Определение критического теплового потока для воспламенения материалов

В статье рассмотрены проблемы зависимости тепловых потоков от расстояния до пожара при различных видах горения; результаты, полученные с помощью радиометрических методов, очень полезны при анализе пожарной опасности.

Ключевые слова: тепловой поток, пожарная безопасность, развитие пожара, противопожарная защита, пожарный риск.

Ряд технологических процессов в области металлургии и химии характеризуется высокоинтенсивным тепловым излучением, плотность которого может достигать десятков киловатт на квадратный метр. Как указывают Д. А. Минкин, А. В. Шарков, В. А. Кораблев, А. С. Некрасов и С. В. Фадеева, большую плотность имеют также тепловые потоки при сильных пожарах. При измерении тепловых потоков применяются различные тепломеры. Верхний предел измерений этих тепломеров не превышает 20 кВт/м ² . Для измерения нестационарных высокоинтенсивных тепловых потоков применяются приборы, включающие, например, радиометр, устройство преобразования сигнала в цифровой код и персональный компьютер 6.

Крупные пожары с высокой тепловой нагрузкой, например на объектах добычи нефтегазового комплекса, нефтегазоперерабатывающей промышленности, хранения и переработки сжиженных углеводородных газов (СУГ), сливоналивных эстакадах для легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ), горючих жидкостей (ГЖ), складах лесоматериалов, сопровождаются развитием интенсивных конвективных и тепловых потоков. Данные пожары, характеризуются воздействиями следующих опасных факторов: тепловое излучение, конвективные тепловые потоки, задымление и загазованность продуктами горения, мощные воздушные потоки, турбулизация газовоздушной среды в зоне пожара. Кроме того, возможны воздействия элементов разрушающихся конструкций, выбросы нефтепродуктов и газов, взрывы.

Вблизи фронта пламени наибольшую опасность представляет воздействие тепловых потоков, на долю которых приходится до 90 % всего выделяющегося при горении тепла. Зависимость тепловых потоков q от расстояния l до пожара при различных видах горения представлена на рисунке.

Рис. 1. Зависимость тепловых потоков от расстояния до пожара при различных видах горения: 1 — распыленный нефтяной фонтан с дебитом 2⋅106 м3 /сут; 2 — штабель дров высотой 12 м; 3 — факел СУГ с расходом 10 кг/с; 4 — штабель лесоматериалов 6×6×6 м

Как указывают Еналеев Р. Ш., Красина И. В., Гасилов В. С., Тучкова О. А. и Хайруллина Л. И., конструкции и методы условно принято разделять на две группы: калориметрические и радиометрические. В калориметрических методах экспериментально измеряемая температура фактически фиксирует приращение энтальпии датчика в процессе нагрева 4. Таким образом, калориметрия пригодна для измерения интегрального потока или средней облученности, но не дает информации о распределении ее во времени и пространстве. В радиометрических методах конструкция датчика и метод измерения позволяют по экспериментальным измерениям определять динамику изменения плотности теплового потока.

Пожарно-технические характеристики материалов, такие как температура вспышки, температура самовоспламенения, критическая температура термоокислительной деструкции, скорость потери массы при горении материалов не являются физико-химическими константами, а сильно зависят от условий испытаний и истории развития образца.

Когда реальный крупный пожар происходит в основном в замкнутых пространствах, тепловой поток играет значительную роль в распространении огня, особенно радиации. Для определения критического теплового потока для воспламенения материалов использовались крупногабаритные и различные лабораторные испытания. В настоящее время наиболее часто используемый метод испытаний основан на принципе потребления кислорода при горении, а источник зажигания электрически нагревается коническим нагревателем.

Так, в исследовании влияниетепловогопотока на самовоспламенение ориентированной доски стренги, ученые Словацкого технологического университета в Братиславе Б. Кароль и Х. Зигфрид, использовали размеры образцов плит OSB (165 х 165 х 8) мм, (165 х 165 х 14) мм и (165 х 165 х 25) мм. Выбранные материалы доски были кондиционированы при комнатной температуре 23 °С ± 2 °С и при относительной влажности воздуха 50 ± 5 % 7.

В эксперименте использовалась вертикальная электрорадиационная панель (VERB), нагреваемая электрическими катушками (Рис. 2). Эта панель нагревается электрическими катушками и имеет размеры 345 мм × 515 мм.

Рис. 2. Вертикальная панель электрического излучения с радиометром

Вертикальная электрическая излучающая панель питается от электрической сети напряжением 400 В, а электрическая мощность излучателя может управляться с помощью трех автоматических выключателей. Выход излучателя можно регулировать в диапазоне 5 кВт, 10 кВт и 15 кВт. Образец крепится к вертикальному носителю образца.

Плотность теплового потока на выбранном расстоянии проверялась с помощью радиометра SBG01–200 в соответствии с ISO/DIS 14934 ^–4 . Этот радиометр предназначен для измерения теплового потока до 100 кВт⁄м ² .

Установка измерителя теплового потока на образец: когда измеритель теплового потока устанавливается в образец OSB, в образце просверливаются отверстия для размещения корпуса измерителя теплового потока.

В таблице 1 приведены измеренные значения теплового потока для выбранного выхода излучения на расстоянии 50 мм от источника излучения.

Выходное влияние электронагреваемой радиационной панели на уровень теплового потока на постоянном расстоянии от испытуемых образцов

По результатам эксперимента были сделаны выводы, что первая стадия термодеструкции исследуемая методом тг анализа начинается при 150 °С и заканчивается при 380 °С. В этом интервале наибольшая потеря веса образцов составила 66,72 %. Вторая стадия термодеструкции начинается при температуре 380 °C и заканчивается при температуре 486 °C. Термическое разложение образцов OСБ происходило в два этапа. На первом этапе наибольшая скорость разложения ОСБ была при 326,7 °С, а на втором-при 450,3 °с (Рис. 3).

Рис. 3. Кривые тг и ДТГ образца ОСП (скорость нагрева 10 °С мин ⁻¹ и расход воздуха 200 мл ∗ мин ⁻¹ )

Результаты ДСК приведены на рис. 6. Экзотермическое разложение образца OSB при скорости нагрева 10 °С мин ⁻¹ происходило от 220 °С и продолжалось до 560 °С. Температура, при которой происходила максимальная скорость тепловыделения образца ОСП в воздухе, составляла 356 °С. Второй пик пришелся на 486,2 °С. Изменение энтальпии реакции образца ОСП составило 9663,7 Дж, а ΔH составлял 51,701 Дж.

Рис. 4. ДСК-кривая термического разложения ОСП в динамическом потоке воздуха

Для каждого теплового потока 31 кВ ∗ м ⁻² , 44 кВ ∗ м ⁻² и 53 кВ ∗ м ⁻² авторами были проведены семь измерений для определения времени до пламенного воспламенения образцов ОСП толщиной 8 мм, 14 мм и 25 мм. Расстояние от поверхности электрообогреваемого излучателя до поверхности образца было постоянным 50 мм. Установлено, что при подаче теплового потока 31 кВ ∗ м ⁻² на поверхности образцов не происходит горения пламени менее чем за 10 минут. При таком режиме тепловая нагрузка генерирует на поверхностях обогащенный углеродный слой. Кроме того, при использовании образцов OSB толщиной 8 мм, 14 мм и 25 мм тепловой поток был недостаточен для воспламенения образцов и наблюдался только процесс тления. На поверхности образовался сплошной слой углерода (Рис. 5).

Рис. 5. Образцы ОСБ подвергается воздействию теплового потока от 31 кВ ∗ м ⁻² на 10 минут. (слева толщина образца: 8 мм, 14 мм, 25 мм)

Далее в следующем эксперименте была увеличена интенсивность теплового потока до 44 кВ ∗ м ⁻² . Все образцы при тепловом потоке 44 кВ ∗ м ⁻² воспламенялись и в ходе экспериментов происходило пламенное горение. Среднее время до воспламенения для образца толщиной 8 мм составило 69 секунд, для образца толщиной 14 мм время до воспламенения снизилось до 56 секунд. На рис. 5 показан режим горения для выбранного теплового потока 44 кВ ∗ м ⁻² . При использовании теплового потока 44 кВ ∗ м ⁻² образец толщиной 25 мм имеет время самовоспламенения 61 сек. Образцы OSB демонстрируют прочную поверхность деградации с образованием углеродного слоя на поверхности. На первой стадии деградация обусловлена пламенным горением, а на второй — разложением при беспламенном горении (рис. 6–7).

Рис. 6. Эксперимент по воспламеняемости плиты OSB толщиной 25 мм при тепловом потоке 44 кВ ∗ м ⁻²

Рис. 7. Образцы ОСБ при воздействии теплового потока 44 кВт.м ² на 10 минут. (слева: 8 мм, 14 мм, 25 мм)

При тепловом потоке 53 кВ ∗ м ⁻² в ходе эксперимента каждый образец самовоспламенялся. Рисунки 10–11 показывают режим горения для выбранного теплового потока 53 кВ ∗ м ⁻² .

Рис. 8. Эксперимент по воспламеняемости плиты OSB толщиной 25 мм при тепловом потоке 53 кВт.м ^–2

Среднее время самовоспламенения платы 8 мм ОСБ при тепловом потоке 53 кВ ∗ м ⁻² составило 61 с. Большая разница (13 секунд) была даже измерена между образцами 14 мм и 25 мм. Можно предположить, что толщина образцов оказывает существенное влияние на время самовоспламенения. На рис. 9 показаны образцы плит ОСБ (толщиной 8 мм, 14 мм и 25 мм), подвергнутые воздействию теплового потока мощностью 53 кВ ∗ м ⁻² до включения пламени горения.

Рис. 9. Образцы ОСБ воздействию теплового потока 53 кВ ∗ м ⁻² на 10 минут. (слева: 8 мм, 14 мм, 25 мм)

В заключение можно отметить, что на время воспламенения и огневое поведение образцов влияет их толщина, однако решающее значение имеет величина теплового потока.

Три стадии процесса горения — пиролиз, горение и окисление — тесно взаимосвязаны.

Проведенные исследования ясно показывают, что время самовоспламенения образцов ОСБ сильно зависит от плотности теплового потока и ориентации образца. Результаты, полученные с помощью радиометрических методов, очень полезны при анализе пожарной опасности. Поэтому дальнейшие исследования параметров воспламенения, типа излучателя, наличия пилотного пламени и времени тепловой нагрузки были бы полезным продолжением для уточнения образцов и процесса горения в начальной фазе пожара.

Литература:

1. Бабраускас В. Справочник по зажиганию: принципы и приложения к технике пожарной безопасности, расследованию пожаров, управлению рисками и криминалистике. — Issaquah: Fire Science Publishers, 2003. — viii, 1116 с.
2. Геращенко О. А. Теоретические и прикладные вопросы теплометрии: дис. … д-ра техн. наук: 01.04.14 / Геращенко Олег Аркадьевич. — К.: ИТТФ АН УССР, 1969. — 170 с.
3. Декуша Л. В. Средства теплометрии на базе термоэлектрических преобразователей теплового потока: дис. докт. техн. наук: 05.11.04 / Декуша Леонид Васильевич. Львов, 2016. — 495 с
4. Еналеев Р. Ш., Красина И. В., Гасилов В. С., Тучкова О. А., Хайруллина Л. И. Измерение высокоинтенсивных тепловых потоков // Вестник Казанского технологического университета. 2013. № 15. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/izmerenie-vysokointensivnyh-teplovyh-potokov (дата обращения: 05.05.2022).
5. Крутолапов А. С., Чешко И. Д. Огнепреграждающие сеточные экраны для защиты технологического оборудования нефтегазопроводов// Вестник Санкт-Петербургского университета государственной противопожарной службы МЧС России. — 2014. — № 1. — С. 67–72.
6. Радиометр для измерения плотности высокоинтенсивных тепловых потоков и метод его калибровки / А. В. Шарков, В. А. Кораблев, А. С. Некрасов, Д. А. Минкин, С. В. Фадеева // С.-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, С.-Петербург, Россия Электронный ресурс https://naukarus.com/ (Дата обращения 05.05.2022).
7. Siegfried H., Karol B (2017). The effect of the heat flux on the self-ignition of oriented strand board, slovak university of technology in bratislava