Spalanie sta
Spalanie sta
ł
ł
ych materia
ych materia
ł
ł
ó
ó
w
w
palnych
palnych
Szkoła Główna SłuŜby PoŜarniczej
dr Marzena Półka
Spalanie sta
Spalanie sta
ł
ł
ych materia
ych materia
ł
ł
ó
ó
w
w
palnych
palnych
Szkoła Główna SłuŜby PoŜarniczej
dr Marzena Półka
SPALANIE CIAŁA STAŁEGO
W warunkach poŜarowych zazwyczaj spalają się materiały
stałe.
Materiał palny w stałym stanie skupienia moŜe spalać się
płomieniowo i/lub bezpłomieniowo.
ciało stałe
ciecz
para
sublimacja
topnienie parowanie
topnienie rozkład
parowanie
rozkład rozkład
topnienie parowanie
rozkład + parowanie
gazy
niepalne
energia cieplna wydzielona z płomienia
i przekazana do materiału palnego
materiał
palny
rozkład
termiczny
-Q
1
(proces
endotermiczny)
gazy
palne
produkty
ciekłe
zw
ę
glona
pozostało
ść
zapalenie mieszaniny
gazowej
powietrze
powietrze
tlenie
płomie
ń
produkty
spalania
+Q
1
(proces
egzotermiczny)
SPALANIE CIAŁA STAŁEGO (zazwyczaj) JEST
POPRZEDZONE:
•1.
ogrzewaniem materiału
O charakterystyce cieplnej ciała stałego stanowi w tym etapie
decyduje: odporność cieplna (wytrzymałość termiczna).
Odporność cieplną określa się poprzez podanie maksymalnej
temperatury ciała stałego, w której zachowuje on jeszcze swoje
uŜytkowe właściwości mechaniczne.
Stabilność termiczna polimerów wiąŜe się ściśle z ich budową
chemiczną, a przede wszystkim z energią wiązań pomiędzy
atomami
tworzącymi
makrocząsteczkę
i
czynnikami
„makroskopowymi”.
Długotrwała stabilność termiczna „klasycznych „ polimerów nie
przekracza na ogół 130
o
C.
>180
Poliimidy
180
Poliestroimidy
155
Poliestry arylowe
polisulfony
130
Poliwęglan
Poli(tereftalan etylenu)
120
śywice epoksydowe
Estry celulozy
105
Poliamid
Kauczuk butylowy
90
Bawełna
Maksymalna temperatura odporności
cieplnej
[
o
C]
Rodzaj tworzywa polimerowego
2. jego rozkładem termicznym bądź pirolizą
Termostabilność określa temperatura, w której rozpoczyna
się destrukcja chemiczna ciała stałego.
Rozkład
termiczny
czy
piroliza
jest
procesem
endotermicznym i nieodwracalnym.
3. zapaleniem
Inicjacja spalania płomieniowego
zapłon pilotowy
samozapłon
samozapalenie
(wymuszony) (zapalenie, zapłon wymuszony) (samoistny)
•
m
E
Q
′′
&
L
Q
′′
&
φ
Zap
Zap
ł
ł
on pilotowy materia
on pilotowy materia
ł
ł
ó
ó
w
w
sta
sta
ł
ł
ych
ych
:
:
ciągły (ustalony)
zapłon chwilowy (nietrwały)
gdzie:
-
maksymalny (ułamek) ciepła spalania zawracany do
powierzchni materiału;
-
ciepło spalania [kJ/kg];
-
ciepło gazyfikacji materiału [kJ/g];
-
krytyczny strumień masy produktów lotnych tworzony z
materiału palnego, decydujący o spalaniu [kg/s];
-
gęstość zewnętrznego strumienia ciepła [kW/m
2
];
-
gęstość
strumienia ciepła traconego (straty ciepła)
[kW/m
2
].
(
)
S
Q
Q
m
L
H
L
E
cr
V
C
=
′′
−
′′
+
′′
⋅
−
∆
⋅
&
&
&
φ
φ
C
H
∆
V
L
cr
m
′′
&
E
Q
′′
&
L
Q
′′
&
Spalanie ciągłe (ustalone)
będzie rozwijać się po zapaleniu
palnych produktów gazowo-parowych tylko, jeśli S > 0 tzn.
jeśli wystarczająca nadwyŜka ciepła jest dostarczona aby
spowodować
podwyŜszenie
temperatury
powierzchni
materiału.
Konsekwencją tego będzie wzrost szybkości tworzenia palnej
fazy lotnej i wzmocnienie (intensyfikacja) płomienia.
Stabilizacja płomienia
na powierzchni materiału, szybkość
ubytku ciepła z powierzchni materiału po zapłonie produktów
gazowo parowych determinują czy spalanie płomieniowe
będzie ustalone (podtrzymywane).
Warunek zapłonu chwilowego (trwałego) i samozapłonu czy
samozapalenia palnej fazy lotnej
1.
odpowiednia wartość minimalnej temperatury powierzchni
ciała stałego, przy której przepływ gazowo-parowej
mieszaniny (fazy lotnej) jest wystarczający do zapłonu lub
zapalenia (podtrzymania spalania płomieniowego),
2.
krytyczny strumień masy produktów lotnych tworzony z
materiału palnego, decydujący o spalaniu
3.
minimalny strumień ciepła niezbędny do zapalenia palnej
fazy lotnej uzyskanej z materiału stałego.
Materiał:
Krytyczna
wartość
gęstości
strumienia promieniowania ciepła
(kW/m
2
)
Krytyczna
temperatura
powierzchni materiału palnego
(
o
C)
zapłon pilotowy
zapłon
samoistny
zapłon pilotowy
Zapłon
samoistny
‘Drewno’
12
a
28
a
350
b
600
c
płyta wiórowa
28
d
-
-
-
twarda
płyta
pilśniowa
27
d
-
-
-
PMMA
21
d
-
270
e
-
Elastyczny PUF
16
g
-
270
b
-
Polioksymetyle
n
17
g
-
-
-
Polimetylen
12
-
-
-
Polietylen /42%
Cl
22
-
-
-
W przypadku samozapłonu palne produkty gazowo-parowe
ulatniające się z powierzchni palnych ciał stałych mogą ulegać
zapaleniu jeśli mieszanina parowo/powietrzna gdziekolwiek
wewnątrz tworzącego się strumienia masy produktów ma
wystarczająco wysoką temperaturę.
Ten typ zapoczątkowania spalania wymaga większego
zewnętrznego strumienia ciepła, niŜ zapłon produktów rozkładu
termicznego i spalania, poniewaŜ wymagana jest większa
temperatura powierzchni materiału.
Pod
wpływem
oddziaływania
zewnętrznego
strumienia
promieniowania ciepła moŜliwe jest, pochłanianie tegoŜ
promieniowania przez produkty gazowe, które moŜe przyczyniać
się do obniŜenia temperatury powierzchni substancji stałej.
Typ
przekazywania
ciepła
Temperatura powierzchni drewna dla:
samozapłonu
zapłonu pilotowego
Promieniowanie
600 º C
300 – 410 º C
Konwekcja
490 º C
450 º C
Wpływ parametrów fizyko-
chemicznych materiałów na ich
palność
GĘSTOŚĆ
- wielkość określająca masę substancji zawartej w
objętości jednostkowej
Dla substancji jednorodnej:
ς = [kg/m
3
]
dla substancji niejednorodnej w danym punkcie, masa zawarta w
niewielkiej objętości ∆V
ς = [kg/m
3
]
Mała gęstość materiału palnego sprzyja samonagrzewaniu się
materiału wskutek stosunkowo mniejszego przewodnictwa
cieplnego materiału.
Gęstość maleje materiał szybciej się zapala
Np. drewno- gatunki liściaste np. dąb, gatunki iglaste np. sosna
V
m
V
m
∆
∆
CIEPŁO WŁAŚCIWE
– ilość ciepła Q, jaką trzeba dostarczyć do
ogrzania 1kg ciepła aby jego temperatura wzrosła o 1 stopień.
p
C
m
t
Q
⋅
∆
=
Temperatura materiałów o wysokich C
p
wzrasta wolniej niŜ
materiałów o niskim C
p.
Np. tworzywa sztuczne
Ciepło właściwe charakteryzuje dany materiał pod kątem ilości
ciepła, jakie w czasie ogrzewania moŜe on zmagazynować i jak
długo moŜe on to ciepło w sobie utrzymać.
PRZEWODNICTWO CIEPLNE
-Przewodzenie ciepła przebiega na
ogół
zgodnie z prawem Fouriera. Gęstość
przewodzonego
strumienia ciepła jest wprost proporcjonalna do gradientu
temperatury na określonej długości.
n
T
∂
∂
λ
q = -
K
m
W
⋅
Wsp
Wsp
ó
ó
ł
ł
czynnik przewodzenia ciep
czynnik przewodzenia ciep
ł
ł
a okre
a okre
ś
ś
la
la
ilość ciepła, jaka
moŜe przepłynąć przez przegrodę budowlaną.
DuŜe znaczenie w procesie przepływu strumienia ciepła przez
materiał odgrywa teŜ zdolność wewnętrznej części przegrody do
oddawania ciepła do pomieszczenia przez promieniowanie i
konwekcje – op
op
ó
ó
r cieplny
r cieplny
.
2,60
Styropian
2,40
Wełna mineralna
0,33
Płyty gipsowe drąŜone
0,20
Pustak ceramiczny
0,05
Beton zwykły
Opór cieplny [m
2
·K/W]
(przegroda pionowa grubości 10 cm)
Materiał budowlany
Wysoka wartość przewodnictwa cieplnego powoduje, Ŝe ciepło
jest przekazywane o wiele szybciej niŜ byłoby przekazywane
przy niskim przewodnictwie cieplnym.
Wartości λ wybranych materiałów budowlanych (T = 293 K)
K
m
W
⋅
K
m
W
⋅
materiał
λ []
materiał
λ []
stal
45,8
azbest
0,15
Cegła zwykła
0,69
Pianka
poliuretanowa
0,034
Beton
0,8-1,4
Powietrze
0,026
Płyta szklana
0,79
Szkło
organiczne
0,19
dąb
0,17
Sosna
pospolita
0,14
POJEMNOŚĆ CIEPLNA
- jest to iloczyn gęstości, współczynnika
przewodzenia ciepła λ i ciepła właściwego .
P =
[W
2
s/m
4
K
2
]
Im materiał ma niŜszą pojemność cieplną tym szybciej się ogrzewa i
szybciej zapala (mniej ciepła potrzeba do akumulacji wewnątrz
materiału).
λ
ς
•
•
p
C
SZYBKO
SZYBKO
ŚĆ
ŚĆ
WYDZIELANIA CIEP
WYDZIELANIA CIEP
Ł
Ł
A
A
Szybkość wydzielania ciepła jest to ilość ciepła [kJ], która wydziela
się podczas spalania jednostki powierzchni materiału [m2], w
jednostce czasu [s]
310
Drewno
180
Poli(chlorek winylu) nie plastyfikowany
167
Poli(chlorek winylu) plastyfikowany
670
Poli(metakrylen metylu)
1100
Polistyren
1500
Polipropylen
800
Polietylen o niskiej gęstości
1400
Polietylen o duŜej gęstości
450
Bawełna
Maksymalna wartość szybkości wydzielania
ciepła [kW/m
2
]
Materiał polimerowy