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1) Humidité du matériau. 2) L'influence de l'orientation de l'échantillon dans l'espace. Aux angles d'inclinaison négatifs (la direction du mouvement de la flamme de haut en bas), la vitesse de propagation de la flamme ne change pas ou diminue légèrement. Avec une augmentation de l'angle d'inclinaison positif (la direction du mouvement de la flamme de bas en haut) au-dessus de 10-15 0, la vitesse de propagation de la flamme augmente fortement. 3) Influence de la vitesse et de la direction des flux d'air. Avec une augmentation de la vitesse du vent arrière, les échanges gazeux s'améliorent et l'angle d'inclinaison de la flamme par rapport à l'échantillon diminue. La vitesse de propagation augmente. Le flux d'air à contre-courant de la flamme a un double effet sur la vitesse de propagation de la flamme. En raison du freinage aérodynamique et du refroidissement des surfaces chauffées devant le front de flamme, la vitesse de propagation de la flamme diminue. D'autre part, le flux d'air intensifie le mélange des produits de pyrolyse avec l'agent oxydant, la formation d'un mélange combustible homogène se produit plus rapidement, la pointe de la flamme se rapproche de la surface du matériau solide, ce qui, à son tour, entraîne un augmentation d'intensité, ce qui accélère la propagation de la flamme. 4) Influence des dimensions géométriques de l'échantillon. Distinguer les échantillons thermiquement épais et thermiquement minces. L'épaisseur thermique est l'épaisseur d'une couche de matériau solide chauffée devant le front de flamme au-dessus de la température initiale au moment où la flamme se propage à une zone donnée de la surface. 5) Influence du matériau du substrat. Si un matériau combustible entre en contact avec un matériau (substrat) dont les propriétés thermophysiques sont différentes de celles de l'air, cela affectera également la vitesse de propagation de la flamme (papier collé, isolant de fil, etc.). Si l est moyenne> l montagnes. tapis. , alors la chaleur sera intensément retirée de l'échantillon, et la vitesse de propagation sera moindre qu'en l'absence de substrat. 6) Influence de la teneur en oxygène dans l'environnement. Avec une augmentation de la teneur en oxygène dans l'environnement, la vitesse de propagation de la flamme augmente. 7. Influence de la température initiale de l'échantillon. Pour le bois, une augmentation de la température initiale à 230–250 о С (plage de température de pyrolyse) entraîne une forte augmentation de u l. Brûlage de matériaux solides Simultanément à la propagation de la flamme sur la surface du matériau, le processus de son épuisement commence. Les régularités de la combustion des matériaux solides dépendent essentiellement de la nature de la transformation de la phase solide en produits gazeux. Si la décomposition de la phase solide se produit dans une couche proche de la surface étroite sans formation d'une couche carbonée, alors dans ce cas la combustion se déroule à une vitesse constante. Après allumage, une température constante s'établit à la surface de la phase solide, égale à la température d'ébullition ou de sublimation de la substance. Le mécanisme de combustion des solides, qui se produit avec la formation d'un résidu carboné sur la surface de combustion, est plus complexe. Presque toutes les substances d'origine végétale brûlent ainsi, certains plastiques contenant des charges incombustibles ou peu combustibles (talc, suie, etc.). Le combustible végétal le plus courant de ce type est le bois. Au moment de l'inflammation, en raison du flux de chaleur de la zone de flamme, la température de la couche superficielle du bois augmente rapidement jusqu'à 450-500 o C. Une décomposition intensive des substances se produit avec la formation de produits volatils et de charbon de bois, tandis que le la température à la surface s'élève à 600 o C. Le long de la profondeur de la combustion du bois, il y a des zones avec différentes caractéristiques physiques et physico-chimiques. Ils peuvent être conditionnellement divisés en 4 zones : I - charbon de bois, 99% de carbone; II - bois avec divers degrés de pyrolyse; III - bois sec non pyrolysé; IV - bois d'origine. Au fur et à mesure que des produits volatils sont libérés de la phase solide lors de la combustion du bois, le matériau est carbonisé à une profondeur toujours plus grande. Une augmentation de l'épaisseur de la couche carbonée entraîne une augmentation de sa résistance thermique et, par conséquent, réduit la vitesse d'échauffement et de pyrolyse des couches de bois non encore décomposées, et la vitesse de combustion de la flamme diminue progressivement. La combustion à la flamme du bois s'arrête lorsque le taux massique de libération des matières volatiles diminue à 5 g/(m 2 · s). Dans ce cas, l'épaisseur de la couche de charbon atteint 15-20 mm. L'arrêt de la combustion ardente du bois ouvre l'accès de l'oxygène de l'air au charbon chauffé à une température de 650-700°C. La deuxième étape de la combustion du bois commence - oxydation hétérogène de la couche carbonée, principalement selon la réaction С + О 2 ® СО 2 + 33000 kJ / kg, la température de la couche carbonée augmente jusqu'à 800 ° С, et le processus de combustion hétérogène la combustion du charbon est encore plus intensifiée. L'image réelle de la transition d'une combustion homogène à une combustion hétérogène est quelque peu différente de celle présentée. Le principal paramètre quantitatif caractérisant le processus de combustion des matériaux solides est le taux de combustion massique, qui est l'un des paramètres déterminant la dynamique d'un incendie. Le taux de combustion massique réduit est la quantité de substance qui brûle par unité de temps à partir de la surface unitaire du feu. Combustion des métaux De par la nature de la combustion, les métaux sont divisés en deux groupes : volatils et non volatils. Les métaux volatils ont T pl< 1000 К, Т кип < 1500 К. К ним относятся щелочные металлы (литий, натрий, калий и др.) и щелочноземельные (магний, кальций). Les métaux non volatils ont T m> 1000 K, T ébullition> 2500 K. Le mécanisme de combustion est largement déterminé par les propriétés de l'oxyde métallique. La T m des métaux volatils est inférieure à la T m de leurs oxydes. De plus, ces dernières sont des formations assez poreuses. Lorsque l'IZ est amené à la surface du métal, il s'évapore et s'oxyde. Lorsque la concentration des vapeurs est égale à la limite inférieure de concentration d'inflammation, leur inflammation se produit. La zone de combustion par diffusion s'établit en surface, une grande partie de la chaleur est transférée au métal et il chauffe jusqu'à T balle. Les vapeurs formées, diffusant librement à travers le film d'oxyde poreux, pénètrent dans la zone de combustion. L'ébullition du métal provoque une destruction périodique du film d'oxyde, ce qui intensifie la combustion. Les produits de combustion (oxydes métalliques) diffusent non seulement à la surface du métal, contribuant à la formation d'une croûte d'oxyde, mais aussi dans l'espace environnant, où, en se condensant, ils forment des particules solides sous forme de fumée blanche. La formation d'une épaisse fumée blanche est une indication visuelle de la combustion du métal volatil. Dans les métaux non volatils avec des températures de transition de phase élevées, un film d'oxyde très dense se forme à la surface pendant la combustion, qui adhère bien à la surface du métal. En conséquence, le taux de diffusion des vapeurs métalliques à travers le film diminue fortement et les grosses particules, par exemple l'aluminium et le béryllium, sont incapables de brûler. En règle générale, les incendies de ces métaux se produisent lorsqu'ils se présentent sous la forme de copeaux, de poudres et d'aérosols. Ils brûlent sans formation de fumée dense. La formation d'un film d'oxyde dense à la surface du métal conduit à l'explosion de la particule. Ce phénomène, qui est particulièrement souvent observé lorsqu'une particule se déplace dans un environnement oxydant à haute température, est associé à l'accumulation de vapeurs métalliques sous le film d'oxyde, suivie de sa rupture brutale. Ceci conduit naturellement à une forte intensification de la combustion. Combustion de la poussière Poussière est un système dispersé constitué d'un milieu de dispersion gazeux (air, etc.) et d'une phase dispersée solide (farine, sucre, bois, charbon, etc.). Facteurs affectant la vitesse de propagation de la flamme à travers les mélanges poussière-air : 1) Concentration de poussière. Comme dans le cas de la combustion d'un mélange gaz-air homogène, la vitesse maximale de propagation de la flamme se produit pour des mélanges légèrement supérieurs à la composition stoechiométrique. Pour la poussière de tourbe, il s'agit de 1,0-1,5 kg / m 3. 2) Teneur en cendres. Avec une augmentation de la teneur en cendres, la concentration du composant combustible diminue et, en conséquence, la vitesse de propagation de la flamme diminue. Lorsque la teneur en oxygène diminue, la vitesse de propagation de la flamme diminue. Classification des poussières par risque d'explosion et d'incendie. Selon le risque d'explosion et d'incendie, la poussière est divisée en classes : Classe I - la plus explosive - j n jusqu'à 15 g / m 3; Classe II - explosif - 15 g/m 3< j н < 65 г/м 3 ; classe III - le plus dangereux au feu - j n> 65 g / m 3; T sv jusqu'à 250 environ C; classe IV - risque d'incendie - j n> 65 g / m 3; T w> 250 o C. DYNAMIQUE DE DÉVELOPPEMENT DU FEU La dynamique d'un incendie est comprise comme un ensemble de lois et de modèles qui décrivent le changement des principaux paramètres d'un incendie dans le temps et dans l'espace. La nature d'un incendie peut être jugée par l'ensemble d'un grand nombre de ses paramètres : par la superficie de l'incendie, par la température du feu, la vitesse de sa propagation, l'intensité du dégagement de chaleur, l'intensité de échanges gazeux, intensité de la fumée, etc. Il y a tellement de paramètres de feu que dans certains types de feux, certains d'entre eux sont primaires et dans d'autres, secondaires. Tout dépend des objectifs fixés dans l'étude d'un type particulier de feu. Pour l'étude de la dynamique d'un incendie, on prend la superficie du feu, la température du feu, l'intensité des échanges gazeux et des fumées, et la vitesse de propagation du feu comme principaux paramètres qui évoluent dans le temps . Ces paramètres d'un incendie sont les plus accessibles pour la mesure, l'analyse et les calculs. Ils servent de données initiales pour déterminer le type d'équipement requis et calculer les forces et les moyens d'extinction des incendies, concevoir des systèmes d'extinction automatique d'incendie, etc. A partir du moment où un incendie se déclare, avec son développement libre, jusqu'à son arrêt complet, un incendie dans une pièce peut être divisé en phases. Phases de feu I. Phase d'allumage. La flamme provient d'une source d'inflammation externe dans une petite zone et se propage lentement. Un flux de gaz convectif se forme autour de la zone de combustion, ce qui assure les échanges gazeux nécessaires. La surface du matériau combustible s'échauffe, la taille de la torche augmente, les échanges gazeux augmentent, un flux de chaleur rayonnante se développe, qui pénètre dans l'espace environnant et sur la surface du matériau combustible. La durée de la phase d'allumage varie de 1 à 3 minutes. II. Phase de démarrage du feu. La température ambiante monte lentement. Tout le processus précédent est répété, mais avec une plus grande intensité. La durée de la deuxième étape est d'environ 5 à 10 minutes. III. Phase de développement volumétrique d'un incendie- un processus orageux de croissance de tous les paramètres ci-dessus. La température intérieure atteint 250 -300 ° C. La phase « volumétrique » de développement du feu et la phase de propagation volumétrique du feu commencent. A une température du milieu gazeux dans la pièce de 300°C, le vitrage est détruit. Dans ce cas, le burn-out peut également se produire à l'extérieur de la pièce (le feu se déclare des ouvertures vers l'extérieur). L'intensité des échanges gazeux change brusquement: elle augmente fortement, le processus de sortie des produits de combustion chauds et l'afflux d'air frais dans la zone de combustion s'intensifient. IV.Phase de feu. Pendant cette phase, la température ambiante peut chuter pendant une courte période. Mais en fonction de l'évolution des conditions d'échange gazeux, des paramètres d'incendie tels que la complétude de la combustion, le taux de combustion et la propagation du processus de combustion augmentent fortement. En conséquence, le dégagement total de chaleur dans le feu augmente fortement. La température, légèrement réduite au moment de la destruction du vitrage en raison de l'afflux d'air froid, augmente fortement, atteignant 500 - 600 ° C. Le processus de développement du feu s'intensifie rapidement. La valeur numérique de tous les paramètres d'incendie mentionnés précédemment est augmentée. La zone de l'incendie, la température volumétrique moyenne dans la pièce (800-900 ° C), l'intensité de l'épuisement de la charge calorifique et le degré de fumée atteignent un maximum. V. Phase de combustion stationnaire. Les paramètres du feu sont stabilisés. Cela se produit généralement à 20-25 minutes d'incendie et, selon l'ampleur de la charge d'incendie, peut durer 20-30 minutes. Vi. Phase de décomposition. L'intensité de la combustion diminue progressivement, car la majeure partie de la charge calorifique a déjà brûlé. Une grande quantité de produits de combustion s'est accumulée dans la pièce. La concentration volumétrique moyenne d'oxygène dans la pièce a diminué à 16-17 % et la concentration de produits de combustion qui empêchent une combustion intense a augmenté jusqu'à une valeur limite. L'intensité du transfert de chaleur radiante vers le matériau combustible a diminué en raison d'une diminution de la température dans la zone de combustion. En raison de l'augmentation de la densité optique du milieu, l'intensité de la combustion diminue lentement, ce qui entraîne une diminution de tous les autres paramètres du feu. La zone de feu ne rétrécit pas : elle peut croître ou se stabiliser. VII. Phase de postcombustion. Cette phase finale du feu se caractérise par un lent couvant, après quoi, au bout d'un certain temps, parfois assez long, la combustion s'arrête. Les principaux paramètres du feu Considérons quantitativement quelques-uns des principaux paramètres d'un incendie qui déterminent la dynamique de son développement. Déterminons l'intensité du dégagement de chaleur dans un incendie, car c'est l'un des principaux paramètres du processus de combustion : Q = βQ р н V m ’Sп, (kJ / s) où β et Q p n sont des constantes (le coefficient de sous-combustion et la plus faible chaleur de combustion de la charge calorifique); V m ¢ - taux de combustion de masse réduit ; S p - zone d'incendie; V m et S p dépendent du temps de développement du feu, de la température du feu, de l'intensité des échanges gazeux, etc. Le taux de combustion massique réduit V m est déterminé par la formule : v m ¢ = (a × T n + b × I d) v m o ¢ où a, b sont des coefficients empiriques ; v m o est le taux massique réduit de combustion de la charge calorifique pour un type donné de matériau combustible ; T p - la valeur moyenne de la température du feu; I g - l'intensité des échanges gazeux. La dépendance de la zone du feu sur les principaux paramètres de son développement est la suivante: S p = k (v p τ) n où k et n sont des coefficients dépendant de la forme géométrique de la zone d'incendie ; v p est la vitesse linéaire de propagation du feu ; est le temps de son libre développement. k = ; n = 2 k =; n = 2 k = 2a ; n = 1 k = ; n = 2 k = 2a ; n = 1 La vitesse linéaire de propagation du feu dépend du type de charge combustible, de la température moyenne du feu et de l'intensité des échanges gazeux : v p = (a 1 T p + b 1 I d) v po où a 1 et b 1 sont des coefficients empiriques qui établissent la dépendance de la vitesse linéaire de propagation du feu sur la température moyenne et l'intensité des échanges gazeux, dont la valeur numérique est déterminée empiriquement pour chaque type spécifique de combustible ; v p o est la vitesse linéaire de propagation de la combustion pour un type de combustible donné. Au fur et à mesure que le feu progresse, la température du feu et l'intensité des échanges gazeux augmenteront, augmentant le taux linéaire de propagation de la combustion et le taux massique réduit de combustion. Régime thermique en feu L'apparition et la vitesse des processus thermiques dépendent de l'intensité du dégagement de chaleur dans la zone de combustion, c'est-à-dire de la chaleur du feu. Le régime de température sert de caractéristique quantitative du changement de dégagement de chaleur dans un incendie, en fonction de diverses conditions de combustion. Le régime de température d'un incendie est compris comme la variation de température au cours du temps. Il est extrêmement difficile de déterminer la température d'un incendie à la fois par des méthodes expérimentales et par des méthodes de calcul. Pour les calculs techniques lors de la résolution d'un certain nombre de problèmes pratiques, la température du feu est déterminée à partir de l'équation du bilan thermique. Le bilan thermique d'un incendie est établi non seulement pour déterminer la température du feu, mais également pour identifier la distribution quantitative de l'énergie thermique. En général, le bilan thermique d'un incendie à un instant donné peut être représenté comme suit : Q p = Q pg + Q k + Q l où Q p est la chaleur dégagée dans le feu, kJ ; Q pg - chaleur contenue dans les produits de combustion, kJ ; Q to - chaleur transférée de la zone de combustion par convection à l'air lavant la zone, mais ne participant pas à la combustion, kJ ; Q l - chaleur transférée de la zone de combustion par rayonnement. Pour les feux ouverts, il a été constaté que la part de chaleur transférée de la zone de combustion par rayonnement et convection est de 40 à 50 % de Q p. Le reste de la chaleur (60 à 70 % de Q p) va au chauffage des produits de combustion. . Ainsi, 60 à 70 % de la température de combustion théorique d'un matériau combustible donné donnera une valeur approximative de la température de la flamme. La température des feux ouverts dépend du pouvoir calorifique des matériaux combustibles, de leur taux de combustion et des conditions météorologiques. En moyenne, la température maximale d'un feu ouvert pour les gaz combustibles est de 1200 - 1350 ° C, pour les liquides - 1100 - 1300 ° C et pour les matières combustibles solides d'origine organique - 1100 - 1250 ° C. Lors d'un incendie interne, plusieurs facteurs influent sur la température : la nature du matériau combustible, l'ampleur de la charge calorifique et son emplacement, la zone de combustion, la taille du bâtiment (surface au sol, hauteur de la pièce, etc.) et le taux d'échange gazeux (taille et emplacement des ouvertures). Examinons plus en détail l'influence des facteurs énumérés. Le feu peut être divisé en trois périodes caractéristiques selon les changements de température : initiale, principale et finale. Période initiale- caractérisé par une température volumétrique moyenne relativement basse. Période principale- pendant cela, 70 à 80% de la charge totale de matériaux combustibles brûle. La fin de cette période survient lorsque la température volumétrique moyenne atteint sa valeur la plus élevée ou diminue à pas plus de 80 % de la valeur maximale. Période finale- caractérisé par une diminution de la température due à l'épuisement de la charge calorifique.
Graphique 9.1. Evolution de la température d'un incendie interne au cours du temps : 1 - la courbe d'un incendie spécifique ; 2 - courbe standard Étant donné que le taux de croissance et la valeur absolue de la température d'incendie dans chaque cas spécifique ont leurs propres valeurs et caractéristiques caractéristiques, le concept de courbe de température standard a été introduit (Fig. 21.2), qui résume les caractéristiques les plus caractéristiques de la température. changement dans les incendies internes. La température standard est décrite par l'équation. Vitesse normale de propagation de la flamme - la vitesse de déplacement du front de flamme par rapport au gaz non brûlé dans la direction perpendiculaire à sa surface. La valeur de la vitesse normale de propagation de la flamme doit être utilisée pour calculer le taux d'augmentation de la pression d'explosion des mélanges gaz et vapeur-air dans des équipements et des locaux fermés et présentant des fuites, le diamètre critique (d'extinction) dans la conception et la création de la flamme les parafoudres, le domaine des structures facilement déversées, les membranes de sécurité et autres dispositifs de dépressurisation ; lors de l'élaboration de mesures visant à garantir la sécurité incendie et explosion des processus technologiques conformément aux exigences de GOST 12.1.004 et GOST 12.1.010. L'essence de la méthode de détermination de la vitesse normale de propagation de la flamme consiste à préparer un mélange combustible d'une composition connue à l'intérieur d'un récipient de réaction, en enflammant le mélange au centre avec une source ponctuelle, en enregistrant le changement de pression dans le récipient avec le temps, et le traitement de la relation pression-temps expérimentale à l'aide d'un modèle mathématique du processus de combustion du gaz en cuve fermée et de procédures d'optimisation. Le modèle mathématique permet d'obtenir une dépendance pression-temps calculée, dont l'optimisation selon une dépendance expérimentale similaire se traduit par un changement de la vitesse normale lors du développement d'une explosion pour un essai spécifique. La vitesse de combustion normale est la vitesse de propagation du front de flamme par rapport aux réactifs imbrûlés. La vitesse de combustion dépend d'un certain nombre de propriétés physico-chimiques des réactifs, notamment la conductivité thermique et la vitesse de la réaction chimique, et a une valeur bien définie pour chaque combustible (dans des conditions de combustion constantes). Table 1 montre les vitesses de combustion (et les limites d'inflammation) de certains mélanges gazeux. Les concentrations de carburant dans les mélanges ont été déterminées à 25°C et à pression atmosphérique normale. Les limites d'inflammabilité, sauf exceptions notées, ont été obtenues avec la propagation d'une flamme dans un tuyau de 0,05 m de diamètre, fermé des deux côtés. Les taux d'excès de carburant sont définis comme le rapport des teneurs volumétriques du carburant dans le mélange réel au mélange stoechiométrique (j1) et au mélange au taux de combustion maximal (j2). Tableau 1 Vitesses de combustion des mélanges condensés (comburant inorganique + magnésium)
| 1,60 | 28,8 | 74,9 | 2,48 | 39,4 | ||||||||||||||
| KNO3 | 37,6 | 0,74 | 12,5 | 75,5 | 1,30 | 20,0 | |||||||||||||
| Ca (NO3) 2 | 42,6 | 0,46 | 73,1 | 1,00 | |||||||||||||||
| Ba (NO3) 2 | 31,8 | 0,34 | 62,8 | 0,74 | |||||||||||||||
| Sr (NO3) 2 | 36,5 | 0,32 | 6,4 | 65,4 | 0,72 | 12,3 | |||||||||||||
| Pb (NO3) 2 | 26,8 | 0,26 | 60,2 | 0,70 | |||||||||||||||
| NaClO4 | 44,3 | 0,24 | 78,0 | 0,96 | |||||||||||||||
| KClO4 | 41,3 | 0,23 | 4,2 | 77,1 | 0,68 | 10,9 | |||||||||||||
| NH4ClO4 | 29,2 | 0,22 | 3,6 | 79,3 | 0,42 | 6,5 |
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Le taux de combustion linéaire des mélanges d'oxygène est beaucoup plus élevé que celui de l'air (pour l'hydrogène et le monoxyde de carbone - 2 à 3 fois et pour le méthane - plus d'un ordre de grandeur). La vitesse de combustion massique des mélanges d'oxygène étudiés (à l'exception du mélange CO + O2) est de l'ordre de 3,7 à 11,6 kg/(m2 s).
Table 1 montre (selon les données de Η. A. Silin et D. I. Postovsky) les vitesses de combustion de mélanges compactés de nitrates et de perchlorates avec du magnésium. Pour préparer les mélanges, nous avons utilisé des composants en poudre avec une granulométrie de 150 à 250 µm de nitrates, de 200 à 250 µm de perchlorates et de 75 à 105 µm de magnésium. Le mélange a été versé dans des enveloppes en carton d'un diamètre de 24 à 46 mm avec un coefficient de compactage de 0,86. Les échantillons ont été brûlés dans l'air à pression et température initiales normales.
À partir d'une comparaison du tableau de données. 1 et 1,25, il s'ensuit que les mélanges condensés sont supérieurs en masse aux mélanges gazeux et inférieurs à eux en termes de vitesse de combustion linéaire. La vitesse de combustion des mélanges avec des perchlorates est inférieure à la vitesse de combustion des mélanges avec des nitrates, et les mélanges avec des nitrates de métaux alcalins brûlent à une vitesse plus élevée que les mélanges avec des nitrates de métaux alcalino-terreux.
Tableau 2
Les limites d'inflammation et la vitesse de combustion des mélanges avec l'air (I) et de l'oxygène (II) à pression et température ambiante normales
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Méthodes de calcul du taux de combustion des liquides
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; (16)
où M- taux de combustion sans dimension ;
; (17)
H F- le poids moléculaire du liquide, kg · mol -1 ;
ré- la taille caractéristique du miroir du liquide brûlant, m. Elle est déterminée comme la racine carrée de la surface de la surface brûlante; si la zone de combustion est circulaire, alors la taille caractéristique est égale à son diamètre. Lors du calcul de la vitesse de combustion turbulente, on peut prendre ré= 10 mètres ;
T à est le point d'ébullition du liquide, K.
La procédure de calcul est la suivante.
Déterminer le mode de combustion par la valeur du critère Galileo Géorgie calculé par la formule
où g- accélération de la pesanteur, m · s -2.
En fonction du mode de combustion, le taux de combustion sans dimension est calculé M... Pour la combustion laminaire :
Pour la combustion transitoire :
si donc 
, (20)
si, alors, (21)
Pour la combustion turbulente :
; 
, (22)
M 0- poids moléculaire de l'oxygène, kg · mol -1;
n 0- coefficient stoechiométrique de l'oxygène dans la réaction de combustion ;
n F est le coefficient stoechiométrique du liquide dans la réaction de combustion.
B est un paramètre sans dimension caractérisant l'intensité du transfert de masse, calculé par la formule
, (23)
où Q- la plus faible chaleur de combustion du liquide, kJ · kg -1 ;
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c- capacité calorifique isobare des produits de combustion (pris égale à la capacité calorifique de l'air c = 1), kJ · kg -1 · K -1 ;
T 0- température ambiante, prise égale à 293 K ;
H- chaleur de vaporisation du liquide au point d'ébullition, kJ · kg -1 ;
c e est la capacité calorifique moyenne isobare du liquide dans la gamme de T 0 avant T à.
Si la viscosité cinématique de la vapeur ou le poids moléculaire et le point d'ébullition du liquide à l'étude sont connus, alors la vitesse de combustion turbulente est calculée à l'aide de données expérimentales en utilisant la formule
où moi je- la valeur expérimentale du taux de combustion en régime transitoire de combustion, kg · m - 2 · s -1 ;
je- diamètre du brûleur dans lequel la valeur est obtenue moi je, m. Il est recommandé d'utiliser un brûleur d'un diamètre de 30 mm. Si un mode de combustion laminaire est observé dans un brûleur de 30 mm de diamètre, il convient d'utiliser un brûleur de plus grand diamètre.
3. PROPAGATION DE LA FLAMME DANS LES MÉLANGES GAZEUX
La vitesse de propagation de la flamme lors de la combustion de substances solides, liquides et gazeuses présente un intérêt pratique en termes de prévention des incendies et des explosions. Considérez la vitesse de propagation de la flamme dans les mélanges de gaz et de vapeurs combustibles avec l'air. Connaissant cette vitesse, il est possible de déterminer les vitesses de sécurité du flux gaz-air dans le pipeline, le puits, l'unité de ventilation et d'autres systèmes explosifs.
3.1. VITESSE DE LA FLAMME
A titre d'exemple, la fig. 3.1 montre un schéma de ventilation par aspiration dans une mine de charbon. Des galeries de la mine 1 jusqu'au pipeline 2, un mélange poussiéreux d'air et de poussière de charbon est éliminé et, dans certains cas, du méthane libéré dans les veines de charbon. En cas de foyer d'incendie, le front de flamme 3 se propagera vers les galeries 1. Si la vitesse de déplacement du mélange combustiblew sera inférieure à la vitesse de propagation du front de flammeet par rapport aux parois du tube, la flamme se propagera dans la gaine et provoquera une explosion. Par conséquent, pour le fonctionnement normal du système de ventilation, il est nécessaire de respecter la condition
avec vous.
La vitesse d'élimination du mélange explosif doit être supérieure à la vitesse de propagation du front de flamme. Cela empêchera les flammes de pénétrer dans les galeries de la mine.
Riz. 3.1. Propagation de la flamme dans une mine :
1 - le mien ; 2 - canalisation; 3 - front de flamme
La théorie de la propagation des flammes, développée dans les travaux de Ya.B. Zel'dovich et D.A. Frank-Kamenetsky, est basé sur les équations de conduction thermique, de diffusion et de cinétique chimique. L'inflammation d'un mélange combustible commence toujours en un point et se propage dans tout le volume occupé par le mélange combustible. Considérons un cas unidimensionnel - un tube rempli d'un mélange combustible (Fig. 3.2).
Si le mélange est enflammé à une extrémité du tube, un front de flamme étroit se propagera le long du tube, séparant les produits de combustion (derrière le front de flamme) du mélange combustible frais. Le front de la flamme a la forme d'une calotte ou d'un cône, avec sa partie convexe tournée vers la direction du mouvement de la flamme. Le front de flamme est une mince couche de gaz (10 -4 10 -6) m de large, dans laquelle se déroulent des réactions chimiques de combustion. La température du front de flamme, selon la composition du mélange, est T= (1500 ÷ 3000) K. La chaleur de combustion libérée est dépensée pour chauffer les produits de combustion du mélange combustible frais et les parois du tube en raison des processus de conduction thermique et de rayonnement.
Riz. 3.2. Diagramme de propagation du front de flamme dans le tube
Lorsque le front de flamme se déplace dans le tube, des ondes de compression apparaissent dans le mélange combustible, ce qui crée des mouvements de vortex. Les tourbillons de gaz courbent le front de flamme sans modifier son épaisseur et la nature des processus qui s'y déroulent. Sur une unité de surface du front de flamme, la même quantité de substance brûle toujours par unité de temps 
... La quantité est constante pour chaque mélange combustible et s'appelle le taux de combustion massique .
Connaître la zone du front de flammeS, vous pouvez calculer la masse de la substance M brûlé dans tout le front de combustion par unité de temps :
Chaque élément du front de flamme dSse déplace par rapport au mélange frais toujours dans la direction normale au front de flamme en un point donné (Fig. 3.2), et la vitesse de ce déplacement :
où est la densité du mélange combustible frais.
La magnitude est appelée vitesse normale de propagation de la flamme et a une dimension de m / s. C'est une valeur constante du processus de combustion d'un mélange donné et ne dépend pas des conditions hydrodynamiques accompagnant le processus de combustion. La vitesse normale de propagation de la flamme est toujours inférieure à la vitesse observée et, c'est-à-dire la vitesse de déplacement du front de combustion par rapport aux parois du tube :
u n< u .
Si le front de flamme est plat et dirigé perpendiculairement à l'axe du tube, alors dans ce cas les vitesses de propagation de la flamme observée et normale seront les mêmes
u n = u.
Zone avant de la flamme convexeproblème Stoujours plus grand que la surface du front platS pl, donc
> 1.
Propagation normale de la flammeu npour chaque mélange combustible dépend du mélange de gaz inertes, de la température du mélange, de l'humidité et d'autres facteurs. En particulier, le préchauffage du gaz combustible augmente la vitesse de propagation de la flamme. On peut montrer que la vitesse de propagation de la flammeu nproportionnel au carré de la température absolue du mélange :
u n. = const · T 2.
En figue. 3.3 montre la dépendance de la vitesse de propagation de la flamme dans le mélange combustible "air - monoxyde de carbone" en fonction de la concentration en CO. Comme il ressort des graphiques donnés, la vitesse de propagation de la flamme augmente avec la température du mélange. Pour chaque valeur de température, la vitesse de propagation de la flamme a un maximum au voisinage de la concentration en monoxyde de carbone CO, égal à ~ 40 %.
La vitesse de propagation de la flamme est influencée par la capacité calorifique du gaz inerte. Plus la capacité calorifique du gaz inerte est élevée, plus il abaisse la température de combustion et plus il réduit la vitesse de propagation de la flamme. Ainsi, si un mélange de méthane et d'air est dilué avec du dioxyde de carbone, la vitesse de propagation de la flamme peut diminuer de 2 à 3 fois. La vitesse de propagation de la flamme dans les mélanges de monoxyde de carbone avec l'air est fortement influencée par l'humidité contenue dans le mélange, la présence de particules de suie et de mélanges de gaz inertes.
Riz. 3.3. Dépendance de la vitesse de propagation de la flamme
sur la concentration de monoxyde de carbone dans le mélange
Répartition d'une zone de transformations chimiques dans un système combustible ouvert
La combustion débute par l'inflammation du mélange combustible dans le volume local du système combustible, puis se propage en direction du mélange en mouvement. Une zone de combustion dans laquelle se déroulent des réactions chimiques redox visibles par l'observateur est appelée flamme. La surface séparant la flamme et le mélange encore incombustible sert de front de flamme. La nature de la propagation de la flamme dépend de nombreux processus, mais le processus de chauffage du mélange combustible est déterminant. Selon la méthode de chauffage du mélange combustible à la température d'inflammation, une distinction est faite entre la propagation de flamme normale, turbulente et détonante.
Une propagation normale de la flamme est observée lors de la combustion dans un système combustible avec un mélange laminaire en mouvement. Avec une propagation normale de la flamme, l'énergie thermique de la couche brûlante à la couche froide est transférée principalement par conductivité thermique, ainsi que par diffusion moléculaire. La conductivité thermique dans les gaz est caractérisée par une faible intensité, de sorte que la vitesse de propagation normale de la flamme est faible.
Dans le mouvement turbulent du mélange combustible, le transfert d'énergie thermique de la couche brûlante à la couche froide se produit principalement par diffusion molaire, ainsi que par conductivité thermique. Le transfert molaire est proportionnel à l'échelle de turbulence, qui est déterminée par la vitesse du mélange. La vitesse de propagation de la flamme turbulente dépend des propriétés du mélange et de la dynamique gazeuse de l'écoulement.
La propagation d'une flamme dans un mélange combustible de la zone de combustion aux couches froides par des processus moléculaires et molaires est appelée déflagration.
Les processus de combustion physico-chimique s'accompagnent d'une augmentation de la température et de la pression dans la flamme. Dans les systèmes combustibles, dans certaines conditions, des zones de surpression peuvent apparaître, capables de comprimer les couches adjacentes et de les chauffer jusqu'à un état d'inflammation. La propagation d'une flamme par compression rapide d'un mélange froid jusqu'à la température d'inflammation est appelée détonation et est toujours explosive.
Dans les systèmes combustibles, une combustion vibratoire peut se produire, dans laquelle le front de flamme se déplace à une vitesse qui varie à la fois en amplitude et en direction.
La vitesse de propagation du front de combustion dans un mélange laminaire mobile ou stationnaire est appelée vitesse normale ou fondamentale de propagation de la flamme. La valeur numérique de la vitesse normale est déterminée par la vitesse du mélange qui ne s'est pas encore enflammé, qui est normalement dirigé vers le front de combustion.
La valeur de u n pour un front de combustion plat peut être déterminée à partir de la condition d'équilibre dynamique entre la vitesse d'échauffement du mélange par conductivité thermique jusqu'à la température d'inflammation et la vitesse de la réaction chimique. On obtient ainsi la formule suivante
où l est le coefficient de conductivité thermique du mélange gazeux, cp est le coefficient de capacité calorifique du mélange à pression constante, Tinit est la température initiale du mélange, T a est la température de combustion adiabatique, Arr est le critère d'Arrhenius, k 0 est le coefficient de la loi d'Arrhenius.
La vitesse normale peut être déterminée expérimentalement par la vitesse de déplacement du front dans un tube avec un mélange stationnaire ou par la hauteur du cône de combustion dans un bec Bunsen. Le bec Bunsen est un bec de laboratoire avec prémélange partiel de gaz et d'air. A la sortie du brûleur, une flamme se forme avec un front de combustion en forme de cône de forme régulière (Fig.).
Fig. 7. Façade de combustion dans le bec Bunsen
Avec une position stable du front de combustion, la vitesse de propagation de la flamme u n est équilibrée par la composante W n, la vitesse du mélange gaz-air W, qui est normale à la surface du cône de combustion, c'est-à-dire
où j est l'angle entre le vecteur vitesse du mélange gaz-air et le vecteur de sa composante normale à la surface du cône de combustion.
La valeur de la vitesse de déplacement du mélange gaz-air à la sortie de la buse avec un cône de combustion de forme correcte est déterminée par la formule
où d 0 est le diamètre de la buse du brûleur, V est le débit du mélange gaz-air à travers le brûleur.
La valeur cos j peut être exprimée en termes de hauteur du cône de combustion
Tenant compte du fait que la surface de combustion est la surface latérale d'un cône régulier
la valeur de vitesse normale est déterminée
L'amplitude de la vitesse normale de propagation de la flamme est influencée par :
1. La température initiale du mélange. A basse température, u n est directement proportionnel au carré de la température absolue du mélange entrant dans la combustion. A des températures supérieures à la température d'inflammation, la notion de vitesse normale perd son sens, puisque le mélange devient capable de combustion spontanée.
2. La température des parois du canal, à condition que la flamme se propage à l'intérieur de ce canal. Les parois froides brisent les réactions en chaîne et inhibent la propagation des flammes.
3. Diamètre du canal. Pour chaque mélange combustible, il existe une valeur critique du diamètre d cr, à partir de laquelle la propagation de la flamme à l'intérieur du canal est impossible. La valeur du diamètre critique peut être déterminée par la formule
où a cm est la diffusivité thermique du mélange.
4. Pression. Avec une pression croissante, u n diminue.
5. Composition du mélange. Pour un mélange de composition proche de la stoechiométrie, la vitesse normale a une valeur maximale. De plus, il existe des limites inférieures et supérieures pour la concentration de carburant, en dehors desquelles la flamme ne peut pas se propager.
La vitesse normale de propagation de la flamme (uн) dépend des propriétés thermophysiques du mélange gaz-air. Mais dans une plus large mesure encore, la vitesse de propagation dépend de ses propriétés physiques et chimiques ? vitesse de combustion V et température dans la zone de réaction de combustion, TG :
celles. uн est proportionnel à la vitesse de la réaction d'oxydation (V) et dépend de façon exponentielle de la température inverse de la zone de combustion (Tg). Le paramètre déterminant sera bien entendu la vitesse de la réaction. Écrivons l'équation de la vitesse de la réaction chimique de combustion :
où k0 est le facteur préexponentiel de l'équation d'Arrhenius,
Cr, Jus - concentrations de carburant et d'oxydant,
m, n sont les ordres de la réaction en termes de combustible et de comburant, respectivement,
Ea est l'énergie d'activation d'une réaction chimique.
Considérons comment la vitesse des réactions d'oxydation changera pour des mélanges avec différents rapports de carburant et d'oxydant (Fig. 2).
On voit sur le graphique que pour un mélange de composition stoechiométrique (coefficient d'excès d'air = 1), la vitesse de réaction d'oxydation est maximale.
Avec une augmentation de la concentration de carburant dans le mélange au-dessus de la quantité stoechiométrique, quand ? devient< 1 (кислород находится в недостатке), горючее сгорает не полностью. В этом случае меньше выделится теплоты реакции горения Qгор и произойдёт снижение Tг.
La vitesse de la réaction d'oxydation va diminuer par rapport à la composition stoechiométrique du mélange, à la fois du fait d'une diminution de la concentration de l'agent oxydant O2 et de la température de la zone de combustion. C'est-à-dire avec une baisse constante? (ce qui équivaut à une augmentation de la concentration de SG dans le mélange) la vitesse de la réaction d'oxydation ? et les températures de la zone de combustion Tg vont progressivement diminuer. Sur le graphique, lorsque CG> CGstech, la courbe devient fortement descendante. Une diminution de la vitesse de la réaction d'oxydation à ? > 1 s'explique par une diminution de la génération de chaleur dans la zone de combustion en raison d'une plus faible concentration de carburant dans celle-ci.
Figure 2. Dépendance de la vitesse de combustion sur la concentration de carburant dans le mélange
La dépendance de la vitesse de réaction de combustion sur la concentration du composant combustible dans le mélange initial, comme dans la figure 2, prédétermine la forme parabolique de la dépendance de ses autres paramètres du processus de combustion sur la composition du mélange: température d'auto-inflammation et énergie minimale d'inflammation, limites de concentration de propagation de la flamme. La forme de la parabole dépend également de la vitesse de propagation normale de la flamme u sur la concentration de carburant dans le mélange SG. En figue. 3 montre de telles dépendances pour le cas de la combustion d'un mélange air-propane à différentes valeurs de la température initiale.
Figure 3. Dépendance de la vitesse de propagation de la flamme sur la concentration de propane dans l'air à une température initiale de 311 K (1) ; 644K (2) ; 811 K (3)
Selon les concepts décrits ci-dessus, la vitesse maximale de propagation de la flamme (unmax) doit correspondre à la concentration stoechiométrique du combustible. Cependant, expérimentalement, ses valeurs sont quelque peu décalées vers une teneur riche en mélanges combustibles. Avec une augmentation de la température initiale du mélange, la vitesse de propagation de la flamme doit augmenter, ce qui est observé en pratique. Par exemple, pour un mélange d'air de vapeurs d'essence et de kérosène, il a la forme illustrée à la Fig. 4.
Figure 4. Dépendance de la vitesse de propagation de la flamme sur la température initiale du mélange d'air de vapeurs d'essence et de kérosène avec l'air
Pour diverses substances, euh dépend de leur nature chimique et varie dans des limites assez larges (tableau 1). Pour la plupart des mélanges d'hydrocarbures avec de l'air uн< 1 м/с. При введении в горючую смесь избыточного воздуха или азота температура горения заметно снижается.
Tableau 1.
Propagation normale de la flamme pour certains mélanges combustibles
L'introduction de gaz inertes et neutres dans le mélange combustible : azote N2, argon Ar, dioxyde de carbone CO2 le dilue et réduit ainsi à la fois la vitesse de la réaction d'oxydation et la vitesse de propagation de la flamme. Ceci est clairement visible à partir des dépendances montrées dans la Fig. 5.
Dans ce cas, à une certaine concentration (phlegmatisante) de diluants, la combustion s'arrête complètement. L'effet le plus fort est exercé par l'introduction de fréons, car ils ont également un effet inhibiteur sur la réaction de combustion.
Comme on le voit sur la Fig. 5, l'introduction de fréon (114В2) dans le mélange combustible est 4 à 10 fois plus efficace que les gaz neutres - diluants.
Figure 5. Influence de la concentration des diluants et du fréon 114B2 sur la vitesse de propagation de la flamme dans un mélange propane-air (? = 1,15)
Le pouvoir flegmatisant des gaz diluants dépend de leurs propriétés thermophysiques, et en particulier, de leur conductivité thermique et de leur capacité calorifique.
1.3 Combustion des gaz par diffusion
Dans des conditions réelles, dans les cas où un gaz ou des vapeurs s'enflamment après le début de leur sortie d'urgence, une combustion par diffusion est observée. Un exemple typique et assez répandu est la combustion de gaz par diffusion lors de la destruction de canalisations principales, dans un puits d'urgence jaillissant en mer ou à terre d'un champ de gaz ou de condensats de gaz, dans des usines de traitement de gaz.
Considérons les caractéristiques d'une telle combustion. Supposons qu'une fontaine à gaz naturel brûle, dont le composant principal est le méthane. La combustion a lieu en mode diffusion et a un caractère laminaire. Les limites de concentration de propagation de flamme (CPRP) pour le méthane sont de 5 à 15 % vol. Décrivons la structure de la flamme et traçons les dépendances graphiques de l'évolution de la concentration de méthane et de la vitesse de la réaction de combustion de la distance à la fontaine axiale (Fig. 6).
Figure 6. Schéma de diffusion de la flamme laminaire d'une fontaine à gaz (a), variation de la concentration en carburant (b), vitesse de réaction de combustion (c) le long du front de flamme.
La concentration de gaz décroît de 100 % au niveau de la fontaine axiale jusqu'à la valeur de la concentration limite supérieure d'inflammation et ensuite jusqu'à la LIE à sa périphérie.
La combustion du gaz ne se produira que dans la plage de concentration de VKPR à LEL, c'est-à-dire dans la plage de concentration de son inflammation. La vitesse de réaction de combustion (T) sera nulle aux concentrations supérieures au VCR et inférieures à la LIE, et maximale à. Ainsi, la distance entre le KNKPR et le KVKPR détermine la largeur du front de la flamme de diffusion :
fp = HNKPR - HVKPR. (3)
La largeur avant d'une telle flamme varie de 0,1 à 10 mm. La vitesse de la réaction de combustion dans ce cas est déterminée par la vitesse de diffusion de l'oxygène et est environ 5 × 104 fois inférieure à la vitesse de combustion en mode cinétique. Le même nombre de fois où l'intensité de la chaleur est plus faible, c'est-à-dire le taux de dégagement de chaleur dans un chalumeau à diffusion.
1.4 Caractéristiques de la combustion des jets de gaz. Conditions de stabilisation de la flamme
Il est plus commode de considérer les conditions de combustion des fontaines à gaz en utilisant l'exemple des jets de gaz. En conditions réelles, ces jets sont turbulents. Lorsqu'un jet de gaz sortant d'un puits s'enflamme, il se forme un panache de diffusion qui a une forme de fuseau symétrique (Fig. 6). Les réactions chimiques de combustion ont lieu dans une fine couche superficielle de la flamme, qui en première approximation peut être considérée comme une surface où les concentrations de combustible et de comburant deviennent nulles, et les flux de diffusion de combustible et de comburant vers cette surface sont dans un rapport stoechiométrique . Le front de combustion par diffusion a une vitesse de propagation nulle, il ne peut donc pas s'accrocher indépendamment au jet ascendant.
La stabilisation de la flamme sur le jet se produit dans la partie la plus basse de la torche, où un autre mécanisme de combustion est réalisé. Lorsque le gaz s'échappe du trou, une couche turbulente de mélange de gaz et d'air ambiant se forme au niveau de la section initiale non brûlante de la surface du jet. Dans cette couche, la concentration de gaz dans la direction radiale diminue progressivement, tandis que la concentration de l'oxydant augmente. Dans la partie médiane de la couche de mélange apparaît un mélange homogène de combustible et de comburant de composition proche de la stoechiométrie. Lorsqu'un tel mélange préparé pour la combustion est enflammé, le front de flamme peut se propager dans la couche de mélange à une vitesse finie même vers l'écoulement, si la vitesse de combustion est supérieure au débit local. Mais comme la vitesse du jet augmente à mesure qu'il se rapproche de la sortie, alors à une certaine hauteur la vitesse du jet (uf) devient égale à la vitesse de combustion (Δt), et la flamme se stabilise à la surface du jet à cette hauteur. Il n'est pas possible de calculer avec précision le taux de combustion turbulente (Δt). Cependant, les estimations montrent que la valeur (Δt) est approximativement égale aux vitesses de pulsation du jet, dont l'amplitude est proportionnelle à la vitesse axiale (um). Il résulte des données expérimentales que les valeurs maximales des fluctuations rms de la composante de vitesse longitudinale sont de 0,2um. En prenant cette valeur comme vitesse de combustion turbulente, on peut supposer que la vitesse maximale de propagation de la flamme vers le jet de gaz jaillissant à une vitesse de 300-450 m/s sera d'environ 50 m/s.
1.5 Estimation du débit des fontaines à gaz en feu
Lors de l'extinction d'incendies de fontaines à gaz puissantes, il devient nécessaire d'évaluer le débit (D) d'une fontaine en feu, car la consommation de gaz est l'un des principaux paramètres qui déterminent la quantité de travail et les moyens matériels et techniques nécessaires pour éliminer l'accident. Cependant, la mesure directe du débit d'une fontaine en feu s'avère dans la plupart des cas impossible, et il n'existe pas de méthodes à distance efficaces pour déterminer le débit du jet. Le débit des fontaines à gaz puissantes peut être déterminé de manière assez précise par la hauteur de la torche (H).
On sait que la hauteur d'un panache turbulent formé lors de la combustion de jets de gaz normalement détendus avec une vitesse de sortie subsonique ne dépend pas de la vitesse ou du débit du jet, mais est déterminée uniquement par le diamètre du trou (d) d'où sort le jet, par les propriétés thermophysiques du gaz et sa température (T) à la sortie du trou.
Il existe une formule empirique pour calculer le débit d'une fontaine par la hauteur de la torche lors de la combustion de gaz naturel :
D = 0,0025Hph 2, millions de m3/jour. (4)
Dans les incendies réels, le mode de combustion laminaire est pratiquement introuvable. Le gaz, tant dans le réservoir d'un champ gazier que dans les canalisations de transport et les unités technologiques, est sous pression. Par conséquent, la consommation de gaz en cas de sortie d'urgence sera-t-elle très élevée ? jusqu'à 100 m3/s sur les feux de puits de gaz jaillissant (jusqu'à 10 millions de m3/jour). Naturellement, dans ces conditions, les régimes d'écoulement, et donc les régimes de combustion, seront turbulents.
Pour calculer les forces et les moyens d'extinction des torches à gaz allumées, il est nécessaire de connaître la consommation de gaz. Les données initiales pour son calcul sont presque toujours absentes, car la pression du gaz dans l'équipement de traitement ou dans le réservoir est inconnue. Par conséquent, dans la pratique, ils utilisent la dépendance établie expérimentalement (4) de la hauteur de flamme de la flamme sur le débit de gaz, les données calculées lors de l'utilisation sont données dans le tableau. 2.
Tableau 2.
Dépendance de la hauteur de flamme sur le débit de gaz de la fontaine à gaz à différents modes de combustion
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