Spalanie sta

Spalanie sta

ł

ł

ych materia

ych materia

ł

ł

ó

ó

w

w

palnych

palnych

Szkoła Główna Służby Pożarniczej

dr Marzena Półka

SPALANIE CIAŁA STAŁEGO

W warunkach pożarowych zazwyczaj spalają się materiały

stałe.

Materiał palny w stałym stanie skupienia może 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
użytkowe właściwości mechaniczne.

Stabilność termiczna polimerów wiąże 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 nadwyżka ciepła jest dostarczona aby
spowodować

podwyższenie

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, niż zapłon produktów rozkładu
termicznego i spalania, ponieważ wymagana jest większa
temperatura powierzchni materiału.

Pod

wpływem

oddziaływania

zewnętrznego

strumienia

promieniowania ciepła możliwe jest, pochłanianie tegoż
promieniowania przez produkty gazowe, które może przyczyniać
się do obniżenia 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 niż

materiałów o niskim C

p.

Np. tworzywa sztuczne
Ciepło właściwe charakteryzuje dany materiał pod kątem ilości
ciepła, jakie w czasie ogrzewania może on zmagazynować i jak
długo może 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

może przepłynąć przez przegrodę budowlaną.

Duże znaczenie w procesie przepływu strumienia ciepła przez
materiał odgrywa też 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 drążone

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, że ciepło
jest przekazywane o wiele szybciej niż 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 niższą 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 dużej gęstości

450

Bawełna

Maksymalna wartość szybkości wydzielania

ciepła [kW/m

2

]

Materiał polimerowy