Сргаз(Тзап - Tкип,(розкл))]

Для ТГМ 2-го роду:

q_ДЗ.= v_m[с_{р тв} (T_розкл–T_о ) + H_розкл + с_р^газ(Т_зап - T_{кип,(розкл)})],

де q_ДЗ – інтенсивність теплового впливу джерела запалювання, кВт× м^–2;

v_m – масова швидкість вигоряння матеріалу, кг× м^–2с^–1;

с_р^тв, с_р^рід с_р^газ – теплоємність твердої речовини, її розплаву і газоподібних продуктів розкладання, кДж× кг^–1× К^–1;

H_пл, H_вип, H_розкл – теплота плавлення, випаровування і розкладання відповідно, кДж× кг^–1;

T_пл,T_{кип, розкл} – температури плавлення ТГМ і кипіння або розкладання розплаву, К;

T_о – початкова температура речовини, К.

Т_зап – температури запалення газоповітряної суміші, К.

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

Час займання – це час від початку дії джерела запалення на горючу речовину до появи процесу горіння.

Для ТГМ, що газифікуються, час займання визначається швидкістю утворення над поверхнею матеріалу летючих горючих компонентів в концентрації, що перевищує нижню КМПП. Час займання включає в себе час, який витрачається на нагрів зразка до температури початку газифікації, і час, що витрачається на досягнення критичної концентрації горючих газоподібних продуктів розкладання φ _н.

У свою чергу, кількість і склад летючих сполук залежить від виду ТГМ, часу теплового впливу джерела запалювання, його потужності. Чим більша інтенсивність теплового впливу, тим швидше йде процес піролізу, вище інтенсивність виділення летючих речовині, отже, менше час займання (рис. 8.9, 8.10).

Рис.8.9

Рис.8.10

Поширення горіння по поверхні тгм.

Після запалення ТГМ в місці впливу ДЗ відбувається переміщення фронту полум'я по поверхні матеріалу. Поширення горіння протікає за рахунок передачі тепла від полум'я до сусідніх ділянок матеріалу. Прогрівання ділянок поверхні, розташованих перед фронтом полум'я, приводить до розкладання шарів ТГМ з утворенням летючих продуктів. Продукти, що виділяються при піролізі, змішуються з повітрям, утворюючи гомогенну систему. При досягненні концентрації горючих компонентів рівної нижньої КМПП відбувається запалення суміші від полум'я і згоряння в кінетичному режимі.

Таким чином, процес поширення полум'я по ТГМ (як і по рідинах) характеризується двома істотними ознаками:

• швидкість поширення полум'я рівна швидкості утворення горючої суміші над поверхнею матеріалу;

• горіння на передній кромці полум'я (носику) завжди протікає в кінетичному режимі, тобто горить заздалегідь перемішана суміш пального і окислювача.

Передача тепла здійснюється за різними механізмами: випромінювання, конвекції і теплопровідності. У залежності від умов горіння співвідношення кількостей тепла, що поступають цими видами теплопередачі, може бути різним. Тому швидкість поширення полум'я по поверхні ТГМ залежить не тільки від виду ТГМ, але і від умов горіння.

Найбільший вплив на швидкість поширення полум'я по поверхні ТГМ виявляють наступні фактори:

1. природа матеріалу, його фізико-хімічні властивості (швидкість утворення летючих продуктів);

2. вогкість матеріалу;

3. орієнтація зразка в просторі;

4. швидкість і напрям повітряних потоків;

5. початкова температура матеріалу;

6. геометричні розміри зразка (форма, ступінь подрібнення).

Розглянемо вплив деяких з цих чинників.

• М ↑­ Vl ↓

Чим більше молярна маса органічної речовини, тим повільніше відбувається термічне розкладання матеріалу при тепловому впливі, менше виділяється летючих сполук, для утворення горючої суміші необхідно більше часу, а, отже, лінійна швидкість поширення полум'я по поверхні ТГМ меншає.

• W ­↑ Vl ↓

З збільшенням вогкості матеріалу Vl знижується, що пов'язано із збільшенням витрат тепла на випаровування з поверхневих шарів вологи і сповільненням процесу розкладання. Крім того, пара води, що поступає в газову фазу, знижує температуру полум'я і, отже, тепловий потік від полум'я до поверхні ТГМ.

Для матеріалів рослинного походження стадія сушки є найбільш тривалою і може складати до 55% від загальної тривалості процесу запалення.

При досягненні вогкості 14% фронт полум'я втрачає сплошность, розбивається на окремі осередки і в результаті горіння припиняється. На цьому заснований метод захисту лісопіломатеріалів від горіння.

• a → 90 Vl­ ↑

На відміну від рідин поверхня ТГМ може знаходитися під різним кутом до горизонту. Відповідно цьому змінюється і швидкість поширення полум'я.

При негативних кутах нахилу (напрям рушення полум'я зверху вниз) швидкість поширення полум'я або не змінюється або ж слабо меншає.

При збільшенні позитивного кута нахилу (напрям рушення полум'я знизу вгору) понад 15^o швидкість поширення полум'я різко зростає. Це пояснюється збільшенням частки випромінювання від зони горіння до поверхні ТГМ. Однак, при зміні кута нахилу від 0 до 26,5^о Vl зростає в 5 разів, а інтенсивність променистого потоку тільки в 1,4 рази. Домінуючу роль при змінені кута нахилу грає зростання теплопереносу від зони полум'я до поверхні матеріалу за рахунок конвекції: відбувається притиснення полум'я до поверхні ТГМ конвекційними потоками навколишнього повітря. При великих кутах нахилу окремі вихори полум'я, торкаючись поверхні горючого матеріалу, спричиняють його запаленню ще до підходу носика полум'я.

Швидкість і напрям повітряних потоків

При збільшенні швидкості вітру в напрямі поширення полум'я Vl зростає спочатку лінійно, а потім по статечній залежності. У цьому випадку механізм впливу вітру аналогічний механізму впливу кута нахилу зразка: полум'я нахиляється до поверхні матеріалу, внаслідок чого збільшується тепловий потік від зони горіння до поверхні ТГМ.

Потік повітря, направлений проти рушення полум'я, впливає двояким чином на Vl. При малих швидкостях рушення повітря відбувається більш інтенсивно змішування горючих продуктів піролізу з окислювачем, швидше відбувається утворення горючої суміші, що, в свою чергу, прискорює поширення полум'я. При збільшенні швидкості вітру вище за 4 м/хвил внаслідок аеродинамічного гальмування і охолоджування прогрітих дільниць поверхні перед фронтом полум'я Vl буде знижуватися аж до зриву полум'я.

Геометричні розміри зразка

Основний вплив на Vl чинить товщина зразка. Розрізнюють термічно товсті і термічно тонкі зразки. Розподіл цей заснований на порівнянні фізичної товщини з термічною. Під термічною розуміють товщину прогрітого шару ТГМ до моменту поширення горіння на цю дільницю. Якщо фізична товщина більше термічної, то зразок називається термічно товстим, якщо менше - термічно тонким (рис. 8.11).

Рис. 8.11

При збільшенні товщини в межах термічно тонких зразків швидкість поширення полум'я знижується внаслідок збільшення тепловтрат від поверхні горіння на прогрівання матеріалу углиб.

h_фіз. < h_терм.          h_фіз ­↑Vl↓

Для термічно товстих зразків швидкість поширення не залежить від їх товщини.

h_физ. > h_терм.       Vl=const

Дійсно, якщо фізична товщина перевищує термічну, то подальше збільшення товщини не приведе до зміни характеру розподілу температури по глибині матеріалу перед фронтом полум'я, і швидкість горіння залишається незмінною (рис. 8.12).

Рис. 8.12

Відмітною особливістю горіння ТГМ є наявність певних умов, при яких самостійне поширення горіння, що виникло, по поверхні матеріалу стає неможливим. Це пояснюється значною енергоємністю тих підготовчих процесів, які передують запаленню матеріалу. Більшість матеріалів рослинного походження у вигляді термічно товстих зразків в горизонтальному або вертикальному (зверху вниз) положенні на повітрі при нормальній температурі не здібні до самостійного поширення полум'я. Відомо, що горизонтально розташовані зразки деревини товщиною більше за 2-3 мм нездібні до горіння в нормальних умовах тільки за рахунок тепла від власного полум'я, якщо не компенсувати тепловтрати в довкілля, а споживчий папір товщиною більше за 0,7 мм не поширює горіння за вертикальним зразком в напрямку зверху вниз.

Механізм вигоряння твердих речовин

Одночасно з поширенням полум'я по поверхні матеріалу наступає процес його вигоряння. Вигоряння ТГМ носить дифузійний характер. Закономірності вигоряння залежать від характеру перетворення твердої фази в газоподібні продукти.

У разі ТГМ 1-го роду (матеріал переходить в рідкий стан) розкладання твердої фази протікає у вузькому поверхневому шарі без утворення вуглецевого шару, вигоряння йде з постійною швидкістю. На поверхні твердої фази встановлюється постійна температура, яка дорівнює температурі фазового переходу (кипіння, розкладання або сублімації речовини). У твердій фазі встановлюється певне поле температур, яке в процесі вигоряння не змінюється (8.13).

Рис. 8.13

Такий розподіл температур називається розподілом 1-го роду і описується рівнянням вигляду:

де Тх - температура матеріалу на глибині х від поверхні горіння, К;

Тs - температура на поверхні матеріалу, К;

To - початкова температура зразка, К;

Vm - швидкість вигоряння матеріалу, м/с;

а_t коефіцієнт температуропровідності твердої фази.

З цього рівняння слідує, що чим менше швидкість вигоряння одного і того ж матеріалу, тим більше товщина прогрітого шару.

Кількість тепла, яка необхідна для створення прогрітого шару, визначається за формулою:

Q = О Cp ρ(Tx - To) dx,

де Cp питома теплоємність матеріалу, кДж/кг К;

ρ- густина матеріалу, кг/м³

Q - приведений на одиницю площі тепловміст твердої фази, кДж/м²;

Спільне рішення цих двох рівнянь дає вираження, що пов'язує швидкість вигоряння і величину тепловмісту:

U_m = λ(Tп - To) / Q,

де λ - коефіцієнт теплопровідності матеріалу, кВт/м с К;

З збільшенням швидкості вигоряння тепловміст прогрітого шару, що необхідний для підтримка стаціонарного горіння, знижується.

Як і лінійна швидкість поширення полум'я, масова швидкість вигоряння не є постійною для даного горючого матеріалу, а залежить від умов, в яких протікає горіння. По фізичній суті швидкість вигоряння еквівалентна швидкості піролізу матеріалу, приведеній до одиниці поверхні, під впливом теплового потоку, який формується не тільки від власного полум'я зразка, що горить, але і від зовнішніх джерел і істотно залежить від умов газообміну.

При горінні ТГМ 2-го роду вигоряння летючих сполук супроводжується утворенням на поверхні горіння вуглецевого залишку, в якому температура майже не змінюється. Розподіл температури вглиб матеріалу для ТГМ 2-го роду має вид (рис. 8.14):

Рис. 8.14

При цьому можна умовно виділити декілька шарів з різними фізико-хімічними властивостями.

1. Вуглецевий шар, що складається на 99% з вуглецю;

2. Зона піролізу, в якій відбувається виділення летючих компонентів і утворення вуглецевого залишку;

3. Зона попереднього нагріву матеріалу;

4.  Початковий матеріал.

Так горять практично всі речовини рослинного походження, деякі пластмаси, що містять в своєму складі негорючі або важкогорючі наповнювачі.

При утворенні вуглецевого шару процес вигоряння помітно знижується за рахунок зменшення коефіцієнта теплопровідності вуглецевого шару. Так, коефіцієнт теплопровідності деревного вугілля в 4 рази менше, ніж у деревини. Коли товщина вуглецевого шару досягає 15-20 мм, кількість тепла, яка передається за рахунок теплопровідності із зони горіння вглиб матеріалу і зумовлює протікання процесу піролізу, стає недостатнім для утворення достатньої кількості горючих летючих продуктів розкладання. Полум'яне горіння припиняється.

ВИСНОВОК: Лінійна швидкість поширення полум'я і масова швидкість вигоряння є основними кількісними параметрами, що характеризують процеси горіння ТГМ і, отже, зумовлюють динаміку пожежі. Саме ці основні параметри Ви будете використати при прогнозуванні ситуації, яка може виникнути при пожежі: площа пожежі, температура в приміщенні, фактична вогнестійкість конструкцій, допустимий час евакуації, можливість роботи особистого складу пожежних підрозділів при ліквідації пожежі.