теория горения-1. Удк 614 б бк я тзз рецензенты
 Скачать 2.36 Mb.
|
|
Распространение горения газов, жидкостей и твердых тел ской бумаги толщиной более 0,7 мм горение сверху вниз не распространяется. Одновременно с распространением пламени по поверхности материала наступает процесс его выгорания. Закономерности выгорания твердых материалов существенно зависят от характера превращения твердой фазы в газообразные продукты. Если разложение твердой фазы протекает в узком приповерхностном слое без образования углистого слоя, тов этом случае горение протекает с постоянной скоростью. На поверхности твердой фазы после воспламенения устанавливается постоянная температура, равная температуре кипения или возгонки вещества. Прогрев твердой фазы по глубине описывается уравнением Михельсона Tx = T 0 + (Tn - T 0 ) e - wr а где Тх — температура на глубине хот поверхности горения, К Тп, Т — соответственно температура поверхности и начальная температура образца, К Wr — линейная скорость выгорания, мс а — коэффициент температуропроводности твердой фазы, м2/с. Из этого выражения следует чем меньше скорость выгорания одного итого же материала, тем больше толщина прогретого слоя. Количество тепла, необходимое для создания прогретого слоя, описываемого уравнением (2.53), можно определить по формуле = l c p ( T x - T 0 где Q — приведенное теплосодержание прогретого слоя, кДж мс теплоемкость твердой фазы, кДж /кг-К ; р — плотность материала, кг/м В зависимости от внешних факторов в твердой фазе устанавливается определенное поле температур, которое в процессе выгорания не меняется, остается постоянной и скорость выгорания. Изменение внешних условий, приводящее к изменению скорости выгорания, неизбежно отражается на характере распределения температур в твердой фазе и, следовательно, на величине приведенного теплосодержания. Решение уравнения (2.53) с учетом формулы (2.54) дает выражение, непосредственно связывающее скорость выгорания и величину приведенного теплосодержания = & / W r ) ( Tn - T 0 ), (2.55) 2.5. Горение и выгорание твердых веществ 109 где X — коэффициент теплопроводности твердой фазы, кВт-м_1-с_1-К_1. Из этого уравнения следует, что с увеличением скорости выгорания теплосодержание прогретого слоя, необходимое для поддержания стационарного горения, снижается. Однако многие материалы горят с образованием углистого остатка (древесина, композиционные материалы и др. Механизм выгорания подобных веществ более сложен. Наиболее распространенным горючим веществом подобного рода является древесина. В момент воспламенения за счет теплового потока от зоны пламени температура поверхностного слоя древесины быстро возрастает до 400— 500° С. Происходит интенсивное разложение веществ с образованием летучих продуктов и древесного угля, при этом температура на поверхности повышается до 600° С. Таким образом, температура в твердой фазе древесины при ее горении изменяется от 20 до С. Поскольку древесина является сложным веществом с различной термической устойчивостью составляющих ее компонентов, то ее разложение протекает не только по поверхности, но ив прогретых слоях в глубине твердой фазы. В условиях горения температура начала разложения древесины в среднем составляет С. При температуре С устанавливается максимальная скорость выхода летучих продуктов пиролиза, а при С происходит аморфизация древесины, те. потеря материалом волокнистой структуры. В табл. 2.10 приведены приближенные значения некоторых характерных для горения древесины температур. Таблица Характерные температуры процесса горения древесины Вид процесса Температура, °С Н ачало пиролиза 220 Вспыш ка (воспламенение 5 0 -2 8 0 (Достижение максимальной скорости пиролиза 3 0 -3 6 Аморфизация П ереугливание поверхностного слоя 5 0 -7 0 Горение 1 5 0 -1 2 0 0 110 Глава. Распространение горения газов, жидкостей и твердых тел Таким образом, в глубине горящей древесины наблюдаются области с различными физическими и физико-хими- ческими характеристиками. Условно их можно разделить на четыре зоны древесный уголь, на 99% состоящий из углерода древесина с различной степенью пиролизованности; — непиролизованная сухая древесина исходная древесина. По мере выделения летучих продуктов из твердой фазы при горении древесины происходит переугливание материала на все большую глубину. Рост толщины углистого слоя обусловливает повышение его термического сопротивления, в результате снижается скорость прогрева и пиролиза еще не разложившихся слоев древесины, а значит, скорость пламенного горения постепенно снижается. В процессе выгорания древесины растет теплосодержание прогретого слоя за счет нагрева углистого остатка и снижается коэффициент теплопроводности коэффициент теплопроводности древесного угля составляет 25% теплопроводности древесины, а следовательно, уменьшается скорость горения = ^ ( T n - T 0 При диффузионном горении твердых материалов, жидкостей и газов размер и форма пламени определяются соотношением между скоростью поступления в зону пламени газообразных горючих компонентов термического разложения твердой фазы и скоростью их превращения в конечные продукты. При этом, если скорость доставки летучих продуктов по каким-либо причинам становится ниже скорости их диффузионного горения, пламенное горение прекращается. Согласно экспериментальным данным пламенное горение древесины прекращается при снижении массовой скорости выделения летучих продуктов док гм с. Толщина слоя угля при этом достигает 15—20 мм. Прекращение пламенного горения древесины открывает доступ кислороду воздуха к нагретому до температуры С углю. Начинается следующий этап горения древесины — гетерогенное окисление углистого слоя в основном по реакции С + 0 2 = СВ результате протекания этой реакции выделяется тепло в количестве 33 • 103 кДж 2.5. Горение и выгорание твердых веществ 111 на 1 кг углерода, температура углистого слоя растет до Си процесс гетерогенного горения угля еще более интенсифицируется. На практике картина перехода гомогенного горения в гетерогенное несколько отличается от приведенной. При горении древесины углистый слой растрескивается и летучие продукты разложения твердой фазы выходят преимущественно через образовавшиеся трещины наступает так называемый смешанный или гомогенно-гетероген ный режим, когда пламя теряет сплошность, разбиваясь на отдельные очаги, над поверхностью трещин протекает гомогенное горение, остальная часть поверхности окисляется по гетерогенному механизму. Этот режим является переходным от гомогенного к гетерогенному. В результате реакции гетерогенного окисления углерода уменьшается толщина углистого слоя и растет доля тепла, исходящего от поверхности окисления, поступающая за счет теплопроводности вглубь твердой фазы. При определенных условиях это может интенсифицировать дальнейшее разложение твердой фазы, те. увеличить скорость выделения летучих продуктов разложения, которые при смешении с воздухом над поверхностью образуют горючую смесь, способную вновь воспламениться. В этом случае источником зажигания может стать раскаленный углистый слой, что часто приводит к повторному гомогенному горению древесины. Основным количественным параметром, характеризующим процесс выгорания твердых материалов, является массовая скорость выгорания определяющая динамику пожара. Скорость выгорания задает тепловой режим пожара, те. величину и скорость изменения температуры пожара, от которых зависят допустимое время эвакуации, фактическая огнестойкость конструкции, скорость распространения пламени, а следовательно, и площадь, охваченная пожаром. Как ив случае горения жидкостей, используют массовую линейную скорость выгорания твердых горючих материалов (ТГМ). Однако для твердых материалов в практике пожарно-технических расчетов (расчет сил и средств, необходимых для тушения продолжительности пожара и т.д.) чаще используют приведенную массовую скорость выгорания. Приведенная массовая скорость выгорания представляет собой количество вещества, выгорающего в единицу времени с единицы площади пожара |