Попытка объяснений возможных механизмов горения древесины под воздействием электрического поля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России

Попытка объяснений возможных механизмов горения древесины под воздействием электрического поля

Кропотова Наталья Анатольевна

В данной статье приведен один из альтернативных способов бесконтактного тушения пламени воздействием электрического поля. Предлагается один из разработанных и внедренных в практику способов манипулирования пламенем вплоть до его исчезновения.

Похожие материалы

· Технические характеристики огнезащитного покрытия стали

· Концептуальные основы моделирования адаптивных систем обучения

· Аналитический обзор аналогов автономного электроснабжения

· Очистка водных сред от ионов тяжелых металлов модифицированным кератином шерсти

· Способы получения нетканых материалов нового поколения

Задолго до возникновения современной химии и химической технологии люди владели многими стихиями, проявляли возможности к управлению природных явлений. К таким относится огонь.

Горение древесины - первая химическая реакция, использованная человеком. Возможность обогреться у костра в холодную погоду, приготовить на огне пищу сыграла огромную роль в развитии человеческой культуры. Огонь дал возможность возникновения первых ремесел, керамического и металлургического. Вылепленные из глины изделия обжигались при высокой температуре, в пламени костров плавились самородные металлы, а позднее и восстанавливались металлы из окисленных руд углеродом топлива. древесина электроогневой тушение пожар

Горение некоторых веществ можно определить по цвету дыма, хотя цвет его для одного и того же вещества может изменяться от условий горения. При горении древесины получается серовато-черный дым, а при горении бумаги, сена, соломы - беловато-желтый.

Максимальная средняя температура на пожаре при горении древесина уступает лишь натуральным каучукам - природным высокомолекулярным соединениям. При горении древесины сгорают в основном продукты разложения (известно, что в первой стадии выделяется почти 60% от всего выделяющегося при горении тепла), теплотворная способность которых ниже, чем у природных полимеров.

Рассмотрим влияние некоторых факторов на горение древесины. Твердые вещества в зависимости от формы и объема имеют различное отношение поверхности к объему. В связи с этим скорость восприятия ими тепла, а следовательно, и скорости нагрева, разложения и горения также различны и зависят от этого соотношения. Чем больше у твердого вещества величина отношения поверхности к объему, тем быстрее оно воспламеняется и с большей скоростью горит. Изменение величины потери веса при горении деревянных брусков различного поперечного сечения происходит по разному и имеет некоторую характерную зависимость, поскольку изменение потери веса материала можно принять как изменение скорости горения его. Наибольшую скорость выгорания имеет брусок размером 1Ч1Ч10 см - отношение поверхности к объему у него равно 4,02. Наименьшую скорость выгорания имеет брусок размером 4Ч4Ч10 см у него отношение поверхности к объему равно 1. Это подтверждается и практикой пожаротушения, которая показывает, что бревенчатые стены горят с меньшей скоростью, чем каркас. Одной из самых распространенных причин пожара является неосторожное обращение с огнем. Часто эта неосторожность становится небрежностью при курении, неосторожном пользовании приборами освещения с открытым пламенем особенно на чердаках, складских помещениях и других хозяйственных постройках. Пожар может возникнуть и от костра, если он разложен вблизи строений, и не столько от пламени костра, сколько от искр, которые летят по ветру при сжигании мусора, сухой травы, остатков строительных материалов и т.д. Поскольку реакция горения древесины многостадийна, поэтому все зависит от компонентов которые подвержены горению, а значит зависит полностью от состава горючего материала - древесины, а для этого рассмотрим сам процесс горения древесины.

Древесина, как правило, образована молекулами целлюлозы (рис. 1) - С6Н10О5 и лигнина (рис. 2) - сложного ароматического полимера, входящего в состав наземных растений (структурной единицей всех видов лигнина является фенилпропан (C9H10).

Рисунок 1. Химическая структура целлюлозы. Рисунок 2. Химическая структура мономера лигнина.

Горение древесины может протекать сразу в двух режимах - гомогенном и гетерогенном. Поэтому при горении древесины можно выделить две фазы:

1. гомогенное (то есть пламенное) горение газообразных продуктов разложения;

2. гетерогенное горение образовавшегося твердого углеродистого остатка.

Горению предшествует фаза нагрева поверхности, при которой начинается пиролиз - процесс разложение древесины при нагревании. При этом образуются газообразные и жидкие (в том числе древесная смола) продукты, а также твердый остаток - древесный уголь. В основе пиролиза древесины лежат свободнорадикальные реакции термодеструкции гемицеллюлоз, целлюлозы и лигнина, протекающие соответственно при 200-260, 240-350 и 250-400 °C.

Пиролиз древесины - экзотермический процесс, при котором выделяется большое количество теплоты (1090 - 1150 кДж/кг). Если пиролиз протекает без доступа воздуха, то при повышении температуры до 170 °C из древесины выделяется вода, при температуре от 170 до 270 °C начинается разложение древесины и при 270-280 °C происходит энергичное обугливание древесины с бурным выделением тепла. С 280 до 380 °C идет главный период сухой перегонки с выделением жидких веществ - уксусной кислоты, метилового спирта, скипидара и легкой смолы. Перегонка практически заканчивается при температуре 430 °C с образованием черного угля (примерно в количестве 19 % от веса сухой древесины). Газообразные продукты (неконденсирующиеся газы) при пиролитическом разложении древесины без доступа воздуха включают диоксид (45- 55 % по объему) и оксид (28-32 %) углерода, водород (1-2 %), метан (8- 21 %) и другие углеводороды (1,5-3,0 %). Но так как пламенное горение, которые мы использовали, - это процесс, идущий только при доступе воздуха в зону горения, то и состав продуктов пиролиза в этом случае будет отличаться. В целом можно спрогнозировать обогащение зоны горения также и парами жидкофазных продуктов пиролиза, снижение содержания СО2 за счет разбавления зоны горения воздухом, а также наличие газообразных продуктов пиролиза в концентрациях между нижним и верхним концентрационным пределом воспламенения.

Стадия пламенного горения занимает достаточно короткий промежуток времени, но при этом выделяется около 55-60 % всей энергии. Скорость же гетерогенного горения определяется скоростью поступления воздуха к поверхности. Часто гетерогенное горение называют тлением.

Тление - это беспламенное горение волокнистых и пористых материалов, которые при нагревании образуют твердый углеродистый остаток. Это особый режим горения, когда образующиеся в результате пиролиза горючие газы не горят, а происходит только гетерогенное горение углеродистого остатка (поверхностное окисление). Тление может происходить и за счет кислорода воздуха, и за счет кислорода, содержащегося в порах и химической структуре материала. К материалам, которые могут тлеть, относится широкий спектр материалов растительного происхождения (бумага, целлюлозные ткани, опилки), латексная резина, некоторые виды пластмасс (пенополиуретан, пено-фенопласты). Материалы, которые могут плавиться или при разложении давать мало углеродистого остатка, не способны к тлению.

По своей природе процесс горения является химической реакцией между горючим веществом и окислителем, которая протекает с выделением тепла. Часть тепла расходуется в зоне химических реакций на нагрев продуктов горения, часть - передается в окружающую среду, часть - идет на нагрев горючих материалов и поддержание горения.

Для тушения твердых горючих материалов необходимым условием также является ликвидация факела пламени. Однако при горении их, как правило, образуется прогретый слой значительной толщины. В этом слое накапливается тепло, запас которого может быть достаточен для продолжения выделения газов со скоростью, необходимой для образования над поверхностью горючей смеси после ликвидации пламени.

В последнее время внимание исследователей привлекает электроогневая технология тушения пожаров, которая рассматривалась академиком В.Д. Дудышевым [3].

Нам представилась возможность проведения исследования поведения пламени горящей древесины при воздействии электрического поля. Новый метод воздействия на пламя горящей древесины вплоть до его исчезновения состоит в воздействии на пламя сильным импульсным электрическим полем с напряженностью от 3 до 8 кВ/см. Физическая сущность предложенного способа состоит в том, что любое пламя ионизировано, а значит с помощью электричества можно управлять горением, в частности тушить пламя. Опыты показали, что электрическое поле даже малой мощности может тушить пламя на безопасном для человека расстоянии. Вследствие воздействия электромагнитного поля с помощью портативного электрода, защищенного стеклокерамикой, оказалось возможным разделение между источником пламени и его зоной горения за счет генерирования потока ионов. Поскольку источник пламени и зона горения оказались в разных точках пространства, горение прекратилось. Воспроизводимость данного эксперимента осуществляется только на деревянных моделях (брусках) в десятки квадратных сантиметров. Достоинства данного метода хороши, если его применять для эвакуации людей для отклонения огромных языков пламени для создания прохода в сплошных полосах огня. Может эффективно применяться в качестве принципиально нового эффективного средства для бесконтактного тушения пламени.

Так, сильное электрическое поле (до 30 кВ) формируемое модульной установкой, скорее всего, влияет на заряженные частицы внутри пламени (сажу, образованную на поверхности древесины, ионы и электроны) и заставляет их перемещаться. А эти заряженные частицы, в свою очередь, влияют на потоки газа в пламени, нарушают его стабильность и в финале отделяют пламя от его источника (древесины).

Тушить возгорания при помощи новой технологии можно будет издалека. А это не только обезопасит пожарных, но и избавит спасателей от необходимости в подводе воды и прочих материалов к месту пожара. Или, во всяком случае, традиционных средств пожаротушения потребуется меньше, чем раньше.

Список литературы

1. Беляев, С.В. Низкотемпературная плазма (пламя): возникновение, развитие и исчезновение (ликвидация). / С.В. Беляев, Н.А. Кропотова, О.Е. Сторонкина, А.А. Разумов. // Материалы VI Международной научно-практической конференции «Пожарная и аварийная безопасность объектов», Иваново, ИвИ ГПС МЧС России, 2011. - Стр. 241-244.

2. Дудышев, В.Д. Новая электроогневая технология экологически чистого горения. // Журн.Новая Энергетика, №1. 2003.

Размещено на Allbest.ru