Механизм прекращения горения пламени нейтральными газами

Рассмотрим механизм снижения скорости реакций горения не изменением соотношения компонентов горючей смеси с_А и с_в в зоне реакции, а введением разбавляющих эти реагенты нейтральных (инертных) газов (НГ). В качестве таких разбавителей чаще всего применяют азот, углекислый газ, водяной пар, реже гелий, аргон и некоторые др. Попадая в зону реакции, эти газы снижают концентрацию молекул горячего и окислителя в единице объема, и соответственно количество эффективных соударений их молекул. Это приводит к снижению скорости реакции, скорости тепловыделения, температуры, доводя ее в зоне реакции до Т_п. Известно, что диффузионное горение прекращается при концентрации кислорода приблизительно около 14%. Но, если бы механизм прекращения горения всех нейтральных газов сводился к простому разбавлению, то количество НГ, необходимое для тушения диффузионного пламени, было бы одним и тем же, независимо от вида НГ. Из физики горения и из практики пожаротушения известно, что огнетушащие концентрации НГ зависят не только от вида разбавителя, но и от вида горючего и от условия их подачи и от многих других факторов. Рассмотрим их более подробно. Кроме рассмотренного выше механизма прекращения горения путем простого разбавления, нейтральные газы по-разному воздействуют на зону реакции горения в зависимости от их физических свойств. Поступая в зону реакции с температурой окружающей среды 20-30 º С, они прогреваются до температуры приблизительно 1000 º С, отнимая некоторое количество тепла. Количество отводимого тепла можно определить по формуле (125):

                       (125)

где V_НГ — объем подаваемого в зону горения нейтрального газа;

r_нг —  плотность нейтрального газа;

Ср_{н г} - удельная теплоемкость нейтрального газа;

∆ t_нг - разность температур нейтрального газа и зоны горения.

Поэтому чем выше теплоемкость вводимых в зону реакции нейтральных газов, тем аффективнее их огнетушащее действие.

Некоторые нейтральные газы, помимо снижения интенсивности тепловыделения и повышения теплоотвода из зоны реакции, увепичивают интенсивность теплоотвода за счет резкого повышения коэффициента теплопередачи газовой смеси l''_см> > l _см. По такому механизму прекращения горения действует, например, гелий (l_Нe = 6l_N2). А так как при этом интенсифицируется и теплоотвод к свежей горючей смеси при кинетическом режиме горения, то от введения таких НГ скорость распространения пламени должна повышаться. Но механизм прекращения горения нейтральных газов более сложный. Он зависит не от а, как фактора разбавления, не от l_Нг или С_р смеси, а зависит и от степени разбавления, и от комплексного параметра С_р /l (рис. 60).

Причем повышение теплопроводности смеси газов после введения разбавителя не повышает эффективности НГ; а снижает ее. Это объясняется тем, что при введении НГ, более существенна интенсификация теплоотвода в свежую горючую смесь, где Т_см < Т_ЗР (незначительное повышение теплоотвода в продукты горения, так как Т_ЗР = Т_ПР.С оказывается несущественным).

Количество тепла q, отводимого от зоны реакции, пропорционально коэффициенту l и градиенту температур ,  а градиент температур в сторону горючей смеси в десятки и даже в сотни раз выше, чем в сторону продуктов горения.

Интенсификация теплопередачи в свежую горючую смесь, поступающую в зону горения, ускоряет процесс горения. Поэтому коэффициент l стоит в знаменателе дроби, определяющей огнегасящую эффективность нейтральных газов.

Произведем количественный анализ эффективности нейтральных газов, начиная с простейшего - азота, которого в воздухе и без того окопо 80%. Его огнетушашая концентрация равна примерно 35-40%, при этом концентрация кислорода снижается до 14-15%, при которой происходит прекращения диффузионного горения (из-за низкой концентрации кислорода в смеси). Примерно такова же (чуть ниже) огнетушащая эффективность гелия. Но теплопроводность гелия в 6 раз выше теплопроводности азота. Зато и теплоемкость гелия в 5 раз выше теплоемкости азота. l_Нe = 6l_N2, а С_{Р Нe} =5 С_{Р N2}. Поэтому и, соответственно, a_Нe = a_N2.

Рис. 60. Зависимость огнетушащей концентрации негорючего газа от концентрации горючего в смеси.

 

Анализ этих параметров для аргона и двуокиси углерода показывает, что теплопроводность этих разбавителей примерно одинакова:

l_CО2 = 13, 6 Вт/ (м • К), а l_Аг = 16, 6 Вт/( м • К).

А теплоемкости их различаются почти в 2 раза:

С_{р CО2} = =0, 91 кДж/(кг•К), а С_{р Аг} =0, 53 кДж/(кг•К).

Соответственно, комплекс С_р /l для двуокиси углерода будет равен:

, а для аргона

.

Отношение этих комплексов будет равно / = ;

значит, огнетушащая эффективность СО₂ должна быть примерно в 2 раза выше огнетушащей эффективности аргона.

Экспериментальные исследования по определению огнетушащих концентраций при горении метано-воздушных смесей (от 5 до 15% метана в воздухе) показали (см. рис. 60), что для полного прекращения реакций горения аргона нужно довести до ~ 53% по объему, а двуокиси углерода ~ 27% по объему, т.е. a _Аг=2 a _СО2, точнее, 53/27 = 1, 97. Огнетушашая концентрация аргона почти в 2 раза выше, чем СО₂; т.е. обратно пропорциональна отношению комплексов . Отсюда следует что огнетушащие составы действуют и по меланюму прекращения горения разбавлением и снижением скорости тепловыделения, и по механизму прекращения горения теплоотводом на нагревание вводимых НГ, и по механизму интенсификации теплоотвода из зоны реакции и т.д.

Огнетушашие концентрации одних и тех же нейтральных газов (приводящие к полному прекращению процесса горения) неодинаковы для различных горючих веществ и материалов. Так, например, для тушения пламени бензина концентрация углекислого газа составляет 19-20%, а для тушения древесины 25%.

Механизм прекращения горения водяного пара таков же, как и рассмотренные выше, а огнетушащая концентрация его близка к концентрации азота и равна 30-35% по объему [13].

⇐ Предыдущая11121314151617181920Следующая ⇒

Поделиться: