Диссертация (Огнестойкость ограждающих деревянных легких каркасных конструкций с полимерной теплоизоляцией), страница 8

Если в рассматриваемых условиях внешнего теплового воздействия глубина прогрева, δ, меньше физической толщины материала L (т. Е. δ/L<1), то этот образец проявляет себя как термически толстый. Промежуточное поведение материаламежду термически толстым и термически тонким наблюдается при соотношении δ/L≈ 1 [56].Рассмотрим подробно происходящий процесс тепловыделения при горении образцов древесины.Начальный этап нагрева древесины связан с выделением физически сорбированной влаги, сушкой древесины и нагревом ее до воспламенения.

Продолжительность стадии до воспламенения древесины незначительна и существенно зависит оттеплофизических свойств древесины и плотности внешнего теплового потока. Длятермически толстых образцов решением одномерного уравнения теплопроводностиполучена следующая функциональная зависимость времени задержки воспламенения tign (с) [56]:в  с(Т в  Т 0 )24q 2 e(3.2)где λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м×К; ρ – плотность, кг/м3; c – удельная теплоемкость материала, Дж/кг×К; Тв и То – температура поверхности в моментвоспламенения и окружающей среды соответственно, oC; qe – плотность внешнегорадиационного теплового потока, кВт/м2.Результаты показывают, что при qe = 20 кВт/м2 время задержки воспламенения46образцов дуба составляет 20–25 с, сосны — 10 с.При дальнейшем нагреве происходит воспламенение древесины и наблюдаетсязначительное возрастание скорости тепловыделения, связанное с активным термоокислительным разложением и горением продуктов разложения основных составляющих древесного комплекса.

Термоокислительное разложение древесины имеетярко выраженный экзотермический характер и сопровождается как выделением летучих горючих продуктов разложения, так и образованием остатка. Максимальное значение 1–го пика СТВ соответствует активному образованию кокса на поверхности древесины. Дальнейшая интенсификация пламенного горения древесного материала приводит к постепенному наращиванию толщины обуглероженного слоя и замедлениювыхода горючих продуктов термодеструкции. Уменьшение скорости поступления горючих продуктов разложения древесины в газовую фазу в определенный момент приводит к переходу из режима газофазного пламенного горения древесины в режим гетерогенного горения образующегося кокса.

Этот период соответствует появлению 2–гопика на кривых тепловыделения. Он характеризуется окислительными процессами коксового слоя, обладающего высокими энергетическими показателями.Наличие двух пиков на кривых с более высокой интенсивностью тепловыделенияна второй стадии для всех разновидностей древесины типично. Однако, внимательноерассмотрение древесины разных пород, выявляет их заметные различия в динамикетепловыделения.Например, максимальная скорость тепловыделения, регистрируемая для 2–го пика, у образцов древесины сосны меньше, чем у образцов древесины дуба, что связано соструктурой и свойствами кокса.

Указанная характеристика при горении древесины дубасоставляет 228 кВт/м2 за 362 с, сосны — 159 кВт/м2 при qe = 20 кВт/м2.47При проведении испытаний по определению влияния внешнего теплового потоканахарактеристикитепловыделенияпригоренииразныхпороддревесиныиспользовались предварительно высушенные образцы. Результаты определенияхарактеристик тепловыделения при горении разных образцов древесины (Таблица 3.1).Таблица 3.1 – Влияние плотности теплового потока на характеристики тепловыделения при горении разных пород древесиныτ2мак,сСТВ2макс,кВт/м2ОТВ2мин /ОТВ9 мин,кВт×мин/м294,8131,2143,5279195159202,1233,2256,1142,5218,2/851270,240202098,2129,0137354276247159,3203,5247,3128,8180,6/894202,01730136300274185/101120355223,3105635340104,9157,7199,0284215184321,9400,5459,6149,3279,9/1285377,22035522013,610673330100,9131,3161,6362281246227,7245,1312,0127,1198,0/1035261,6Образецρ,кг/м3qe,кВт/м2τ1всп,сτ1макс, СТВ1максскВт/м2Ель3952035521094403020Сосна4622035521064Лиственница56835Береза573Дуб629Образцам древесины хвойной породы присущи меньшее время воспламенения,меньшие значения максимальной скорости тепловыделения на первой стадии про-48цесса, более быстрое ее достижение по сравнению с образцами лиственной породы.У древесины хвойной породы менее продолжителен участок стабильного процессатепловыделения между двумя пиками, особенно заметный при низкой плотноститеплового потока 20 кВт/м2.

Продолжительность этого стабильного участка снижается, а интенсивность пиков растет с увеличением плотности внешнего потока с 20до 52 кВт/м2.Более высокая энергетика при горении лиственных пород древесины (березы,дуба) по сравнению с хвойными, связана с их химическим составом, объемной массой, свойствами образующегося кокса.Известно, что химический состав древесины хвойных и лиственных пород значительно различается, в частности, - по содержанию основных компонентов материала – целлюлозы, лигнина, экстрактивных веществ и гемицеллюлоз.

Объемная масса(кажущая плотность ρ) древесины определяется особенностями строения древеснойткани, межклеточного пространства и структуры материала и является более высокой для древесины лиственных пород.Различие в значениях СТВ2макс, по-видимому, обусловлено различиями в толщине коксового остатка, пористости кокса, скорости его окисления и экзотермикиокисления коксовых остатков.При увеличении плотности внешнего радиационного теплового потока при горении разных пород древесины в ходе испытаний наблюдается увеличение максимальной скорости тепловыделения (Рисунок 3.3, 3.4). Время достижения максимумаскорости тепловыделения снижается.Интенсивность тепловыделеня, кВт/м2.495003240030012001000060120180240 300Время,с.360420480 540рис.5.Влияние плотности внешнего теплового потока на тепловыделение.1).

Береза, 20 кВт/м 2).Береза,35 кВт/м 3). Береза, 52 кВт/м .Рисунок 3.3 – Изменение тепловыделенияпри горении образцовберезы в зависимостиот плотно222Интенсивность тепловыделения, кВт/м2сти внешнего теплового потока: 1 — 20 кВт/м2; 2 — 35 кВт/м2; 3 — 52 кВт/м230032502120015010050060120180240300360420480540Время,срис.6. Влияние плотности внешнего теплового потока на тепловыделение.Рисунок 3.4 – Изменениетепловыделенияобразцовелизависимостиот плотности2 3).Ель,21). Ель,20 кВт/м2 2).приЕль,горении35 кВт/м52вкВт/мвнешнего теплового потока: 1 — 20 кВт/м2; 2 — 35 кВт/м2; 3 — 52 кВт/м250По результатам измерений общего тепловыделения за все время эксперимента(9 минут) и на основе данных о потере массы за этот период рассчитаны значенияэффективной теплоты сгорания образцов древесины:Qэф = ОТВτ/(m0 – mк),(3.3)где ОТВτ – общее тепловыделение за время испытания (9 минут);m0 – начальнаямасса исследуемого образца, г;mк – масса исследуемого образца по окончании эксперимента, г.Сравнение со значениями низшей теплоты полного сгорания дает возможностьопределить коэффициент полноты сгорания древесины при соответствующей плотности внешнего теплового потока (Таблица 3.2).Таблица 3.2 – Эффективная теплота сгорания и коэффициент полноты сгорания пригорении образцов древесины разных видов (q = 35 кВт/м2)Разновидность древесиныQэф, кДж/гСосна16,22Ель19,1Береза16,18Дуб15,00Болеевысокимизначениями, кДж/г19,6218,918,0818,66эффективнойтеплотыη0,830,980,890,83сгорания обладаетдревесина хвойных пород по сравнению с древесиной дуба.Древесина березы занимает особое положение по этим показателям, что такжесогласуется с другими характеристиками (скоростью тепловыделения на основныхстадиях горения).

Можно полагать, что сказанное связано с особенностями51структуры и химическим составом березы (большим количеством экстрактивныхвеществ).На рисунке 3.5 показано влияние влажности древесины W на динамику тепло-Интенсивность тепловыделения, кВт/м2.выделения в ходе ее горения при внешнем тепловом потоке 35 кВт/м2.Рисунок50014003300220041000060120180240 300 360 420 480 540Время,срис.7.Влияние влажности древесины. на тепловыделение при горении2.образцовберезыиелиприплотностивнешнего тепловогопотока35 кВт/мдревесины3.5 – Влияние влажности W на тепловыделениепри горенииобразцов1).Береза,W=7% 2).Ель,W=7% 3).Береза,W=14% 4).Ель,W=14%.(qe = 35 кВт/м2): (1,3 –образцы березы с влажностью 5 и 14 %; 2,4 – образцы елис влажностью 4,5 и 14 %)При повышении влажности древесины независимо от ее разновидности наблюдается снижение скорости тепловыделения в ходе испытаний; наряду с этим времядостижения максимального значения скорости тепловыделения увеличивается.Существенное влияние влажности древесины на динамику тепловыделения приее горении указывает на то, что на первых этапах нагрева происходит неполноеулетучивание влаги из пор древесины.Представляло интерес сравнить характеристики тепловыделения при горениидревесины в условиях радиационного теплового воздействия qe=35 кВт/м2 сналичием и без локального пилотного источника (ЛИП) зажигания (в режиме52самовоспламенения).Результатыиспытанийпригорениивертикальнорасположенных образцов древесины различных пород представлены в таблице 3.3Таблица 3.3 – Влияние ЛИП на характеристики тепловыделения при горении образцов древесиныОбразецОсинаЛиственницаДубБерезаτВ, τСВ*,с.10/20*20/30*20/40*20/24*ОТВ9мин/ ОТВ*, 9мин,кВт×мин/м2993/9301011/9551354/12181285/1235Примечание: * - отсутствует ЛИП.Для всех исследуемых образцов древесины возникновение пламенного горенияв случае использования дополнительного локального источника поджига –пламенной горелки наблюдается быстрее, чем в режиме самовоспламенения.