РАЗВИТИЕ ГОРЕНИЯ 5 страница

После воспламенения твердого материала начинается процесс пере­мещения фронта пламени по его поверхности. Количественной характе­ристикой этого процесса является линейная скорость распространения пламени - расстояние, пройденное фронтом пламени в единицу времени.

Перемещение фронта пламени осуществляется за счет передачи час­ти тепла, выделяющегося в зоне горения. Передача тепла от факела пла­мени к поверхности твердого материала осуществляется радиацией, кон­векцией и теплопроводностью. В зависимости от условий горения доля тепла, поступающего к поверхности материала по тому или иному меха­низму, может быть различной. Поэтому значение скорости горения для одного и того же материала в зависимости от условий горения может из­меняться в значительных пределах.

Прогрев участков поверхности твердого материала перед фронтом пламени сопровождается термическим разложением с образованием лету­чих продуктов. Поэтому распространение пламени происходит, по суще­ству, по газовой фазе.

В отличие от жидкостей, поверхность которых всегда горизонталь­на, распространение пламени по твердым материалам может происходить при различной их ориентации в пространстве: горизонтальной, верти-

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва

кальной или промежуточной. В зависимости от ориентации поверхности изменяется скорость распространения пламени: она максимальна для ус­ловий распространения пламени снизу вверх для вертикальной поверхно­сти и минимальна для распространения пламени сверху вниз. В остальных случаях скорости имеют промежуточное значение.

Рис. 4.32. Схема распространения фронта пламени

по поверхности твердого материала

1 - твердый материал, 2 - зона диффузионного горения,

3 - передняя кромка пламени, 4 - зона пиролиза,

5 - зона газообразных продуктов разложения,

6 - зона начала разложения твердого материала перед

фронтом пламени, 7 - газообразные продукты горения

Существенное влияние на скорость распространения пламени ока­зывает толщина материала. При оценке условий распространения пламени различают термически толстые и термически тонкие материалы. Такое

Глава 4. Развитие горения

разделение основано на сравнении реальной толщины материала с терми­ческой - толщиной слоя твердого материала прогретого перед фронтом пламени выше начальной температуры. Понятие термически толстого и термически тонкого материала иллюстрируется схемой, представленной на рис. 4.33.

Рис. 4.33. Поля температур при распространении пламени

по твердым материалам

а) — термически толстый материал б) - термический тонкий материал

6р_еаЛь_Н - фактическая толщина материала, 6_терм - термическая толщина

материала, То - начальная температура, Т_пов - температура

поверхности при горении.

На этой схеме показано распределение температуры в материале не­посредственно перед фронтом пламени, при горении термически толстого (рис. 4.33, а) и термически тонкого (рис. 4.33, б) материала. Если реальная толщина превышает термическую толщину материал называют термиче­ски толстым, если наоборот - термически тонким.

Из представленной схемы видно, что температура поверхности тер­мически толстого материала, противоположной поверхности горения, равна начальной, а в случае термически тонкого - значительно выше.

Данное обстоятельство необходимо учитывать при оценке условий распространения пламени по отделочным материалам, покрывающим строительные конструкции. Если материал конструкции обладает большим коэффициентом теплопроводности, чем у отделочного материала, то при

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва_________________________

горении последнего интенсифицируется отток тепла, поступающего от зо­ны пламени к поверхности горючего, вглубь твердой фазы. При этом, чем меньше толщина горючего материала, тем выше скорость теплоотвода от поверхности. Такой процесс замедляет повышение температуры поверхно­стного слоя и, соответственно, уменьшает скорость распространения фрон­та пламени. При некоторой минимальной толщине горючие покрытия уже не распространяют горение. Из рассмотренной схемы следует вывод: чем выше теплопроводность подложки, тем интенсивнее теплоотвод от поверх­ности горючего материала, и тем при большей толщине горючего отделоч­ного материала прекращается процесс распространения пламени.

Одновременно с распространением пламени по поверхности твердого материала происходит процесс распространения горения вглубь материала - процесс выгорания. Интенсивность выгорания существенно зависит от закономерностей превращения твердой фазы в газообразные продукты.

Основной количественной характеристикой процесса выгорания яв­ляется массовая скорость выгорания, используемая при расчетах темпера­турного режима пожара, допустимого времени эвакуации людей при по­жаре, требуемого предела огнестойкости строительных конструкций.

В практике используется величина приведенной массовой скорости выгорания, которая представляет собой количество вещества, выгораю­щего в единицу времени с единицы площади пожара. Связь между массо­вой и приведенной скоростями выгорания выражается соотношением:

(4.70)

где - приведенная скорость выгорания, кг/м² ■ сек; - удельная

массовая скорость выгорания, кг/м² сек; - коэффициент поверхности горения

(4.71)

где - площадь поверхности горения, м²; - площадь пожара, м".

Например, для случая горения твердого материала в виде куба, ле­жащего на одной из граней, = 5.

Массовая скорость выгорания твердых материалов не является по­стоянной величиной. Она существенно зависит от условий горения.

Глава 4. Развитие горения

Процессы тления в пенопластах.Горение пенопластов - материа­лов ячеистой структуры может происходить не только в виде пламенного горения, но и в виде распространения фронта тления. Рассмотрим основ­ные закономерности этого процесса.

Распространение тления в пенопластах представляет многостадийный термохимический процесс, обусловленный химическими превращениями в зоне тления и условиями теплообмена этой зоны с внешней средой.

Одним из важных условий устойчивого распространения процесса тления в пенопластах является содержание кислорода в окружающей сре­де. На это указывает прямая зависимость скорости распространения фронта тления от концентрации кислорода (рис. 4.34)

Рис. 4.34. Зависимость скорости тления фенольных пенопластов от содержания кислорода в окислительной среде O2+N2

Параметром процесса, определяющим величину тепловых потерь из зоны термического превращения пенопласта в окружающую среду, явля­ется разность температур между зоной термоокислительной реакции и окружающей средой. Отсюда следует вывод: с возрастанием температуры

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва

окружающей среды скорость тления должна увеличиваться. Этот вывод находит экспериментальное подтверждение (рис. 4.35).

Рис. 4.35. Зависимость скорости тления фенольных пенопластов от температуры окружающей среды

Объяснением выявленной зависимости является закон Ньютона-Рихмана, определяющий величину теплоотдачи от нагретого тела в окру­жающую среду:

(4.72)

где q - плотность теплового потока, Вт/м; , - коэффициент теплоотдачи, Вт/м² с; - градиент температур.

Уменьшение способствует аккумуляции тепла в зоне реакции,

повышению ее температуры, что приводит к увеличению скорости хими­ческой реакции пиролиза и термоокисления пенопласта и, как следствие, к возрастанию скорости распространения фронта тления.

Глава 4. Развитие горения

Поскольку механизм теплопередачи является одним из опреде­ляющих процесса распространения тления, а теплоотвод из зоны реак­ции в окружающую среду описывается соотношением (4.72), то рас­смотренное выше влияние температуры окружающей среды может быть представлено как наложение на поверхность тлеющего пенопласта до­полнительной тепловой изоляции с целью аккумуляции тепла реакции. При этом стационарный процесс тления в пенопластах устанавливается при равенстве теплоприхода и теплоотвода в системе, исходя из чего на­рушение теплового баланса есть критическое условие устойчивости фронта тления. Параметром, определяющим величину теплоотвода из зоны тления в окружающую среду, находящуюся при температуре 293К, при постоянстве других теплофизических параметров, является размер пенопласта.

Для каждого материала характерен свой критический размер, даль­нейшее уменьшение которого приводит к преобладанию теплоотвода над теплоприходом и прекращение тления. На рис. 4.36 показаны зависимости скорости распространения тления от размеров материала для двух пено-пластов: Виларес-1 и Виларес РНП.

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва

Приведенные графические зависимости свидетельствуют о том, что наблюдается тенденция возрастания скорости, распространения фронта тления с увеличением размеров материалов, что подтверждает влияние теплоизолирующего воздействия самого материала, способствующего ак­кумуляции тепла в зоне реакции.

Дополнительным подтверждением существенного влияния теплоот-вода в окружающую среду являются зависимости критических размеров образцов пенопластов, при которых наблюдается процесс тления, от тем­пературы окружающей среды (рис. 4.37).

Рис. 4.37. Зависимость критического размера материалов при тлении от температуры окружающей среды

Стационарный режим тления в пенопластах устанавливается при ра­венстве теплоприхода и теплоотвода в системе. Нарушение теплового ба­ланса есть критическое условие устойчивости фронта тления. Поэтому параметром, определяющим величину теплоотвода из зоны тления в ок­ружающую среду, находящуюся при температуре 293К, при постоянстве других теплофизических параметров, является размер материала.

Глава 4. Развитие горения

Для каждого материала характерен свой критический размер, дальнейшее уменьшение которого приводит к преобладанию теплоот-вода над теплоприходом, в результате чего происходит прекращение тления.

4.6. Горение дисперсных веществ в слое

На рис. 4.38представлена структура фронта горения растительного сырья. В зоне I, расположенной на передней кромке фронта горения, про­исходит нагрев исходного продукта от начальной температуры Т₀ до тем­пературы тления Т_е, а также испарение влаги и газификация материала. В зоне II, называемой зоной горения, обугленный продукт сгорает. В зоне III, расположенной на задней кромке фронта горения, образуется слой зо­лы, затрудняющий диффузию кислорода в зону горения II.

Рис 4.38. Структура фронта горения растительного сырья I —зона подогрева, II — зона горения III - зона образования золы

В табл. 4.5представлены типичные значения максимальной темпе­ратуры Ттах, линейной скорости выгорания V, размеров зоны горения , и зоны подогрева , удельной скорости выгорания т для различных значе­ний плотности , порозности и влажности W сырья.

Таблица 4.5.

Характеристи]

Дисперсность, мм										Примечание
эксп.	расч.	эксп.	расч.		эксп.	расч.
Поли­дисперсна								12,3	14,0	11,5		79,1		Горение с поверх­ности рассыпной травяной муки
То же							16,5	13,9	12,0	10,6		70,0
То же				1,6		4,1		9,1		10,4	-	120,1
Тоже				-					7,1
0,006 + 0,63				1,6				-		16,2		56,1
0,63 + 1,0				-				-		11,7		77,6
1,0+1,6								-	12,0	14,5		89,1
1,0+1,6				-				-	12,9	12,3		82,0
Гранулы				0,7				-		23,3		36,9		Горение с поверх­ности травяной муки
Гранулы							13,4	-	-			20,1
Гранулы							10,0	-	-	179,2		19,4
Поли­дисперсна				3,1				11,5	-			198,7		Горение с поверх­ности отрубей
Тоже				3,1				12,9	-	10,9		203,4
То же				1,2					-			52,4		Горение в обьеме травяной муки
То же				1,2					-	10,1		77,5
Гранулы					-		-	-	-	106,2	-	-

Приведенные в табл. 4.5экспериментальные значения соответству­ют длительности опыта 120 мин. Расчетное значение скорости получено из соотношения:

(4.73)

где а - коэффициент температуропроводности.

Из табл. 4.5 видно, что расчетное и экспериментальное значеню скорости в основном совпадают по порядку величины и, следовательно формулу (4.73) можно использовать для оценки линейной скорости вы горания.

Расчетное значение зоны подогрева определено по формуле:

(4.74)

где Т- температура сырья;

Т₆ - температура тления;

Т₀ - начальная температура.

Предполагалось, что Т - Т₀=15 °С, при горении с поверхности Тв = 250 °С, а при горении рассыпной травяной муки в объеме температу­ра Т_е= 150 °С, вблизи которой находится характерный перегиб профиля температур (рис. 4.39). Эксперименты показали, что температурный про­филь зоны подогрева удовлетворительно описывается уравнением:

(4.75)

Парис. 4.40приведены экспериментальные точки и расчетные кри­вые, соответствующие зависимости (4.75), для зоны подогрева при горе­нии с поверхности рассыпной и гранулированной травяной муки. В табл. 4.6 приведено сравнение опытных и расчетных значений темпера­туры при горении рассыпной травяной муки в объеме для зоны подо­грева Данное сравнение показывает, что процесс распространения тепла при горении дисперсных растительных сред осуществляется теплопро­водностью и распределение температур в зоне подогрева удовлетвори­тельно описывается уравнением (4.75), а ее размер можно оценить из соотношения (4.74).

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва

Рис 4.39. Формирование фронта горения (рассыпная травяная мука)

а) горение с поверхности = 232 k?/m³,W= 7,5%, =76,8%;

б) горение в объеме =210кг/м*,W=7,5%, =79%

Глава 4. Развитие горения

а)

б)

Рис 4.40. Сравнение расчета с экспериментом для температурного профиля зоны подогрева: а) рассыпная травяная мука ( = 232 кг-м , W= 7,5%, = 76,8%); б) гранулированная ( = 440кг-м , W—17%, = 66,7%)

Таблица 4.6.

Сравнение расчета с экспериментом для зоны подогрева

при горении травяной муки в объеме ( = 290 кг^. м³ , W= 7,5%).

С увеличением влажности травяной муки наряду с уменьшением разме­ра зоны горения несколько снижается линейная скорость выгорания и макси­мальная температура в этой зоне, что вероятно связано с большим теплоотво-дом из зоны горения при большей влажности сырья. С увеличением плотности рассыпной травяной муки значения линейной скорости выгорания уменына-

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва

ются, что, по-видимому, связано с увеличением теплоотвода из зоны горения из-за уменьшения расстояния между частицами. Для гранулированной травя­ной муки размер зоны горения составляет два-три линейных размера гранул. Для нее характерны большая линейная и удельная скорости выгорания.

В зоне, размер которой , расположенной на задней кромке фронта горения, тепловыделение полностью компенсируется теплопотерями на излучение и конвекцию. Для горения дисперсных насыпей растительного происхождения характерно протекание процесса с недостатком кислорода (до 1,5 % об.) в режиме тления. При этом в плотном слое формируется более или менее плоский фронт горения, характерной особенностью ко­торого является образование на поверхности слоя золы, затрудняющего диффузию кислорода в зону горения.

Если внешнее диффузионное сопротивление много меньше диффу­зионного сопротивления слоя золы, то концентрация кислорода на внеш­ней границе слоя может быть принята равной концентрации его в воздухе С₀, на границе же с зоной горения она близка к нулю.

В случае, когда изменение объема газообразных продуктов в про­цессе горения невелико, толщина слоя золы:

(4.76)

где D - коэффициент диффузии кислорода через слой золы, м² • с-¹;

к- стехиометрический коэффициент (отношение расхода углерода к расходу кислорода), в отсутствие недожога k=0,375;

т_с - доля кокса.

При переменной толщине слоя золы скорость ее роста

(4.77)

Для значений (С₀= 0,3 кг.м^-3, D = 8^.10^-5 м²с^-1, = 200 кг^.м^-3, т_с= 0,25 и времени t = 1,5 часа = 5400 с. получим значения =44,1 мм и V₃ = 4,1 мкм^.с^-1. Удельная скорость выгорания может быть оценена из соот­ношения = 8,2^.10-⁴ кг^.м^.с^-1. Все полученные значения близки к экспериментальным, что позволяет использовать формулы (4.76) и (4.77) для оценки толщины слоя золы, линейной и удельной скоростей выгора­ния дисперсных насыпей растительных материалов.

Рис 4.41. Зависимость толщины слоя золы и линейной скорости v выгорания травяной муки от времени = 227 кг • м'³, = 77,3%).

На рис.4.41 изображены расчетные кривые, отвечающие соотноше­ниям (4.76), (4.77) и экспериментальные точки, иллюстрирующие зависи­мость толщины слоя золы и линейной скорости выгорания рассыпной травяной муки от времени. Размерность в расчетных формулах соответст­вует размерности координат.

Если горение растительного сырья сопровождается большим газовыделением, диффузия кислорода через слой золы в зону горении осуществляется навстречу продуктам сгорания Поскольку пористость слоя золы близка к единице, коэффициент диффузии кислорода через слой близок к таковому для окружающего воздуха, т.е.

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва

Это позволяет для описания диффузии кислорода через слой золы использовать стационарное уравнение диффузии:

(4.78)

с граничным условием С(0) = С₀. Здесь С - С(х) концентрация кислорода; - скорость фильтрации продуктов сгораний. Решением уравнения (4.78) является функция

(4.79)

При отсутствии недожога (к = 0,375) диффузионный поток кислоро­да на внутренней границы зольного слоя должен быть равен потоку ки­слорода, необходимого для сгорания свободного углерода

(4.80)

Закон сохранения массы сгорающего материал дает

(4.81)

где п - зольность сырья;

р_г - плотность продуктов сгорания;

S- относительная площадь пор в слое золы.

Решая совместно (4.80) и (4.81), учитывая, что при переменной тол­щине выполняется , получим дифференциальное уравнение