Процессы горения и взрыва / Androsov - Teoriya goreniya i vzriva 2007

(вышенижнегоконцентрационногопредела) смесинадповерхностьюматериала; - горение на передней кромке пламени (носике) всегда протекает в кинетическом режиме, т. е. горит предварительно перемешанная смесь го-

рючего 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 отметить, 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.

3

qк

4

qл

2	q0
	5
Воздух	Воздух 6

1

7

Рис. 7.12. Схема распространенияпламени по поверхности твердого материала:

1 – зона газификации твердого материала; 2 – зона газообразных продуктов разложения; 3 – продукты горения; 4 – зона диффузионногогорения; 5 – зона кинетического пламени (носик); 6 – исходный образец; 7 – зона разложения твердого материала перед фронтом пламени

На основании рассмотренных представлений о механизме распространения пламени по поверхности твердых веществ и материалов прове-

190

дем анализ влияния некоторых условий горения на скорость процесса. Влияние влажности материала. На рис. 7.13 показаны ха-

рактерные изменения скорости распространения пламени по слою хвои сосны от содержания в ней влаги. С увеличением влажности горючего материала скорость распространения пламени снижается, а при достижении влажности 14 % горение прекращается. По мере приближения к этому пределу влажности возникает прерывистость фронта пламени, который разбивается на ряд отдельных очагов.

Uл, мм/с
3,0
2,0
1,0
0	5	10	15	W, %

Рис. 7.13. Зависимость скорости распространения пламени от влажности слоя хвои

Снижение скорости распространения пламени с увеличением влаги связано главным образом с затратами тепла на ее испарение из поверхностных слоев материала, вследствие чего скорость разложения вещества замедляется. Кроме того, пары воды, являясь флегматизаторами, поступая в газовую зону, снижают температуру пламени, понижая его излучательную способность. Прямые измерения интенсивности лучистого потока, поступающего к поверхности горизонтального слоя сосновой хвои разной влажности, подтверждают это. В табл. 7.3 приведены данные, показывающие изменение скорости распространения пламени и интенсивности теплового потока от влажности образца.

При изменении влажности хвои от 1,6 до 13 % интенсивность излучения у носика пламени снизилась с 29,4 до 21,0 кВт м-2, т. е. на 30 %, а скорость понизилась примерно с 2,7 до 0,9 мм с-1, т. е. в 3 раза (300 %).

		Таблица 7.3
Влажность, %	Скорость распространения	Интенсивность лучистого
	пламени, мм с-1	потока, кВт м-2
0	3,3	–
1,6	2,66	29,4
7,6	1,53	27,2
		191

13,0

0,91

21,0

Влияние ориентации образца в пространстве. В отличие от жидкостей, поверхность твердых материалов может находиться под различным углом к горизонту. Соответственно этому изменяется и скорость распространения пламени.

U, мм/с

16
	U	U
12		+φ
		-φ
8		1

2

4

0

-30 -20 -10

0

10 20 30

φ, град.

Рис. 7.14. Зависимость скорости распространения пламени по сосновой хвое от угла ее наклона:

1 – при влажности образца до 2 %; 2 – при влажности образца 12 %

Как следует из приведенных данных (рис. 7.14), при отрицательных углах наклона (направление движения пламени сверху вниз) скорость распространения пламени почти не изменяется. Напротив, при увеличении положительного угла наклона (направление движения пламени снизу вверх) свыше 10–15º 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 27º, угол между поверхностью образца и пламенем составляет не 63º, как это следует из чисто геометрического видения, а 30º, что объясняется «поджатием» пламени к горящей поверхности конвектив-

192

ными потоками окружающего воздуха.

При повышении угла наклона образца (распространение пламени снизу вверх) 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 (см. рис. 7.14), при больших углах – со всей фронтальной поверхности диффузионного пламени. При этом доля излучения возрастает.

В табл. 7.4 приведены экспериментальные данные, показывающие изменение интенсивности излучения у носика пламени при распространении пламени по слою сосновой хвои (влажность 1,5 %) в зависимости от угла наклона.

		Таблица 7.4
Угол наклона к горизонту,	Скорость распространения	Интенсивность лучистого
град.	пламени, мм с–1	потока, кВт м–2
0	2,7	29,4
7,7	2,9	33,5
21,5	8,5	37,7
26,5	13,2	41,9

Из табл. 7.4 видно, что при изменении угла наклона от 0 до 26,5º скорость распространения пламени возрастает в 5 раз, а интенсивность теплового потока – 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 изменение скорости распространения пламени в зависимости от скорости воздушных потоков, направленных против движения пламени (противоток).

Как следует из результатов, приведенных на рис. 7.15, 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 го-

193

могенной горючей смеси, носик пламени приближается к поверхности твердого материала, что, в свою очередь, приводит к дальнейшему увеличению интенсивности теплопередачи, и это ускоряет распространение пламени. С помощью видеосъемки было обнаружено, что перед фронтом пламени образуются ламинарные вихри, которые интенсифицируют прогрев поверхности. 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 начинает превалировать, и скорость распространения пламени уменьшается вплоть до его срыва.

U, мм/с

10

5

0							Un, мм/с
		50		100

Рис. 7.15. Изменение скорости распространения пламени по бумаге в зависимости от скорости противотока воздуха

Влияние геометрических размеров горючего образца. Основное влияние на скорость распространения пламени оказывает толщина образца. Различают термически толстые и термически тонкие образцы. Такое деление основано на сравнении геометрической толщины с термической, под которой понимают толщину прогретого слоя твердого материала перед фронтом пламени.

Если геометрическая толщина превышает термическую (рис. 7.16, а), такой образец называют термически толстым, если наоборот (рис. 7.16, б), – термически тонким. На рис. 7.16, а, б показано распределение температуры непосредственно перед фронтом пламени в случае горения термически толстого и термически тонкого образцов. Отсюда следует, что температура со стороны образца, противоположной той, по которой распространяется

194

пламя, перед фронтом пламени для термически толстого образца равна его начальной температуре, а для термически тонкого – выше.

			Т0		Тп Т				Т0	Тп Т
				т
				δ				ф
								δ
	ф					т
	δ					δ

а	х	б	х

Рис. 7.16. Поле температур при распространении пламени по твердым материалам: а – термически толстый образец; б – термически тонкий образец;

ф, – соответственно, геометрическая и термическая толщины образцов; Т0, Тп – соответственно, начальнаятемператураитемпературанаповерхностиматериала

На рис. 7.17 приведены экспериментальные данные по изменению скорости распространения пламени по потребительской бумаге. Видно, что с увеличением ее толщины скорость распространения пламени снижается. При увеличении толщины в пределах термически тонких образцов снижение скорости распространения пламени происходит главным образом вследствие увеличения теплопотерь, связанных с прогревом материала вглубь. Для термически толстых образцов скорость распространения пламени не зависит от их толщины. Действительно, если геометрическая толщина превышает термическую, то дальнейшее увеличение толщины не приведет к изменению характера распределения температуры по глубине материала перед фронтом пламени, и скорость горения останется неизменной. Большинство материалов растительного происхождения в виде термически толстых образцов в горизонтальном или вертикальном (сверху вниз) положении на воздухе при нормальной температуре не способны к самостоятельному распространению пламени. Так, потребительская бумага толщиной более 0,7 мм уже не распространяет горение по вертикальному образцу сверху вниз.

U, мм/с 4

2

0	0,2	0,4	0,6	0,8	х, мм

195

Рис. 7.17. Зависимость скорости распространения пламени по потребительской бумаге от ее толщины

Роль материала подложки. При анализе влияния толщины на скорость распространения пламени предполагалось, что с обратной распространению пламени поверхности образца находится воздух. Однако на практике при наклейке различных защитных и декоративных покрытий на стены, при изоляции электрических проводов и т. п. горючий образец соприкасается с материалом (подложкой), теплофизические характеристики которого существенно отличаются от таковых для газов. Если подложка обладает коэффициентом теплопроводности большим, чем у горючего материала, то она интенсифицирует сток тепла, поступающего от зоны пламени к поверхности горючего, в глубь твердой фазы. Чем меньше толщина горючего слоя, тем выше скорость оттока тепла от поверхности. Это замедляет рост температуры поверхностного слоя и, следовательно, уменьшает скорость распространения пламени. При достижении некоторой минимальной (предельной) толщины горючие покрытия уже не распространяют горение. Чем выше теплопроводность подложки, тем сильнее теплоотвод от поверхности горючего материала, тем при большей толщине горючего материала наступает прекращение горения. Очевидно, что кроме теплопроводности на величину предельной толщины покрытия будет оказывать влияние и масса подложки. Так, из рис. 7.18 следует, что предельная критическая толщина полимера, при которой становится возможным процесс распространения пламени, выше для меди, чем для стекла. При увеличении диаметра (массы) стержня предельная толщина возрастает сильнее для более теплопроводного материала (меди).

δкр, мм
0,18
0,16
0,14
		1
0,12
0,10			2
0,08
0,06
0,04
0,02										dn, мм
0		0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

196

Рис. 7.18. Влияние диаметра стержней (подложки) на предельную толщину горючей пленки:

1 – стержень медный; 2 – стержень стеклянный

7.4.2. Выгорание твердых материалов

Как и в случае жидкостей, под влиянием теплового потока, поступающего от пламени к поверхности твердого материала, происходит его термическое превращение до газообразных продуктов, которые увлекаются в зону пламени, смешиваясь там с воздухом, сгорают в гомогенном диффузионном режиме.

В определенном смысле, твердый материал можно рассматривать как газовую горелку, поставляющую в зону пламени горючий газ, количество и состав которого определяются условиями теплообмена с зоной пламени, химическим составом и физическим строением твердого горючего материала.

Удельная массовая скорость выгорания (кг · м-2· с-1) (формула (7.6)) фактически является скоростью термического разложения твердой фазы с единицы поверхности.

Определенный интерес представляет собой выгорание материалов растительного происхождения – древесины.

Как отмечалось выше, термическое разложение древесины на газообразные продукты (пиролиз) сопровождается образованием углистого слоя. Плотность его составляет примерно 80–100 кг/м3 (рис. 7.19). Если исходная плотность древесины равна 300–500 кг/м3, в зависимости от ее породы (ольха, сосна, дуб и др.), то можно определить степень газификации древесины при ее выгорании

газ = ρ0 ρуг 400 90 0,75, ρ0 400

где 0 – плотность исходной древесины, примерно 400 кг/м3;уг – плотность углистого слоя, примерно 90 кг/м3.

i 100, %100

80
60
40
20
0	200	400	600	800	1000	T, ºС	197

	Рис. 7.19. Зависимость относительной плотности пиролизованной древесины
	от температуры:
	– плотность пиролизованной древесины; – плотность исходной древесины
i

Таким образом, при горении древесины примерно 75 % разлагается на газообразные продукты и 25 % остаётся в виде твердого пористого остатка.

По глубине горящей древесины, имеются области с различными фи- зико-химическими характеристиками. Условно можно выделить четыре такие зоны:

I – древесный уголь, состоящий примерно на 95 % из углерода;

II – древесина с различной степенью термического разложения (пиролиза);

III – непиролизованная сухая древесина; IV – исходная древесина.

В табл. 7.5 приведены некоторые характерные температуры термического превращения древесины при горении.

			Таблица 7.5
№ п/п	Характерная температура	Индекс	Численное значение, ºС
1	Температура начала пиролиза	Тн.п	220
2	Температура вспышки (воспламенения)	Твс	250–280
3	Температура максимальной скорости	Т	330–360
	пиролиза
4	Температура аморфизации древесины	Та	380
5	Температура переугливания	Тз	500–600
6	Температура поверхности при горении	Тп	650–700
7	Температура горения	Тг	1150–1200

Это обстоятельство определенным образом сказывается на закономерностях ее выгорания. Образующийся на поверхности горения углистый слой, нагреваясь, поглощает часть теплового потока от зоны пламени и фактически является теплоизолирующим материалом, замедляющим прогрев по глубине свежих слоев древесины. Скорость газификации и, следовательно, скорость выгорания древесины в процессе выгорания постепенно снижаются, высота пламени уменьшается (рис. 7.20).

При глубине переугливания древесины примерно в 15–20 мм пламя дробится на отдельные очаги и открывается доступ кислорода воздуха к нагретой до температуры примерно 700 °С поверхности угля. Начинается

198

гетерогенный режим горения древесины по реакции:

С+ О2 СО2 + 33 103 кДж/кг

С+ 0,5 О2 СО + 9 103 кДж/кг

Uм, кг/(м2·с)103 16

14

12

1

10

2

8

0													, с
	60		120		180		240		300		360

Рис. 7.20. Изменение скорости выгорания древесины во времени горения под влиянием тепловых потоков:

1 – интенсивность потока, 30 кВт м-2; 2 – интенсивность потока, 20 кВт м-2

При гетерогенном режиме в зоне химического взаимодействия горючее (углерод) находится в твердом состоянии, а окислитель (кислород) – в газообразном. Химические реакции протекают на поверхности раздела фаз. В результате гетерогенного горения температура углистого слоя возрастает примерно до 1000 °С.

199