Pyrolýza a vznícení připálených materiálu pod přídavným tepelným prouděním

Transkript

1 Pyrolýza a vznícení připálených materiálu pod přídavným tepelným prouděním Abstract Experimentální měření byly testovány účinky vnějšího tepelného toku z pyrolýzy a spalovacích připálení materiálů pomocí kuželového kalorimetru a radiační platformou, a to zejména s malým tepelným tokem. Rozdíly v pyrolýze a spalování dřeva jsou projednávány v silných a slabých tepelných tocích. Také se navrhuje upravený vzorek pyrolýzy pro připálení materiálu při požáru. U těchto vzorku jsou nějaké speciální faktory, které mají vliv na pyrolýzu, jako jsou tepelné ztráty konvekcí a radiací v důsledku rostoucí teploty povrchu a také je bráno v úvahu smrštění vnější povrchový znaků. Pyrolýza dřeva a čas na zapalování se předpovídá pomocí vzorku, který je také používán k vysvětlení mechanismu pyrolýzy u dřeva vystavené na dlouhou dobu slabému přídavnému proudění. Klíčová slova: pyrolýza, oheň, čas zapálení, ohraňování materiálu, vnější tepelný tok Názvosloví: A před exponenciální faktor [1/s] C P měrná tepelná kapacita při konstantním tlaku [J/kg*K] E a reakce činné energie [J/mol] h specifická entalpie [J/kg] h sur povrchový proudící součinitel [W/m*K] h back zpětný proudící součinitel [W/m*K] k tepelná konduktivita [W/m*K] L délka [mm] M g maximální proudění těkavé látky [kg/s*m 2 ] n- index reakce q " - externí tepelný tok na jednotku plochy [kw/m 2 ] Q - Reakční teplo [J/kg] R - měrná plynová konstanta [J/mol*K] T - teplota [K] s (t) - přepravní vzdálenosti na horní povrch z původního umístění [mm] t - čas [s] x - vzdálenost od počátečního umístění v horní části plochy [mm] Řecké symboly ε permeabilita ρ - hustota [kg/m3] Indexy počáteční a část pyrolýzy c znak f konečný g plyn s místo pyrolýzy sur vrchní plocha back spodní plocha w přírodní dřevo Článek osnovy Názvosloví

2 1. Úvod 2. Popis vzorku 2.1. Fyzikální a chemické složení vzorku 2.2. Vzorek 2.3. Číselná analýza 2.4. Změny na Kungovém vzorku 3. Výsledky a diskuse 3.1. Ověření vzorku 3.2. Rozložení teploty po dřevě 3.3. Závislost míry vypařování na hustotu dřeva 3.4. Předpověď času zapálení 3.5. Rychlost odhoření dřeva, při slabém povrchovým hoření 4. Závěry Poděkování Reference 1. Úvod Pyrolýza zuhelnatěného materiálu, jako je dřevo, je souhra komplikované chemie, tepla a přeměny hmoty. Zuhelnatění materiál musí být vzorek v době pyrolýzy, proniká čelem do materiálu se zvyšující povrchovou teplotu a bez dobře definovaných stabilních stavu. Spálená vrstva tvoří stále větší tepelný odpor, spolu s vystaveným povrchem u první pyrolýzy, výsledek nepřetržitě klesá při uvolňování teploty po prvním vrcholu. Rychlost pyrolýzy pevného materiálu (především hořlavého materiálu) je hlavním faktorem ovlivňující rozšíření požáru, protože určuje rychlost uvolňování tepla u ohně. Vzhledem k významu a složitosti pyrolýzy hořlavosti materiálu, je zde značné množství práce zapalitelnosti, pyrolýza, pálení a zapalování dřeva a celulózových materiálů, a je experimentálně i teoreticky ve článcích z referencí [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 1, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 a 18]. Několik vzorků pro hoření pevných látek byly také rozvinuty. Tyto vzorky se řadí podle samostatného zacházení hoření a zapálení použité na vzorek s menším tepelným vedením, pro použití složité chemické kinetiky, pro pyrolýzu hořlavých materiálu. Nicméně, existuje jen málo studií o vznícení dřeva v slabém tepelném záření. Navíc, každý vzorek má své omezení. V tomto příspěvku je upravený jednorozměrný vzorek navrhované pyrolýzy, domníváme se přechodnému vedení tepla, proudění plynu, endotermické pyrolýzy s nelineární hraničními podmínky a zmenšení desky. Některé experimenty byly provedeny pro ověření vzorku a studium zapálení dřeva v slabých a silných vnějších tepelných tocích. Ke konci, je vzorek používán ke zkoumaní teoretické pyrolýzy a zapálení dřeva pod vnější tepelné záření. Fig. 1. Sketch of the model for thermal decomposition.

3 2. Popis vzorku 2.1. Fyzika a chemie vzorku Zkušební vzorek je považován za jedno rozměrnou desku, tloušťky L. Zadní plocha vzorku je opřena na podkladu. Horní povrch vzorku je vystaven jednotnému toku tepla shora. Specifické předpoklady potřebné k vytvoření matematického modelu jsou: Těkavé látky vytvořeny uvnitř neakumulované vrstvě, které opouští povrch pevné látky okamžitě.tento vzorek je omezen na suché dřevo.chemické reakce mezi těkavými látky a spalitelnosti nebo mezi spalitelnost a vzduchem jsou ignorovány. Vlastností materiálů se předpokládá, že je lineární v rozsahu a bere se v úvahu použitých teplot. Tento předpoklad je založen na experimentech Suuberg et al. Povrchové a vnitřní teploty dřeva se zvýší s přídavným tepelným tokem. Když teplota dosáhne určité teploty kondenzace, voda se začne vypařovat. Většina vodních pár vycházejících z horního povrchu, tak proniká minimálně do vzorku. Až voda je vyloučena, teplota povrchu dřeva začíná být větší a rychlost pyrolýzy začíná zrychlovat. Pak je tvořena v reakční zóně pro pyrolýzu. Spolu s reakční zónou šíří dovnitř, odlišné vrstvy v dřeva rozkládané současně při různých teplotách, z těchto důvodů teplota uvnitř dřeva. Vlastnosti vzorku jsou zobrazeny na Obr Vzorek Vzorek je totožný Kungovém vzorku [15] a [19], který je stručně představen. Energie rovnice pro zkušební vzorek na S (t) x L, Okrajové podmínky na hranici pohybující x = s (t) je: Ale na zadní straně na x = L Počáteční stav je: a rychlost pyrolýzy je: Rovnice pro zachování množství plynu je: Materiálu vlastnosti jsou považovány za lineární funkcí teploty: V (7) a (8), K je součinitel tepelné vodivosti při teplotě T, k * a * Cp je lineární koeficient C P [r] je tepelná kapacita T Numerická analýza Složitost vzorku znamená, že numerické metody jsou nevyhnutelné. Numerické metody jsou používané standardně u konečných rozdílu mřížky plně implicitní metody, jehož uzly jsou exponenciálně distribuovány skrz celou zbývající pevnou látku. Crank-Nicolsonova metoda byla použita k řešení těchto rovnic nekonečně. Další podrobnosti o numerickém programu jsou k dispozici v článcích z referencí [15]. Zvolené hodnoty některých parametrů jsou uvedeny v tabulce I.

4 Tabulka 1. Vybrané hodnoty některých parametrů Značka Číslo Značka Číslo A [1/s] Q [J/kg] E a [J/mol] h sur 1 [J/m 2 s K] T 3 [K] h back 1 [J/m 2 s K] C pa 214 [J/kg K] C pa * 4.19 [J/kg K 2 ] C pc 1928 [J/kg K] * C pc 1.98 [J/kg K 2 ] C pg 2 [J/kg K] * C pg k a.157 [W/m K] * k a.3 [W/m K 2 ] k c.84 [W/m K] * k c.2 ε c.98 ε w.72 L 2 [mm] n Změny na Kungovém vzorku Hlavní změny vzorku jsou následující: 1) Obecně platí, že byly stejné hustoty tepelného toku použity, ale tepelné ztráty přes proudění a záření způsobené při každém zvýšením teploty povrchu dřeva se nebere v úvahu u předchozích vzorků. Nicméně, tepelné ztráty se zde pojednává, jak je vidět v rovnici. 2 a 2) Ve skutečnosti povrch se zmenšuje při rozkladu dřeva. 3. Výsledky a diskuse 3.1. Ověření vzorku Aby dokázal, že na vzorek, bylo mnoho pokusů provedeno v ranní fázi pomocí záření platformou pro studium požární. Rozsáhlejší a kompletní popis záření platformy byla dána [19], [2] a [21]. Vzorek byl umístěn ve vodorovné poloze na držáku vzorku (55 mm výšky a 55 mm délky) na podpěře, všechny řezy vzorku dřeva byly od stejného listu. Minimálně dva kroky byly provedeny pro každý materiál a každý tepelný tok. Pokud se kroky se značně liší, byl učiněn třetí krok. Rychlost ztráty hmoty byla měřena zatížení. Obr. 2 srovnává experimentální měření s výsledky vypočtené za použití Kungova vzorku a našeho vzorku. Obr. 2 ukazuje, že hodnota vypočtená podle našeho vzorku je o něco vyšší, než je experimentální hodnota v rané fázi. Celkově lze říci, že odpovídají stejně. Důvodem je, že obsah vody začne odpařovat, když se jeho povrchová teplota zvyšena na začátku zahřívání. Na druhé straně, tam je zřetelný rozdíl mezi výsledky experimentu a výpočty ze Kungova vzorku. Důvodem je, že tepelné ztráty způsobené vzestupem povrchové teploty nejsou považovány za tentýž vzorek. Tyto výsledky ukazují, že náš vzorek je o něco přijatelnější.

5 Obr. 3 Porovnání výsledků z experimentu a výpočtu tepelných toků uvedené (a, modřín borovice, hustota 745 kg/m3 =, tloušťka = 2 mm, b, bílá borovice, hustota 385 kg/m3 =, tloušťka 4 mm) Rozložení teploty po dřevě Obr. 3 a Obr. 4 ukazují rozložení teploty na dřevě za stáleho tepelného toku (25 kwh/m 2 ) a hustoty dřeva (1 kg/m3). Obr. 3 obsahuje teploty na dřevě u různých časů, a Obr. 4 ukazuje rozložení teploty na různých pozicích. Z obr. 3, když t = 31,2 s, žádné teplo plně nepronikne na dřevo, protože zahřívání trval jen krátkou dobu a teplotní spád je malý. Tak, dřevo považujeme za polo nekonečné. Když dosáhne t = 251,2 t s, křivka se stává hladkou a teplotně nejchladnější vrstvy postupně stoupají. V tomto okamžiku musíme teplotní spád třeba respektovat při x = L. V t = 2741,2 s a t = 2521,2 s, obě křivky jsou v těsné blízkosti a může být považovány za přibližně rovné. Tento výsledek ukazuje, že rovnovážného stavu může být dosaženo po zahřátí dřeva po dostatečně dlouhé době. Jak je vidět z Obr. 4, na začátku zahřívání, teplota velmi rychle stoupá. Po zahřátí na dlouhou dobu, se vzdálenost mezi jednotlivými křivky se vyrovnávají. V tomto okamžiku, se teplotní spád téměř nemění. Obr. 3. Rozložení teploty v různých časech.

6 Obr. 4. Rozložení teploty na různých pozicích Závislost míry kondenzace na hustotu dřeva obr. 5) popisuje závislost toku masy produktů pyrolýzy ze dřeva na jeho hustotě. Je zjevné, že čím menší je hustota dřeva, tím rychleji dojde k uvolnění plynu. Takže dřevo s nižší hustotou pyrolyzuje v kratším čase. Obr. 5. Vypočtené závislosti na hmotnosti pyrolýzy výrobků ze dřeva na hustotě Předpověď času zapálení Koncepce kritické povrchové teploty se obvykle používá k předpovídání pevného vznícení. Kritická teplota povrchu byla použita k předpovědi času zapálení dřeva, který byl považován za dostanečný, když jeho povrchová teplota dosáhne kritické povrchové teploty [22]. Tabulka II uvádí experimentální výsledky pro povrchovou teplotu měřenou Jadwiga [23]. Při zapálení dřeva. Z tabulky II, je rozumné předpokládat, že kritická povrchová teplota jakéhokoliv dřeva se pohybuje v rozmezí 19 ~ 31 C. Tabulka III uvádí zapalování v době Kempas, dřevo měřené v konickém kalorimetru je hlavním zdrojem. Předpokládáme, že doba zapálení byla vypočtena pomocí našeho vzorku na základě různých kritických teplot vznícení: 29 C, 3 C a 31 C. Obr. 6 srovnává experimentálně s výsledky vzorku, shoda je dobrá.

7 Obr. 6. Porovnání času předpokládaného a experimentálního vzorku pod různými tepelným tokem (materiál = Kempas, hustota = 9 kg/m3) Tepelný výkon dřeva, při slabém vnějším prouděním Čtyři druhy dřeva (dub, Kempas, třešeň a buk) byly testovány konickým kalorimetrem (Cone 2A) a to jak za slabší tepelným prouděním (2 kwh/m 2 ) a silnější tepelným prouděním (3, 4, 5 kw/m 2 ). Výsledky na Obr. 7 ukazují, že vztah mezi průměrnou rychlost uvolňování tepla (průměr tepla uvolněného při zahřívání) a vnější tepelné proudění je vyjádřeno parabolickým jednoduchým lineárním vztahem. Vlastně Trans lineární rovnice [24] je asi používána pouze při vyšších tepelných tocích. Z obr.. 7, na testovaným dřevě, minimálně kritický tepelný tok je přibližně 3 kwh/m 2, po kterým existuje jasný lineární vztah mezi průměrnou rychlosti uvolňování tepla a radiačními toky. Ze všech těchto tepelných toků, maximální rychlost uvolňování tepla je přibližně 2 kw/m 2. Tabulka IV ukazuje, že všechny testované dřeva potřebovaly více než 2 minut, aby se vznítila při 2 kwh/m 2, což 4 až 3 krát větší, než na základě jiných tepelných toků. To je vzhledem k různé distribuci vnitřní teploty dřeva při době ohřevu. Obr. 8 umožňuje vypočítat vnitřní teploty dřeva za 2 s po zahřátí, ale i experimentální výsledky dané Suuberg et al. [12]. Z obr.. 8, pro dřeva se stejnou hustotou, čím silnější je vnější tepelný tok, tím vyšší jsou teploty na povrchu, uvnitř dřeva, a také teplotní gradient. To je vzhledem k akumulaci tepla absorbovány povrchem. Obr. 9 popisuje vypočtené vnitřní rozložení teploty dřeva při výskytu různých teplot vznícení. Jak je vidět z Obr. 9a, kdy vnější tepelný tok je 2 kwh/m 2, čas potřebný pro zapálení je velmi dlouhý (281 s), takže teplota je poměrně vysoká a vnitřní teplotní spád je malý, protože má dlouhou dobu ohřevu. Ve skutečnosti, nejnižší teplota dosahuje téměř 18 C. Na druhou stranu, když vnější tepelný tok je 5 kwh/m 2, je dřevo zapálen po velmi krátké době (139 s). V tomto případě povrchová teplota stoupá rychleji a vnitřní teplotní gradient je velmi vysoký. Z obr.. 9a, nejnižší teplota je přibližně 3 C a téměř rovná teplotě okolního prostředí. Nicméně, je teplota mnohem nižší než na 2 kwh/m 2. Na základě této analýzy lze konstatovat, že průměrná vnitřní teplota dřeva rapidně klesá při zvýšení vnějšího tepelného toku. Kromě toho, čas a zápalná teplota má velký vliv na zapálení dřeva.

8 Obr. 7. Průměrná rychlost uvolňování tepla ze dřeva, zakreslené proti tepelnému toku. Obr. 8. Rozložení vnitřní teploty dřeva v různých tepelných toků (hustota 691 kg/m3 =, t = 2 s).

9 Obr. 9. Rozdělení vnitřní teplota dřeva (zápalná teplota = 3 C, hustota 9 kg/m3 = b, zápalná teplota = 31 C, hustota = 9 kg/m3). 4. Závěr Jednorozměrný vzorek pyrolýzy byl navržen a použit k prozkoumávání, jednotlivých faktory i ovlivňujících rozklad dřeva. Také, se předpokládalo doba zapalování dřeva za různých vnějších tepelných toků. Z těchto studií lze vyvodit tyto závěry: 1. Navrhovaný vzorek dobře popisuje pyrolýzu dřeva. 2. Vnější tepelný tok má velký vliv na pyrolýzu dřeva. Obvykle se začíná dříve silnější tepelný tokem pyrolýzy dřeva. To znamená, že čas potřebný pro pyrolýzu je mnohem kratší. Průměrná vnitřní teplota dřeva rapidně klesá při zvýšení vnějšího tepelného toku. 3. Předpovězeny čas zapálení za použití vzorku, ukázaly, že experiment a vypočtené hodnoty jsou téměř shodné pro silnější tepelné proudění, ale i tam jsou rozdíl mezi nimi rozdíly se slabšími tepelnými toky. 4. Některé zvláštní příznaky jsou navrženy pro pyrolýzu, zapalování a rychlost odhořívání dřeva pod slabým tepelným tokem. To znamená, že vztah mezi průměrnou mírou uvolňování tepla a vnější tepelný tok je spíše parabolický než jednoduše lineární vztah. 5. Čím nižší je vnější tepelný tok, tím delší je čas zapalování a vyšší vnitřní teplota dřeva a naopak.