Книга Пожежна Безпека Рожков частина 1

Нагрітий до високої температури розжарений матеріал, чи то паливо (наприклад, кокс), чи негорючий матеріал (наприклад, розжарений до червоного кольору метал), спроможний викликати загоряння при доторканні до горючого твердого тіла за умов, що його маса досить велика, щоб перешкодити надто швидкому охолодженню, і що саме горюче тіло знаходиться в стані, який забезпечує швидке окиснення (деревна стружка, тирса, нещільно складений папір тощо). В останньому прикладі достатньо бризок розплавленого металу від газового різака. Тверда речовина, нагріта вище температури, при якій вона розжарюється (наприклад, провідник електричного струму при перевантаженні), здатна запалити матеріал, з яким вона знаходиться в контакті, якщо тепло не буде розсіюватися достатньо швидко.

Ознайомимося з особливостями горіння твердих речовин на прикладі найбільш поширеної речовини цього класу – деревини та її похідних.

Деревина використовується у виробництві фанери, деревностружкових та деревноволокнистих плит, целюлози, паперу, плівок, смоли, багатьох інших продуктів та виробів. Широке використання деревини має свою негативну сторону з точки зору підвищення рівня пожежної небезпеки місць її накопичення та використання. Деревина належить до групи горючих матеріалів, займання яких за певних умов можливе навіть від малокалорійного джерела запалювання.

Речовина, з якої складається деревина, являє собою складний комплекс, де 99% маси – це органічні з’єднання. Близько 75% органічних речовин деревини складають вуглеводи, головним чином целюлоза, яка виконує функцію основного структурного компонента кліткових стінок рослин.

Розглядаючи деревні породи як горючий матеріал, необхідно враховувати їх елементний склад, за яким вони відрізняються незначною мірою.

Деревина вміщує 49 – 50% вуглецю, 43 – 44% кисню, 6,0 – 6,5% водню. Інші складові (азот та неорганічні елементи) – 0,1– 0,3%.

Таким чином, деревина має великий вміст кисню, який бере участь в процесі горіння разом з киснем повітря. Цим зумовлена здатність деревини до тління, а також деякі інші характеристики її пожежної небезпеки. Необхідно враховувати, що деревина – пористий матеріал, в якому об’єм порожнин, заповнених повітрям, перевищує об’єм твердої речовини. Наявність таких повітряних включень зумовлює відносну низьку теплопровідність деревини та пов’язані з цим займистість та повільне прогрівання внутрішніх шарів.

При нагріванні деревини змінюється її структура, фізичні та хімічні властивості. Характер змін залежить від режиму нагрівання, складу газового середовища та тиску. Термічні перетворення відбуваються за полімераналогічними та макромолекулярними реакціями. Компоненти деревини у цьому стані реагують на термічні впливи інакше, ніж всередині мікроструктури. Взаємовплив компонентів під час нагрівання достатньо складний.

При швидкому підвищенні температури до 150 °С з деревини випаровується в основному волога (згадайте «шипіння» сирих дров, кинутих до багаття), потім починається її розкладання з виділенням летких горючих речовин. За температурою 160–170 °С відбувається як ендотермічна реакція часткового гідролізу, так і екзотермічні процеси ущільнення макромолекул.

При нагріванні целюлози (основного компонента деревини) до 250–280 °С її деструкція (руйнування) розвивається дуже повільно. Подальше підвищення температури призводить до різкого зростання швидкості розкладання, яка досягає максимуму в діапазоні 325–380 °С.

Можна виділити чотири стадії процесу піролізу целюлози:

Молекулярна реакція, що призводить до дегідратації (зневоднення);

Розрив зв’язків С–О–С з розвитком деполімеризації та утворюванням інших сполук, що визначаються як фракції смоли;

Розклад продуктів дегідратації до утворення вугілля та органічних летких продуктів;

Утворення оксидів вуглецю, води та водню.

Процес термічних перетворень целюлози, де нагрівання зумовлено зовнішнім джерелом або зворотним тепловим потоком продуктів горіння матеріалів, наведені на рис. 2.7.

За температури 200–280 °С переважає дегідратація, але з різким зниженням ступеня полімеризації целюлози розвиваються деструктивні процеси. При температурі 280–340 °С домінує деполімеризація. Ці реакції є конкуруючими. Тому, у разі зміни умов, їх можна зсунути в тому чи іншому напрямку.

Горючі леткі продукти змішуються з киснем повітря та займаються. Реакція горіння в газовій фазі (полум’я) визначає 75% загальної теплоти згоряння целюлози. Вугілля (коксовий залишок) при з’єднанні з киснем повітря горить у конденсованій фазі, яку також називають тлінням. На частку тління випадає залишок – 25% теплоти згоряння целюлози.

В інтервалі температур 300–500 °С при піролізі деревини формується мікроструктура вугілля.

Рис 2.7. Термічне перетворення целюлози

Горіння деревини включає в себе процес термічного розкладу з утворюванням летких та твердих продуктів та їх наступного окиснення. Парогазова суміш продуктів термічного розкладу деревини, що утворюється при температурах 200 °С, є горючою. Вона вміщує вуглеводи, водень, оксид вуглецю та пару органічних речовин. При досягненні певної концентрації та при наявності джерела запалювання вони займаються, що зумовлює подальше зростання температури та перехід процесу до екзотермічної стадії.

Деревина займається як від відкритого джерела вогню, так і від нагрітих предметів і горючих газів. За певних умов спостерігається самозаймання деревини, яке реєструється при температурі вище 330 °С. Проте в умовах тривалого нагрівання воно може спостерігатися при нижчих температурах.

Продовження самостійного горіння деревини проходить за умови, що кількість теплоти, що віддається поверхнею, яка горить, в одиницю часу в навколишнє середовище, не перевищує кількості теплоти, генерованої цією поверхнею.

Після займання температура поверхневого шару деревини підвищується до 290–400 °С. При цьому вихід газоподібних продуктів стає максимальним, що забезпечує подальший розвиток горіння. Як результат верхній шар перетворюється у деревне вугілля, яке в даних умовах ще не може горіти, оскільки кисень повітря витрачається в реакціях, що відбуваються в газофазній зоні, й не досягає поверхні.

Горіння деревини завжди проходить стадію розкладання, що характеризується явищами поглинання та виділення тепла. Між поверхнею, що горить, та близько розташованими ділянками знаходиться шар, в якому відбувається підготовчий ендотермічний процес, що перешкоджає розповсюдженню тепла.

При розкладанні деревини, особливо в процесі горіння, її склад змінюється: зменшується вміст водню та кисню, збільшується відносна частка вуглецю. При досягненні температури понад 400 °С у складі вугілля переважає вуглець, тому виділення газоподібних речовин різко скорочується.

Коли температура вугілля на поверхні складає 500–700 °С, розташовані за ним шари також розкладаються з виділенням горючих газів. Одночасно зростає шар вугілля, який перешкоджає виходу цих газів. Полум’я залишається тільки біля тріщин вугілля (знову згадаємо багаття), й кисень може досягти його поверхні. Внаслідок цього продовжується горіння летких продуктів розкладу й одночасно починається горіння твердого залишку.

При товщині шару вугілля 2–2,5 см має місце рівновага між лінійною швидкістю вигоряння вугілля, швидкістю прогрівання та розкладу деревини.

Після цього рівновага зсувається в бік перетворення у вугілля всього об’єму деревини. Отже,

Процес горіння деревини Складається з Двох основних періодів: горіння парів й газів, що утворюються при її розкладанні; горіння вугілля, що утворилося.

Між зазначеними періодами є перехідний етап, що характеризується перебігом обох процесів.

В умовах пожежі більше значення має перший період, оскільки він супроводжується виходом основної маси нагрітих до високої температури летких горючих продуктів, на які припадає до 80% теплоти згоряння деревини. Частина цього тепла акумулюється «свіжою» поверхнею матеріалу, ініціює процес самостійного горіння.

Деревина належить до матеріалів, горіння яких за певних умов може відбуватися у вигляді тління.

ТЛІННЯ (ЖЕВРІННЯ) визначається як процес безполуменевого горіння твердого матеріалу (речовини), який установлюється за умови недостатнього припливу до матеріалу, що горить, кисню та тепла, та часто супроводжується виділенням диму.

Пожежі, що розвиваються у режимі тління, пов’язані з низкою проблем. До них належать: складність виявлення в початковій стадії, прогрівання поверхонь, що огороджують осередок тління; перехід до полуменевого горіння; труднощі гасіння заглиблених осередків пожежі; висока ймовірність повторних загорянь тліючих осередків.

Дослідженням кінетики температурних полів в осередку тління деревної тирси та об’ємі, що прилягає до нього, встановлено, що форма осередку тління близька до сферичної. Швидкість поширення фронту тління однакова у всіх напрямках і залежить від породи деревини, насипної щільності, вологості та розмірів частинок. Зі збільшенням розмірів частинок швидкість поширення фронту тління й температура в осередку знижуються. Підвищення насипної щільності в 2 рази порівняно з початковою припиняє процес тління.

У зонах, прилеглих до осередку, відзначаються аномальні теплофізичні властивості полімерного матеріалу, що утворюється: зменшення ефективного коефіцієнта теплопровідності, збільшення ефективної теплоємності та вологості.

Сферичний шар полімерного матеріалу, який оточує осередок тління, перешкоджає розсіюванню теплоти осередку в об’ємі та створює ефект «адіабатичної сорочки», що й пояснює високу «живучість» осередку тління та труднощі, пов’язані з гасінням.

Знання особливостей термічного розкладу й горіння деревини має основоположне значення для оцінки її пожежної небезпеки, а також для розробки засобів та способів її вогнезахисту.

§ 11. Горіння рідин

РІДИНИ – речовини, тиск насичених парів яких при температурі 25 °С та тиску 101,3 кПа (1 атм) менше 101,3 кПа. До рідин належать також тверді плавкі речовини, температура плавлення або краплепадіння яких менше 50 °С.

Рідини, які горять, поділяють на ГОРЮЧІ та ЛЕГКОЗАЙМИСТІ. Відповідно до міжнародних рекомендацій, до легкозаймистих належать всі горючі рідини, що мають температуру спалаху нижче 61 °С (при визначенні в лабораторних умовах у закритому тиглі) або 66 °С (у відкритому тиглі). Особливо небезпечними є легкозаймисті рідини з температурою спалаху не більше 28 °С.

Горіння рідин відбувається у газовій фазі та являє собою складний фізико-хімічний процес, що проходить при взаємному впливі кінетичних, теплових і гідродинамічних явищ. Як результат випаровування, над поверхнею рідини утворюється паровий потік, змішування та хімічна взаємодія якого з киснем повітря забезпечує формування зони горіння, тобто тонкого шару газів, що світиться, і в який з поверхні рідини надходять горючі пари, а з повітря дифундує кисень. Стехіометрична суміш, що виникає, згоряє за частку секунди. Оскільки швидкість хімічного перетворення в зоні горіння в даному випадку залежить від швидкості надходження реагуючих компонентів до поверхні полум’я шляхом молекулярної та конвективної дифузії, процес горіння рідин називається дифузійним горінням. Спрощено горіння рідини показано на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Схема дифузійного горіння рідини

Розміри та форма полум’я рідин суттєво залежать від діаметра резервуара, в якому відбувається горіння. Зі збільшенням діаметра резервуара висота полум’я збільшується. Полум’я рідин у пальниках малого діаметра буде ламінарним, у резервуарах – турбулентним.

Стійкість полум’я над поверхнею рідини, що горить, забезпечується надходженням до нього з певною швидкістю горючих парів та кисню. Швидкість надходження пального, в свою чергу, залежить від тиску його парів над поверхнею рідини і отже, від її температури.

Кінетика процесу вигоряння рідин характеризується швидкістю вигоряння, яка не є фізико-хімічною константою, оскільки залежить від властивостей горючої рідини, діаметра резервуара та умов тепло - та масообміну в зоні горіння.

§ 12. Горіння газів

ГАЗИ – речовини, тиск насичених парів яких при температурі 25 °С та тиску 101,3 кПа перевищує 101,3 кПа.

Будь-яка суміш горючого газу з повітрям спалахує при контакті з розжареним тілом, та полум’я, що виникає, поширюється, якщо концентрація газу знаходиться в інтервалі між нижньою та верхньою концентраційними межами поширення полум’я. Швидкість поширення вогню залежить від природи горючого газу, температури навколишнього середовища і тиску та змінюється від 1 до 2000 м•с-1. Саме цей фактор визначає швидкість розширення нагрітих газів, а отже, й збитки, які здатні спричинити пожежа або вибух.

Запалювання горючих газових сумішей може виникати при їх контакті з розжареними поверхнями з появою в середині суміші іскор різного походження або полум’я. Ініціювання горіння газової суміші в одній точці призводить до нагрівання ближче розташованих шарів, де починаються хімічні перетворення. Згоряння таких шарів викликає за собою горіння наступних – і так до повного вигоряння горючої суміші, яка таким чином згоряє пошарово. Зона горіння переміщується по суміші, забезпечуючи поширення полум’я.

Межа зони горіння в газовій фазі, де здійснюється хімічне перетворення та проходить інтенсивний розігрів газу, є фронтом полум’я. Попереду фронту полум’я, що поширюється, знаходиться свіжа суміш, а позаду –продукти горіння. Якщо свіжа суміш рухається назустріч фронту полум’я зі швидкістю, яка дорівнює швидкості поширення полум’я, полум’я буде нерухомим (наприклад, у газовому пальнику).

У процесі поширення полум’я тепло, що виділяється під час реакції, витрачається на нагрівання свіжої суміші та частково витрачається в навколишнє середовище. Якщо втрати тепла перевищать певне критичне значення, то виникне прогресивне зниження температури полум’я, а потім його загасання.

Коли гази згоряють у вільному об’ємі, продукти реакції безперешкодно розширяються й тиск залишається практично постійним. Згоряння в замкненому об’ємі супроводжується підвищенням тиску.

§ 13. Горіння пилу

ПИЛ – дисперговані тверді речовини та матеріали з розміром частинок менше 850 мкм (0,85 мм).

Пил з горючих речовин, зважених у повітрі (газозавись), поводить себе значною мірою як газоповітряна суміш і теж здатний вибухати.

Процес горіння газозависі хімічних органічних речовин значною мірою визначається механізмом теплопередачі по фронту полум’я. В органічних системах теплопередача здійснюється, головним чином, шляхом кондуктивно-конвективного теплообміну. Домінуючим механізмом теплопередачі є теплопровідність по газу. На горіння газозависей впливає й гравітація, що проявляється в осіданні частинок під дією сил тяжіння. У загальному вигляді модель фронту полум’я має такий вигляд: із високотемпературної зони пилової хмари, що горить, під впливом теплового потоку частинки встигають випаровуватися до спалахування; поширення фронту полум’я проходить по однорідній газоподібній суміші парів пального з повітрям; реакція взаємодії пального з окисником, що описується відомими з теплової теорії закономірностями, відбувається в кінетичній області.

Як результат руху фронту полум’я має місце часткове розсіювання свіжої суміші поблизу провідних точок полум’я. При цьому окисник (газова фаза) розсіюється в більшій мірі, ніж пальне (конденсована фаза), внаслідок чого фази отримують відносну швидкість й відповідно змінюється співвідношення пального з окисником у фронті полум’я. Підвищення концентрації пального супроводжується зростанням швидкості полум’я в даних зонах.

Горіння газозависей природних палив має свої особливості, оскільки тверді природні палива відрізняються від більшості інших хімічних речовин наявністю трьох компонентів: леткої частини, коксу та золи. Процеси займання й поширення полум’я для кожної з цих складових мають певні відмінності.

• < Назад
• Вперёд >