Czynniki wpływające na rozprzestrzenianie tlenia

W ostatnich latach nastąpił wzrost zainteresowania mechanizmem, który przyczynia się do rozprzestrzeniania tlenia. Ważnym elementem tego procesu jest szybkość przenoszenia ciepła do frontu strefy czynnego spalania. Podstawowym równaniem opisującym to zjawisko jest [P.

Furmański, T. Wiśniewski, Projekt elementów układu do badań termicznego rozkładu próbek materiału]:

V = q” / ρ∆h

Gdzie:

V- jest szybkością rozprzestrzeniania tlenia;

q”- jest strumieniem energii padającym na próbkę;

ρ- jest masową gęstością paliwa;

∆h- jest entalpią procesu

Równania tego można używać do oceny rzędu wielkości szybkości rozprzestrzeniania się frontu spalania bezpłomieniowego. Przyjmując, że temperatura zapłonu nie różni się zbytnio od maksymalnej temperatury w Strefie II Tmax wtedy:

∆h = c ( Tmax – T0 )

gdzie:

c- jest pojemnością cieplną paliwa

T0- jest temperaturą otoczenia

Jeżeli przyjmie się także, że przenoszenie ciepła ze Strefy II do Strefy I odbywa się na drodze przewodnictwa a układ jest w stanie ustalonym to:

k( T

− T )

1

max

0

V ≈

•

x

ρ (

c T

− T )

max

0

k

1

α

V ≈

• =

c

ρ

x

x

gdzie: k- przewodność cieplna paliwa

α- dyfuzyjność cieplna paliwa

x-

odległość na którą ciepło jest przenoszone

x

Oryginalne

Zwęglenie /

paliwo

popiół

T0 Tmax.

Kierunek rozprzestrzeniania.

Rys. 1. Model przenoszenia ciepła dla rozprzestrzeniającego się tlenia [D. Drysdale, An Introduction to Fire Dynamics, J. Wiley & Sons LTD].

Pomimo, że obliczenia dokonane przy użyciu tego modelu dają poprawny rząd wielkości szybkości rozprzestrzeniania tlenia (V), to jest on niedokładny. Według tego modelu szybkość rozprzestrzeniania będzie niezależna od maksymalnej temperatury w Strefie II, chociaż wiadomo, że jest to nieprawda. W środowisku o zwiększonym stężeniu tlenu następuje znaczny przyrost szybkości rozprzestrzeniania tlenia co jest związane ze wzrostem temperatury w Strefie II. Na rozprzestrzenianie warstwy tlenia poza obszar zainicjowania spalania zdecydowanie wpływają warunki dopływu tlenu. Jeśli zapalenie nastąpi głęboko wewnątrz warstwy miałkiej (trociny, pyl węglowy) będzie wolno rozprzestrzeniało się do najbliższej wolnej przestrzeni z szybkością określoną przez szybkość dyfuzji tlenu przez warstwę. Kiedy strefa zwęglenia osiągnie wolną przestrzeń, tlenie będzie się gwałtownie rozwijać w tym rejonie dzięki lokalnym dopływom tlenu powodowanym przez dyfuzję i konwekcję. Przy badaniu zależności procesów samopodtrzymującego się tlenia od dopływu tlenu, ważne jest rozpatrzenie kierunków. Konieczne jest odróżnienie układów jednokierunkowych od wielokierunkowych, a następnie określenie czy zwęglanie następuje w tym samym, czy w przeciwnym kierunku niż kierunek ruchu tlenu [D. Drysdale, An Introduction to Fire Dynamics, J. Wiley & Sons LTD].