Беспламенное горение древесины: обугливание и характеристики тепловыделения

Введение. В работе приводятся результаты исследования двух стадий термоокислительного разложения древесины. Первая стадия термоокислительного разложения относится к пламенному горению, после которой вследствие образования угольного слоя на поверхности древесины пламенное горение переходит к беспламенному. Беспламенный процесс сопровождается не только гетерогенным горением, по меньшей мере происходят три реакции: пиролиз, термоокислительная деструкция древесины и окисление образующегося кокса.
Цель и задачи. Определить показатели обугливания и тепловыделения при воздействии внешнего радиационного теплового потока на образцы хвойной и лиственной породы с применением стандартного кон-калориметра с акцентом на беспламенное горение.
Методы. Характеристики тепловыделения определяли с помощью стандартного проточного калориметра OSU фирмы Atlas (США) при воздействии внешнего радиационного теплового потока 20, 35 и 52 кВт/м². Низшую теплоту полного сгорания у образцов обугленного слоя определяли с помощью бомбового калориметра С-5000.
Результаты. Проведен анализ обугливания и характеристик тепловыделения образцов древесины разных пород толщиной 10 и 25 мм при горении под действием внешнего радиационного теплового потока плотностью 20, 35 и 52 кВт/м² по результатам испытаний, проведенных на калориметре OSU. Дана оценка скорости обугливания и толщины кокса при пламенном и беспламенном горении, эффективной теплоты сгорания и коэффициента полноты сгорания, а также усадки образца. Показано, что переход от пламенного к гетерогенному горению происходит по окончании квазистационарного горения образцов древесины, что соответствует окончанию кривых скорости тепловыделения и означает переход от поведения термически толстого материала к термически тонкому.
Вывод. Полученные экспериментальные данные позволяют прогнозировать изменение физических и теплотехнических свойств, характеристик тепловыделения при пламенном и беспламенном горении древесины разных пород с учетом образованного угольного слоя на ее поверхности в условиях воздействия разных тепловых потоков.

1. Полехин П.В., Чебуханов М.А., Долаков Т.Б., Козлов А.А., Матюшин Ю.А., Фирсов А.Г. и др. Пожары и пожарная безопасность в 2018 году. Статистический сборник / под общ. ред. Д.М. Гордиенко. М. : ВНИИПО, 2019. 125 с.

2. Круглов Е.Ю., Бабенко М.Д., Молочнюк А.С., Косов А.Н. Проблемы пожарной безопасности деревянного домостроения на объектах жилого сектора // Ройтмановские чтения : сб. мат. 8-й науч.-практ. конф. М. : Академия ГПС МЧС России, 2020. С. 11–13. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=42880334

3. Шутов Ф.А., Круглов Е.Ю., Асеева Р.М., Серков Б.Б., Сивенков А.Б. Влияние теплоизоляции из полимерного пенокомпозита «PENOCOM» на огнестойкость ограждающих деревянных каркасных конструкций // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2016. № 1. С. 28–37. DOI: 10.18322/PVB.2016.25.01.28-37

4. Круглов Е.Ю., Кобелев А.А., Шутов Ф.А., Асеева Р.М. Термогравиметрический анализ разложения полимерного пенокомпозита «PENOCOM» // Все материалы. Энциклопедический словарь. 2016. № 6. С. 30–34.

5. Круглов Е.Ю., Кобелев А.А., Пижамов О.Ю., Рахматуллин Р.Р. Поведение при нагреве неорганической теплоизоляции на основе вторичного целлюлозного сырья // Исторический опыт, современные проблемы и перспективы образовательной и научной деятельности в области пожарной безопасности : сб. тез. докл. мат. междунар. науч.-практ. конф. М. : Академия ГПС МЧС России, 2018. С. 299–303. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=36843481

6. Зайкина М.И., Решетов А.П., Трофимец В.Я. Методика оценки термодинамических характеристик тлеющего горения в пористых почвенных системах на нефтегазовых объектах // Научно-аналитический журнал Вестник Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России. 2017. № 2. С. 63–70.

7. Зайкина М.И., Галишев М.А., Шидловский Г.Л. Термодинамические характеристики тлеющего горения в пористых материалах // Научно-аналитический журнал Вестник Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России. 2017. № 3. С. 63–70.

8. Зайкина М.И., Галишев М.А. Исследование изменения температурных режимов при горении пористых материалов // Надзорная деятельность и судебная экспертиза в системе безопасности. 2015. № 4. С. 35–38.

9. Зайкина М.И. Методика экспериментальной оценки характеристик тлеющего горения древесных материалов при внешнем тепловом воздействии // Казахстан в новой глобальной реальности: рост, реформы, развитие : мат. Междунар. науч.-практ. конф. мол. уч. : курсантов (студентов), слушателей и адъюнктов. Республика Казахстан, Кокшетауский технический институт, г. Кокшетау. 2016. С. 135.

10. Зайкина М.И. Проблема исследования процессов тлеющего горения на транспорте // Чрезвычайные ситуации: теория и практика. ЧС-2015 : мат. Междунар. науч.-практ. конф., Республика Беларусь, Гомельский инженерный институт МЧС Республики Беларусь. Гомель : ГГТУ им. П.О. Сухого, 2015. С. 58.

11. Babrauskas V. Wood char depth: Interpretation in fire investigation. Proceedings of International Symposium on Fire Investigation. United Kingdom, 2004.

12. White R.H., Nordheim E.V. Charring rate of wood for ASTM E 119 Exposure // Fire Technology. 1992. Vol. 28. Issue 1. Pp. 5–30.

13. Pofit-Szczepanska M. The effect of physical properties of charcoal layer developed when wood is exposed o fire on the heat release rate // Proceedings of 25th Intern. Symposium on combustion processes, USA, Los-Angeles, 31.07-3.08.1994. 1994. Pp. 132–141.

14. Syme D. Verification of charring equation for Australian timber based on full-scale fire resistance test // Proceedings of Pacific Timber Engineering Conference, Australia, Queensland Univ. of Technology. 1994. Vol. 1. Pp. 619–623.

15. Lipinskas D., Maciulaitis R. Further opportunities for development of the method for fire origin prognosis // Journal of Civil Engineering and Management. 2005. Vol. 11. Issue 4. Pp. 299–307. DOI: 10.3846/13923730.2005.9636361

16. Круглов Е.Ю., Кобелев А.А., Харьков А.Ю., Сорокин А.Н. Влияние толщины легкого деревянного каркаса на скорость обугливания // Полимерные материалы пониженной горючести : мат. IX междунар. конф. (г. Минск, 20–24 мая 2019 г.). Минск : Белорусский государственный университет, 2019. С. 150–152.

17. Смирнов К.П., Чешко И.Д, Егоров Б.С. и др. Комплексная методика определения очага пожара. Л., 1986. 114 с.

18. Таубкин С.И. Пожар и взрыв, особенности их экспертизы. М., 1999. 600 с.

19. Круглов Е.Ю., Асеева Р.М. Беспламенное горение древесины: параметры макрокинетики пиролиза и термоокислительного разложения // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2020. Т. 29 (1). С. 43–54. DOI: 10.18322/PVB.2020.29.01.43-54

20. Tran H.C. Experimental data on wood materials // Heat Release in Fires. Ch. 11, part b. Babrauskas V., Grayson S.J. (Eds.). New York : Elsevier Applied Science, 1992. Pp. 357–372.

21. Tran H.C., White R.H. Burning rate of solid wood measured in a heat release rate calorimeter // Fire and Materials. 1992. Vol. 16. Pp. 197–206.

22. Ohlemiller T.J. Smoldering combustion propagation on solid wood // Fire Safety Sci. 1991. Vol. 3. Pp. 565–574.

23. Rein G. Smoldering combustion // SFPE Handbook of Fire Protection Engineering / Hurley M.J. (editor-in-chief). 5th ed. New York, NY : Springer, 2016. Pp. 581–603. DOI: 10.1007/978-1-4939-2565-0_19

24. Hadden R., Alkatib A., Rein G., Torero J.L. Radiant ignition of polyurethane foam: the effect of sample size // Fire Technology. 2014. Vol. 50. Issue 3. Pp. 673–691. DOI: 10.1007/s10694-012-0257

25. Kashiwagi Т., Ohlemiller T.J., Werner K. Effects of external radiant flux and ambient oxygen concentration on nonflaming gasification rates and evolved products of white pine // Combustion and Flame. 1987. Vol. 69. Pp. 331–345.

26. Асеева Р.М., Серков Б.Б., Сивенков А.Б., Барботько С.Л., Круглов Е.Ю. Характеристики тепловыделения при горении древесины различных пород и видов // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2011. Т. 20. № 7. С. 2–7. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/harakteristiki-teplovydeleniya-pri-gorenii-drevesiny-razlichnyh-porod-i-vidov

27. Aseeva R.M., Serkov B.B., Sivenkov A.B. Fire behavior and fire protection in timber buildings. Dordrecht, Springer Science+Business Media, 2014. 280 p. DOI: 10.1007/978-94-007-7460-5

28. Волынский В.Н. Взаимосвязь и изменчивость физико-механических свойств древесины. Архангельск, 2000. 196 с.

29. Wichman I.S., Atreya A. A simplified model for the pyrolysis of charring materials // Combustion and Flame. 1987. Vol. 68. Pp. 231–247.

30. Moghtaderi B., Novozhilov V., Fletcher D., Kent J.H. An integral model for the transient pyrolysis of solid materials // Fire and Materials. 1997. Vol. 21. Pp. 7–16.