окисляются и образуют продукты сгорания, которые обычно представляют серьезную опасность для жизни и здоровья людей. Например, 0,4 % окиси углерода, вдыхаемого человеком, является смертельной дозой; вдыхание в течение нескольких минут горячего воздуха температурой 70 °С тоже приводит к летальному исходу.

Выделяющееся при пожаре тепло может оказать разрушительное воздействие на строительные конструкции и технологическое оборудование, что часто приводит к авариям и взрывам.

Чтобы предотвратить пожар, необходимо исключить горючее вещество, кислород или источник воспламенения. Исключить кислород воздуха чрезвычайно сложно, поэтому при разработке противопожарных мероприятий обычно заменяют материалы на менее горючие и ограничивают возможность наличия источника воспламенения.

По горючести вещества и материалы подразделяют на группы:

негорючие (несгораемые) - вещества и материалы, не способные к горению на воздухе;

трудногорючие (трудносгораемые) - вещества и материалы, способные возгораться от источника зажигания, но не способные самостоятельно гореть после удаления источника зажигания;

горючие (сгораемые) - вещества и материалы, способные самовозгораться, а также возгораться от источника зажигания и самостоятельно гореть после его удаления.

Из группы горючих веществ и материалов выделяют легковоспламеняющиеся вещества и материалы. Легковоспламеняющимися называют горючие вещества и материалы, способные воспламеняться от кратковременного (до 30 с) воздействия источника зажигания с низкой энергией (пламя спички, искра, тлеющая сигарета и т.п.). К легковоспламеняющимся относят жидкости с температурой вспышки не выше 61 °С в закрытом или 66 °С в открытом тигле.

Вспышкой называется быстрое сгорание горючей смеси, не переходящее в стационарное горение. Температура вспышки - минимальная температура, при которой данное количество паров над поверхностью жидкости может воспламениться. Горючая смесь - смесь паров горючего вещества с кислородом воздуха. Воспламенение такой смеси может произойти даже от маломощного и кратковременного источника воспламенения (искры).

Температура воспламенения - наименьшая температура, при которой вещество выделяет горючие пары и газы с такой скоростью, что после их зажигания возникает устойчивое горение пламени.

Температура самовоспламенения - температура, при которой начинается самонагревание смеси до воспламенения, заканчивающегося горением.

Нижний и верхний пределы воспламенения (взрываемость) - объемная доля горючего в смеси (%), ниже и выше которой смесь становится неспособной к воспламенению.

Предел распространения огня характеризуется способностью строительных конструкций к самостоятельному горению, измеряется в сантиметрах и представляет собой размер повреждения конструкции в контрольной зоне в течение 15 мин.

В строительном производстве при проектировании мероприятий по предотвращению пожаров ориентируются на недопустимость появления источника воспламенения, поскольку очень многие строительные материалы относятся к группе сгораемых и исключить их из технологических процессов невозможно.

Горением называется химическая реакция окисления вещества, сопровождающаяся выделением тепла и излучением света.

Горение может возникнуть только при одновременном наличии трех условий: присутствии горючего вещества, окислителя и источника (импульса) зажигания . Горючее вещество и окислитель составляют горючую систему, а источник зажигания вызывает в ней реакцию окисления (горения).

Окислителем в процессах горения обычно является газообразный кислород, находящийся в воздухе, но горение может быть и в среде хлора, брома, озона и других окислителей.

Источником зажигания могут быть открытые или светящиеся источники – пламя, раскаленные поверхности, лучистая энергия, искры, а также скрытые (несветящиеся) – трение, удар, адиабатическое сжатие, экзотермическая реакция и т.д. Например, температура пламени спички составляет 750-860 0 С, тления сигареты – 700-750 0 С, пламени древесной лучины – 850-1000 0 С.

В некоторых случаях при горении конденсированных систем (твердых, жидких веществ или их смесей) пламя может и не возникать, т.е. происходит беспламенное горение , или тление .

Во всех случаях для горения характерны три типичных стадии: возникновение, распространение и погасание пламени.

В зависимости от агрегатного состояния горючего и окислителя различают три вида горения:

- гомогенное горение газов и газообразных горючих веществ в среде газообразного окислителя (такое горение может представлять собой взрыв или детонацию) – исходные вещества и продукты горения находятся в одинаковом агрегатном состоянии;

- гетерогенное горение жидких и твердых горючих веществ в среде газообразного окислителя – исходные вещества, например твердое или жидкое горючее и газообразный окислитель, находятся в разных агрегатных состояниях (горение угля, металлов, сжигание жидких топлив в топках, двигателях внутреннего сгорания и т.д.);

- горение взрывчатых веществ и порохов – сопровождается переходом вещества из конденсированного в газовое состояние.

Движение пламени по газовой смеси называется распространением пламени. В зависимости от скорости распространения пламени горение может быть:

- диффузионным (несколько метров в секунду) – все пожары представляют собой диффузионное горение;

- дефлаграционным или взрывным (десятки и сотни метров в секунду);

- детонационным (тысячи метров в секунду).

Пожарная профилактика при проектировании и строительстве предприятий. Огнестойкость и возгораемость строительных материалов и конструкций. Классификация производств по их пожаро- и взрывоопасности.

Взрыво- и пожароопасность производства определяется технологиями, в которых используются или могут образовываться вещества, материалы и смеси с определенными взрыво- и пожароопасными свойствами. Более высокую опасность представляют технологии, в которых используются вещества, способные образовывать взрывоопасные смеси с воздухом (горючие газы, легковоспламеняющиеся и горючие жидкости и т.п.).

При проектировании и строительстве производственных зданий необходимо учитывать пожарную опасность производства. Согласно Строительным нормам и правилам все производства в зависимости от применяемых или хранимых на них материалах и веществ по взрыво- и пожароопасности подразделяются на пять категорий: А, Б, В, Г и Д.

К категории Г относятся производства, в которых используются негорючие вещества и материалы в горячем, раскаленном или расплавленном состоянии, обработка которых сопровождается выделением лучистого тепла, искр и пламени; горючие газы, жидкости и твердые вещества, которые сжигаются в качестве топлива.

Большинство предприятий связи относятся к категории В (пожароопасные). К этому типу относятся помещения производств предприятий связи, в которых имеются кабели с горючей обмоткой, оборудование с применением дерева и пластика, бумага, мешкотара, горючая пленка и т.п.

Категорирование производств по пожаровзрывоопасности имеет важное значение, так как в значительной степени позволяет определить требования к зданию, его конструкции и планировке, организации пожарной охраны и ее техническую оснащенность, требования к режиму и эксплуатации технологического оборудования.

Расположение зданий на местности;

Материалы и конструкции, используемые для строительства;

Этажность и планирование внутренних помещений;

Пути эвакуации людей;

Системы отопления и вентиляции.

Выбор местоположения зданий должен определяться с учетом рельефа местности и господствующих ветров. Объекты с повышенной пожарной опасностью располагают с подветренной стороны по отношению к объектам с меньшей пожарной опасностью. Складские помещения и пожароопасные цехи должны располагаться отдельно на определенном расстоянии от основного помещения, чтобы при их возгорании пожар не распространялся на основное здание. Возможно зонирование территории, которое предполагает группирование производственных объектов предприятия, родственных по функциональному назначению и признаку пожарной опасности в отдельные комплексы.

Материалы и конструкции, применяемые на строительстве, определяют степень огнестойкости зданий и сооружений, т.е. способность противостоять воздействию огня. Материалы и конструкции по возгораемости делятся на негорючие, трудногорючие и горючие. В зависимости от огнестойкости здания выбираются те либо другие материалы. Огнестойкость конструкций оценивается минимальным пределом огнестойкости и максимальными пределами распространения по ним огня. Пределом огнестойкости строительных конструкций называется время (в часах), определяемое от начала испытания на огнестостойкость до возникновения одного из следующих признаков:

Образование в конструкции сквозных трещин или отверстий, через которые проникают продукты горения или дым;

Повышенная температура на необогреваемой поверхности конструкции в среднем более чем на 140 0 С по сравнению с температурой до испытания;

Потеря конструкцией несущей способности.

Пределы огнестойкости основных строительных конструкций, выполненных на негорючих или трудногорючих материалов, изменяются от 0,5 до 2,5 часа.

Пределы распространения огня по строительным конструкциям определяют размеры повреждения конструкции в сантиметрах вследствие ее горения за пределами зоны нагрева – в контрольной зоне.

В проектах всех сооружений предприятий связи должны быть предусмотрены пути для быстрой и безопасной эвакуации людей и материальных ценностей в случае возникновения пожара. Эвакуационные пути должны обеспечивать эвакуацию всех людей, находящихся в помещениях предприятий связи в течение необходимого времени.

Требования пожарной безопасности должны соблюдаться при проектировании и эксплуатации систем отопления и вентиляции. На предприятиях связи применяются различные виды отопления: печное, электрическое, газовое воздушное, водяное и паровое. Наиболее пожароопасным является печное отопление, так как поверхности печей могут нагреваться до 400-500 0 С. Системы центрального отопления менее пожароопасны, чем системы местного отопления, так как температура поверхности нагревательных приборов колеблется от 85 до 110 0 С. Такие системы опасны тем, что по трубопроводам пожар может распространиться в другие помещения. В связи с этим не допускается прокладка трубопроводов отопления совместно с трубопроводами, по которым транспортируются горючие жидкости, пары или газы.

Вентиляционные системы зданий и сооружений проектируются с учетом степени пожарной опасности производства. Для производств категорий А.Б вентиляционные воздуховоды и ограждающие конструкции вентиляционных камер выполняются из негорючих материалов; для производств остальных категорий – из трудногорючих. Чаще всего воздуховоды располагают в стенах зданий, но допускается их прокладка и внутри помещений. Вентиляционные устройства следует регулярно проверять, очищать от пыли и отходов производства. Проверки фиксируются в специальном журнале. В случае возникновения пожара вентиляционная система должна быть отключена.

Общие сведения о горении

Сущность процесса горения

Одним из первых химических явлений, с которым человечество познакомилось на заре своего существования, было горение. Вначале оно использовалось для приготовления пищи и обогрева, и лишь через тысячелетия человек научился использовать его для преобразования энергии химической реакции в механическую, электрическую и другие виды энергии.

Горение - это химическая реакция окисления, сопровождающаяся выделением большого количества тепла и свечением. В печах, двигателях внутреннего сгорания, на пожарах всегда наблюдается процесс горения, в котором участвуют какие-либо горючие вещества и кислород воздуха. Между ними протекает реакция соединения, в результате которой выделяется тепло и продукты реакции нагреваются до свечения. Так горят нефтепродукты, дерево, торф и многие другие вещества.

Однако процесс горения может сопровождать не только реакции соединения горючего вещества с кислородом воздуха, но и другие химические реакции, связанные со значительным выделением тепла. Водород, фосфор, ацетилен и другие вещества горят, например, в хлоре; медь - в парах серы, магний - в углекислом газе. Сжатый ацетилен хлористый азот и ряд других веществ способны взрываться. В процессе взрыва происходит разложение веществ с выделением тепла и образованием пламени. Таким образом, процесс горения является результатом реакций соединения и разложения веществ.

Условия, способствующие горению

Для возникновения горения необходимы определенные условия: наличие горючей среды (горючее вещество + окислитель) и источника воспламенения. Воздух и горючее вещество составляют систему, способную гореть, а температурные условия обуславливают возможность воспламенения и горения этой системы.

Как известно, основными горючими элементами в природе являются углерод и водород. Они входят в состав почти всех твердых, жидких и газообразных веществ, например, древесины, ископаемых углей, торфа, хлопка, ткани, бумаги и др.

Воспламенение и горение большинства горючих веществ происходит в газовой или паровой фазе. Образование паров и газов у твердых и жидких горючих веществ происходит в результате их нагревания. Твердые горючие вещества, например, сера, стеарин, фосфор, некоторые пластмассы при нагревании плавятся и испаряются. Дерево, торф, каменный уголь при нагревании разлагаются с образованием паров, газов и твердого остатка - угля.

Рассмотрим этот процесс подробнее на примере древесины. При нагревании до 110°С происходит высушивание древесины и незначительные испарения смолы. Слабое разложение начинается при 130°С. Более заметное разложение древесины (изменение цвета) происходит при 150°С и выше. Образующиеся при 150-200°С продукты разложения составляют, в основном, воду и углекислый газ, поэтому гореть не могут.

При температуре выше 200°С начинает разлагаться главная составная часть древесины - клетчатка. Газы, образующиеся при этих температурах, являются горючими, так как они содержат значительное количество окиси углерода-, водорода, углеводородов и паров других органических веществ. Когда концентрация этих продуктов в воздухе станет достаточной, при определенных условиях произойдет их воспламенение.

Все горючие жидкости способны испаряться, и горение их происходит в газовой фазе. Поэтому, когда говорят о горении или воспламенении жидкости, то под этим подразумевают горение или воспламенение ее паров.

Горение всех веществ начинается с их воспламенения. У большинства горючих веществ момент воспламенения характеризуется появлением пламени, а у тех веществ, которые пламенем не горят, - появлением свечения (напала).

Начальный элемент горения, возникающий под действием источников, имеющих более высокую температуру, чем температура самовоспламенения вещества, называется воспламенением.

Некоторые вещества способны без воздействия внешнего источника тепла выделять теплоту и самонагреваться. Процесс самонагревания, заканчивающийся горением, принято называть самовозгоранием.

Самовозгорание - это способность вещества воспламеняться не только при нагревании, но и при комнатной температуре под воздействием химических, микробиологических и физико-химических процессов.

Температура, до которой нужно нагреть горючее вещество, чтобы оно воспламенилось без поднесения к нему источника зажигания, называется температурой самовоспламенения.

Процесс самовоспламенения вещества проходит следующим образом. При нагревании горючего вещества, например, смеси паров бензина с воздухом, можно достигнуть такой температуры, при которой в смеси начинает протекать медленная реакция окисления. Реакция окисления сопровождается выделением тепла, и смесь начинает нагреваться выше той температуры, до которой ее нагрели.

Однако вместе с выделением тепла и повышением температуры смеси происходит теплоотдача от реагирующей смеси в окружающую среду. При малой скорости окисления величина теплоотдачи всегда превышает выделение тепла, поэтому температура смеси после некоторого повышения начинает снижаться и самовоспламенение не происходит. Если смесь нагреть извне до более высокой температуры, то вместе с увеличением скорости реакции увеличивается количество тепла, выделяемого в единицу времени.

При достижении определенной температуры тепловыделение начинает превышать теплоотдачу, и реакция приобретает условия для интенсивного ускорения. В этот момент происходит самовоспламенение вещества. Температура самовоспламенения у горючих веществ разная.

Процесс самовоспламенения, рассмотренный выше, является характерным явлением, присущим всем горючим веществам, в каком бы агрегатном состоянии они не находились. Однако в технике и быту горение веществ возникает вследствие воздействия на них пламени, искр или накаленных предметов.

Температура указанных источников воспламенения всегда выше температуры самовоспламенения горючих веществ, поэтому горение возникает очень быстро. Вещества, способные самовозгораться, делятся на три группы. К первой относятся вещества, способные самовозгораться при контакте с воздухом, ко второй со слабо нагретыми предметами. К третьей группе относятся вещества, которые самовозгораются при контакте с водой.

Например, склонными к самовозгоранию могут быть растительные продукты, древесный уголь, сульфаты железа, бурый уголь, жиры и масла, химические вещества и смеси.

Из растительных продуктов склонны к самовозгоранию сено, солома, клевер, листья, солод, хмель. Особенно подвержены самовозгоранию недосушенные растительные продукты, в которых продолжается жизнедеятельность растительных клеток.

Согласно бактериальной теории, наличие влаги и повышение температуры за счет жизнедеятельности растительных клеток способствует размножению имеющихся в растительных продуктах микроорганизмов. Вследствие плохой теплопроводности растительных продуктов выделяющаяся теплота постепенно накапливается и температура повышается.

При повышенной температуре микроорганизмы погибают и превращаются в пористый уголь, который обладает свойством нагреваться за счет интенсивного окисления и поэтому является следующим, после микроорганизмов, источником выделения тепла. Температура в растительных продуктах поднимается до 300°С, и они самовозгораются.

Древесный, бурый и каменный уголь, торф самовозгораются также за счет интенсивного окисления кислородом воздуха.

Растительные и животные жиры, если они нанесены на измельченные или волокнистые материалы (тряпки, веревки, пакля, рогожа, шерсть, опилки, сажа и др.) обладают способностью самовозгораться.

При смачивании измельченных или волокнистых материалов маслом, оно распределяется по поверхности и при соприкосновении с воздухом, начинает окисляться. Одновременно с окислением в масле происходит процесс полимеризации (соединения нескольких молекул в одну). Как первый, так и второй процессы сопровождаются значительным выделением тепла. Если выделяемое тепло не рассеивается, то температура в промасленном материале поднимается, и может достигнуть температуры самовоспламенения.

Некоторые химические вещества способны самовозгораться при соприкосновении с воздухом. К ним относится фосфор (белый, желтый), фосфористый водород, цинковая пыль, алюминиевая пудра, металлы: рубидий, цезий и др. Все эти вещества способны окисляться на воздухе с выделением тепла, за счет которого реакция ускоряется до самовоспламенения.

Калий, натрий, рубидий, цезий, карбид кальция, карбиды щелочных и щелочно-земельных металлов энергично соединяются с водой, и при взаимодействии выделяют горючие газы, которые, будучи нагреты за счет теплоты реакции, самовозгораются.

При смешении таких окислителей, как сжатый кислород, хлор, бром, фтор, азотная кислота, перекись натрия и бария, марганцевокислый калий, селитра и др., с органическими веществами, происходит процесс самовозгорания этих смесей.

Пожарная опасность веществ и материалов определяется не только их способностью воспламеняться, но и массой других факторов: интенсивностью самого процесса горения и сопутствующих горению явлений (образование дыма, токсичных паров и т.д.), возможностью прекращения этого процесса. Общим показателем пожарной опасности является горючесть.

Согласно этому показателю все вещества и материалы условно делятся на три группы: негорючие, трудногорючие, горючие.

Негорючими считаются вещества и материалы, неспособные к горению в воздухе (около 21 % кислорода). К ним относятся сталь, кирпич, гранит и т.д. Однако было бы ошибкой относить негорючие материалы к безопасным в пожарном отношении. Не горючими, но пожароопасными считаются сильные окислители (азотная и серная кислоты, бром, перекись водорода, перманганаты и др.); вещества, выделяющие горючие газы при нагревании, при реакции с водой, вещества, реагирующие с водой с выделением большого количества тепла, например, негашеная известь.

Трудногорючие - это вещества и материалы, способные гореть в воздухе от источника зажигания, но не способные самостоятельно гореть после его удаления.

Горючие - это вещества и материалы, способные самовозгораться, возгораться от источника зажигания и гореть после его удаления.

Условия возникновения горения

Физической основой пожара является горение. По определению «горение - физико-химическое превращение, характеризующееся выделением тепла и света». Процесс горения может возникать как в реакциях соединения так и разложения. В общем случае для возникновения горения необходимо наличие горючего вещества, окислителя и источника воспламенения.

Окислителями в горении может быть кислород, находящийся в воздухе или в составе вещества, галогены, перекись водорода, азотная и серная кислоты, перманганат калия, хромовый ангидрид и другие соединения. Кроме того некоторые вещества горят в реакциях соединении, например, меди с серой, магния с углекислым газом. Группа веществ горит при взаимодействии с водой или ее парами. Сюда относятся щелочные, щелочноземельные металлы (калий, натрий и др.), гидриды, карбиды, фосфиды указанных металлов, низкомолекулярные металлоорганические соединения (триэтилбор, триэтилаллюминий) и другие.

Сгорание веществ может происходить также за счёт кислорода, находящегося в составе других веществ, способных его отдавать. Такими веществами являются азотная кислота , бертолетова соль , селитры , , , и др. Смеси этих окислителей с горючим веществом взаимодействуют с большой скоростью, часто со взрывом .

Источниками воспламенения являются – открытый огонь (пламя), искры (электрические, металла) и нагретые поверхности. Источник воспламенения должен иметь температуру выше температуры самовоспламенения горючей смеси и обладать энергией выше минимальной энергии зажигания. К обычным источникам относятся пламя спички (700 С), электрическая искра (1000 С), поверхность лампы накаливания (до 350 С).

Все вещества и материалы в зависимости от агрегатного состояния различают на:

газы-вещества, давление насыщенных паров которых при температуре 25 °С и давлении 101,3 жидкости-вещества, давление насыщенных паров которых при температуре 25°С и давлении 101,3 кПа меньше 101,3 кПа. К жидкостям относят также твердые плавящиеся вещества, температура плавления или каплепадения которых меньше 50 °С;

твердые вещества и материалы-индивидуальные вещества и их смесевые композиции с температурой плавления или каплепадения больше 50 °С, а также вещества, не имеющие температуру плавления (например, древесина, ткани и т. п.);

пыли-диспергированные твердые вещества и материалы с размером частиц менее 850 мкм.

Вид агрегатного состояния участвующих в горении веществ определяет механизм горения, который подразделяют на три типа:

Гомогенное горение газов и парообразных горючих в среде газообразного окислителя;

Гетерогенное горение твердых и жидких горючих веществ в среде газообразного окислителя;

Взрывчатое горение.

	|	следующая лекция ==>

Горением называется химическая реакция окисления, со­провождающаяся выделением тепла и излучением света. Горе- пне возникает и протекает при определенных условиях. Для пего необходимы горючее вещество, кислород и источник вос­пламенения.

Чтобы возникло горение, горючее вещество должно быть на­грето до определенной температуры источником воспламенения (пламенем, искрой, накаленным телом) или тепловым прояв­лением какого-либо другого вида энергии: химической (экзо­термическая. реакция), механической (удар, сжатие, трение) и т. д.

Выделившиеся при нагревании горючего вещества пары и газы смешиваются с воздухом и окисляются, образуя горючую смесь. По мере накопления тепла в результате окисления газов и паров скорость химической реакции увеличивается, вследствие чего происходит самовоспламенение горючей смеси и появля­ется пламя.

С появлением пламени наступает горение, которое при бла-« гоприятных условиях продолжается до полного сгорания ве­щества.

В установившемся процессе горения постоянным источником воспламенения является зона горения, т. е. область, где про­текает химическая реакция, выделяется тепло и излучается свет.

Для возникновения и протекания горения горючее вещество н кислород должны находиться в определенном количественном соотношении. Содержание кислорода в воздухе для большинства горючих веществ должно быть не менее 14-18%".

Известно много различных видов очагов горения (горение свечи, мощной промышленной топки, пожар здания или соору­жения и прочее). Все они значительно отличаются друг от друга и различны по характеру горючего вещества, однако основ­ные явления, протекающие при горении и в процессе его, оди­наковы.

Рассмотрим процесс горения простого светильника (свечи восковой, стеариновой и др.). Зажженная свеча горит устойчиво в нормальной среде воздуха до тех пор, пока хватает для этого содержащегося в ней горючего (воска, стеарина, парафина). Свеча потухнет вследствие нарушения одного из основных условий

Механизм процесса горения

Сгорание является сложным физико-химическим процессом. На большую часть показателей двигателя влияют, однако, не физико-химические особенности процесса сгорания, а закономерности тепловыделения и вызываемого им изменения давления и температуры в цилиндре. Ими определяются энергетические и экономические показатели цикла, статические и динамические нагрузки на детали, оцениваемые максимальным давлением цикла р z и скоростью нарастания давления при сгорании (dp/d(j) max (МПа/°п. к. в.) или (dp/dt) max (МПа/с), тепловая напряженность деталей, оцениваемая по распределению температур и тепловых потоков, интенсивность шумоизлучения, в определенной степени механические потери в двигателе и токсичность отработавших газов. Благоприятные показатели работы двигателя обеспечиваются при тепловыделении, начинающемся за 5-15° до в. м. т., вызывающем равномерное повышение давления в интервале углов поворота коленчатого вала 15-30° и в основном завершающемся за 45-50°. Теплоиспользование в действительном цикле с таким характером тепловыделения мало отличается от имеющего место в цикле с подводом теплоты при V = const , так как поршень у в. м. т. движется с малыми скоростями и поэтому за время тепловыделения проходит малый путь. Так, если тепловыделение завершается через 35° после в. м. т., то степень последующего расширения газов отличается от степени сжатия лишь на 11-12%. В действительности постепенное тепловыделение выгоднее мгновенного в связи с уменьшением потерь теплоты в охлаждающую среду и механических потерь двигателя. Физико-химические особенности процесса сгорания оказывают существенное влияние на излучение пламени, отложения на деталях и токсичность отработавших газов.

Основы теории горения . По представлениям кинетики химических реакций, акт реагирования происходит при столкновении молекул, энергия которых превосходит определенное для каждой из реакций значение, достаточное для разрушения существующих внутримолекулярных связей и замещения их новыми. Это критическое значение энергии называют энергией активации, а сами молекулы, вступающие в реакцию,- термически активными. Число столкновений в единицу времени термически активных молекул существенно увеличивается с температурой. Оно также зависит от природы реагентов, их соотношения в смеси и давления. При увеличении давления частота столкновений возрастает вследствие увеличения числа молекул каждого из реагентов в единице объема, причем в тем большей степени, чем большее число молекул n м участвует в элементарном акте реакции. Скорость химических реакций, измеряемая количеством вещества, прореагировавшего в единице объема в единицу времени [кг/(с м 3) или кмоль/(с м 3)],

Здесь С - концентрация реагента; t - время; К о - константа столкновений, зависящая от природы и соотношения реагентов в смеси; р - давление; n м - порядок химической реакции; Q a - энергия активации, зависящая от природы реагентов, механизма реакции и параметров состояния; Т - температура смеси, mR - универсальная газовая постоянная.

Приведенная зависимость справедлива для случая, когда концентрация реагентов поддерживается неизменной. В действительности она изменяется. Поэтому в ходе реакции скорость ее достигает максимума, а затем снижается до нуля.

Изложенных ранее представлений о химических реакциях, происходящих в результате соударения термически активных молекул исходных веществ, оказалось недостаточно для объяснения ряда наблюдений, так как: 1) экспериментально полученные зависимости скорости реакции от давления имеют нередко дробный положительный показатель степени, хотя очевидно, что в реакции не может участвовать дробное число молекул; 2) добавка некоторых веществ, так называемых присадок, к топливам существенно влияет на процесс горения, несмотря на очень малые концентрации; 3) зависимость скоростей предпламенных реакций от параметров состояния заметно отклоняется от определяемой по (2.17) вплоть до того, что в некотором диапазоне увеличение температуры сопровождается уменьшением скорости реакции (отрицательная температурная зависимость); 4) ряд реакций происходит с большими скоростями без повышения температуры смеси.

Эти и многие другие явления удалось объяснить на основании теории цепных реакций, в разработке которой выдающаяся роль принадлежит школе советских ученых во главе с акад. Н. Н. Семеновым. В соответствии с представлениями этой теории подавляющее большинство химических реакций идет по цепному механизму, т. е. исходные вещества переходят в конечные через более или менее длинную цепь отдельных реакций с образованием ряда промежуточных, нередко крайне неустойчивых, соединений. Ведущую роль в развитии цепной реакции играют химически активные частицы, обладающие свободными валентностями, легко вступающие в соединение с исходными или промежуточными продуктами без термической активации. В результате указанных реакций получаются конечные продукты и одновременно вновь образуется некоторое количество таких же или других активных частиц, которые снова вступают в реакции, возобновляя, цепь превращений.

Если в результате элементарного акта химически активной частицы с какой-либо молекулой воссоздается лишь одна активная частила, то имеет место простое продолжение реакции и она является неразветвленной. Скорость неразветвленной цепной реакции определяется числом активных частиц, возникающих в единицу времени, и средней длиной цепи. Химически активные частицы образуются в результате столкновений или самопроизвольного распада термически активных молекул. Поэтому зависимость w = f(p, Т) для неразветвленной цепной реакции аналогична (2.17). При этом рассматривают некоторую эффективную энергию активации, характеризующую итоговую зависимость скорости процесса от температуры. Если в результате элементарной реакции с участием одной активной частицы возникают две или большее число новых активных частиц, то имеет место гак называемое разветвление цепи. Скорость такой реакции очень быстро возрастает со временем даже при отсутствии повышения температуры. Обрыв цепи происходит при столкновении между собой химически активных частиц и в результате адсорбции их стенками, окружающими реагирующую смесь. Поэтому увеличение концентрации химически активных частиц сопровождается увеличением числа обрывов цепей и, как следствие, скорость разветвленной цепной реакции стабилизируется, а затем уменьшается в результате выгорания исходных веществ.

В соответствии с теорией цепных реакций дробный порядок реакции - результат сложного механизма течения реакции, включающей в себя ряд элементарных стадий, каждая из которых имеет свой порядок. В зависимости от значимости каждой из промежуточных стадий получаются те или иные значения показателя степени при р в (2.17). То обстоятельство, что каждая химически активная частица является источником целой серии превращений, позволяет объяснить ускоряющее или тормозящее действие небольших количеств присадок к топливу. Отрицательная температурная зависимость w объясняется тем, что увеличение температуры приводит к росту концентрации промежуточного продукта реакции, тормозящего образование конечных продуктов.