Экспериментальная установка для изучения динамики роста температуры при различных режимах горения пористых материалов

ПОЖАРНАЯ ТАКТИКА, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ И ТУШЕНИЯ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ДИНАМИКИ РОСТА ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ ГОРЕНИЯ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

М.И. Зайкина;

Ф.А. Дементьев, кандидат технических наук; А.С. Алексеев.

Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России

В работе сконструирована экспериментальная установка для проведения эксперимента по изучению динамики роста температуры в объеме пористых материалов. Рассмотрены температурные режимы горения древесных насыпных материалов. Изучена динамика роста температур на трех разных уровнях объема материала. Найдена функциональная зависимость роста температуры от времени.

Ключевые слова: пожарно-техническая экспертиза, тлеющее горение, древесные пористые материалы

EXPERIMENTAL INSTALLATION FOR STUDYING THE DYNAMICS OF THE TEMPERATURE RISE IN DIFFERENT BURNING CONDITIONS OF POROUS MATERIALS

M.I. Zaikina; F.A. Dementiev; A.S. Alekseev.

Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia

The experimental installation was constructed to conduct an experiment to study the dynamics of the temperature rise in the porous materials volume. The authors examined the temperature conditions of burning wood bulk materials. The dynamics of temperature rise at three different levels in the material volume was studied as well. Moreover the functional dependence of the temperature rise with time was found.

Keywords: fire investigation, smolder burning, wood porous materials

В кругу задач, решаемых пожарно-технической экспертизой, очень важной, но еще недостаточно изученной, является задача исследования пожаров, связанных с протеканием тлеющего горения. Тление представляет собой низкотемпературное диффузионное горение пористого слоя твердых горючих материалов (или жидких горючих материалов на твердых носителях), не сопровождаемое появлением открытого пламени.

Теплота сгорания горючих материалов в режиме тления реализуется не полностью, в связи с этим опасность тления как такового с точки зрения теплового воздействия существенно ниже, чем при пламенном горении. С другой стороны, неполное сгорание

материалов при тлении является причиной образования значительного количества продуктов неполного окисления, являющихся, как правило, более токсичными, по сравнению с высшими окислами, а также способными к дальнейшему горению уже в виде газовоздушных смесей. При этом возникают опаснейшие вторичные процессы на пожаре, такие, как пробежка пламени, общая вспышка, которые могут привести и к образованию вторичных очагов горения. Часто такие пожары сопровождаются взрывами [1, 2].

Еще одна опасность тлеющего горения заключается в его относительной скрытности. И если до возникновения пожара тление может проявиться в виде дыма или запаха, о чем дознаватель может узнать при опросе очевидцев, то сразу после пожара такие факторы уже не сильно обращают на себя внимание. Между тем часто возможно продолжение тлеющего горения после, казалось бы, полной ликвидации пожара, в особенности в балках междуэтажных перекрытий, во внутренних частях деревянных стен. Это может привести к вторичному пожару, а при исследовании такого случая снова может напроситься вывод о поджоге.

Решающим фактором, определяющим возможность возникновения пожара через стадию тления, является способность к тлению материала, оказавшегося в контакте с маломощным источником зажигания. Только пористые материалы, которые при нагревании образуют твердый углистый остаток, могут претерпевать самостоятельно поддерживаемое тлеющее горение. Материалы, склонные к тлению, обладают высокой и специфической пожарной опасностью. Процесс их горения вначале имеет скрытый период, когда появившийся очаг тления обнаружить трудно, а иногда невозможно. По истечении некоторого, иногда достаточно большого промежутка времени, при увеличении размеров очага, выходе его на открытую поверхность и изменении в этой связи газодинамической обстановки в окрестности очага, тление может перейти в газофазный (пламенный) режим горения, то есть в неожиданно возникший быстропротекающий пожар. По статистике большое количество пожаров в промышленных, складских и жилых объектах начиналось с образования очага тления материалов при их переработке и хранении, а часто с образования очага тления мягкой мебели и постельного белья в жилых помещениях и т. д. Источниками начала тления являлись непотушенная сигарета, лампы накаливания или рефлектор, остаток сварочного электрода при непосредственном контакте их с указанными материалами. Распространенность пористых материалов в природе и в промышленном производстве очень велика. К ним относятся почвы, многие горные породы, растительные материалы, а также материалы, созданные человеком (ткани, керамика, волокна, порошки и др.). Общим характерным признаком пористых материалов является наличие пустот, как правило, заполненных жидкостью или газом. Пустоты могут иметь сложную форму и различные геометрические размеры. Пустоты могут быть исключительно малыми -соизмеримыми с размерами молекул или очень большими - каверны [3]. Таким образом, пористыми материалами называют твердые тела, содержащие в достаточном количестве пустоты, характерный размер которых мал сравнительно с геометрическим размером тела.

Среди автомобильных материалов большую долю также занимают пористые материалы. Сюда относятся, например, различные резиновые изделия, в первую очередь колеса, поролоновые сидения, древесина кузовов грузовых автомобилей. Помимо постоянной пожарной нагрузки в автомобилях существенную долю составляет переменная пожарная нагрузка. В качестве перевозимых грузов могут быть различные насыпные материалы, такие как древесные отходы, зерновая и мукомольная продукция, минеральные удобрения и многое другое. Таким образом, как в самом автомобиле, так и среди перевозимых грузов могут находиться пористые материалы, склонные к тлеющему горению. В связи с этим изучение процессов тлеющего горения является неотъемлемой частью исследования пожаровзрывоопасности автотранспорта.

Результаты исследований показывают, что процесс тления материалов, веществ, продуктов может реализоваться в двух основных режимах:

- на поверхности, открытой для притока в зону тления окислительной газовой среды за счет естественного или/и вынужденного конвективного ее движения, режим классифицируется как внешняя задача тления;

- внутри газопроницаемого слоя волокнистого, пористого или измельченного вещества - внутренняя задача тления [4].

Известно, что тлеющие пожары, особенно с очагом тления внутри массива материала, крайне трудно поддаются тушению. Это связано, в том числе с тем, что процесс тления внутри массива материала значительных размеров может протекать при низкой концентрации кислорода в окружающей массив среде, что определяется особенностями механизма тления внутри массива. Тушение осложняется также затруднениями в обнаружении места очага тления и доступа к нему.

В настоящей работе с целью экспертного исследования динамики роста температуры при горении отходов переработки древесины была сконструирована экспериментальная установка, разработана методика эксперимента и проведены экспериментальные исследования развития горения на различных механических фракциях древесных опилок [5]. Древесные насыпные материалы (опилки) - весьма популярный материал в использовании. Речь идет не только об их применении в производстве древесных композиционных материалов, но ив быту. В частности, опилки используются в качестве утеплителя при строительстве дачных домов, бань и т.д. С помощью этого материала можно сделать теплыми не только полы в доме, но и утеплить стены и крышу. Во время бурного развития технологий опилки как утеплитель по-прежнему не утрачивают своей популярности. Кроме того, древесные отходы часто образуют огромные скопления на площадках деревообрабатывающих производств, где их длительное хранение может привести к возникновению процессов самовозгорания, которые также начинаются с процессов тления [6].

На исследование были взяты древесные опилки, которые были разделены на четыре фракции по крупности зерен. В каждой фракции методом водопоглощения была установлена пористость материалов. Пористость изученных материалов для различных фракций приведена в табл. 1. Чем мельче фракция, тем больше пористость материала.

Таблица 1. Результаты определения пористости фракций древесных опилок

№ образца Фракция 1 >4 мм Фракция 2 2^4 мм Фракция 3 1^2 мм Фракция 4 0,5^1 мм

1 10,6 11,1 13,7 13,9

2 8,4 11,8 15,6 14,5

3 9,6 12,4 12,8 15,8

4 11,8 9,4 12,7 14,2

5 9,3 10,8 11,6 15,6

6 10,3 9,6 13,8 15,4

Среднее 10,1 10,6 13,2 14,9

Среднеквадратическое отклонение 1,7 1,9 1,4 0,7

Схема экспериментальной установки показана на рис. 1.

Рис. 1. Схематичное изображение экспериментальной установки (1 - отражатель; 2 - галогенная лампа мощностью 500 Вт; 3 - отверстие для термопар;

4 - емкость для материала; ТР1 - термопара, измеряющая температуру верхней части объема; ТР2 - термопара, измеряющая температуру нижней части объема; ТП1 - термопара, измеряющая температуру на поверхности материала; ТП2 - термопара, измеряющая температуру в центре материала; ТП3 -термопара, измеряющая температуру внизу материала)

Установка выполнена из шамотного кирпича в стальном кожухе. Дверь печи металлическая, в ней также установлено стекло для возможности наблюдения за экспериментом при закрытой двери. Сконструирована металлическая емкость для нагрева материала, каркас которой сделан из металлических прутьев, которые обвиты тонкой металлической сеткой, для создания конвекции в объеме. Для нагрева использовалась галогенная лампа мощностью 500 Вт. Для создания более мощного потока тепла использовался светоотражатель.

В печь подведены пять термопар. Три подведены к низу, центру и верхней части емкости с опилками. Эти термопары фиксировали температуры в разных частях материала. Две термопары установлены в верхней и нижней части экспериментальной печи. Данные термопары фиксировали температуру газовой среды в объеме экспериментальной установки.

Динамика развития горения и температурный режим во фракциях опилок были различными. Во фракции крупнее 4 мм через три-четыре минуты после начала нагрева начинало происходить обильное выделение густого черного дыма с поверхности материала. Ощущался характерный резкий запах тлеющей древесины. На 15 минуте эксперимента возникло пламенное горение с поверхности опилок (рис. 2).

Во фракции опилок 2^4 мм похожие внешние проявления горения наступили несколько позже. При этом ярко выраженные процессы тления происходили внизу объема емкости. Данная фракция не выгорела полностью по площади, частично остались не затронутые горением участки материала. Воспламенение началось в нижней части объема реакционной емкости (рис. 3).

Во фракции 1^2 мм тление в верхней части объема происходило только по центру материала, а к низу распространялось к периферии. Выделялся негустой дым белого цвета. Воспламенения не наблюдалось (рис. 4).

Во фракции 0,5^1 мм тление очень медленно распространялось на весь объем опилок. Наблюдалось очень слабое дымовыделение. Запах тления практически не ощущался. Воспламенение не наблюдалось (рис. 5).

Математическая обработка экспериментальных данных была проведена в программном продукте Portable Origin Pro. Были найдены функциональные зависимости роста температуры от времени [7].

-верх -центр -низ т,сек.

Рис. 2. Зависимость температуры в разных частях материала от времени эксперимента

Рис. 3. Зависимость температуры в разных частях материала от времени эксперимента

с С

—верх — центр " низ т,сек.

Рис. 4. Зависимость температуры в разных частях материала от времени эксперимента

Рис. 5. Зависимость температуры в разных частях материала от времени эксперимента

Динамика подъема температуры на поверхности материала описывается экспоненциальной зависимостью вида:

у-у„+А&хр(-Йа»)>

где уо - максимальное значение температуры прогрева образца (асимптота по температуре).

Коэффициент в показателе степени характеризует крутизну экспоненциальной функции. Значения максимальных температур в верхних частях изученных материалов приведены в табл. 2.

Динамика подъема температуры в средней и нижней частях материала описывается сигмоидальной функцией Больцмана вида:

V = 1.4-----

* ~ д афГт;-тЁ) 1 + ь ,

где 11 и г2 - соответственно нижняя и верхняя асимптоты, оС; Аг^-Ь - амплитуда значений температуры, оС; тк - точка перегиба функции (критическое состояние системы), мин.

Функция Больцмана описывает критические явления, имеющие точку перегиба. В точке перегиба значение функции (в градусах Цельсия):

Значения максимальных температур, температур в точке перегиба и времени достижения точки перегиба функции Больцмана для изученных материалов приведены в табл. 2.

Таблица 2. Динамика роста температуры в различных зонах насыпных древесных материалов

Фракции t max Температура в точке перегиба функции Больцмана, град. Время достижения точки перегиба функции Больцмана, мин

Фракция 1

Верх 316 - -

Середина 549 500 33

Низ 546 510 35

Фракция 2

Верх 270 - -

Середина 446 400 14

Низ 552 500 24

Фракция 3

Верх 270 - -

Середина 397 300 14

Низ 488 400 36

Фракция 4

Верх 141 - -

Середина 565 500 58

Низ 547 500 61

Максимальная температура на поверхности составляла 316 оС во фракции 1 (>4 мм). С уменьшением размера фракции опилок температура на поверхности образца уменьшается, что, скорее всего, связано с просыпанием обугленного материала и нарушением прямого контакта между термопарой и поверхностью материала. Температура в средней части достигала 565 оС во фракции 4 (0,5^1 мм) (табл. 2). Температура в средней части уменьшалась от фракции 1 до фракции 3, а во фракции 4 резко увеличилась, достигнув максимального значения. Строгой зависимости изменения температуры в нижних частях различных фракций не наблюдалось.

Литература

1. Галишев М.А., Бельшина Ю.Н., Дементьев Ф.А. Пожарно-техническая экспертиза. СПб.: С.-Петерб. ун-т ГПС МЧС России, 2014. 352 с.

2. Исследование параметров обугливания деревянных конструкций длительного срока эксплуатации горения / О.В. Арцыбашева [и др.] // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2013. № 3. С. 64-68.

3. Рубилов С.Н., Галишев М.А., Моторыгин Ю.Д. Системное описание нефтяного загрязнения почвенных отложений с использованием перколяционных моделей // Технологии техносферной безопасности. 2013. № 6 (52). С. 21.

4. Сонечкин В.М., Панасевич Л.Т. Древесная пыль как потенциальный источник зажигания // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2015. № 1. С. 75-79.

5. Лобанова М.И. Методика исследования динамики роста температуры при различных режимах горения пористых материалов // Надзорная деятельность и судебная экспертиза в системе безопасности. 2015. № 3. С. 13-15.

6. Горшков В.И. Самовозгорание веществ и материалов. М.: ВНИИПО, 2003. 446 с.

7. Исакова О.П., Тарасевич Ю.Ю., Юзюк Ю.И. Обработка и визуализация данных физических экспериментов с помощью пакета «Origin». М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009. 136 с.

References

1. Galishev M.A., Bel'shina Ju.N., Dement'ev F.A. Pozharno-tehnicheskaja jekspertiza. [Fire and technical expertise]. SPb.: S.-Peterb. un-t GPS MChS Rossii, 2014. 352 p. (In Russ.).

2. Issledovanie parametrov obuglivanija derevjannyh konstrukcij dlitel'nogo sroka jekspluatacii gorenija / O.V. Arcybasheva i dr. [The study of parameters of wooden structures charring a long period exploitation of the combustion / O.V. Artsybashev etc.] // Pozhary i chrezvychajnye situacii: predotvrashhenie, likvidacija. 2013. № 3. P. 64-68. (In Russ.).

3. Rubilov S.N., Galishev M.A., Motorygin Ju.D. Cistemnoe opisanie neftjanogo zagrjaznenija pochvennyh otlozhenij s ispol'zovaniem perkoljacionnyh modelej [System description of oil pollution of soil deposits using percolation models] // Tehnologii tehnosfernoj bezopasnosti. 2013. № 6 (52). P. 21. (In Russ.).

4. Sonechkin V.M., Panasevich L.T. Drevesnaja pyl' kak potencial'nyj istochnik zazhiganija [Wood dust as a potential source of ignition] // Pozhary i chrezvychajnye situacii: predotvrashhenie, likvidacija. 2015. № 1. P. 75-79. (In Russ.).

5. Lobanova M.I. Metodika issledovanija dinamiki rosta temperatury pri razlichnyh rezhimah gorenija poristyh materialov [Methods of study of the dynamics of growth of temperature in different regimes of combustion of porous materials] // Nadzornaja dejatel'nost' i sudebnaja jekspertiza v sisteme bezopasnosti. 2015. № 3. P. 13-15. (In Russ.).

6. Gorshkov V.I. Samovozgoranie veshhestv i materialov. [Autoignition of substances and materials]. M.: VNIIPO, 2003. 446 p. (In Russ.).

7. Isakova O.P., Tarasevich Ju.Ju., Juzjuk Ju.I. Obrabotka i vizualizacija dannyh fizicheskih jeksperimentov s pomoshh'ju paketa «Origin». [Processing and visualization of physics experiments data using «Origin» package]. M.: Knizhnyj dom «LIBROKOM», 2009. 136 p. (In Russ.).