4.4. Закономерности горения лгм и рассеивания тепла

Горение есть реакция соединения углерода и водорода с кислородом, с образованием водяного пара, углекислого газа, и выделением энергии. К началу 20-го века было проделано много экспериментов по сжиганию различных веществ и определению их теплотворной способности.

Из табл. 2 видно, что лесные горючие материалы имеют теплотворную способность в 2-3 раза более низкую, чем углеводороды (бензин). Это объясняется тем, что ЛГМ содержат много кислорода, т.е. уже значительно окислены. Смола сосны содержит мало кислорода, поэтому ее наличие на стволах деревьев повышают теплотворную способность древесины.

Древесина теряет свой цвет и обугливается при температуре свыше 200-250^оС. Тот же результат получится и при длительном нагреве при более низкой температуре (более 120^оС). При температуре свыше 300^оС начинается быстрое физическое разрушение древесины.

При горении реальных ЛГМ, а не абсолютно сухих, тепла выделяется меньше, поскольку часть тепла расходуется на испарение воды, часть уносится с дымом (недожог). С увеличением влажности ЛГМ сокращается выход азота и углекислого газа и возрастает выход водяного пара. Химический недожог означает неполное сгорание углерода, часть его уносится горячим воздухом в виде твердых мелких частиц – сажи. Недожог уменьшает тепловую энергию, выделяемую топливом. Обычно не сгорает 10-20% углерода ЛГМ. На эту же величину уменьшается практическая теплотворная способность. Недожог зависит от влажности ЛГМ, их крупности, рыхлости, ветра, скорости горения. Влажный хворост, хвоя, лесная подстилка, торф дают много дыма, выделяют мало тепла. Сухие мелкие сучья горят почти без дыма.

Таблица 2

Элементный химический состав и теплотворная способность (Q) различных

видов горючего вещества (в абсолютно сухом состоянии)

Наименование	Содержание, %					Q, кДж/кг
	С	Н	О	N	зола
Древесина сосны	50,8	6,3	42,5	0,1	0,3	20400
Древесина березы	50,2	6,2	43,0	0,2	0,4	19650
Лесные травы	45,0	6,5	42,0	1,5	5,0	17600
Лесная подстилка (Е-кисличник)	46,7	6,4	38,6	1,3	7,0	19300
Вереск	52,4	6,1	37,2	1,0	3,3	21000
Хвоя сосны	53,1	6,2	36,3	1,3	3,1	21350
Смола сосны	79,5	9,9	10,6	-	-	35500
Торф	51,4	5,4	31,0	2,2	10,0	20000
Древесный уголь	93,8	2,1	2,6	-	1,5	33400
Бензин	85,0	15,0	-	-	-	48000

Дым пожаров образуется как при беспламенном, так и при пламенном горении, хотя характер частиц и формы их образования различны. Дым, образующийся при тлении (горящие торфяники), содержит много фракций смол и высококипящих жидкостей с большим молекулярным весом. Они при соприкосновении с относительно холодным воздухом конденсируются и образуют дым в виде тумана (аэрозольный дым). Дым при пламенном горении состоит почти целиком из твердых органических частиц (сажа), которые образуются внутри пламени при неполном сгорании в условиях высоких температур и низких концентраций кислорода, а также из минеральных частиц (зола), содержащихся в топливе и уносимых в атмосферу дымовыми газами.

Мельчайшие (0,1-10 мкм) раскаленные частицы сажи внутри пламени являются основным источником его теплового излучения и придают пламени характерное свечение. Известно, что суммарная энергия, излучаемая телом, пропорциональна Т⁴, где Т – абсолютная температура тела (закон Стефана-Больцмана). Поэтому с повышением температуры пламени излучаемая им энергия нарастает “лавинообразно”. При температуре около 550^оС пламя излучает довольно большую энергию в видимой части спектра, оно начинает светиться тускло-красным цветом. При дальнейшем росте температуры происходит изменение цвета свечения к красному (700-800^оС), оранжевому (800-1000^оС), желтому (1000-1100^оС) и белому (около 1400^оС), что может быть использовано для приближенной оценки температуры пламени.

На частицах сажи и золы при поступлении их в атмосферу также конденсируется вода. Образуется туман, который тоже называют дымом.

Существенное отличие горения ЛГМ от других видов топлива – горение в открытой атмосфере, а не в замкнутом объеме. Поэтому, как только создается очаг огня, сразу происходит рассеивание тепла. Устойчивость горения ЛГМ определяется балансом тепла между его выделением при горении и рассеиванием. Если тепло горения превышает тепло, расходуемое на рассеивание, горение устойчиво. Если тепла рассеивается больше, чем выделяется при горении, оно прекращается.

Температура горения ЛГМ при установившемся режиме составляет 700-1100^оС. Выше температура не поднимается, так как происходит неизбежное рассеивание тепла в открытой атмосфере. Для сравнения: в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания температура составляет около 2000^оС, в каморе артиллерийского орудия при выстреле – 2700^оС.

Основная часть тепла, выделяемого при горении ЛГМ, уносится нагретыми газами вверх. Это конвективный путьрассеивания тепла, на его долю приходится 70-75% выделяемой энергии. К этому надо добавитьтепловое излучениепламени и углей – то, что направлено также вверх – это еще около 5% энергии. Излучение в стороны составляет 16-18%. Наименьшая часть приходится на рассеиваниепутем молекулярной теплопроводности– в почву 2-5%, в воздух – 2-3% энергии горения. Эта закономерность хорошо знакома тем, кто имел дело с костром в лесу.