CC BY
17
УДК 614.841; 662.312; 536.37
Р. Ш. Еналеев, Ю. С. Чистов, Э. Ш. Теляков
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЗАЖИГАНИЯ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Ключевые слова: пожар, моделирование, методы испытания, горючие материалы.
Проведен сравнительный анализ отечественных и зарубежных методов оценки огне- и термозащитных свойств текстильных материалов. Сформулированы цель и задачи исследования по совершенствованию инструментальных и расчетных методов прогнозирования пожарной опасности текстильных материалов. Разработана модульная конструкция устройства для испытания материалов на воздействие открытого пламени и теплового излучения. Обоснована техника автоматизированного эксперимента для измерения термодинамических параметров процессов тепло- и массопереноса в покровном текстильном материале и пакете одежды при его интенсивном нагреве и термическом разложении. Предложен системный подход для физико-математического моделирования процессов в элементах системы «тепловой источник - текстильный материал - воздушный зазор - кожный покров биообъекта». Предложены математическая модель и новый универсальный критерий зажигания для прогнозирования времени задержки воспламенения и температуры поверхности в момент зажигания. Установлена адекватность модели и универсального критерия экспериментальным значениям характеристик зажигания пожароопасных материалов. Показана практическая значимость результатов исследования для прогнозирования зон возгорания материалов одежды вокруг опасных высокотемпературных источников в природных пожарах и техногенных авариях.
Keywords: fires, test methods, automated experiment, system approach, ignition, combustion retarder, modeling, predicting.
The comparative analysis of domestic and foreign methods is conducted on the assessment of fire - and heat-resistant properties of textile fabrics. The purpose and the research tasks are formulated to improve the instrumental and calculation methods of fire hazard prediction for textile fabrics. The modular facility construction is developed to test fabrics on the exposure of open flame and thermal radiation. An automated experiment technique is proved to measure the thermodynamic parameters of heat and mass transfer in textile fabrics under intensive heating and their thermal decomposition. A systematic approach is offered for physical and mathematical modeling ofprocesses in a "heat source -textile fabrics -air gap - skin of biological object" system. A mathematical model and a new universal ignition criterion to predict ignition time delay and a surface temperature at the ignition moment are proposed. It was established that the model and the universal criterion are adequate to the experimental data of ignition characteristics of flammable fabrics. The investigation results to predict fire hazard zones to clothing around high-temperature sources at natural fires and technogenic accidents are of considerable practical importance.
Введение
В природных пожарах и техногенных авариях наибольшую опасность для объектов различной физико-химической и биологической природы представляет радиационно-конвективный нагрев. При его воздействии на горючие материалы может произойти их возгорание и образование новых очагов пожара. Наибольшую опасность для человека представляет воздействие радиационно-конвективного нагрева на открытые и защищенные одеждой участки кожного покрова человека.
Исследование закономерностей воспламенения и горения природных и синтетических полимеров и композиционных материалов на их основе имеют важное практическое значение при создании пожаробезопасных материалов.
В соответствии с федеральным законом №123-РФ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» [1] и нормативным документам [2,3] оценка воспламеняемости горючих материалов проводится по экспериментальным данным.
Использование единых нормативов по пожарной безопасности текстильных материалов (ТМ) позволяет правильно оценивать свойства получаемых материалов и более ответственно подходить к выбору их в зависимости от степени потенциальной (в случае пожара) опасности. Однако каждый метод позволяет оценивать влияние только некоторых пожароопасных факторов. Поэтому ни один из методов не может дать информацию об истиной пожаро-
опасности полимерных материалов. Такая комплексная оценка может быть получена в натурных испытаниях, или из анализа последствий реальных аварийных ситуаций [3], или методом математического моделирования [4].
В теории теплового зажигания [5] еще не получило должного развития направление по зажиганию полупрозрачных гетерогенных пористых систем с физико-химическими превращениями и конденсированными продуктами реакций.
Расчетные методы прогнозирования времени и температуры зажигания ТМ при нестационарном одностороннем нагреве материала различны-мимеханизмами в нормативных документах и научно-технической литературе отсутствуют.
Зажигание текстильных полимерных материалов представляет собой чрезвычайно сложный нестационарный физико-химический процесс.
Однако для целенаправленного поиска ЗГ необходимо знание основных характеристик зажигания - времени воспламенения и температуры поверхности в момент зажигания как исходных материалов, так и после их модификации ЗГ. Расчетные методы прогнозирования времени и температуры зажигания ТПМ при нестационарном одностороннем нагреве материала различными механизмами в литературе и нормативных документах отсутствуют.
Без знания обоих характеристик воспламенения невозможно анализировать механизм зажигания и определять кинетические параметры процесса
термического разложения. Стандартные методы предназначены для сравнительной оценки воспламеняемости различных материалов и влияния рецептур замедлителей горения.
Прогнозирование характеристик зажигания текстильных материалов возможно только по адекватным моделям твердофазного воспламенения. Проверка адекватности моделей можно проводить на автоматизированных стендах для измерения тер-модинмическихпараметровв процесса зажигания горючих материалов. С целью обоснования расчетных методов прогнозирования в данной работе рассматривается применение наиболее распространенных стандартных методов, а также возможности технической модификации стандартных методов в части автоматизации эксперимента.
Показатели пожарной опасности
Согласно федеральному закону №123-РФ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» в перечень показателей, необходимых для оценки и нормирования пожарной опасности текстильных и кожевенных материалов входят: группы горючести, воспламеняемость, устойчивость к воздействию теплового потока, теплозащитная эффективность при воздействии открытого пламени, индекс распространения пламени.
В системе стандартов безопасности труда [6] пожароопасность материалов определяется показателями, выбор которых зависит от условий их применения. В данной работе выбраны те номенклатурные показатели, которые характеризует пожарную опасность ТМ одежды в природных и техногенных пожарах. К ним относятся: время и температура воспламенения, температура вспышки. температура тления, термозащита, индекс распространения пламени, кислородный индекс.
В [6] допускается использовать другие показатели, более детально и системно характеризующие пожароопасность веществ и материалов. В методах оценки воспламеняемости и распространения пламени - «легкость воспламененения» [7], в [8] -«скорость распространения пламени». В методах количественной оценки передачи тепла в пакете материалов [9] - «показатель передачи тепла» или «термозащита». В [10,11] - «коэффициент теплопередачи» и «индекс передачи теплового излучения». В методах оценки теплового поражения открытых и защищенных одеждой участков кожного покрова в многочисленных зарубежных стандартах применяются фундаментальные показатели - «пороговый импульс облучения» и «критическая температура основного слоя кожи» [12,13,14].
Ниже приводится характеристика основных показателей.
Группы горючести. Сущность экспериментальных методов определения горючести заключается в создании температурных условий, способствующих горению. По горючести вещества и материалы подразделяются на три группы: негорючие -не способные к горению в воздухе, трудногорючие -способные к горению в воздухе при воздействии источника зажигания, но не способные гореть после
его удаления и горючие - способные возгораться при воздействии источника зажигания и самостоятельно гореть после его удаления.
Температура вспышки. Это температура, при которой происходит быстрое сгорание газопаровоздушной смеси над поверхностью горючего вещества, сопровождающееся кратковременным видимым свечением Применяется для характеристики пожарной опасности жидкостей. Допускается использовать экспериментальные и расчетные значения температуры вспышки. Авторами экспериментально установлено, что данное явление наблюдается и при нестационарном нагреве излучением ТМ и древесины, но температура вспышки может значимо отличаться от стандартно определенной. Допускается использовать экспериментальные и расчетные значения температуры вспышки.
Температура воспламенения. Это наименьшая температура вещества, при которой в условиях специальных испытаний вещество выделяет горючие пары и газы с такой скоростью, что при воздействии на них источника зажигания наблюдается воспламенение. Воспламенение - пламенное горение вещества, инициированное источником зажигания и продолжающееся после его удаления.
Температура тления (беспламенное горение) - температура вещества, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермической реакции окисления, заканчивающихся возникновением тления.
Индекс распространения пламени - условный безразмерный показатель, характеризующий способность веществ воспламеняться, распространять пламя по поверхности и выделять тепло.
Кислородный индекс - применяется для сравнительной оценки рецептур ЗГ. Суть указанного метода состоит в определении минимальной концентрации кислорода в кислородно-азотной смеси, при которой испытываемый материал способен воспламеняться и гореть.
Методы определения показателей
Использование единых нормативных показателей по пожарной безопасности текстильных материалов позволяет достоверно сравнивать и оценивать огне- и термозащитные свойства ТМ, получаемые в различных лабораториях.
Группы горючести. Определяется на приборе, состоящем из керамической реакционной камеры, газовой горелки и устройства для крепления и позиционирования образца в печи. Для измерения температуры газообразных продуктов горения используется термоэлектрический преобразователь с диаметром электродов 0,5 мм.пара помещается.
Перед вводом образца в камеру термопара измеряет температуру продуктов горения газа в горелке (2000С). В процессе испытания фиксируется время достижения температуры отходящих газообразных продуктов горения испытуемого материала до 2600С. По значениям максимального приращение температуры А1шах=600С и потере массы материала Аш =60% классифицируют горючесть материалы на:
трудногорючие - А1шах< 600С и Аш <60%;
горючие - А1шах > 600С или Аш >60%. Горючие материалы подразделяют в зависимости от времени (т) достижения 1тзхна: трудновоспламеняемые - т>4 мин; средней воспламеняемости - 0,5< т<4 мин; легковоспламеняемые - т<0,5 мин. Температура вспышки. Экспериментально определяется для жидкостей в открытом тигле в диапазоне температур до 360 0С. За температуру вспышки при ее нагревании в открытом тиле принимают температуру, показываемую термометром при появлении пламени над частью или всей поверхностью жидкости.
Температура воспламенения. Метод экспериментального определения температуры воспламенения твердых веществ и материалов реализуется в диапазоне 25-600 0С. Экспериментальный прибор представляет собой вертикальную электропечь с двумя коаксиально расположенными цилиндрами из кварцевого стека. Для нагрева цилиндров до 600 0С применяются спиральные электронагреватели. Температуру воспламенения определяют методом последовательных приближений (метод итераций). В начальной стадии алгоритма метода реакционную камеру нагревают до начала термического разложения образца или до 300 0С. Если при температуре испытания образец воспламенится, то испытание прекращают и фиксирует температуру воспламенения. Следующие испытания проводят с новым образцом при меньшей температуре. И таким образом определяют минимальную температуру образца, при которой за время выдержки в печи не более 20 мин образец воспламенится и будет гореть в течение более 5 с после удаления горелки.
Температура тления. Алгоритм определения температуры тления полностью аналогичен алгоритму определения температуры воспламенения. Разница состоит только в одном: испытания прекращают не после воспламенения образца, а после начала тления (свечения).
Индекс распространения пламени. Установка для определения индекса распространения пламени включает в себя следующие элементы. Электрическая нагревательная панель, состоящая из керамической плиты, в пазы которой уложена спираль из нержавеющей проволоки. Держатель образца в рамке устанавливается под углом 300 относительно радиационной панели. Боковая поверхность рамки имеет десять контрольных делений. Плотность теплового потока измеряют в первой контрольной точке и составляет 32±3 кВт/м2. Контролируется датчиком Гордона в стационарном режиме с погрешностью не более ±8%. Считают, что радиационная панель выходит на стационарны режим, если показания датчика Гордона остаются неизменными в течение 15 мин. Испытание длится до момента прекращения распространения пламени по поверхности образца. В процессе испытания определяют время прохождения всех контрольных точек рамки с образцом, максимальную температуру дымовых газов и время ее достижения. Индекс распространения пламени рассчитывают по экспериментальной формуле.
Таким образом, стандартные методы испытаний позволяют получать полезную информацию о показателях пожарной опасности ТМ в условиях равномерного нагрева образцов (группы горючести, температуры воспламенения, вспышки, тления).
Однако в природных и техногенных пожарах параметры одностороннего нестационарного радиационно-конвективного нагрева ТМ и пакетов одежды существенно отличаются от стандартных лабораторных условий.
Комплексная оценка пожарной опасности
Коллективом специалистов ВНИИПО МЧС России в дополнение к системе стандартов безопасности труда [6] предлагается комплексная оценка огнезащитной эффективности рабочей одежды [15]. Основными показателями в комплексном подходе за исключением устойчивости к прожигу расплавленной каплей и воздействии электрической дуги являются:
• воспламеняемость;
• устойчивость к воздействию лучистого теплового потока;
• устойчивость к непосредственному воздействию открытого пламени.
Для оценки воспламеняемости могут быть использованы стандарты [7,8]. В них регламентируется условия испытаний вертикально ориентированных образцов на поверхностное зажигания и скорость распространения пламени. Оба стандарта распространяются на текстильные материалы, предназначенные для средств индивидуальной защиты человека.
Сущность метода определения легкости воспламенения заключается на оценке воздействия пламени газовой горелки на образец размером 80*80 мм или 200*80 мм в течение 5 сек. Поверхностное зажигание считается состоявшимся, если пламя на пробе сохраняется более 5 сек после удаления источника пламени. Если загорание произошло, то время воздействия пламени уменьшают на 1 сек. Если загорание не произошло, то время воздействия пламени увеличивают на 1 сек до времени 20 сек. Если загорание не произошло после 20 с воздействия пламени, материал относят к группе негорючих. Каждый вид испытаний проводят на новой пробе до тех пор, пока не будет получено не менее пяти случаев загорания или его отсутствия.
Таким образом, критерии комплексной оценки пожарной опасности материалов одежды, применяемые в лабораторных методах испытаний, не заменимы для сравнительной оценки огне- и теплозащитных свойств ТМ. Кроме того, результаты испытаний дают первичную информацию о реакции материала на воздействие поражающих факторов пожара.
Но для прогнозирования поведения материала в реальных условиях, очевидно, необходимы математические модели процессов термического разложения и теплопередачи как в покровном слое, так и пакете материалов. В связи с исключительной сложностью высокотемпературных нестационарных процессов, адекватность моделей и критериев теплового поражения может быть проверена только инструментальными методами.
Сущность метода определения способности распространения пламени на вертикально ориентированных пробах заключается в определении времени распространения пламени на определенное расстояние между маркировочными нитями.
Устойчивость материалов и пакетов материалов на воздействие источника теплового излучения предлагается проводить по стандартам [9,10]. Методы испытаний применимы ко всем видам материалов. Плотность теплового потока выбирается в зависимости от области применения рабочих материалов и уровня защиты материалов повседневной одежды от поражающих факторов пожаров в чрезвычайных ситуациях.
Важно отметить, что прогнозирование зажигания наиболее эффективно по критериям, инвариантным к граничным условиям теплообмена между тепловым источником и покровным слоем. В граничных условиях задаются механизм нагрева (радиационный, конвективный или их комбинация) и интенсивность теплообмена.
С учетом рекомендаций [15] в части унификации отдельных методов испытаний, в данной работе предлагается унифицировать и измерительные устройства различных методов испытаний. С этой целью разработан автоматизированный модуль для измерения термодинамических параметров процессов взаимодействия различных поражающих факторов пожаров на открытые и защищенные одеждой участки кожного покрова человека. Предлагаемый подход уменьшает ошибки измерения сравниваемых параметров и использовать единый программный вычислительный комплекс. Кроме того, автоматизация эксперимента позволяет определять динамку изменения термодинамических параметров и обосновывать инвариантные критерии зажигания и теплового поражения кожного покрова.
В отличие от элементарной модели тепловой теории зажигания [5], моделирование зажигания горючих полимерных материалов с физико-химическим превращениями вызывает непреодолимые математические трудности. Сложность заключается не столько в физико-математической постановке, сколько в идентификации многочисленных переменных коэффициентов и кинетических параметров.
В [14] впервые предложены модель и критерий зажигания текстильных материалов. Новый критерий зажигания определяется как отношение скорости роста температуры приповерхностного объема образца, в котором протекает все стадии физико-химических превращений, к скорости роста температуры поверхности химически инертного тела.
Результаты вычислительного эксперимента показали адекватность критерия экспериментальным данным по зажиганию текстильных материалов.
© Р. Ш. Еналеев - канд. техн. наук, доц. каф. химической кибернетики КНИТУ, firepredict@yandex.ru; Ю. С. Чистов - канд. техн. наук, асс. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, yura-chistov@yandex.ru; Э. Ш. Теляков - д-р техн. наук, проф. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, tesh1939@mail.ru.
© R. S. Enalejev - Dr. Ph. (Enginery), Associate Professor of Chemical Cybernetics Department of KNRTU, firepredict@yandex.ru; Y. S. Chistov - Dr. Sc. (Enginery), Assistant of Chemical Industry Machines and Apparatus Department of Mechanical Faculty of KNRTU, yura-chistov@yandex.ru; E. S. Telyakov - Dr. Sc. (Enginery), Professor of Chemical Industry Machines and Apparatus Department of KNRTU, tesh1939@mail.ru.
Таким образом, унификация автоматизированных инструментальных методов и комплексный подход в оценке огнезащтных свойств текстильных материалов расширяет возможности нормативной базы в части разработки расчетных методов прогнозирования пожарной опасности горючих материалов.
Литература
1. Сафонов В.С., Одишария Г.Э.,Швыряев А.А. Теория и практика анализа риска в газовой промышленности. -М., 1996, 256 с.
2. Еналеев Р.Ш., Теляков Э.Ш., Красина И.В., Гасилов В.С, Тучкова О.А. Системный подход в прогнозировании последствий опасных факторов пожара // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - т. 16, №8. - С. 322-332
3. MerzhanovA.J., AversonA.E. The Present State of the Thermal Ignition Theory: An Invited Review // Combustion and Flame. - 1971. - Vol. 16. - P. 89-124.
4. Баратов А.Н., Константинова Н.Н., Молчадский И.С. Пожарная опасность текстильных материалов. М., 2006.- 273 с.
5. EnalejevR.Sh. Modeling of the fabrics ignition // Proceedings of 4th Fire Behavior and Fuels Conference, July 1-4, 2013, St. Petersburg, Published by the International Association of Wildland Fire, 2014, Missoula, Montana, USA, - P 394-410.
6. Константинова Н.И. // Текст.химия, 1999, № 1(16), с. 41.44.
7. Филин Л.Г., Михайлова Е.Д. Методы оценки воспламеняемости
8. Маршалл В. Основные опасности химических производств / В. Маршалл. - М.: Мир, 1989. 671 с.
9. EnalejevR.Sh. Mathematical model of the ignition of fuels. Book of abstracts of the 4-th Fire behavior and Fuels conference, St.Petersburg, 1-4 July 2013, p.77.
10. Еналеев Р.Ш., Красина И.В., Гасилов В.С, Чистов Ю.С., Тучкова О.А. Зажигание древесины // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - т. 16, №10. - С. 99-106.
11. Кузнецов В.Т., Фильков А.И. Воспламенение различных видов древесины потоком лучистой энергии // ФГВ, 2011, Т.47, №1, С. 74-79.
12. Борхерт Р., Юбиц В. Техника инфракрасного нагрева / Пер. с нем. Л.:Госэнергоиздат, 1963. 278 с.
13. Рохлин Г.Н. Газоразрядные источники света. М.: Энергия, 1966. 210 с.
14. Гайнутдинов Р.Ш., Еналеев Р.Ш., Аверко-Антонович В.И. Экспериментальные исследования процесса воспламенения древесины под действием теплового потока излучения. 6 Республиканская межвузовская конференция по вопросам испарения, горения и газовойдинамики дисперсных систем. Тезисы докладов. Изд. Киевского университета, 1966. 45 с.
15. Еналеев Р.Ш., Синаев К.И., Матеосов В.А. и др. Экспериментальное исследование процесса зажигания конденсированных веществ при динамических условиях подвода лучистой энергии. В сб.: Физика горения и методы ее исследования. Чебоксары: Изд. Чувашского государственного университета, 1972.
