В

Пиролизный слой

Волна обугливания

нутри волны существует несколько зон, показанных на рис.8.4; в некоторых из них происходит поглощение тепла (эндотермические зоны), в других - выделение тепла (экзотермические зоны).

Р

древесина

ис.8.4. «Волна обугливания» (по Ли, Хайкену, Зингеру).

Общая толщина волны обугливания составляет от десятых долей санти­метра до 1,0-1,5 см - чем больше тепловой поток и температура на поверхности древесины, тем тоньше волна обугливания.

Экспериментами, проведенными в ЛФ ВНИИПО, было установлено, что измеренная методом пенетрации глубина обугливания древесины соответс­твует примерно середине волны - температурной зоне 340-350 ⁰С.

Как продвигается эта волна в зависимости от температуры и, соответственно, как меняется глубина обугливания в зависимости от темпера­туры и длительности нагрева древесины можно видеть на графике, приве­денном на рис.8.5.

Зависимость глубины обугливания Н от температуры и длительности пиролиза древесины, показанная графически на рис.8.5, может быть выражена уравнением Аррениуса для химической реакции нулевого порядка, ко­торое после подстановки определенных экспериментальным путем коэффици­ентов имеет вид:

ln (Н/_д) = 2,01 - 1730/ T, (3)

где: _д - длительность пиролиза древесины, мин

Т - температура пиролиза, К.

Рис.8.5.Зависимость глубины обугливания древесины от температуры

и продолжительности пиролиза.

А теперь проследим, как меняются в зависимости от тех же параметров Т и  - свойства угля, например его удельное электросопротивление.

Образцы древесины сжигали в различных условиях, отбирали и анализи­ровали пробы поверхностного слоя угля. Полученные результаты показаны на графике (рис.8.6). Видно, что электросопротивление угля очень резко меняется с увеличением температуры и длительности горения - меняется на порядки. Если при низких температурах пиролиза (у углей тления) оно порядка 110⁸ -110⁹ Омсм (десятичный логарифм удельного элект­росопротивления Р равен, соответственно, 8 - 9 ), то при относительно высоких температурах оно составляет единицы - десятки Омсм. (Р= 0 - 1).

Данная графическая зависимость логарифма удельного электросопротивления Р от температуры и длительности пиролиза также может быть вы­ражена уравнением Аррениусова типа, но с иными коэффициентами:

ln [(10-Р)/ P_д] = 4,16 - 6270/ Т (4)

Рис.8.6. Зависимость удельного электросопротивления угля от температуры

и продолжительности пиролиза (горения).

Экспериментальные точки для опытов со средневременными температурами, ⁰С:

Кривые построены для средних температур (375, 500, 650 С) по уравнению (4).

- 300-450

- 450-550

- 550-750

Итак, имеются два уравнения: кинетическое уравнение (3) обуглива­ния древесины вглубь и уравнение (4), описывающее изменение электрических свойств угля. И в том, и в другом уравнении два неизвестных - T и .

Если измерение глубины обугливания Н и отбор пробы для измерения электросопротивления (Р = lg R) проводились в одной точке, то можно считать, что Т и τ в обоих уравнениях совпадают. В этом случае уравнения (3) и (4) можно объединить в систему. Система двух уравнений с двумя неизвестными, как известно, решаема и результатом решения являются уравне­ния для расчета температуры и длительности пиролиза древесины по результатам определения электросопротивления угля и измеренной глубины обугливания в точке от­бора пробы:

Т= 4540/{ln[H  P/(10 – P)] + 2,15}, К (5)

_д = exp {1,38 lnH + 0,38ln[P/(10 – P)] –1,19}, мин (6)

Аналогичным образом были получены уравнения для расчета темпера­туры и длительности пиролиза на пожаре по результатам определения ос­таточного содержания в угле летучих веществ L и атомного соотношения в угле атомов углерода и водорода F, которое определяется по результатам элементного анализа:

Т= 3540/ [lnH (1/L² - 410^-4)] – 4,22 , ⁰C (7)

_д= exp[1,49lnH – 0,49ln(1/L² -410^-4) – 4,07], мин (8)

T= 3270/ {ln[HF/(0,7 – F)] + 0,29}, K (9)

_д= exp[1,53lnH + 0,53ln[F/(0,7 – F)] - 1,86}, мин. (10),

где F = 12  H/C (11)

Отметим также, что по существующей методике кроме продолжительности пиролиза древесины (τ_д), по специальным формулам рассчитывается продолжительность индукционного периода, предшествующего пиролизу древесины, а в случае сквозных прогаров еще и продолжительность выгорания угля. Общая продолжительность теплового воздействия на деревянную конструкцию рассчитывается как сумма указанных величин.