14. Горение твердых веществ и материалов. Механизм распространения пламени по поверхности твердых веществ и материалов. Влияние условий горения на скорость распространения пламени.

При повышении температуры ТГМ происходит разрыв химических связей с образованием более простых компонентов (твердых, жидких и газообразных). Термическое разложение (или пиролиз) представляет собой особый класс химических реакций, кинетика которых описывается уравнением Аррениуса, согласно которому скорость реакции возрастает экспоненциально с увеличением температуры. Закономерности разложения зависят не только от вида горючего, но и от температуры пиролиза, скорости ее изменения, размеров образца, его формы, степени распада и т. д.

Процесс разложения рассмотрим на примере наиболее распространенного ТГМ - древесины.

Древесина представляет собой смесь большого количества веществ различного строения и свойств. Основными ее компонентами являются:

- гемицеллюлоза - 25%; - целлюлоза - 50%; - лигнин - 25%.

Гемицеллюлоза состоит из смеси пентозанов (С₅Н₈О₄), гексозанов (С₆Н₁₀О₅).

Лигнин имеет ароматическую природу и содержит связанные с ароматическими кольцами углеводы.

В среднем древесина содержит около 50% С, 6% Н, 44% О. Это пористый материал, объем пор в котором достигает 50-75%.

Наименее термостойким компонентом древесины является гемицеллюлоза (220-250⁰С), наиболее - лигнин (интенсивное его разложение наблюдается при температуре 350-450⁰С).

Аналогично древесине протекает пиролиз каменного угля, торфа. Однако максимальный выход летучих у них наблюдается при других температурах.

Каменный уголь состоит из более твердых термостойких углеродсодержащих компонентов, и разложение его протекает менее интенсивно и при более высоких температурах.

Распространение пламени по поверхности твердых веществ.

 После воспламенения ТГМ в месте воздействия высокотемпературного ИЗ происходит перемещение фронта пламени по поверхности, которое характеризуется линейной скоростью.

Линейная скорость распространения пламени - путь, пройденный фронтом пламени в единицу времени.

Процесс распространения пламени по поверхности ТГМ происходит за счет передачи части тепла, выделяющегося в зоне пламени, к поверхности горящего материала путем лучеиспускания, конвекции и теплопроводностью. Прогрев участков поверхности тепловым потоком от пламени приводит к разложению слоев твердого вещества с образованием летучих продуктов пиролиза, которые, смешиваясь с воздухом, образуют гомогенную систему. При превышении концентрации горючего выше НКПВ смесь воспламеняется от пламени и сгорает в кинетическом режиме.

Процесс распространения пламени по ТГМ, как и по жидкостям, характеризуется двумя существенными признаками:

- скорость перемещения пламени равна скорости образования горючей смеси выше НКПВ над поверхностью материала;

- горение на передней кромке пламени всегда протекает в кинетическом режиме, т.е. горит предварительно перемешанная смесь горючего и окислителя.

Влияние условий горения на скорость распространения пламени.

1)     Влажность материала.

 При содержании влаги в сосне более 14% горение прекращается. С увеличением влажности ТГМ скорость распространения уменьшается, т.к. часть тепла теряется на испарение; образующиеся пары воды оказывают кроме того флегматизирующее действие на горючую смесь.

2)     Влияние ориентации образца в пространстве.

 При отрицательных углах наклона (направление движение пламени сверху вниз) скорость распространения пламени или не изменяется или же слабо уменьшается. При увеличении положительного угла наклона (направление движения пламени снизу вверх) свыше 10-15 ⁰ скорость распространения пламени резко возрастает.

При этом имеет место эффект дополнительного наклона факела пламени к поверхности горючего материала, что объясняется поджатием пламени к горящей поверхности попутными конвективными потоками окружающего воздуха. При больших углах наклона отдельные вихри пламени, касаясь поверхности горючего материала, вызывают его воспламенение еще до подхода носика пламени.

3)     Влияние скорости и направления воздушных потоков.

С увеличением скорости попутного ветра улучшается газообмен, уменьшается угол наклона пламени к образцу. Скорость распространения возрастает.

Поток воздуха, направленный против направления движения пламени, оказывает двоякое влияние на скорость распространения пламени.

В результате аэродинамического торможения и охлаждения прогретых участков поверхности перед фронтом пламени скорость распространения пламени снижается. 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, 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 V_л растет. При дальнейшем увеличении скорости ветра эффект аэродинамического торможения и охлаждения поверхности образца возрастает, и скорость распространения пламени начинает уменьшаться вплоть до его срыва.

4. Влияние геометрических размеров образца.

Различают термически толстые и термически тонкие образцы.

Термическая толщина - это толщина слоя твердого материала, прогретого перед фронтом пламени выше начальной температуры к моменту распространения пламени на данный участок поверхности.

5. Влияние материала подложки.

Если горючий материал соприкасается с материалом (подложкой), теплофизические свойства которого отличаются от воздуха, то это также будет влиять на скорость распространения пламени (наклеенная бумага, изоляция проводов и т.п.). Если (ламбда) _подл  _{гор. мат.}, то тепло будет интенсивно отводиться от образца, и скорость распространения будет меньше, чем в случае отсутствия подложки.

6. Влияние содержания кислорода в окружающей среде.

С увеличением содержания кислорода в окружающей среде скорость распространения пламени увеличивается.

7. Влияние начальной температуры образца.

Для древесины увеличение начальной температуры до 230–250 ^оС (температурная область пиролиза) приводит к резкому увеличению V_л.