Механизм распространения пламени по поверхности твердых веществ.

Механизм воспламенения твердых материалов во многом сходен с воспламенением жидкости, однако имеет и ряд существенных отличительных особенностей. При воздействии теплового потока от высокотемпературного источника зажигания горючий материал нагревается, затем в некотором интервале температур (для веществ растительного происхождения 50-150°С) из него испаряется влага. После испарения влаги материал вновь нагревается как инертное тело до температуры начала разложения, которая для растительных материалов составляет 2500C. Процесс разложения сопровождается выделением в окружающую атмосферу летучих продуктов. Параллельно с этим протекает смешению летучих с окислителем и образование парогазовоздушной смеси. Если мощность источника зажигания достаточна, то при достижении горючими продуктами разложения концентрации, равной нижнему концентрационному пределу воспламенения, произойдет зажигание парогазовой смеси с появлением пламенного горения.

Если же по каким-либо причинам парогазовая смесь не воспламеняется, твердое тело будет нагреваться с выделением продуктов пиролиза. Если горючее вещество в процессе пиролиза образует углистый остаток (вещества растительного происхождения), то скорость термического распада по мере выхода летучих продуктов будет снижаться. При определенных условиях может возникнуть гетерогенное горение (тление) углистого слоя вследствие его взаимодействия с кислородом окружающей среды и с продуктами разложения твердой фазы.

В свою очередь, при благоприятных условиях, а именно: если концентрация парогазовой смеси будет находиться в области воспламенения, может произойти ее зажигание от раскаленного углистого слоя.

Таблица 1

Таким образом, общая продолжительность процесса воспламенения складывается из стадий нагрева влажного материала, сушки, нагрева сухого материала, газификации и стадии нагрева углеродистого остатка в случае появления гетерогенного воспламенения.

Ориентировочные оценки показывают, что для материалов растительного происхождения наиболее продолжительными являются стадии сушки влажного и нагрева сухого материала, которые составляют соответственно 55% и 25% от общей продолжительности процесса воспламенения.

Одним из источников воспламенения, приводящим к возникновению пожара, является лучистый тепловой поток от тех или других высокотемпературных тел. С увеличением интенсивности излучения время воспламенения снижается.

В качестве источника зажигания выделяющихся продуктов пиролиза применялось диффузионное пламя бытового газа, находящееся на расстоянии 10-12мм от поверхности образца.

Зависимость времени появления пламенного горения от интенсивности излучения для различных пород древесины:

(2)

где фв - время воспламенения, с;

q - интенсивность теплового потока, кВт·м-2;

А, n - эмпирические контакты.

Значения параметров А, n показаны в таблице 2.

Таблица 2

Из табл. 2 следует, что температура на поверхности древесины в момент воспламенения почти не зависит от породы древесины и несколько снижается с увеличением интенсивности излучения.

В отсутствие зажигающего пламени наступает гетерогенное воспламенение (тление) образующегося при пиролизе углистого слоя. Зависимость времени гетерогенного воспламенения сосны от интенсивности теплового потока может быть представлена в виде

где фг.в - время гетерогенного воспламенения древесины, с;

q - интенсивность теплового потока, под воздействие» которого происходит нагрев поверхности, кВт·м-2.

Температура гетерогенного воспламенения древесины непостоянна и зависит от интенсивности теплового потока. При воздействии потока интенсивностью 13 кВт·м-2 появление гетерогенного горения на поверхности древесины сосны наступает при 3800С при увеличении его значения до 20 кВт·м-2 при 430°С.

Появление гетерогенного горения вновь интенсифицирует процесс разложения материала, поскольку часть тепла, выделяющегося при гетерогенном горении угля, затрачивается на нагрев конденсированной фазы. Определено, что дополнительный тепловой поток от гетерогенного горения углистого слоя в среднем составляет 13 кВт·м-2. При дальнейшем разложении скорость выделения летучих начинает снижаться, так как возрастает толщина углистого слоя и, следовательно, увеличивается его термическое сопротивление. Это приводит к снижению скорости прогрева более глубоких слоев твердой фазы, что и вызывает замедление скорости пиролиза.

4. Механизм распространения пламени по поверхности твердых веществ. Анализ влияния условий горения на скорость распространения пламени.

После воспламенения твердого материала в месте воздействия высокотемпературного источника происходит перемещение фронта пламени по его поверхности. Количественной характеристикой процесса распространения пламени по поверхности твердых веществ, как и в случае горения жидкостей, является линейная скорость распространения пламени, представляющая собой путь, пройденный фронтом пламени в единицу времени.

Процесс распространения пламени по поверхности твердых веществ протекает за счет передачи части тепла, выделяющегося в зоне пламени, к поверхности горящего материала. Передача тепла от факела пламени осуществляется за счет лучеиспускания, конвекции и теплопроводности. В зависимости от условий горения соотношение количеств тепла, поступающих этими видами теплопередачи, может быть различным. Это обстоятельство и является одной из главных причин зависимости скорости распространения пламени по поверхности твердых горючих материалов от условий горения.

Прогрев участков поверхности, расположенных перед фронтом пламени, за счет теплоподвода излучением, конвекцией и кондукцией приводит к разложению слоев твердого вещества с образованием летучих продуктов (рис.1). Выделяющиеся продукты пиролиза смешиваются с воздухом, образуя гомогенную кинетическую систему. При превышении концентрации горючих компонентов нижнего предела их воспламенения смесь воспламеняется от пламени и сгорает в кинетическом режиме. Таким образом, процесс распространения пламени по твердым материалам (как и по жидкостям) характеризуется двумя существенными признаками:

Рис.1. Схема распространения пламени по поверхности твердого материала: 1 - исходный образец; 2- зона диффузионного горения; 3 - зона кинетического пламени; 4 - зона газификации твердого материала; 5 - зона газообразных продуктов разложения; 6 - зона разложения твердого материала перед фронтом пламени; 7 - продукты горения.

Скорость перемещения пламени равна скорости образования горючей (выше нижнего концентрационного предела воспламенения) смеси над поверхностью материала; горение на передней кромке пламени (носике) всегда протекает в кинетическом режиме, т. е. горит предварительно перемешанная смесь горючего и окислителя.

По мнению большинства исследователей, условия теплообмена между носиком пламени и поверхностью твердого материала в основном и определяет скорость распространения пламени по горизонтальным и вертикальным (сверху вниз) образцам.

Следует отметать, что до настоящего времени нет четких и однозначных представлений об относительном влиянии излучения, конвекции и кондукции на величину скорости распространения пламени по твердым материалам. Приводятся данные, согласно которым при горении горизонтального слоя сосновой хвои доля излучения составляет около 24% от общего потока тепла, поступающего на поверхность материала.

На основании принципиальных представлений о механизме распространения пламени по поверхности твердых веществ и материалов рассмотрим влияние некоторых условий горения на скорость процесса.

Влияние влажности материала. С увеличением влажности горючего материала скорость распространения пламени снижается, и при достижении влажности 14% горение прекращается. По мере приближения к этому пределу влажности фронт пламени теряет сплошность, разбиваясь на ряд отдельных очагов.

Как следует из приведенных данных, при отрицательных углах наклона (направление движения пламени сверху вниз) скорость распространения пламени или не изменяется, или же слабо уменьшается. Напротив, при увеличении положительного угла наклона (направление движения пламени снизу вверх) свыше 10--15° скорость распространения пламени резко возрастает. При этом имеет место эффект дополнительного наклона факела пламени к поверхности горючего вещества.

Так, методом киносъемки было установлено, что при угле наклона образца, равном 27°, угол между поверхностью образца и пламенем составляет не 63°, как это следует из чисто геометрических соображений, а 30°, что объясняется поджатием пламени к горящей поверхности спутными конвективными потоками окружающего воздуха. При больших углах наклона отдельные вихри пламени, касаясь поверхности горючего материала, вызывают его воспламенение еще до подхода носика пламени.

Таким образом, при повышении угла наклона образца (распространение пламени снизу вверх) резко возрастает теплоперенос от зоны пламени к поверхности твердого материала за счет конвекции. При малых углах наклона основной теплообмен поверхности материала осуществляется с зоной носика пламени, при больших углах - со всей фронтальной поверхностью диффузионного пламени. При этом доля излучения возрастает. В табл. 4 приведены экспериментальные данные, показывающие изменение интенсивного излучения у носика пламени при распространении пламени по слою сосновой хвои (влажность 1,5%) в зависимости от угла наклона.

Таблица 4

Из табл.4 видно, что при изменении угла наклона от 0 до 26,5° скорость распространения пламени возрастает в 5 раз, а интенсивность лучистого потока - только в 1,4 раза.

Влияние скорости и направления воздушных потоков (ветра)

При увеличении скорости ветра в направлении распространения пламени скорость вначале возрастает линейно, а затем описывается степенной или даже экспоненциальной зависимостью. Очевидно, в этом случае механизм влияния ветра аналогичен механизму влияния угла наклона образца.

Рассмотрим, как изменяется скорость распространения пламени в зависимости от скорости воздушных потоков, направленных против движения пламени (противоток).

Вначале с увеличением скорости противотока скорость распространения пламени возрастает, а затем при скорости потока выше 70 мм·с-1 - начинает снижаться.

Поток воздуха, направленный против движения пламени, оказывает двоякое влияние на скорость распространения пламени. В результате аэродинамического торможения и охлаждения прогретых участков поверхности перед фронтом пламени скорость распространения пламени будет снижаться. С другой стороны, поток воздуха интенсифицирует смешение продуктов пиролиза с окислителем, быстрее происходит образование гомогенной горючей смеси, носик пламени приближается к поверхности твердого материала, что, в свою очередь, приводит к дальнейшему увеличению интенсивности, и это ускоряет распространение пламени. Кроме того, с помощью киносъемки было обнаружено, что в этом случае имеет место образование перед фронтом пламени ламинарных вихрей, которые способствуют появлению конвективного прогрева поверхности перед фронтом пламени. При малых скоростях движения воздуха определяющее влияние оказывают интенсификация смешения продуктов и появление ламинарных вихрей и скорость распространения пламени растет. При дальнейшем увеличении скорости ветра эффект аэродинамического торможения и охлаждения поверхности образца возрастает и скорость распространения пламени начинает уменьшаться вплоть до его срыва.