Свердловская область, Россия
УДК 614.841.12 Динамика горения. Воспламенение. Химия и физика процесса горения
УДК 614.841.125 Температура горения
Проведён эксперимент, в рамках которого изучено изменение состава продуктов горения древесины при условиях близких к условиям протекания внутреннего пожара с помощью газоанализатора АГМ-510. В процессе эксперимента определены концентрации оксида углерода (II), оксида углерода (IV) и кислорода в месте отбора пробы, а также температура при свободном и ограниченном газообмене. В качестве горючей нагрузки использовали бруски из сосны. При свободном поступлении воздуха в камеру сгорания установлено, что существует обратная зависимость между температурой пожара и концентрацией угарного газа, а также между содержанием кислорода и углекислого газа. При проведении эксперимента выявлено, что наиболее токсичная среда образуется при температурах около 150 оС не только в начале горения древесины, но и при догорании её углеродистых остатков. В процессе исследования состава продуктов горения древесины при ограниченном газообмене, зафиксированы три максимума концентрации оксида углерода (II): при низких температурах в начале и при её догорании, а также при достижении наибольшей температуры горения. Предположительно высокая концентрация оксида углерода (II) связана с низкой температурой газовой среды внутри камеры (около 150 оС), при которой не происходит его полное окисление до оксида углерода (IV), даже при достаточно высокой концентрации кислорода. Причиной роста концентрации оксида углерода (II) при максимальной температуре является недостаток кислорода при ограниченном поступлении воздуха.
газоанализатор, внутренний пожар, динамика пожара, продукты горения, опасные факторы пожара, температура пожара (горения), древесина
Древесина, обладая рядом достоинств, широко применяется в строительстве. Структура использования лесоматериала представлена на Рис.1 [1].
Рис.1. Структура использования лесоматериала в строительстве
Структура включает в себя пять основных областей применения лесоматериала:
1 – как вспомогательный материал, при производстве строительно-монтажных работ;
2 – несущие деревянные конструкции;
3 – малоэтажное домостроение;
4 – кровельные настилы, обрешетка;
5 – столярные изделия.
Несмотря на то, что согласно диаграмме, лесоматериал используется нерационально, тенденции последних лет демонстрируют рост интересов к деревянным конструкциям в области малоэтажного частного домостроения из-за того, что набирает популярность использование экологически чистых материалов в быту [1]. Высокая доля древесины в составе горючей нагрузки будет оказывать доминирующую роль во влиянии на динамику развития пожара.
В настоящее время исследования в области динамики внутреннего пожара, в основном направлены на изучение температуры газовой среды при пожаре как с помощью математического моделирования [2-4], так и при проведении непосредственных огневых испытаний строительных конструкций [5,6]. Однако исследования по составу газовоздушной смеси практически отсутствуют. В работе сотрудников Государственного научно-исследовательского института горноспасательного дела, пожарной безопасности и гражданской защиты «Респиратор» МЧС ДНР Орликовой В.П. и Момота Д.И. [7] разработана методика изучения термодеструкции древесины и исследован состав образующихся газов, но в данной работе отсутствует упоминание об оборудовании с помощью которого определяли объемную долю газа.
На пожаре протекает широкий спектр химических превращений, которые в большей степени определяются температурой среды, от которой зависит состав продуктов разложения твёрдых горючих веществ и глубина их окисления кислородом воздуха.
Изучение состава продуктов горения при условиях близких к условиям протекания внутреннего пожара позволит установить степень полноты сгорания материалов, коэффициент избытка воздуха, условия образования окиси и двуокиси углерода на разных стадиях пожара.
В данной работе объектом исследования являются продукты горения древесины. Целью данной работы является изучение влияния температурного режима на состав продуктов горения древесины.
В качестве измерительного устройства использовали газоанализатор АГМ-510, представленный на Рис.2.
Рис.2. Газоанализатор АГМ-510
Газоанализаторы широко применяются в различных отраслях промышленности для контроля объема газа, его качественного и количественного состава. Применение газоанализатора позволяет провести анализ воздуха и сделать вывод о состоянии воздушной массы как в рабочей зоне того или иного производственного процесса [8, 9], так и в окружающей среде [10].
Газоанализатор АГМ-510 предназначен для измерения содержания кислорода (О2), оксида углерода (СО), оксида азота (NO), диоксида азота (NO2), сернистого ангидрида (SO2), сероводорода (Н2S), углекислого газа (CO2) и углеводородов в отходящих газах топливосжигающих установок. Кроме того, данный газоанализатор позволяет измерять температуру в точке отбора пробы.
Для создания условий близких к условиям внутреннего пожара использовалась камера, выполненная из кирпича с размерами 0,5 х 0,75 х 1,2 м. В нижней части камеры расположено окно с размерами 0,3 х 0,4 м. Выход продуктов горения расположен в верхней части камеры. Зонд прибора помещался в камеру на высоте 1,0 м (Рис.3).
Рис.3. Расположение зонда газоанализатора в камере
а) расположение зонда снаружи камеры
б) расположение зонда внутри камеры
Измерения проводили с открытым загрузочным окном при котором поступление воздуха происходит неограниченно. В таком случае протекание пожара контролируется горючей нагрузкой. При закрытом окне протекание пожара контролируется вентиляцией.
В качестве горючей нагрузки использовали бруски из сосны, представленные на Рис.4, сложенные в виде штабеля, каждый слой в перпендикулярном направлении. Удельная горючая нагрузка составляла около 10 кг/м2.
Рис.4. Камера с горючей нагрузкой
Перед началом испытаний газоанализатор запускали и выдерживали 3 минуты для калибровки и обнуления измеряемых параметров, затем производили инициирование горения.
Показания прибора снимали в течение 40 минут (до прекращения пламенного горения и тления).
Визуально динамику выгорания материалов можно наблюдать на Рис.5. На 10-ой минуте практически вся горючая нагрузка была вовлечена в горение. Аналогичная ситуация наблюдается на стадии развитого пожара.
Рис.5. Горение древесины с 1-ой по 10-ю минуты
На 20-ой минуте прекращалось пламенное горение, как и на стадии затухания. По истечении 40 минут с начала эксперимента горение древесины полностью завершилось (Рис.6).
Рис.6. Горение древесины с 20-ой по 40-ю минуты
В случае свободного поступления воздуха в камеру, можно установить ряд особенностей:
– в начале экспермента с уменьшением концентрации кислорода наблюдается увеличение содержания углекислого газа (Риc.7);
Рис.7. Зависимость концентрации газов от времени (модель с открытыми проемами)
– при минимальной концентрации кислорода зафиксирована наибольшая концентрация углекислого газа. Данные параметры были достигнуты при температуре 400оС (Рис.8);
Рис.8. Зависимость температуры в месте отбора пробы от времени (модель с открытыми проемами)
– из Рис.7 видно, что концентрация оксида углерода (II) резко возрастает в начале эксперимента и постепенно снижается с ростом температуры. Минимальная концентрация оксида углерода (II) зафиксирована при наибольшей температуре, которая соответсвует моменту полного охвата горючей нагрузки пламенем. Со снижением температуры его концентрация возрастает. Максимальная концентрация и как следстие наиболее токсичная среда зафиксирована при температуре около 150оС. Это связано с тем, что при низкой тепературе не происходит окисление окида углерода (II) до окисида углерода (IV). В случае реального пожара следует ожидать повышенную концентрацию угарного газа как в его начале, так и в конце.
Результаты проведенных исследований показали, что существует обратная связь между температурой пожара и концентрацией оксида углерода (II), а также между содержанием кислорода и оксидом углерода (IV).
При проведении эксперимента с ограниченным газообменом зафиксированы аналогичные закономерности, как при свободном поступлении воздуха (Рис.9).
Рис.9. Зависимость концентрации газов от времени (модель с закрытыми проемами)
Поскольку интенсивность поступления кислорода значительно уменьшилась, наблюдается и общее снижение температуры горения (Рис.10). Отличительной особенностью является рост концентрации оксида углерода (II) и при достижении наибольшей температуры зафиксировано её максимальное значение (Рис.9). Видимо из-за дефицита кислорода не происходит его доокисление до оксида углерода (IV).
Рис.10. Зависимость температуры в месте отбора пробы от времени (модель с закрытыми проемами)
Полученная температурная зависомость в обоих экспериментах сочетается с классической зависимостью, описывающей динамику внутреннего пожара.
Следует отметить, что в экспериментах зафиксирована незначительная продолжительность стадии интенсивного горения. Видимо это связано с особенностью горючей нагрузки и её количеством.
Таким образом, в ходе проведения исследования были созданы условия схожие с условиями внутреннего пожара для установления состава газовой среды с помощью газоанализатора АГМ-510 при свободном горении.
На основании экспериментальных данных установлена взаимосвязь между концентрацией кислорода, оксида углерода (II), оксида углерода (IV) и температурой при горении древесины как при свободном поступлении воздуха, так и при ограниченном газообмене.
Набольшая концентрация оксида углерода (II) наблюдается в обоих случаях при температуре дымовых газов 100-150оС и как следствие, возможно ожидать его высокие концентации на начальной стадии пожара и на стадии затухания в условиях реального пожара. При ограниченном газообмене зафиксирован максимум концентрации оксида углерода (II) при масимальной температуре.
1. Косов И.И. Применения древесины в качестве конструкционного материала в XXI веке//Международный журнал прикладных наук и технологий «Integral» №2 2019. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/primeneniya-drevesiny-v-kachestve-konstruktsionnogo-materiala-v-xxi-veke/viewer (дата обращения 20.06.2025).
2. Мурзинов В. Л. Исследование динамики температурного режима газовой среды при пожаре // В. Л. Мурзинов, В. Л. Худиковский, Е. А. Сушко, С. П. Аксенов //Научный журнал строительства и архитектуры. – 2015. – № 4(40). – С. 118–125. EDN: https://elibrary.ru/VJMJFN
3. Рудакова О. А. Расчет среднеобъемной температуры внутреннего пожара / О. А. Рудакова, Д. В. Сидоренко // Пожарная и техносферная безопасность: проблемы и пути совершенствования. – 2020. – № 3(7). – С. 428–432. EDN: https://elibrary.ru/QBLNRE
4. Ефремов Р. В. Температурный режим в условиях внутреннего пожара // Современные научные исследования: актуальные вопросы, достижения и инновации : сборник статей XXI Международной научно-практической конференции, Пенза, 10 октября 2021 года. – Пенза: Наука и Просвещение (ИП Гуляев Г.Ю.), 2021. – С. 16–22. EDN: https://elibrary.ru/GTVPEA
5. Исследования температуры газовой среды при проведении натурных огневых испытаний строительных конструкций / Д. С. Нехань, И. Ю. Кураченко, Н. М. Олесиюк, Л. А. Креер // Вестник Университета гражданской защиты МЧС Беларуси. – 2020. – Т. 4, № 2. – С. 130–141. DOI: https://doi.org/10.33408/2519-237X.2020.4-2.130; EDN: https://elibrary.ru/QUAXSD
6. Термографирование при огневых испытаниях фрагментов зданий и строительных конструкций / В. С. Мельников, И. Р. Хасанов, С. В. Кириллов [и др.] // Пожарная безопасность. – 2015. – № 3. – С. 83–90. EDN: https://elibrary.ru/ULHHOF
7. Орликова В. П. Газовый анализ продуктов термического разложения древесины / В. П. Орликова, Д. И. Момот // Научный вестник НИИГД Респиратор. – 2022. – № 2(59). – С. 64–72. EDN: https://elibrary.ru/DWTOVV
8. Чуйков А. М. Применение интеллектуального газоанализатора для своевременной оценки и контроля газовоздушной среды / А. М. Чуйков, А. В. Мещеряков, А. А. Гапеев // Пожарная безопасность: проблемы и перспективы. – 2015. – Т. 2, № 1(6). – С. 367–368. EDN: https://elibrary.ru/WNESIJ
9. Булгаков А. Б. О применении газоанализаторов для контроля топлива в воздушной среде предприятий ракетно-космической отрасли / А. Б. Булгаков, С. П. Ващук, Р. А. Паньшин // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. – 2021. – Т. 20, № 3. – С. 110–118. DOI: https://doi.org/10.18287/2541-7533-2021-20-3-110-118; EDN: https://elibrary.ru/ISJZOY
10. Духновский Д. А. Анализ возможности применения переносного газоанализатора для измерения концентраций основных загрязняющих веществ атмосферного воздуха мегаполиса // Научное сообщество студентов : Сборник материалов IX Международной студенческой научно-практической конференции: в 2 томах, Чебоксары, 31 мая 2016 года / ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова»; Харьковский национальный педагогический университет имени Сковороды; Актюбинский региональный государственный университет им. К. Жубанова; ООО «Центр научного сотрудничества «Интерактив плюс». Том 2. – Чебоксары: Общество с ограниченной ответственностью "Центр научного сотрудничества "Интерактив плюс", 2016. – С. 28–30. EDN: https://elibrary.ru/WDVJIL
11. Обзор газоанализаторов для метана / Г. Т. Земский, А. В. Ильичев, Н. В. Кондратюк, Д. В. Долгих // Актуальные вопросы пожарной безопасности. – 2021. – № 4(10). – С. 14–27. DOI: https://doi.org/10.37657/vniipo.avpb.2021.35.86.003; EDN: https://elibrary.ru/DJDZVX
