автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Исследование тепловыделения при горении полимерных материалов

ШШСТЕРСГВО ВНУТРЕННИХ Д£Л СССР . • Высшая инженерная почарно-техническая школа

На правах рукописи

ДИНЬ НГОК ТУАН

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ ПРИ ГОРЕНИИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ •

Специальность 05.26.01

Охрана труда и пожарная безопасность

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1991

- / /V 4

' L

<4 Работа выполнена на каЬедре пояарной безопасности гв^строительстве Высшей инкенерноЯ ножарко-техшпеской '¿т&Ц МВД СССР.

Научшй руководитель: к.т.н..доцент Серков Б.Б.

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор Абдурагимов И.М., к.т.н. Николаев В.Г.

Ведущая организация: Производственное объединение "Мосстройпластмасс".

Защита состоится " 1991г. в fJ часов

на заседании специализированного совета при высшей инженерной кохарно-техшгческой посоле ЫВД СССР по адресу: 129366, Москза, улиць Б.Галушкина, 4, aya. 503.

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке шкала.

Авторефэра? разослан И ex, » £¡ibV

Отзыв на автореферат с заверенными подписями просим шел&ть a BlíIuU МВД СССР по указанному адресу.

Телефон дзя справок: 283-19-05

Учений секретарь специализированного совета кандидат тежшческлх наук, с.н.с.

Т.Г. Меркушкина

Общая характеристика

Актуальность проблемы. В настоящее время во всех странах мира бурно развивается строительство» особенно во Вьетнаме. В соответствия с основными иаправленаяш аконокического и социального развитая страна до 2С00 года составное частью развития строительства является дальнейшее расширение прккенешя ь строительных конструкциях зданий а сооружений эффективное полимерных материалов. Широкое применение в строительстве шшмердае материалы подучила благодаря целого г^ду преимуществ перед традиционными матерваиша.. Оки ладзш, высокопробны, дсяговечнн и т.д. В то ка вршл цршттсю! все полимерные материала обладает серь&ша* недостатка! повышенной пожароопасностмй.

В СРВ в настоящее время яе существует аа одного офивдадьнсго стандарта, а в СССР нормируемые шшттеяа водарной опасности полимерных материалов определяйся в соответствии с ГОСТ 12.1.044-83 но 1ШЖШ1 горсчее-ти.

Теоретические модели развития оошр& в вешзежшх используют в качестве важнейших, параметров - теалошде-ления и скорость тешювнделеши. Современная ютоядоо*» гия нормирования пожаробезопасного применении кат^рашюв в строительстве также рекомендует определять тшмтаде-ления наряду с теплотой сгорания материалов, «саеяьзуя указанные параметре в числе основных показателей асгщр-ной опасности материалов.

До настоящего времени не существует четкого оодсек да к методике определения тепловыделения и скорости тепловыделения материалов. Отсутствуют стандартна« тода определения этих показателей. Не определены час-ленные значения этих показателей для реальных материалов и их зависимость от внешних факторов. Отсюда вытекает актуальность данной теш исследования.

Цель н задачи исследования. Настоящая работа посвящена вопросам исследования параметров выгорания полимерных материалов с целью разработки подходящей методики определения скорости выделения тепла при горении полимерных материалов и их зависимости от внешних факторов.

Для достигвния поставленной цели необходимо было решить следувдие задачи:

1. Изучить состояние вопроса, провести анализ параметров и методов оценки пошрной опасности полимерных материалов.

2. Разработать метода лабораторного исследования массовой скорости выгорания полимерных материалов.

3. Изучить методику определения низшей теплоты сгорания материалов.

4. Разработать методики определения коэффициента полноты сгорания полимерных материалов.

5. Определить численные значения тепловыделения при горении полимерных материалов и провести их сопоставление с другими методами.

Научная новизна работы заключается в сл едущем:

- впервые получены численные значения низшей теплоты сгорания для ряда полимерных материалов, а текла массовые скорости выгорания, скорости тепловыделения при горении полимерных материалов в зависимости от внешних факторов;

- получены экспериментальные зависимости массовой скорости выгорания от плотности внешнего теплового потока, ориентации и материала основания;

- предложена методика расчета коэффициента полноты сгорания полимерных материалов;

- впервые получены численные значения кислородного индекса для ряда полимерных материалов;

- предложен метод исследования тепловыделения при горении полимерных материалов.

Практическая ценность работы состоит в том, что:

- полученные результаты можно использовать с целью изготовления новых полимерных материалов с пониженной горючестью;

- результаты исследования использованы при чтении курса "строительные материалы и поведение их 2 условиях пожара" в БПШ МВД СЕВ;

- предложенная в работе методика определения коэффициента полнота сгорания полимеров монет применяться для определения тепловыделения различных материалов;

- полученные результаты можно использовать в противопожарном нормировании.

Апробация -работы: материалы диссертации докладывались на заседании УПО МВД СРВ, на кафедре "пожарной профилактики и тактики тушения пожаров", ВПТШ МВД СЕВ, на расширенном заседании кафедры пожарной безопасности в строительстве ВШЕГШ МВД СССР.

Объем и структуре дкссетстации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, основных выводов, списка литературы и приложения.

Диссертация изложена на 167 страницах машинописного текста, включает 14 таблиц и 30 рисунков. Список литературы насчитывает 83 наименований, 9 страниц приложения.

На защиту выносятся:

- методика исследования массовой скорости выгорания полимерных материалов;

- численные значения массовой скорости выгорания, низшей теплоты сгорания, кислородного индекса для ряда полимерных материалов;

- методика определения коэффициента полноты сгорания полимерных материалов;

- численные значения коэффициента полноты сгорания некоторых полимерных материалов;

- результаты исследования тепловыделения при горении полимерных материалов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В введении обоснована актуальность исследования тепловыделения при горении полимерных материалов, сформулирована цель исследования, изложены научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены положения, выносимые на защиту.

3 первой главе приводится краткий анализ характеристик покерной опасности полимерных материалов, особенности их применения в строительстве а тают основных положений противопожарного нормирования этих материалов. Проведен анализ параметров и методов оценки воспламеняемости и горючести полимеров, критериев пожаробезопасного применения и модели противопогарнсого нормирования.

Рассмотрено понятна о теплоте сгорания и тепловыделении при горении материалов и связь между нами. Проведено изучение теоретических а экспериментальных методов определения теплоты сгорания я тепловыделения пра горении полимерных материалов.

Установлено, что несмотря на болздюе количество работ, посвященных исследованию тепловыделения при горении материалов, до настоящего времени не существует четкого метода определения тепловыделения.

Показано использование в литературе различных значений коэффициента полнота сгорания дяя материалов без достаточного научного обоснования.

- б -

Рассмотрена массовая скорость выгорания. Проведан краткий анализ факторов, влияющих на изменение параметров выгорания.

В заключении сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе приведены вкспериментальнда исследования массовой скорости выгорания полимерных материалов. Разработана методика экспериментального исследования массовой скорости выгорания при различных условиях теплового воздействия на поверхность образца. Разработка методики проведения эксперимента исследования скорости выгорания. При этом массовая скорость выгорания определяется по формуле:

с (I)

где ^ - удельная массовая скорость загорания материала, Кг»м~2,,с~*; ДМ - изменение массы материала за время А ; й? - площадь поверхности горения, м2; АТ/ - дромэнуток времени при котором материал горит на площади & Р

Срэдняя приведенная массовая скорость выгорания определяется по формуле: л

Ср .. & ^ ■

Г- Я (2)

При етом средняя приведенная скорость выгорания полимерных материалов прямо пропорционально зависит от плотности внешнего теплового потока. Графическая интерпретация полученных результатов предстакаена на рис.1. Зависимость средней приведенной скорости выгорания от плотности внешнего теплового потока объясняется главным образом влиянием теплового потока на процесс термо-разяокенпя полимеров.

- ? -

10 20 30 40

Плотность внешнего теплового потока, кВт.м"2

Рис. I. Зависимость средней приведенной массовой скорости выгорания материалов от плотности внешнего теплового потока в - древесина-сосны; ® - ПВХ-рец- 8/2 в - о<5равец-1С6-ДБШ по ГОСТ 9590-76

- в

Проведено исследование влияния материала основания на массовую скорость выгорания полимерных материалов, установлено, что чем больше отвод тепла от зоны терморазложения, тем сильнее материал основания влияет на массовую скорость выгорания. Результаты исследования приведены в таблице I*

Таблица I

я» Наименование Фх Ю3

ц/п материала кВт.м"2 Кг.м-2.с"

I Экструзионннй ПВХ линолеум, 24,4 4

наклеенный на асбесто- 28,7 5

цементную плиту 33,5 5

34,3 8

2 Экструзеояшё ПВХ линолеум, 32,9 7

наклеенный на ДВД . 23,6 9

34,2 10

42,0 . 12

3 Экструааонный ПВХ линолеум, 24,8 4

наклеенный на ДВП с прослойкой 30,3 4

из алюминиевой фольги 31,0 7

. 33,2 8

Изучено влияние пространственной ориентации на массовую скорость выгорания материалов. Установлено, что при вертикальной ориентации образца, средняя приведенная скорость выгорания больше, чем средняя приведенная скорость выгорания образца, расположенного в горизонтальная положении. Графическая интерпретация полученных результатов представлена на рис. 2. Это явление объясняется тем, что при горении образца распо-

см «я

¿20

со о м

3 а о

Ю

н

о

я

о

§

О

а

а

о

10 20 * 30 40

Плотя ость внесшего теплового потока иВг.м"^

Рис. 2. Влияние пространственной ориентация образца на массовую скорость выгорания. Образец 1Б8.ДБСП по ГОСТ - 9530-76

о - образец располозендай в вертикальном положении;

© - образец расположенный в горизонтальней пологении.

-ДО-

лаканного в вертикальном положении суммарное облучение на горящую поверхность больше чем в горизонтальной ориентации образца» sa счет облучения от собственного пламени. Так es проведено сопоставление результатов экспериментального исследования массовой скорости выгорания с расчетными, результат которого подтверждает корректность использованного метода.

В третьей главе приведена экспериментальная методика определения низшей теплоты сгорания материалов. Определено численное значение низшей теплоты сгорания для ряда полимерных материалов, при атом низшую теплоту сгорания определяли по формуле:

tt?« • (3)

Р ■ m

где - низшая теплота сгорания, кДе.г"*;

<4 - еффвктивная теплоемкость калориметрии, BS». ОСТ1;

• ~ неменеяне температур! в сосуде калориметрии, °С;

Ш . ыасса образца, г.

+ (4)

где "Ьп - показание термометра, соответствующее конечной температуре главного периода;

Д и Д-^о - поправка на калибр при температурах и Ьо соответственно (указанная'в свидетельстве к термометру);

tо- показание температура, соответствующее конечной температуре начального периода.

Д-fi = JS*2L. и, + . (5)

- поправка на теплообмен калориметрической сио-темы с окрукавдей средой в делениях шкалы термометра;

2 - средняя цена деления шкалы термометра °С/дел (указанная в свидетельстве к терыометру);

средние скорости изменения температуры на 30с в начальном и конечном периодах;

П4 - число отсчетов главного периода с быстрым подъемом температур (0,3°С и более);

- число отсчетов главного периода с медленный подъемом температуры (г^ п-п^-);

XI - общее число отсчетов главного периода.

Проведено сопоставление результатов экспериментального с расчетннми значениями низшей теплоты сгорания материалов, результат который подгверддает надежность использованного нами метода определения низшей теплоты сгорания материалов.

При расчете низшей теплоты сгорания использована формула Менделеева М.Д.

(1И= 339,4С + 1257Н - 108,9(0+ Я - $)-г5,1(ЭН+1У ); (6) где: С, Н, 0,М , Б . УУ - содержание углерода, водорода, кислорода, азота, серы и влаги в горючем веществе соответственно, %.

Результат сопоставления представлен в табл. 2.

Таблица 2

!№ Наименование Низшая теплота сгорания Относи-

материалов йн ^^_

п/п Литера- Расчетные Экслери- ность,

' турные данные менталь- %

ные данные

I Сосна 20609

20800 19340 19620 0,63

16500

14665

Продолжение табл. 2

2 Береза 20766 18720 18090 0,91

3 ПВХ - линолеум

экструзионный 17890 17140 17998 1.4

В четвертой главе разработана методика определения коэффициента полноты сгорания полимерных материалов через значение кислородного индекса.

Авторш проведены эксперименты по определению кислородного индекса для ряда полимерных материалов, и таксе определен критический кислородный индекс для некоторых полимерных материалов.

Была обоснована методика определения стехпометри-ческого коэффициента горения полимерных материалов. Конечная формула основана на уравнении теплового баланса в ведущей кромке пламени:

Ящ^оМог**^* т(тдл-тповК -»т-ЬПт-0^ (7>

где Тдд, Т0, Тдов - температура пламени, окружащей среда и горящей поверхности соответственно:

С - овальная теплоемкость;

Ш, - массовый поток вещества.

Индексы С>2, N 2, Т относятся к кислороду, азоту, внешней среде и газообразным горючим продуктам деструкции полимера.

ОР, Ь-, 0- - удельные значения теплоты сгорания, теплоты газификации полимера и тепловых потерь от пламени и соответственно.

Предположено, что для кислорода и азота имеет место равенство удельных теплсемкостей: С. Состав окислителя натекающего на пламя совпадает с составом.

окруаавдей среда: (

где У - мольная доля кислорода в окружающей среде.

Массовые потоки горшего вещества и кислорода реагируют в стехиометрическом соотношении, т.е. т0 *Г-ШТ где г - массовый стехнометрический коэффициент сгорав ния.

На пределе горения температура пламени оданаковая для всех систем. В результате преобразования получили выражение:

г- ки ар„-1 -мТц.т^-а

100 СЛТм-Тв) (8)

где КИ = 100У; КЙ - Кислородный индекс - минимальная концентрация кислорода в газовой среде (кислород, авот), при которой поддергивается самостоятельное горение образца.

Било отмечено, что при горензаи полимерных материаг-лов степень наполнения существенно влияет на процесс горения. В качестве наполнителей использованы два класса тонкодисперсных неорганических соединений. Соединения устойчивые до 1000°С (оксиды и соли металлов) и вещества разяагащиеся до 4СЮсС с выделением углекислого газа и вода (гидроксида, карбонаты и гидрокарбо наты). Поэтому расчетная формула принимает вид:

»00 С(тйл,те) (9)

где Кг 22» _ отношение массы наполнителей к массе мате-т т

риала;

% - удельная теплота, поглощаемая наполнителем. Приведен расчет численных значений коэффициента полноты сгорания для ряда полимерных материалов по формуле:

-,Д -

где: - окспериментаяьный стехяометрический коэф-

фициент сгорания;

теоретический стехиометрический коэффициент сгорания. Полученные результаты приведены в таблице 3.

Таблица 3

йй Наименование а/а материала * а: -Г4 Г\И % Ъс а кДж.й.С

1. ПЭ 153-172 0,95 40,22 25,8 2,96 2,84 527,09

2. ИЭ 107-43 0,93 40,52 25,3 3,09 2,87 557,71

3. 10 107-61К 0,92 39,66 24,2 3,03 2,79 510,64

4. ПВХ-Рец.8/2 0,87 24,49 22,0 1,86 1,62 245,02

5. ПВХ-0-25ВДГВ 0,85 22,95 31,2 1,75 1,52 187,27

6. ПВХ-288/1 0,84 25,73 24,1 2,11 1,79 -

7. ПВХ-0И-67Р 0,82 26,07 28,7 1,99 1,63 183,84

8. ПВХ-132-В 0,82 19,02 34,8 1,44 1,20 91,10

9. ПВХ-0-40 0,76 25,62 23,8 1,95 1,50 194,71

10. ПВХ-НГИ-40-32 0,75 20,1 31,1 1,73 1,30 -

II. ПВХ-6403-С 0,73 27,32 23,2 2,13 1,56 • -

12. ПВХ-132-А 0,73 19,3 30,7 1,47 1,07 187,90

13. ПВХ-ОЬМО 0,72 27,84 22,9 2,12 1,53 198,44

14. ПВХ-0Й-25 0,72 23,43 24,5 1,78 1,29 150,13

15. пвх-нгп-С'О-зг 0,7 18,89 34,0 1,44 1,01 85,95

В пятой главе проведено исследование скорости тепловыделения при горении полимерных материалов. Скорость тепловыделения определена по формуле:

0L = У?- ftü

(И)

где: Y - средняя приведенная массовая скорость выгорания, кг. м-2.с-1; <! - коэффициент полноты сгорания материала; - низшая теплота сгорания материала.

Установлено, что скорость тепловыделения при горении полимеров существенно зависит от плотности внешнего теплового потока. Это объясняется -тем, что при горении полимеров на их поверхностях образуется карбонизированный слой, который препятствует процессу горения, при достаточном большем значении интенсивности внешнего теплового потока происходит разложение и горение более трудногоршего компонента. Поэтому чем больше плотность теплового потока падаыцего на поверхность образца, тем интенсивнее процесс горения з выделения тепла..

Графическая интерпретация результатов исследования представлена на рис. 3.

Рассмотрена зависимость скорости тепловыделения при горении полимерных материалов от пространственной ориентации образцов. Определено, что при плотности внешнего теплового потока &В|) = 10,35 кВтм""*1 скорость тепловыделения при горении образца ПВХРец 8/2, располокек-::ого в вертикальном положении выше на 22,66$ по сравнению с образцом, расположенным в горизонтальном положении. Такие отмечено, что при достаточной плотности внешнего теплового потока, пространственная ориентация образца стала меньше влиять на скорость тепловыделения. Графическая интерпретация зависимости скорости выгорания при горении полимерных материалов приведена на рис. 4.

Отмечено, что материал основания активно участвует в процессе отвода тепла из зоны терморазложения, в результате приводит к уменьшению интенсивности разложения, выгорания и следовательно снижает скорость тепловыделе-

&

к

л н

8 &

ё

I ю

20

30

40

—2

Плотность внешнего теплового потока кВт.м

Рис. 3. Зависимость скорости тепловыделения при горении полимеров от плотности внешнего теплового потока

® - Ш Рец.8/2 ; О - ПВХ-О-25-ДДгВ ® - Пс 107-43 г в - ПЗ-Ю7-61 К

,т 17 ~

Рис. 4. Зависимость скорости тепловыделения образехНШ 8/2 от пространственной ориентации

о - образец, расположенный в вертикальном пологекии;

9 - образец,расположенный г горизонтальном положении.

'ния при горении полимерных материалов. Важно почеркнуть, что материал основания, у которого тлеется коэффициент тепловодаости больше, сильнее влияет на скорость тепловыделения.

Приведен расчет среднеобъемной температуры пожара в коридоре здания гостиницц размером 54x1,6x3м, в котором стена облицована ДБСП. Для расчета использованы результаты исследования массовой скорости выгорания низшей теплоты сгорания и скорости тепловыделения. Расчет проводился для двух вариантов. Когда оба торцовые окна закрыты использована формула, полученная А.Б.Матюшиным: , -» п

ф ч1 ЧАТ.-*7 п сш

где Т„ , Тцу - начальная и срецнеобъемная температура в помещении. К;

СГ11 - теплоемкость газов в помещении до покара кДк.кг^.К"-^;

У» - начальная плотность газа, кг.м"^.

Для варианта, когда оба торцевые окна открыты, использован метод, разработанный Ю.А.Кошмаровым.

. Установлено, что средняя объемная температура пояара в коридоре общественного здания с размерами 54 х 1,в х 3 м при 6-ой минуте достигает значения 71°С,что превышает предельно допустимое значение для человека.

ОСНСВНЫВ ВЫВОДУ

1. Разработан лабораторный метод определения скорости выгорания полимерных материалов. Метод характеризуется возможностью проведения испытаний при различных условиях теплового воздействия на поверхность материала. Материал основания и пространственная ориентация образцов соответствуют реальным условиям применения полимера.

2. Определены "деленные значения массовой скорости

выгорания рада полимерных материалов при различных условиях.

3. Разработана методика определения и получены численные значения коэффициента полноты сгорания полимерных материалов, которые составили: для ЛВХ Ш.25 - 0,72;

ПВ о.40 - 0,76; ПВХ.Рец.8/2 - 0,87; ПВХ Ш.67Р - 0,82; ГО Л53.172- 0,95 ...

4. Определены численные значения низшей теплоты сгорания ряда полимерных материалов: р

образец 130.ДБСП по Г0СТ359О-76- 0-»= 20,62 кДаиг"*1; образец II?.ДОИ по ТУ 400.1.18-84- = 18,81 кДа.г""1; образец 128-даса по ТУ 400.1.18.84- = 19,17 кДж.г"1; образец Ш.ДО1 по ГОСТ95ЭО-76- С = 20,73 кДя.г-1; ПВХ Род.8/2 = 24,49 иДаиТ1; ПВХ.0.40 = » 25,62

5. Еа основа разработанных методов была проведена зкепергшеоташые гассяедавашя параметра горения полн-шршх шигертяса, Результата экспериментов показали сладу щее:

5.1, Мае«®«® скорость шгореяия всех полимерных . штерю«ка прямо щюперршаяъш» зависит от плотности

внешвго тааяшого потока (в пределах от 10,85 да 40,58 яВглГ2). Для образца 168-ДВГО но Г0СТВ540-% массовая скорость шг-отшеая ваходагся в пределах от 8,7 до 25,85 Т'.яГг.«Г1; дая сбреЕцз - 132-ЛБСЯ но 73 400-118, Ш иассоаая скорость шгеюазгя находятся в яредегвх «от.7,24 до2£Д гаГ^.сГ*; ®ш образца ШХ Рес.&Л2 мзссшея схорссть загореная шаговггея в пределах от '2,да 14 Д иГ^.с

5.2. ВрострЕэстаенвая оряентадая образца оказывает существенное влияние ва процесс выгорания я тепловыделения материала.

В частности, кассовая скорость выгорания образца 1Ш4ШШ во ГОСТ 9590-76, расположенного а вертикально« даадаеншг, в зависимости от плотности внешнего теп- 2<2 -

лового потока, выше чем при горизонтальном расположит::

при 0,ив 10,85 кВт.«"*2 иа 24,132 при Цйв = 15,51 кВт.и"2 на 24,7$ при ^ = 23,41 кВт.м""2 на 12,01$ при = 31,99 кВт.м""2 на 7,97£.

Скорость тепловыделения при горении образца ПВХ

?ец.8/2: при йв((= 10,85 кВт.м""2 на 22,66^;

при 15,51 кВт.м"2 на 18,65$; при й = 23,41

. , вн

кВт.м с на 13,25$.

5.3. Скорость тепловыцелешгя при горении полимерных материалов существенно зависит от условия теплового воздействия на горяцую поверхность материала.

При плотности внесшего теплового потока в пределах от 10,85 до 40,58 кВт.м"4^, скорость тепловыделения ПВХ Рец.8/2 находится в пределах от 204,966 до 298,288 «Дзс.м'"2.с~1; 1IBX.QM.67P от 123.988 до 226,60 кДк.м'^.с"1.

5.4. Материал основания образца оказывает существенное влияние на массовус скорость выгорания, & текшз на скорость тепловыделения образцов. В частности: в пределах изменения плотности внесшего теплового потока от 24 до 34 кВт.м~2 массовая скорость выгорания экструзленного ПВХ, наклеенного на ДВ11 находится в пределгхх от 7 до 10 г.м~2.с~*; экструзионного ПВХ наклеенного на ас-бестоцементнуо плиту находитея в циалазоне от 4

до 8 г.м~2.с~*.

Скорость тепловыделения зкетрузионного ПВХ наклеенного на ДВЦ в пределах от 96,87 до 138,43 кДя.м^с"1; зкетрузионного ПВХ, наклеенного на асбестоцементную плиту в диапазоне от 54,68 до 110,93 кЛз.м~2.с~^.

6. Результаты расчета позволяет сделать выводу что применение ДБСД для облицовки коридоров эдашгя гостиницы, способно стать причиной гибели .тсдеП.