Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ теоретических и экспериментальных работ в области пожарной опасности древесины 9
1.1. Особенности строения и химический состав древесины 9
1.2. Влияние продолжительности срока эксплуатации древесины на ее физико-химические характеристики 20
1.3. Особенности пиролиза и термоокислительного разложения древесины 43
Глава 2. Кинетические особенности пиролиза и термоокислительного разложения древесины 50
2.1. Объекты исследования 50
2.2. Методика искусственного старения древесины 52
2.3. Аналитические методы исследования древесины 54
2.4. Исследования особенностей пиролиза и термоокислительного разложения древесины 60
2.5. Исследование параметров горючести, воспламеняемости, распространения пламени по поверхности материалов, дымообразующей способности, токсичности продуктов горения 76
Глава 3. Влияние эксплуатационного возраста древесины на ее состав и пожароопасные свойства 84
3.1. Определение химического состава древесины различного эксплуатационного возраста 84
3.2. Определение элементного состава древесины различного эксплуатационного возраста 87
3.3. Влияние эксплуатационного возраста строительных деревянных конструкций жилых и нежилых строений одного региона на ее физико химические и пожароопасные свойства 90
Глава 4. Расчетная оценка опасных факторов пожара на основании пожароопасных характеристик древесины различных пород и возраста 122
4.1. Особенности оценки опасных факторов пожара на промышленных предприятиях с учетом пожарно-технических характеристик древесины различных пород и возраста эксплуатации 122
4.2.Исследование пожароопасных свойств древесины в зависимости от ее эксплуатационного возраста 135
4.3. Анализ моделей развития пожаров на промышленных предприятиях с учетом пожарно-технических характеристик древесины различных пород и возраста эксплуатации 154
Общие выводы и практическое использование научных результатов исследования 161
Список использованных источников 162
- Влияние продолжительности срока эксплуатации древесины на ее физико-химические характеристики
- Аналитические методы исследования древесины
- Влияние эксплуатационного возраста строительных деревянных конструкций жилых и нежилых строений одного региона на ее физико химические и пожароопасные свойства
- Анализ моделей развития пожаров на промышленных предприятиях с учетом пожарно-технических характеристик древесины различных пород и возраста эксплуатации
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Древесина до настоящего времени остается одним из наиболее востребованных промышленностью материалов. Изделия из древесины широко используется в качестве строительных конструкций, сырья для производства индустриальных клееных композиционных материалов, бумаги и т.д. Высокая потребность в древесине предопределяет развитие лесодобывающей и деревообрабатывающей промышлености. Предприятия этих отраслей промышленности характеризуются наличием складов, площадок для хранения больших запасов древесины, имеющих высокую потенциальную пожарную опасность.
Несмотря на использование в строительстве промышленных зданий современных строительных материалов (бетона и металлоконструкций), традиционными для России остаются помещения из дерева. Особенно это характерно для складских помещений, бытовых, промышленных и производственных зданий, расположенных в сельской местности.
Срок службы конструкций из древесины при правильной их эксплуатации и своевременных текущих ремонтах может составлять 100 и более лет. Уникальными примерами длительной эксплуатации деревянных сооружений служат Преображенский храм на острове Кижи (1714 г.), Церковь Воскресения в г. Суздаль (1776 г.), Вознесенская кубоватая церковь в с. Кушерека, Онежского района (1669 г.), церковь Спаса в с. Фоминское, г. Кострома (XVIII в.) и многие другие.
Результаты проведенных исследований древесины свидетельствуют о влиянии различных физико-химических факторов на ее свойства. Наибольшие изменения древесина претерпевает вследствие сложных физико-химических превращений, приводящих к трансформации внутренней структуры древесины, а также изменению содержания основных химических составляющих древесного комплекса при воздействии различных факторов и условий эксплуатации.
Многочисленные работы в области древесиноведения были направлены на исследование генетических, биологических и географических признаков различных древесных популяций, влияния биотических и абиотических факторов на физико-химические и эксплуатационные показатели древесины. Эти работы стали традиционными в области древесиноведения. Наиболее значимые результаты научных исследований связаны с именами таких ученых как Никитин Н.И., Перелыгин Л.М., Никитин В.М., Уголев Б.Н., Полубояринов О.И., Серговский П.С, Леонович А.А., Покровская Е.Н., Пищик И.И. и других.
Химический состав древесины различных пород непостоянен и зависит от района и условий произрастания, возраста дерева, места отбора пробы и др. На компонентный состав древесины оказывают значительное влияние различные эколого-географические, климатические, а также некоторые факторы биологического характера.
Исследования влияния различных факторов на пожарно-технические характеристики древесины имеют ограниченный характер. Известно, что пожарная опасность древесины во многом зависит от ее влажности, объемной массы, химического состава, которые изменяются от условий и времени эксплуатации, а также от условий огневого воздействия (величина плотности внешнего радиационного теплового потока, пространственная ориентация образца, скорость нагрева, количество сторон обогрева и др.).
Вопросы, связанные с изучением влияния некоторых эксплуатационных факторов на пожароопасные свойства древесины и особенности ее горения пока не получили должного развития. В настоящее время расчет опасных факторов пожара ведется по усредненным значениям пожарной нагрузки для основных пород древесины. Не установлены показатели пожарной опасности и характеристики опасных факторов пожара для многих сортов древесины, использующихся в промышленности, а также для древесных материалов большого срока эксплуатации. Подобные
исследования имеют большую актуальность и практическую значимость для обеспечения долговечности конструкций из древесины при проведении работ по реконструкции памятников деревянного зодчества. Как и насколько количественно изменяется пожарная опасность древесины различных пород с продолжительным возрастом эксплуатации остается неопределенным.
Научной задачей диссертационного исследования является разработка информационно-аналитической системы оценки влияния эксплуатационных и теплофизических факторов на формирование опасных факторов пожара при горении древесных материалов.
Цель работы - совершенствование системы прогнозирования опасных факторов пожара на промышленных предприятиях с учетом влияния эксплуатационных и теплофизических факторов на пожароопасные характеристики древесных материалов.
Объект исследования - модели описания и оценки опасных факторов пожара, формируемых при горении древесных конструкций.
Предмет исследования - эксплуатационные и тепло физические факторы, влияющие на пожароопасные свойства древесины.
Задачи исследования:
-
Провести системный анализ пожароопасных свойств древесины на основе исследования кинетических закономерностей термической и термоокислительной деструкции различных пород древесины.
-
В соответствии с предложенным комплексом аналитических методов, включающим методику искусственного старения древесины, получить регрессионные зависимости показателей пожарной опасности древесины от ее эксплуатационного возраста.
-
Разработать расчетные оценки, позволяющие с помощью математических моделей исследовать процессы нарастания опасных факторов пожара при горении древесины с учетом воздействия на нее различных эксплуатационных и теплофизических факторов.
Методы исследования. Системный анализ, математическое и эмпирическое моделирование, статистические методы обработки экспериментальных результатов, метод искусственного старения древесины, термическая и термоокислительная деструкция (TGA/DSC), элементный анализ (CHNS), анализ химического состава целлюлозы и лигнина, регрессионный анализ.
Научная новизна.
-
На основе анализа параметров состояния древесных материалов, используемых в промышленности, установлены закономерности термической и термоокислительной деструкции различных пород древесины, характеризующие ее пожарную опасность.
-
Предложен комплекс аналитических методов, включающий методику искусственного старения древесины, с использованием которого установлены регрессионные зависимости показателей пожарной опасности древесины от ее породы и разновидности, продолжительности и условий ее эксплуатации.
-
Разработаны расчетные оценки, позволяющие с помощью математических моделей исследовать процессы нарастания опасных факторов пожара при горении древесины с учетом воздействия на нее различных эксплуатационных и тепло физических факторов.
Практическая значимость работы.
Полученные массивы экспериментальных данных различных показателей пожарной опасности древесины в зависимости от ее разновидности, влажности, объемной массы, возраста, величины внешнего радиационного теплового потока, условий огневых испытаний и т.д. могут быть практически использованы при моделировании и оценке опасных факторов пожара при горении древесных материалов. Результаты работы могут быть использованы при разработке новых высокоэффективных огнебиозащитных составов для древесины длительной эксплуатации.
Результаты работы могут быть использованы в экспертных органах МЧС России для повышения эффективности и достоверности оценки пожароопасных свойств древесных конструкций.
Достоверность научных положений и выводов диссертации подтверждается комплексным характером исследований, данными лабораторных экспериментов, использованием как оригинальных, так и стандартных пожарно-технических и физико-химических методов, применением для обработки полученных данных современных методов математической статистики.
На защиту выносятся:
-
Закономерности термической и термоокислительной деструкции различных пород древесины, характеризующие ее пожарную опасность.
-
Регрессионные зависимости показателей пожарной опасности древесины в зависимости от факторов термического воздействия и срока эксплуатации древесных конструкций.
-
Расчетные оценки, позволяющие с помощью математических моделей исследовать процессы нарастания опасных факторов пожара при горении древесины с учетом воздействия на нее различных эксплуатационных и теплофизических факторов.
Апробация работы. Основные научные результаты исследования докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры криминалистики и инженерно-технических экспертиз Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, на научно-практических конференциях: XVII научно-технической конференции «Системы безопасности - СБ-2008» Международного форума информатизации 30 октября 2008 г., Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы образовательной и инновационной деятельности образовательных учреждений МЧС России. Опыт, Проблемы, перспективы», АГПС МЧС России, Москва, 4 декабря 2008 г.; III Межведомственной научно-
практической конференции: «Актуальные проблемы обеспечения безопасности в Российской Федерации»; X международной конференции по химии и физикохимии олигомеров, Волгоград, 2009 г.; VI международной конференции «Полимерные материалы пониженной горючести», Вологда, 2011 г., VIII Международной научно-практическая конференции «Технические средства противодействия террористическим и криминальным взрывам», Санкт-Петербург, 16-18 октября 2012 г.
Реализация и внедрение результатов работы.
Результаты диссертации внедрены в учебный процесс кафедры криминалистики и инженерно-технических экспертиз Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России.
Представленные в диссертационной работе результаты исследований нашли практическое применение на производственной базе научно-производственной фирмы ООО «СОФТ-КС» и ООО «ПлазСтрой».
Публикации.
Материалы диссертации опубликованы в 10 печатных работах, в том числе в 3 статьях из списка журналов рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы.
Работа состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы из 90 наименований. Материалы изложены на 171 страницах машинописного текста, включающего 20 таблиц и 39 рисунков.
Влияние продолжительности срока эксплуатации древесины на ее физико-химические характеристики
На всем протяжении генетического развития древесной субстанции, в результате многомиллионной эволюции, происходило изменение внешнего вида, строения, свойств среди древесных популяций. При формировании комплекса признаков отдельных популяций определяющую роль имели различные биотические и абиотические факторы.
Условно исторические возрастные формы древесины можно разделить на три группы:
- генетический возраст;
- биологический возраст;
- эксплуатационный возраст.
Наибольшей продолжительностью обладает генетический возраст, в процессе которого происходили изменения древесной субстанции на генетическом уровне под воздействием масштабных природных географических и климатических изменений, техногенных катастроф и т.д.
Биологический возраст обусловлен временным произрастанием отдельных популяций в определенных климатогеографических условиях.
Эксплуатационный возраст характеризуется временем использования древесины в качестве ответственного элемента деревянных конструкций, отделочных и облицовочных материалов в различных температурно-влажностных условиях эксплуатации.
Полиморфные изменения в отдельной популяции свойственны в случаях произрастания древесных пород в различных географических зонах. Наиболее значительные отличия связаны с изменением элементного и химического состава, структуры и объемной массы древесного комплекса.
В настоящей время четкая взаимосвязь между условиями эксплуатации древесины с химическим и элементным составом не установлена. Имеются отдельные результаты исследований, связанные со сравнительным анализом вышеуказанных физико-химических параметров различных пород древесины в зависимости от климатогеографических зон их произрастания. Использование данных результатов имеет ценное практическое значение для производства материалов на основе древесины и целлюлозы.
Изучение сущности физико-химических превращений, протекающих в древесном комплексе во времени и приводящих к значительному изменению его свойств, является традиционным предметом исследований в области древесиноведения.
Известно, что процессы старения, происходящие в древесине, во многом определяют ее термическую стабильность. Так в работе [13] было установлено, что наименьшая термоустойчивость древесины наблюдается в первые сто лет и через 300 лет ее эксплуатации. В данной работе автором высказано предположение, что в указанные временные периоды древесина является наиболее пожароопасной.
Установлено, что в периоды времени 150 - 200 лет значительно возрастают энергия активации и энтропия активации, т.е. любые химические процессы, в том числе и термодеструкция, затрудняются (рис. 3) [13,14].
В данной работе впервые представлены данные по терморазложению древесины в зависимости от времени эксплуатации на протяжении 500 лет. Многие памятники деревянного зодчества, имеющиеся в России и в странах ближнего зарубежья, имеют подобный возраст эксплуатации. Несмотря на это, исследования влияния физико-химических превращений, происходящих в древесине во времени, на ее пожарную опасность носят ограниченный характер.
Анализ имеющихся теоретических и экспериментальных работ в области исследования археологической древесины позволяет сделать вывод, что наибольшее влияние на ее пожароопасность, по всей видимости, будут оказывать химический состав и объемная масса.
Важнейшим направлением использования результатов исследования археологической (исторической) древесины является снижение ее горючести с помощью огнезащитных составов. Изменение во времени химического состава и объемной массы древесины во многом будет определять эффективность огнезащиты, особенно реакционноспособных антипиренов. В связи с этим, при разработке и применении химически активных антипиренов должны учитываться особенности морфологических превращений, приводящих к старению древесины во время ее эксплуатации.
Старение полимерных материалов можно рассматривать как совокупность физико-химических процессов, протекающих в материале при хранении, переработке, эксплуатации и приводящих к изменению его свойств [14].
Механизм процессов, протекающих при старении полимеров, определяет изменение во времени показателя Y макроскопического свойства материала в зависимости от условия X [15,16]:
Изменение физико-химических свойств полимерного материала при воздействии различных факторов во времени имеет сложный характер, связанный с изменением реакционной способности, ориентации, скорости реакции молекулярных групп и комплексов [15,16].
Известно [13,14], что разрушение полимеров происходит в результате больших тепловых флуктуации, приводящих к разрыву химических связей полимерной цепи. Изменения химических связей полимерной цепи снижают энергию активации разрушения полимера. Долговечность полимера может быть описана следующей формулой [3]:
T=T0exp(Uo/kt) (2)
где Uo - энергия разрыва связи.
Старение древесины, как правило, является более сложным процессом по сравнению с полимерами, поскольку древесина является многокомпонентным полимерным композитом, состоящим преимущественно из гидроксилсодержащих полимеров. Наименее реакционно-способной составляющей древесного комплекса является высокомолекулярный полисахарид целлюлоза [16].
Реакционная способность целлюлозы определяется ее функциональными группами, которые участвуют во всех реакциях. К ним относятся три спиртовые гидроксильные группы звеньев ангидроглюкопиранозы и кислородные мостики, находящиеся между звеньями цепи. Протекание реакции зависит от доступности реагента к функциональным группам. Многие реакции модификации целлюлозы протекают гетерогенно, ввиду того, что она нерастворима или частично растворима в реакционной среде. Немаловажную роль в степени протекания реакции играют растворители целлюлозы (эфир диметилформамид, водные растворы и гидрофильные растворители, водяной пар).
Аналитические методы исследования древесины
Оценка химического состава древесины различных пород проводилась с использованием известных методик: целлюлозы - методом Кюршнера и Хоффера без поправки на осадочные пентозаны; лигнина - методом Комарова [9].
Элементный состав образцов, высушенных до постоянного веса при 105 С, определяли на автоматическом приборе - Карло Эрба 1106 С, Н, N, S анализаторе (Италия).
Для исследования особенностей термоокислительной деструкции различных пород древесины, а также углистого остатка использовалась автоматизированная модульная термоаналитическая система TGA/DSC1.
Для определения кинетических закономерностей разложения древесины при тепловом воздействии образцы готовили в виде навесок, высушенных до постоянного веса. Навеска образцов изменялась в пределах 1,0 - 8,5 мг. Термические исследования на термовесах проводились в атмосфере воздуха при скоростях нагревания 5, 10, 20 С/мин. Оценка энергии активации (Еа) в зависимости от степени превращения (а) проводилась с помощью программного модуля «Advanced Model Free Kinetics».
Определение низшей теплоты сгорания исследуемых образцов в работе проводилось при помощи бомбового калориметра системы 1КА-калориметр 5000 duo control.
Объемную массу образцов древесины определяли, исходя из их массы и геометрических размеров при нормальных комнатных условиях.
Также в работе были использованы некоторые стандартные установки по оценке пожарной опасности строительных материалов. Краткое описание использованных методов оценки пожарной опасности представлено ниже. Метод испытания строительных материалов на воспламеняемость (национальный стандарт 30402-96).
Сущность метода согласно национального стандарта 30402-96 [31] состоит в определении параметров воспламеняемости материала при заданных стандартом уровнях воздействия на поверхность образца лучистого теплового потока и пламени от источника зажигания.
Установка по определению параметров воспламенения материалов по национальному стандарту ГОСТ 30402-96 была усовершенствована. Она была дополнительно оснащена устройством для регистрации изменения массы образца в ходе испытания и измерения температуры на его поверхности с помощью хромель-алюмелевой термопары. В комплект специального устройство для измерения потери массы испытуемого образца во время испытаний входит держатель образца, противовес, основание, весы ВЛЭ - 1 кг 4 кл. №708 по ГОСТ 24104 - 80. Испытания проводили при различных тепловых потоках в диапазоне от 5 до 50 кВт/м . Обработка данных, полученных с использованием усовершенствованной установки, позволяет оценить массовую скорость выгорания (МСВ), ее максимальное значение (МСВтах) и время достижения МСВтах. Общий вид усовершенствованной установки на воспламеняемость приведен на рис. 11.
Метод экспериментального определения коэффициента дымообразования твердых веществ и материалов (национальный стандарт 12.1.044-89 [32] п. 4.18.).
Сущность метода определения коэффициента дымообразования заключается в определении оптической плотности дыма, образующегося при сгорании известного количества испытуемого вещества или материала. Критерием оценки дымообразующей способности является коэффициент дымообразования. При изучении дымообразующей способности образцов плотность лучистого теплового потока варьировали в пределах 18-35 кВт м2.
Метод экспериментального определения показателя токсичности продуктов горения полимерных материалов (национальный стандарт 12.1.044-89 п. 4.20.).
Сущность метода заключается в сжигании исследуемого материала в камере сгорания при заданной плотности теплового потока и определении летального эффекта при воздействии на подопытных животных продуктов горения. Токсичность продуктов горения в работе определяли газоаналитическим методом по содержанию в образующейся атмосфере монооксида и диоксида углерода, а также изменению концентрации кислорода. Для определения концентрации монооксида углерода использовали анализатор ГИАМ - 14 с диапазоном измерений от 0 до 1 % , а для СОг - прибор ГИАМ - 14 с диапазоном измерений СОг от 0 до 5 %. Допустимая погрешность составляла 2 %. Концентрацию кислорода измеряли с помощью прибора ГТМК-16 с диапазоном измерений от 0 до 21 % и допустимой погрешностью 2 % .
При изучении токсичности продуктов горения исследуемых образцов плотность лучистого теплового потока варьировали в пределах от 18 до 65 кВт м"2.
Термогравиметрия - комплексный метод исследования химических и физико-химических процессов, происходящих в образце в условиях программированного изменения температуры. Основана на сочетании дифференциального термического анализа (ДТА) с термогравиметрией. Кривые, характеризующие наблюдаемые изменения (кривые ДТГ, ТГ, ДТА), записываются универсальным микровольтовым регистратором [33].
В качестве условия проведения исследования выбран динамический нагрев образцов до 550 С при трех скоростях (5 С\мин, 10 С\мин, 20 С\мин), при подаче в камеру печи в качестве окислителя - воздуха с расходом 50 мл\мин и использованием керамического тигля объемом 150 мг.
Метод сорбции паров.
Приборы и материалы: эксикатор; стеклянные бюксы; лабораторные электронные микровесы I класс точности; изопропиловый спирт ((СНз)зСНОН); бензол (СбНб); секундомер (интеграл ЧС-01); вазелин.
Метод сорбции паров позволяет исследовать пористую структуру древесных углей в зависимости от эксплуатационного возраста древесины. Адсорбент представлял собой угольный порошок мелкой фракции (0,3 - 0,5 мм), представляющий собой поверхностный углистый слой образцов древесины. В качестве адсорбатора был выбран бензол.
На дно эксикатора наливается адсорбатор (бензол). Затем добавляется 5 мг изопропилового спирта, для образования на поверхности адсорбатора тонкой пленки, которая снизит интенсивность процесса испарения адсорбатора. Бюксы устанавливаются на керамическую крышку эксикатора и эксикатор закрывается стеклянной крышкой, поверхность которой промазана вазелином для обеспечения большей герметичности. Включается секундомер.
Первое взвешивание образцов проводится по прошествии 5 минут, далее взвешивания проводятся через каждые 15 минут. По прошествии часа взвешивания проводятся раз в полчаса, каждые два часа. Далее взвешивания проводятся каждые сутки до установления равновесия.
Влияние эксплуатационного возраста строительных деревянных конструкций жилых и нежилых строений одного региона на ее физико химические и пожароопасные свойства
Проблема оценки долговечности деревянных конструкций и изменения свойств древесины во время ее эксплуатации остается по-прежнему актуальной. Сложность решения данного вопроса обусловлена изучением тех физико-химических процессов, которые протекают во время эксплуатации в древесном материале, т.е. по существу речь идет об изучении процесса старения древесины.
Процесс старения древесины, исходя из результатов многочисленных исследований и наших наблюдений, не является однообразным для всех разновидностей древесины и условий эксплуатации, не поддается простейшему описанию и прогнозированию. Основными причинами сложности описания и изучения процесса старения древесины является, прежде всего, многочисленная вариативность условий эксплуатации древесины различных пород с неоднозначным изменением их физико-химических свойств.
Исходя из вышесказанного становится очевидным, почему имеющиеся результаты исследований процесса старения древесины имеют во многом противоречивый характер. В основе этих исследований лежали вопросы изучения изменяемости во времени физико-механических характеристик древесины, ее химического и элементного состава, объемной массы, содержания поздней древесины и другие [51, 52, 53, 54].
Таким образом, периодичность и характер изменения физико-химических свойств древесины во время ее эксплуатации остаются по-прежнему неопределенными. Что управляет процессом старения древесины? По всей видимости, качественные и количественные изменения, сопровождающие данный процесс, обусловлены следующим:
- изменением реакционной способности древесных компонентов во время эксплуатации древесины под воздействием различных факторов;
- регулировкой протекания процесса старения отдельной генетической субстанцией, ответственной за периодичность и особенности изменения химической целостности древесины.
Полагаясь на результаты проведенных исследований можно свидетельствовать о том, что сущность механизма старения древесины заложена на генетическом уровне. При этом особенности этого механизма, по всей видимости, зависят от разновидности древесины и климатогеографических условий их произрастания. По крайней мере, отличительная особенность механизма старения древесины может быть установлена между хвойными и лиственными породами. Не исключено, что для некоторых пород древесины, например для лиственницы сибирской, механизм старения и особенности изменения физико-химических свойств будут определяться отдельной древесной группой.
Немаловажную роль в изучении процесса старения древесины играют методы искусственного старения. Основу этих методов в большинстве случаев составляет температурно-окислительное воздействие на образцы древесины с установленной продолжительностью в один и более циклов.
К сожалению, многообразие физико-химических процессов, происходящих в древесине во время ее эксплуатации, не позволяет с высокой точностью воспроизводить те изменения, которые в ней происходят, а также определить характер этих изменений. Поэтому более предпочтительно опираться на те результаты исследований, которые получены для образцов древесины с существующих деревянных строений определенного возраста и памятников деревянного зодчества. При таком подходе необходимо точное знание эксплуатационного возраста объекта и природно-климатических условий, в которых он находится. В настоящей главе установлены основные закономерности изменения физико-химических свойств древесины, происходящих во время ее эксплуатации на существующих объектах деревянного домостроения и взаимосвязь этих изменений с некоторыми показателями пожароопасности.
Описание исследуемых образцов и результаты определения основных физико-химических свойств древесины представлены в таблице 19.
На рисунках 29,30 и 31 представлены зависимости содержания целлюлозы и лигнина в древесине от ее эксплуатационного возраста.
Результаты исследования показывают, что содержание целлюлозы с возрастанием времени эксплуатации до 150 лет ее становится меньше, а содержание лигнина увеличивается. Установлено, что для южной части деревянного строения характерны более значительные изменения, чем для его северной части. Интересно отметить, что для северной части строений в большинстве случаев характерно наличие на поверхности древесины мохообразной сфагнумовой растительности.
На рис. 29 представлены результаты определения элементного состава в виде соотношения С/Н древесины в зависимости от ее эксплуатационного возраста.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что с увеличением эксплуатационного возраста деревянных сооружений в древесине происходит уменьшение углеродной составляющей, а содержание водорода и кислорода пропорционально друг другу возрастает.
Увеличение с возрастом древесины водородной составляющей, обладающей более высокой энергетической способностью по сравнению с углеродом, приводит к увеличению ее теплотворной способности. Так расчетная и экспериментальная оценка низшей теплоты сгорания древесины показала, что с увеличением ее эксплуатационного возраста наблюдается повышение значений низшей теплоты сгорания. Результаты экспериментальной и расчетной оценки низшей теплоты сгорания представлены в таблице 20.
Анализ моделей развития пожаров на промышленных предприятиях с учетом пожарно-технических характеристик древесины различных пород и возраста эксплуатации
В настоящее время накоплен значительный объем экспериментального данных, на основании которых разработаны математические модели теплового и температурного режимов пожара в помещениях. Моделирование пожара в помещениях основано на представлении пожара как физического явления передачи тепла и массы в соответствующих условиях его развития. Условия развития пожара характеризуются видом пожарной нагрузки и конструктивно-планировочными характеристиками здания (помещения).
В зависимости от того, каким образом описывается изменение параметров состояния при пожаре в помещениях, различают два основных метода математического моделирования пожаров [41, 52, 53]:
- моделирование на уровне усредненных термодинамических характеристик процесса (интегральное моделирование);
- дифференциальное (полевое) моделирование.
С помощью уравнений развития пожара, которые выведены из основных законов физики - закона сохранения массы и первого закона термодинамики, определяется изменение среднеобъемных параметров состояния во времени. Система дифференциальных уравнений, описывающая развитие пожара, включает следующие уравнения:
- уравнение материального баланса;
- уравнение кислородного баланса;
- уравнение баланса продуктов горения;
- уравнение баланса инертных газов;
- уравнение энергии;
- уравнение состояния;
- уравнение теплопроводности;
- начальные и граничные условия.
При развитии пожара в помещениях зданий различного назначения, имеющих свободный газообмен с окружающей средой через различные проемы, давление в помещении изменяется незначительно. По данным проведенной серии экспериментов на фрагментах зданий размером 6x6x6 м и 6x6x3 м в диапазонах изменения отношения площади проемов к площади пола 4,5—25 % и пожарной нагрузки из древесины разных пород 50—175 кг максимальные значения локальных избыточных давлений (локального разрежения) не превышали 40 Па. Значение среднеобъемного давления не превышало нескольких паскалей. Для решения задач, связанных с исследованием опасных факторов пожара, когда среднее давление изменяется в небольших пределах, с достаточной степенью точности можно принять левую часть уравнения энергии равной нулю.
В ряде случаев при решении практических задач систему уравнений можно упростить. В зависимости от конечных целей решаемые задачи можно подразделять на два вида, характеризующиеся существенными отличительными признаками, связанными с характером учета теплообмена очага пожара с ограждающими строительными конструкциями [4, 5,6].
Если задачей исследования является получение (прогнозирование) термодинамических характеристик очага пожара, то такие задачи называются внешними. При решении внешних задач допускается использование различных эмпирических зависимостей, описывающих теплообмен пожара со строительными конструкциями.
К разряду внешних задач относятся конструктивные расчеты температурного режима пожара в помещениях [64 - 67]. Целью конструктивных расчетов является получение характера изменения среднеобъемной температуры в виде функции температура - время. При решении внешних задач используется система уравнений без уравнения теплопроводности, и при выполнении конструктивных расчетов по методу внешних задач достаточно использовать уравнения материального баланса и энергии для помещений, имеющих свободный газообмен с окружающей средой, а уравнения материального баланса, уравнение кислородного баланса и энергии - для помещений со стесненным газообменом.
Математическая модель пожара описывает в самом общем виде изменение параметров состояния среды в помещении в течение времени, а также изменение параметров состояния ограждающих конструкций этого помещения и различных элементов технологического оборудования.
Традиционно используемые математические модели, описывают в самом общем виде изменение характеристик среды объекта в течение времени и не всегда позволяют оптимальным образом оценить пожарную опасность объектов. В них, как правило, рассматриваются изменения параметров состояния ограждающих конструкций и пожарной нагрузки. Такой подход не всегда корректен, а в ряде случаев, в частности при значительной неоднородности газовой среды, может давать большие погрешности.
Математические модели, применяемые в настоящее время, для описания параметров пожаров в помещении условно делятся на три класса (вида): интегральные, зонные и полевые (дифференциальные).
1. Интегральная модель пожара [47 - 50] позволяет получить информацию, т.е. сделать прогноз, о средних значениях параметров состояния среды в помещении для любого момента развития пожара. При этом для того, чтобы сопоставлять средние (т.е. среднеобъемные) параметры среды с их предельными значениями в рабочей зоне, используются формулы, полученные на основе экспериментальных исследований пространственного распределения температур, концентраций продуктов горения, оптической плотности дыма и т.д.
2. Зонная модель [71,79] позволяет получить информацию о размерах характерных пространственных зон, возникающих при пожаре в помещении, и средних параметров состояния среды в этих зонах. В качестве характерных пространственных зон можно выделить, например, в начальной стадии пожара припотолочную область пространства, область восходящего над очагом горения потока нагретых газов и область незадымленной холодной части пространства.
3. Полевая или дифференциальная модель [51, 73, 78, 80] позволяет рассчитать для любого момента развития пожара значения всех локальных параметров состояния во всех точках пространства внутри помещения.
Перечисленные модели отличаются друг от друга объемом той информации, которую они могут дать о состоянии газовой среды в помещении и взаимодействующих с нею конструкций на разных этапах (стадиях) пожара. В этом отношении наиболее детальные сведения можно получить с помощью полевой модели.
В математическом отношении три вышеназванных вида моделей пожара характеризуются разным уровнем сложности.
