Механизм горения. Горение конденсированных систем, к которым Относятся Твердые материалы, в отличие от газов характеризуется нали-

134

Глава 4. Развитие Горения

Чием стадии разложения и газификации твердой фазы. Горение твердых материалов в среде воздуха происходит в результате воспламенения лету­чих продуктов пиролиза. Его можно рассматривать как диффузионное квазигетерогенное, поскольку оно протекает не на границе раздела фаз, а в основном в газовой фазе.

При распространении волны горения по твердым материалам выде­ляются следующие зоны (рис. 4.31):

Рис. 4.31. Модель горения твердых материалов

• Зона без реакции — зона прогрева конденсированной фазы. У термопластичных материалов эта зона ограничивается слоем расплава. Толщина зоны прогрева зависит от соотношения коэффициента темпера­туропроводности и скорости горения. Для многих материалов толщина этой зоны составляет около 3 мм.

• Зона пиролиза — реакционная зона в конденсированной фазе, в которой происходит разложение твердого материала на газообразные продукты.

• Предпламенная зона в газовой фазе, в которой низкомолекуляр­ные продукты пиролиза дополнительно разлагаются. Здесь же начинается процесс воспламенения, который инициируется атомами водорода, диф­фундирующими в предпламенную зону из зоны пламени.

• Зона пламени или реакционная зона в газовой фазе. В этой зоне протекают основные реакции окисления, выделяется основная часть тепла и наблюдается максимальная температура.

• Зона продуктов сгорания.

Истинно гетерогенным является горение нелетучих металлов.

Ns

Корольченко А. Я. Процессы горения и взрыва_________________________

Таким образом, характерной особенностью горения твердых мате­риалов является многостадийный процесс их превращения в конечные продукты сгорания.

Этот процесс включает в себя следующие стадии:

• поглощение твердым материалом тепловой энергии от источни­ка зажигания;

• разложение конденсированной фазы с образованием летучих продуктов и карбонизированного остатка;

• воспламенение газообразных продуктов пиролиза;

• горение газообразных продуктов пиролиза.
Возникновению и распространению пламени предшествует нагрев и

Термическое разложение твердого материала. Первичное возникновение пламени рассматривается как процесс зажигания. Зажигание является сложным нестационарным процессом, который заключается в быстром разогреве локального участка твердого материала до высокой температу­ры открытым пламенем, электрической искрой, накаленным телом. В ре­зультате такого воздействия над поверхностью твердого материала возни­кает пламя. Для устойчивого зажигания температура поверхности должна быть доведена до температуры близкой к температуре поверхности при горении в условиях стационарного процесса. Переход от зажигания к ста­ционарному режиму горения твердого материала возможен с момента по­явления пламени.

Воспламенение твердых материалов в воздухе рассматривается с по­зиций теории воспламенения газов. Однако, возможны условия, когда процесс горения начинается вследствие гетерогенной реакции взаимодей­ствия кислорода с поверхностным слоем.

Характер переноса тепла к твердому материалу для его нагрева и воспламенения зависит от вида источника зажигания и условий воздейст­вия теплового потока на поверхность. В условиях пожара твердые мате­риалы разогреваются в основном за счет конвективного и радиационного переноса тепла от пламени. Поглощение тепла твердым материалом при излучении зависит от спектральных характеристик материала и источника теплового потока.

В нагретом под действием потока тепла поверхностном слое происхо­дит пиролиз твердых материалов. При этом основную роль играет термо­окислительная деструкция. Однако, преобладание термической или термо­окислительной деструкции в процессе газификации твердых материалов при

136

Глава 4. Развитие горения

Горении зависит от природы материала, механизма его разложения, темпера­туры пиролиза, зависящей от температуры поверхности горящего материала, а также от условий диффузии кислорода к горящей поверхности.

Летучие продукты пиролиза твердых материалов состоят из горю­чих и негорючих соединений. Основными негорючими продуктами явля­ются Н2О, С02 и галоидводороды. Горючая часть состоит из Н2, СО, на­сыщенных и ненасыщенных углеводородов, альдегидов, спиртов, кетонов и других органических соединений. Количество и состав продуктов пиро­лиза зависят от природы материала, механизма и кинетики процесса пи­ролиза, температуры разложения.

Воспламенение твердых материалов происходит, если содержание горючих газообразных продуктов пиролиза в газовой фазе достигнет нижнего концентрационного предела распространения пламени. Это ус­ловие является необходимым, но недостаточным для возникновения ус­тойчивого горения. Для того, чтобы пламя не погасло необходимо пере­дать твердому материалу такое количество тепла, которое обеспечивает непрерывную подачу в зону горения достаточное количество горючих га­зообразных веществ.

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-

137

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

138

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

6реаЛьН — Фактическая толщина материала, 6терм — термическая толщина

Материала, То — начальная температура, Тпов — 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

139

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.

140

Глава 4. Развитие горения