8.4 Загальні закономірності горіння твердих речовин

Займання твердих матеріалів

Процеси виникнення і розвитку горіння для твердих горючих матеріалів мають багато спільного з процесами горіння газів і рідин, які вивчалися нами раніше. Однак, крім спільних рис існує і цілий ряд особливостей, зумовлених агрегатним станом і відмінностями в будові.

Розглянемо механізм займання ТГМ. При контакті ТГМ з нагрітим до високої температури джерелом запалювання виникає теплообмін, при цьому з матеріалом відбуваються наступні процеси:

1. Попередній нагрів поверхневого шару до температури початку фізико-хімічних перетворень (плавлення, випаровування або термічного розкладання). Якщо це матеріал рослинного походження, то з нього спочатку починає випаровуватися волога. Загальна тривалість цього етапу складає 80% від загального часу займання.

Процес утворення летючих компонентів йде з витратами енергії і зміною хімічної структури матеріалу. Для матеріалів різного складу (з різною хімічною структурою) починається при різних температурах і протікає з різною інтенсивністю. Здатність матеріалу чинити опір нагріву без зміни хімічної структури називається термічною стійкістю матеріалу (рис. 8.7).

Рис. 8.7

2. Подальший нагрів обумовлює протікання фізико-хімічних перетворень. Якщо це ТГМ 1-го роду, то відбувається плавлення і перехід матеріалу в рідку фазу, потім нагрів розплаву до температури кипіння або розкладання. Якщо це матеріал 2-го роду - відразу починається процес сублімації або розкладання (піроліз) з виділенням летючих продуктів.

3. Утворення горючої пароповітряної суміші з концентрацією горючої речовини більше, ніж φ_н.

4. Попередній нагрів газової суміші до температури запалення.

5. Займання газоповітряної суміші з подальшим горінням.

Таким чином, процес горіння більшості ТГМ (що газифікуються) починається з гомогенного режиму. Горіння характеризується високою швидкістю поширення, могутніми конвекційними і променистими потоками.

На кожній стадії протікають специфічні фізико-хімічні процеси, які визначають стан системи. Ці процеси можуть протікати одночасно, але в різних зонах матеріалу. Тому переліченим стадіям відповідають наступні зони:

Рис. 8.8

Т_о, Т_пір, Т_зап., Т_гор. - температури початкова, піролізу, самонагрівання, запалення, горіння відповідно.

1 - вихідний матеріал;

2 - зона попереднього нагріву матеріалу, (нагрів до температури початку фізико-хімічних перетворень);

3 - зона фізико-хімічних перетворень (плавлення або розкладання конденсованої фази (твердої і рідкої));

4 - зона сумішоутворення низькомолекулярних речовин, що виділилися при газифікації конденсованої фази, з повітрям, досягнення концентрації горючих газів φ_н., нагрів суміші до Т_зап.;

5 - фронт полум'я, де виділяється основна частка теплової енергії, спостерігаються максимальна температура і світлове випромінювання;

6 - зона продуктів горіння, де продукти реакції змішуються з холодним повітрям.

Таким чином, якщо при горінні рідини тепловий потік, що поступає до поверхні, витрачається тільки на нагрів і випаровування рідкої фази, то для твердих речовин, крім цього, необхідні витрати на плавлення і розкладання. При цьому потужність джерела запалення повинна забезпечити протікання фізико-хімічних перетворень і у загальному виді можна записати:

Для ТГМ 1-го роду:

q_ДЗ.= v_m[c_р^тв (T_пл-T_о ) + H_пл +

с_р^рід (T_{кип, (розкл.)}-T_пл) + H_{вип(розкл)} +