1.6. Горение твердых материалов

Горение конденсированных систем, к которым относятся твердые материалы, в отличие от газов характеризуется наличием стадии разложения и газификации твердой фазы. Горение твердых материалов в среде воздуха происходит в результате воспламенения летучих продуктов пиролиза.

При распространении волны горения по твердым материалам выделяются следующие зоны (рис. 1.4):

• 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.

Рис. 1.4. Модель горения твердых материалов

• Зона пиролиза – реакционная зона в конденсированной фазе, в которой происходит разложение твёрдого 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.

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 твёрдого материала до высокой температуры открытым пламенем, электрической искрой, накалённым 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 мо- мента 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 счёт 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.

Летучие продукты пиролиза твердых материалов состоят из горючих и негорючих соединений. Основными негорючими продуктами являются Н₂О, СО₂ и галоидоводороды. Горючая часть состоит из Н₂, СО₂, 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 достаточного количества горючих газообразных веществ. После воспламенения твердого материала начинается процесс перемещения фронта пламени по его поверхности (рис. 1.5). Количественной характеристикой этого процесса является линейная скорость распространения пламени − расстояние, пройденное фронтом пламени в единицу времени. Перемещение фронта пламени осуществляется за счёт передачи части тепла, выделяющегося в зоне горения.

Рис. 1.5. 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

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

Существенное влияние на скорость распространения пламени оказывает толщина материала. При оценке условий распространения пламени различают термически толстые и термически тонкие материалы. Такое 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 рисунке 1.6.

Рис. 1.6. Поля температур при распространении пламени по твердым материалам:

а) термически толстый материал, б) термически тонкий материал; − фактическая толщина материала, − термическая толщина материала, − начальная температура, − температура поверхности при горении

На этой схеме показано распределение температуры в материале непосредственно перед фронтом пламени при горении термически толстого (рис. 1.6, а) и термически тонкого (рис. 1.6, 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 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 расчётах 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:

V_ПР = K_П ·V_ВЫГ, (1.7)

где V_ПР − приведенная скорость выгорания, кг/м²сек; V_ВЫГ − удельная массовая скорость выгорания, кг/м²сек; K_П − коэффициент поверхности горения,

K_П = , (1.8)

где – площадь поверхности горения, м²; – площадь пожара, м².

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

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