Роль материала подложки.

При анализе влияния толщины на скорость распространения пламени предполагалось, что с обратной распространению пламени поверхности образца находится воздух или другой газ. Однако в практике, например, при наклейке различных защитных декоративных покрытий на стены, металл, при изоляции электрических проводов и т. п. горючий образец (пленка) соприкасается с материалом (подложкой), теплофизические характеристики которого существенно отличаются от таковых для газов. Если негорючая подложка обладает коэффициентом теплопроводности большим, чем у горючего материала, то она интенсифицирует сток тепла, поступающего от зоны пламени к поверхности горючего, вглубь твердой фазы. Чем меньше толщина горючего слоя, тем выше скорость оттока тепла от поверхности. Это замедляет рост температуры поверхностного слоя и, следовательно, уменьшает скорость распространения пламени. При достижении некоторой минимальной предельной толщины горючие покрытия уже не распространяют горение. Чем выше теплопроводность подложки, тем сильнее теплоотвод от поверхности горючего материала, тем при большей толщине горючего материала наступает прекращение горения. Очевидно, что, кроме теплопроводности, на величину предельной толщины покрытия будет оказывать влияние и масса подложки. Так, предельная критическая толщина полимера, при которой становится возможным процесс распространения пламени выше для меди, чем для стекла . При увеличении диаметра (массы) стержня предельная толщина возрастает сильнее для более теплопроводного материала (меди). При относительно небольших сечениях стержней (0,2 мм) на предельную толщину горючей обмотки материал подложки заметного влияния не ока­зывает.

Лекция 16

Состав и строение целлюлозосодержащих материалов, их поведение при горении.

К целлюлозосодержащим материалам относятся: древесина, хлопок, солома, торф, х/б ткани, бумага и изделия из них.

В химический состав древесины входят: С-42-46%; О-38-47%; Н-4-6%, а также влага и зола (до 8%). Эти материалы имеют пористое строение, поры (от 57% по объёму у дуба до 72% у ели) заполнены воздухом. Поэтому расход воздуха на их горение невелик, они имеют способность к тлению. Сгорание на открытом воздухе - как правило, полное. Из-за пористого строения древесина имеет низкую теплопроводность, поэтому достаточно быстро воспламеняется и медленно прогревается в глубину.

При воздействии источника зажигания быстро нагревается тонкий поверхностный слой, в котором быстро испаряется влага и начинается разложение. В продуктах разложения до 250 ^оС содержатся в основном вода Н₂О и углекислый газ СО₂, выше - появляются оксид углерода СО, водород Н₂, метан СН₄, этилен С₂Н₄, пары уксусной кислоты СН₃СООН, метилового спирта СН₃ОН и др., которые способны гореть.

Температура воспламенения древесины (зависит от вида и состояния древесины) примерно равна 230-260 ^оС. По мере разложения и выгорания древесины на её поверхности образуется слой древесного угля толщиной до 2,5 см, прогретого до 500-700 ^оС, древесина под ним нагревается до 300 ^оС и разлагается. Пары, проходя сквозь поры угля, продолжают гореть вместе с образующимся углем.

Т.е. горение древесины состоит из двух фаз: гомогенное горение газообразных продуктов разложения и гетерогенного горения древесного угля. Особенно опасна первая фаза, т.к. она сопровождается выделением высоконагретых продуктов разложения и горения и интенсивным излучением от пламени.

Примерно так же ведут себя при горении и другие целлюлозосодержащие материалы.

Разложение целлюлозосодержащих материалов сопровождается выделением тепла, поэтому при малой скорости теплоотвода возможно их самонагревание вплоть до возникновения горения, поэтому надо следить, чтобы в больших массах (при плотной укладке) не происходил нагрев выше 100 ^оС.

Несколько отличаются аналогичные показатели для хлопка и торфа.

Торф начинает разлагаться уже при 100 - 105 ^оС, заметное разложение протекает при 150 ^оС, температуры: воспламенения - 210 ^оС, самовоспламенения - 407 ^оС; для хлопка-сырца температуры: самонагревания - 60 ^оС, тления - 205 ^оС.

Хлопок и торф содержат наибольшее количество пор, в связи с чем очень легко воспламеняются от источников с очень малым запасом энергии (даже от искры, образованной при трении упаковочной проволоки), способны продолжать тлеть за счет кислорода, содержащегося в химическом составе и порах, поэтому тушение изолирующими средствами не даёт полной гарантии. При тушении приходится разбивать и растаскивать тюки, добавлять в воду смачиватели для большего эффекта проникновения воды вглубь. После ликвидации пламенного горения следует убедиться в полной невозможности возобновления горения из-за возможных очагов тления.

Хлопок легко самовозгорается при контакте с сильными окислителями : азотной и серной кислота и др. Загрязнённый отходами, семенными коробочками, влажный хлопок способен самовозгораться на воздухе, высушенный и связанный в тюки (как при перевозке) - нет. Торф способен самовозгораться в местах залежей при длительно стоящей сухой и жаркой погоде, а также свежедобытый.

Пыль взрывоопасна.

Горение пылевоздушных смесей

Во многих технологических процессах, связанных с приготовлением, использованием, транспортированием измельчённых, порошкообразных или легко крошащихся материалов, возникает возможность образования взрыво- или пожароопасной ситуации. Взрывы промышленных пылей представляют большую опасность, т.к. часто влекут за собой не только большие материальные убытки, но и гибель людей. Пыль может находиться во взвешенном или в осевшем состоянии.

Пыль - дисперсная система, состоящая из газообразной дисперсионной среды и твёрдой дисперсной фазы ( с размерами частичек до 850 мкм).

Аэровзвесь, или аэрозоль - пыль, находящаяся во взвешенном состоянии.

Аэрогель - пыль, осевшая на различные поверхности.

По поведению при горении аэрозоль сходна с газовоздушными смесями, аэрогель - с твёрдыми веществами.

Основными свойствами, влияющими на пожарную опасность пылей, являются:

1. Дисперсность - степень измельчённости. Степенью дисперсности наз. Величину, обратно пропорциональную размеру (среднему диаметру) пылинок: N=1/d. Чем выше степень дисперсности, тем опаснее пыль.

2. Химическая активность - способность вступать в химические реакции с другими веществами, в т.ч. в реакции окисления; зависит от природы вещества и степени дисперсности. Чем выше, тем опаснее.

3. Адсорбционная способность, т.е. способность поглощать пары и газы поверхностью вещества, зависит от самого вещества, степени дисперсности. Процесс экзотермичен, а поэтому пожароопасен. (сажа способна поглотить воздуха в 19 раз больше, чем её объём).

4. Склонность к электризации зависит от удельного электрического сопротивления материала, влажности, силы трения, скорости движения, степени дисперсности. Может происходить накопление зарядов статического электричества в несколько десятков кВ. Искра способна стать источником зажигания. Меры борьбы - увлажнение (выше 70% - не опасно), ионизация, заземление

В зависимости от величины НКПР пыли классифицируют: (один из вариантов)

		ГОРЮЧИЕ ПЫЛИ
	НКПР  65 г/м3				НКПР  65 г/м3
	взрывоопасные							ПОЖАРООПАСНЫЕ
НКПР 15 г/м3			15 г/м3  НКПР  65 г/м3			tсам геля250оС			tсам геля 250оС
	1 класс			2 класс			3 класс			4 класс
	сахар, крахмал, какао, древесная мука, солод, чай, мука, эбонит, сера			рис, кожа, жмых, отруби, шерсть, горчица, шеллак			табак, сажа, древесный уголь, графит, кокс, антрацит			древесные опилки, цинковая пыль, элеваторная пыль (рожь), угольная пыль

Ранее процесс горения аэрозольных систем считали аналогич­ным горению гомогенной газовой смеси и процесс перемещения фронта пламени объясняли передачей тепла из зоны пламени к свежей смеси посредством теплопроводности (см. § 6.1). Однако высокие скорости распространения пламени по органическим пы­левоздушным смесям (свыше 10 м/с) не могли быть объяснены с позиций этих представлений.

В последующем было выдвинуто и обосновано, предположение, что распространение пламени по пылевоздушным смесям происходит главным образом за счет прогрева холодной смеси лучистым тепловым потоком от фронта пламени. Твердые частицы, поглощая лучистый поток, нагреваются, разлагаются с выделением горючих продуктов, которые образуют горючие смеси с воздухом. Особенностью данного механизма распространения пламени является то, что глубина прогрева и разложения твердых частиц лучистым потоком достаточно велика, вследствие чего перед фронтом пламени образуется значительный слой парогазовоздушной смеси, прогретой до высокой температуры, соизмеримой с температурой разложения твердой фазы. Непосредственным подтверждением определяющей роли излучения от фронта пламени на процесс распространения горения по пылевоздушным смесям можно считать экспериментально установленную особенность горения достаточно высокодисперсных систем. Аэровзвесь, имеющая очень мелкие частицы, при воспламенении быстро сгорает в зоне воздействия источника зажигания, однако толщина зоны пламени настолько мала, что интенсивность его излучения оказывается недостаточной для разложения частиц, и стационарного распространения пламени по таким смесям не происходит.

Отметим, что аэровзвесь, содержащая крупные частицы, также не способна к стационарному горению. Однако причина здесь несколько другая. Как известно, с увеличением размера (объема) частицы снижается удельная поверхность теплообмена и возрастает время ее прогрева до температуры разложения. Если время образования горючей парогазовоздушной смеси перед фронтом пламени за счет разложения частичек твердого материала будет меньше времени существования фронта пламени (отношение толщины фронта пламени к скорости его распространения), то горение происходить не будет. Так, пылевоздушная смесь, состоящая из угольных пылинок размером 0,1 ч-0,18мм, не способна к горению.

С позиции данной теории аэрозоль перед фронтом пламени следует рассматривать как квазигомогенную систему с некоторой эффективной теплоемкостью дисперсной фазы с_э . Если принять, что лимитирующей стадией процесса горения является прогрев и разложение твердых частичек до температуры их самовоспламенения Т_с , то выражение для скорости распространения пламени можно записать в виде

где q_o— интенсивность лучистого потока от фронта пламени,

кВт/м².

Тодесом О. М. была обоснована справедливость этого утверждения: при горении аэровзвеси, содержащей частички диаметром 0,1-d-1,0мм, скорость распространения пламени подчиняется соотношению:

где σ — постоянная Стефана-Больцмана;

Т_э— эффективная температура лучеиспускания (фронта пламени), К.

Рассмотрим влияние условий горения на скорость распространения пламени по пылевоздушным смесям.

1. Влияние концентрации пыли. Как и в случае горения гомоген­ной газовоздушной смеси, максимальная¹ скорость распростране­ния пламени имеет место для смесей несколько выше стехиомет-рического состава. Из рис. 8.17 следует, что наибольшая скорость наблюдается при содержании торфяной пыли в воздухе, равном 1-М,5кг/м³.

2. Влияние зольности. При уменьшении содержания летучих про­ дуктов в составе пыли (повышение зольности) происходит сниже­ ние скорости горения и даже его прекращение, так как концентрация паровоздушной смеси перед фронтом пламени, образую­щаяся в результате разложения твердой фазы, может стать ниже нижнего предела ее воспламенения.

3. Влияние содержания кислорода в окружающей среде. С уменьшением содержания кислорода скорость распространения пламени по пылевоздушным смесям снижается (рис. 8.17). При этом наблюдается характерная особенность: резкое снижение имеет место при горении бедных и близких к стехиометрическим системам. В области богатых систем скорость изменяется незначительно. Так, из рис. 8.17 видно, что при снижении концентрации кислорода с 21 до 18% максимальная скорость снизилась в 6 раз, скорость распространения пламени по пылевоздушным смесям с концентрацией дисперсной фазы, равной 13%, — лишь в 1,5 раза.

Вследствие такого характера изменения скорости распространения пламени предельные концентрации кислорода в воздухе (минимальное содержание кислорода, при котором еще возможно горение) для обогащенных аэрозолей ниже, чем для стехиометрических и бедных. При снижении содержания кислорода в воздухе ниже 16% горение торфяной пыли становится невозможным. Другие виды пыли (мука, крахмал, сахар и т. д.) прекращают горение при снижении концентрации кислорода до 12%.

4. Влияние флегматизаторов. При разбавлении пылевоздушных смесей флегматизатором или при введении химически активных ингибиторов скорость распространения пламени снижается. Так при добавлении в аэрозольную систему полистирол-воздух от 1 до 1,5% тетрафтордибромэтана распространения пламени не происходит.

Меры профилактики начинаются уже на стадии проектирования: в зависимости от свойств применяемых материалов и возможностей образования п/о или в/о ситуации определяют категорию производства и выбирают соотв. степень защиты исполнения оборудования (чаще пыленепроницаемое), рассчитывают прочность строительных и др. конструкций, эл. цепей и их элементов, допустимые температуры.

При работе действующих предприятий в зависимости от конкретных возможностей используются:

1. Замена материалов на негорючие и трудногорючие.

2. Снижение температуры теплоносителей.

3. Предупреждение возможности появления потенциальных источников зажигания (тепловых и электрических искр, нагрева электрических лампочек, накопления статического заряда, недопущения курения и т.д.)

4. Обеспыливание (гладкие поверхности оборудования, полов, стен в помещении, удаление скоплений пыли, увлажнение, пылеочистительные установки).

5. Уменьшение перемещений материала.

6. Установка оборудования, подавляющего взрыв.

7. Снижение содержания воздуха при транспортировке (вакуум).

8. Снижение содержания кислорода введением негорючих или флегматизирующих газов.

9. Недопустимость совместного хранения и перевозки горючих веществ с окислителями.