30. Основные характеристики возникновения, распространение пламени и горения твердых органических веществ
Процессы возникновения и развития горения для твердых горючих материалов имеют много общего с процессами горения газов и жидкостей. Однако кроме общих черт существует и целый ряд особенностей, обусловленных агрегатным состоянием и различиями в строении.
Рассмотрим механизм воспламенения ТГМ. При контакте ТГМ с нагретым до высокой температуры источником зажигания возникает теплообмен, при этом с материалом происходят следующие процессы:
нагрев поверхностного слоя до температуры фазового перехода (плавления или термического разложения). Если это материал растительного происхождения, то из него сначала начинает испаряться влага;
дальнейший нагрев приводит к началу фазового перехода. Если это ТГМ 1-го рода, то происходит плавление и переход материала в жидкую фазу, затем нагрев расплава до температуры кипения или разложения. Если это материал 2-го рода – сразу начинается процесс сублимации или разложения с выделением летучих продуктов;
образование горючей паровоздушной смеси и ее предварительный нагрев;
самовоспламенение паровоздушной смеси с последующим горением.
Таким образом, если при горении жидкости тепловой поток, поступающий к поверхности, расходуется только на нагрев и испарение жидкой фазы, то для твердых веществ, кроме того, необходимы затраты на плавление и разложение.
На каждой стадии протекают специфические физико-химические процессы, которые определяют состояние системы.
В очаге горения ТГМ геометрически можно выделить несколько характерных зон (рис. 4.3):
1 – зона исходного материала;
2 – зона предварительного нагрева материала до температуры физико-химических превращений;
3 – зона фазового перехода, в которой происходит плавление или разложение материала;
4 – зона образования горючей смеси и ее нагрева до температуры воспламенения;
5 – зона фронта пламени, где выделяется основная часть тепловой энергии и наблюдается максимальная температура;
6 – зона продуктов горения, где продукты реакции смешиваются с холодным воздухом.
Рис. 4.3. Характерные температурные зоны при горении ТГМ:
Т0 – температура начальная; Тпир – температура пиролиза; Тз – температура зажигания; Тгор – температура горения
Таким образом, процесс горения большинства ТГМ начинается с гомогенного режима. Горение характеризуется высокой скоростью распространения, мощными конвективными потоками и излучением.
Время воспламенения ТГМ зависит от скорости образования над поверхностью материала летучих компонентов в концентрации, превышающей нижний КПРП. Процесс образования летучих компонентов идет с затратами энергии, для материалов разного состава начинается при различных температурах и протекает с разной интенсивностью. Способность материала сопротивляться нагреву без изменения химической структуры называется термической стойкостью материала.
31. Индекс распространения пламени по поверхности тгм(твёрдых горючих материалов)
Индекс распространения пламени условный безразмерный показатель, характеризующий способность веществ и материалов воспламеняться, распространять пламя по поверхности и выделять тепло под воздействием внешних источников теплового потока (электрической радиационной панели и газовой горелки). Значение индекса распространения пламени лежит в основе следующей классификации материалов:
не распространяющих пламя по поверхности – индекс распространения пламени равен 0;
медленно распространяющих пламя по поверхности – индекс распространения пламени свыше 0 до 20 вкл.;
быстро распространяющих пламя по поверхности – индекс распространения пламени св. 20.
Индекс распространения пламени используется для сравнительной оценки декоративно-отделочных, облицовочных материалов и покрытий полов, при определении области применения на транспорте.
Для определения индекса распространения пламени применяют установку, также разработанную в Ленинградском филиале ВНИИПО под руководством В.М. Сидорюка. Схема установки показана на рис. 3.9
Рис. 3.9. - Схема установки для определения индекса распространения пламени: а - общая схема установки; б - рамка для образца; 1 - крепление вытяжного зонта; 2 - вытяжной зоит; 3 - запальная газовая горелка; 4 - рамка для образца; 5 - радиационная панель; 6 - подставка держателя образца; 7 – стойка
В экспериментах фиксируют:
время от начала испытания до момента прохождения фронтом пламени нулевой отметки на образце, τ0, с;
время τi прохождения фронтом пламени i-того участка поверхности образца (i=l, 2, ..., 9), с;
расстояние l, на которое распространился фронт пламени по образцу, мм;
максимальную температуру дымовых газов tmax, 0С;
промежуток времени от начала испытания до достижения максимальной температуры τ max, с.
Эксперимент продолжается до момента прекращения распространения пламени по поверхности образца или достижения максимальной температуры дымовых газов, но не более 10 мин.
Индекс распространения пламени I вычисляют по формуле:
(1)
где 0,0115 - размерный коэффициент, Вт-1;
0,2 - размерный коэффициент, с/мм.
В качестве индекса распространения пламени исследуемого материала принимают среднее арифметическое пяти значений I, полученных в параллельных опытах.
32. Основные макростадии процессов термического разложения древесины
Рассмотрим поведение древесины (как наиболее распространенного горючего материала) при нагревании. Горение древесины существенным образом отличается от горения жидкостей и газов и может протекать сразу в двух режимах – гомогенном и гетерогенном. Поэтому при горении древесины можно выделить две фазы:
гомогенное (то есть пламенное) горение газообразных продуктов разложения;
гетерогенное горение образовавшегося твердого углеродистого остатка.
Горению предшествует фаза нагрева поверхности, при которой начинается пиролиз – процесс разложение древесины при нагревании. При этом образуются газообразные и жидкие (в том числе древесная смола) продукты, а также твердый остаток – древесный уголь.
В основе пиролиза древесины лежат свободнорадикальные реакции термодеструкции гемицеллюлоз, целлюлозы и лигнина, протекающие соответственно при 200–260, 240–350 и 250–400 °C. Пиролиз древесины – экзотермический процесс, при котором выделяется большое количество теплоты (1150 кДж/кг).
Если пиролиз протекает без доступа воздуха, то при повышении температуры до 170 °C из древесины выделяется вода, при температуре от 170 до 270 °C начинается разложение древесины и при 270–280 °C происходит энергичное обугливание древесины с бурным выделением тепла. С 280 до 380 °C идет главный период сухой перегонки с выделением жидких веществ – уксусной кислоты, метилового спирта, скипидара и легкой смолы.
Перегонка практически заканчивается при температуре 430 °C с образованием черного угля (примерно в количестве 19 % от веса сухой древесины).
Газообразные продукты (неконденсирующиеся газы) при пиролитическом разложении древесины без доступа воздуха включают диоксид (45–55 % по объему) и оксид (28–32 %) углерода, водород (1–2 %), метан (8–21 %) и другие углеводороды (1,5–3,0 %).
Но так как пламенное горение – это процесс, идущий только при доступе воздуха в зону горения, то и состав продуктов пиролиза в этом случае будет отличаться. В целом можно спрогнозировать обогащение зоны горения также и парами жидкофазных продуктов пиролиза, снижение содержания СО2 за счет разбавления зоны горения воздухом, а также наличие газообразных продуктов пиролиза в концентрациях между нижним и верхним концентрационным пределом воспламенения.
Стадия пламенного горения занимает достаточно короткий промежуток времени, но при этом выделяется около 55–60 % всей энергии. Скорость же гетерогенного горения определяется скоростью поступления воздуха к поверхности. Часто гетерогенное горение называют тлением.