Для простейшего качественного анализа возьмём деревянную дощечку и положим её плашмя на тлеющие угли очага (рис. 95). Ясно, что доска должна нагреваться снизу, а значит и дрова в кострах и в печах вспыхивают и горят снизу. Поминутно перевёртывая дощечку для осмотра нагревающейся стороной вверх, можно заметить, что сначала обугливаются и начинают тлеть заусеницы (ворсинки) на поверхности доски 3. Поэтому для облегчения загорания дров, перед растопкой на поленьях иногда делают топором крупные насечки (заусенцы, заструги). И наоборот, для предотвращения преждевременного воспламенения, доски обжигают паяльной лампой (газовой горелкой, факелом, лучиной) для удаления ворсистости поверхности древесины, например, на потолке курной бани.

Рис. 95. Воспламенение и горение деревянной дощечки, закладываемой на угли (пламя) в печи: 1 — деревянная дощечка (вид с торца), 2 — угли (пламя) в печи, 3 — заусеница, воспламеняющаяся в первую очередь, 4 — пористый газопроницаемый обугливающийся слой, 5 — газообразные горючие продукты пиролиза (летучие), сгорающие в обугливающемся слое в режиме тления, 6 — распределение температуры при тлеющем горении, 7 — летучие, сгорающие вне древесины в форме пламени, 8 — распределение температуры при пламенном горении, 9 — пламя (факел), охватывающее нижнюю пласть (сторону) доски и вырывающееся вверх за кромкой доски, 10 — годичные слои древесины (иллюстративно).

Конечно, воспламенившиеся заусенцы в виде микроугольков могут поджечь дощечку лишь в том случае, если она уже вся в своей массе предварительно нагрета до температуры воспламенения. Наша же дощечка в эксперименте пока холодная, так что воспламенившиеся заусеницы пока не могут воспламенить массив дощечки.

Продолжая нагревать дощечку на раскалённых углях, мы замечаем, что поверхность нижней пласти (широкой стороны) дощечки начинает постепенно буреть, а затем и чернеть (обугливаться). Однако, при перевёртывании доски ни тления, ни устойчивого пламени на её горячей стороне пока нет. Лишь местами видны ленивые голубые прозрачные всполохи (см. поз. 9 на рис. 94), похожие на горение метана в кухонной плите или спирта в медицинской спиртовке. Это указывает на то, что из доски начинают выделяться горючие газы, причём, видимо, простейшие вещества (типа спиртов, альдегидов, кетонов, окиси углерода и т. п.) в незначительном количестве и в виде смеси с воздухом. Все эти соединения имеют высокую подвижность в порах древесины (особенно в продольном направлении) ввиду высоких коэффициентов диффузии в воздухе Dт=Dₒ(Т/273)n, где Т — температура в градусах Кельвина (П.А. Долин, Справочник по технике безопасности, М.: Энергоатомиздат, 1984 г.):

При дальнейшем прогреве дощечки обугливающийся слой на нижней пласти (на широкой стороне) начинает тлеть (то есть гореть без пламени). При этом из дощечки (причём преимущественно с торцов) начинает выделяться белый (бурый) дым. Это конденсат (роса, туман) жижки, выходящей из пор древесины в виде газа (паров) сначала диффузионно, а затем и под напором (струями). Наконец, на границе с кромкой (узкой стороной) белый дым воспламеняется, возникает светло-жёлтое пламя, впоследствие охватывающее всю нижнюю пласть. Это означает, что доска воспламенилась, и если её извлечь из очага, она может гореть на воздухе самостоятельно.

Горение может попеременно переходить то в тлеющий режим, то в пламенный (факельный, огневой). Оба режима тесно связаны между собой общей природой, но отличаются химизмом и кинетикой. В режиме тления главным (ведущим) процессом является горение твёрдых продуктов пиролиза (углей). В режиме пламенного горения ведущим является горение газообразных продуктов пиролиза. В режиме тления газообразные продукты выделяются медленно (столь же медленно, как горит обугленный слой древесины), не могут воспламеняться из-за малой концентрации паров и при охлаждении конденсируются, давая обильный белый дым.

Таким образом, горение древесины обычно начинается с тления — воспламенения углей обугленного слоя (а не воспламенения горючих газов). При увеличении толщины первичного обугленного слоя до 1-3 мм и повышении температуры обугленного слоя (до 300-350°С для берёзы и 350-400°С для сосны) поверхность углей самовоспламеняется в воздухе. Это означает, что угли на поверхности вступили в реакцию окисления С+О₂ ® СО₂ с выделением энергии и нагревом поверхности углей до 1000-1200°С, в результате чего поверхность начинает светиться и «истлевать» (разрушаться). При этом возникает повышенный тепловой поток внутрь древесины (за счёт теплопроводности от горячей поверхности). За счёт разогрева начинается пиролиз глубинных слоев древесины. Газообразные продукты пиролиза (так называемые летучие) либо сгорают в обугленном слое, либо выходят через холодные части поверхности древесины в виде белого дыма.

Скорость сгорания углей в режиме тления ограничивается скоростью диффузии молекул кислорода в воздухе к поверхности обугленного слоя и внутрь него (навстречу диффундирующим от поверхности молекулам углекислого газа), то есть механизм окисления в режиме тления является диффузионным (по аналогии с процессами испарения).

Если тлеющую поверхность обдуть потоком воздуха, то она начнёт разгораться. Тлеющая поверхность получает всё большее (может быть даже чрезмерное) количество кислорода. Скорость потребления кислорода теперь уже ограничивается скоростью самой реакции окисления (кинетикой реакции). Поэтому режим разгорания называется кинетическим. Скорость реакции окисления очень быстро (экспоненциально) растёт с температурой, так что по мере разогрева поверхности растёт темп нагрева, и реакция идёт в разгон. Скорость выхода газообразных продуктов пиролиза становится столь большой, что они уже не успевают сгореть ни внутри, ни на поверхности обугленного слоя, выходят наружу и сгорают в виде пламени (факела). Поверхность обугленного слоя целиком оказывается в атмосфере газов пиролиза, которые сплошным потоком продувают обугленную поверхность, оттесняя с поверхности углей воздух. Поскольку продукты пиролиза не содержат свободного кислорода, обугленный слой перестаёт окисляться. Тем не менее, поверхность обугленного слоя остаётся раскалённой, но теперь уже не за счёт горения углей, а за счёт нагрева от пламени.

Толщина обугленного слоя постепенно увеличивается вплоть до полного преобразования полена в куски древесного угля (в угли). При этом выход газообразных продуктов пиролиза прекращается. Раскалённая поверхность древесного угля оказывается в атмосфере воздуха и начинает гореть самостоятельно, без пламени. Этот режим интенсивного горения углей внешне похож на тление, но в древнем быту назывался «жаром» в отличие от тления, которое поддерживает огонь как бы подспудно, в скрытом виде («тлеют как под пеплом головешки»). Пламенное горение называли пылом. Горение полностью обугленного полена (крупного куска углей) происходит в диффузионном режиме, точно так же, как и в случае тления древесины. Поэтому, если подуть на горящие угли воздухом, то они начинают светиться ярче, но в отличие от тления древесины пламя, естественно, не возникает, поскольку газообразным горючим продуктам взяться уже не из чего.

Возвращаясь к углям (к обугленному слою) на повехности тлеющей древесины, поясним, что обдув тлеющей древесины может перевести тление в пламенное горение, а может и потушить тлеющую древесину. Дело в том, что поток воздуха не только увеличивает подачу кислорода к тлеющим углям, но захолаживает сами угли за счёт конвективной составляющей теплообмена. Поэтому для надёжного перевода режима тления в режим пламенного горения необходимо плавно повышать скорость воздушного потока («раздувать» тлеющую древесину) так, чтобы температура поверхности углей непрерывно повышалась. Собственно, абсолютно такая же ситуация возникает и при «раздуве» дров, горящих пламенным горением. В любом случае при достижении кинетического режима дальнейшее увеличение концентрации кислорода уже не способно ускорить реакцию окисления: необходимо повышение температуры углей. Отметим попутно, что все эти соображения объясняют и факт перехода пламенного горения в тлеющее при снижении парциального давления кислорода в топке.

Смены режимов горения дров, казалось бы, осуществляются легко. Например, в печи открыли воздухозаборные отверстия топливника — появилось пламя, прикрыли —пламя увяло, дрова стали тлеть. На самом деле ситуация более сложная. Изменение скорости подачи кислорода — это лишь одна сторона процесса, обуславливающая изменение скорости тепловыделения и, как следствие, изменение скорости пиролиза. Но скорость пиролиза (действительно являющуюся основным отличием между тлением и пламенным горением) можно регулировать не только изменением тепловыделения, но и изменением теплопотерь. Например, лежит полено и тлеет. Можно подуть в зону тления, количество кислорода у раскалённой обугленной поверхности увеличится, скорость окисления возрастёт, и бревно загорится пламенем. Но можно положить рядом с тлеющим поленом ещё одно тлеющее полено так, чтобы тепловое излучение тлеющей поверхности одного полена грело тлеющую поверхность другого полена. В таком случае теплопотери на излучение уменьшаются, температуры обугливающихся слоев обоих поленьев возрастают, и между тлеющими поленьями возникает пламя. Подобный приём используется повсеместно и называется костром (рис. 96). Выход летучих облегчается в крупных щелях поленьев и особенно брёвен при пожарах: языки пламени рвутся в первую очередь из щелей. Подогревать тлеющую поверхность можно и внешним инфраскасным источником («отражательные» панели в пламенных печах), и пламенем другого полена или другого участка полена, что в принципе и обуславливает распространение огня по дровам. Так, вертикально расположенная спичка (полено) схватывается огнём лучше, если первичное пламя расположено снизу. Вместе с тем, в режиме увядания тления (при прекращении подачи воздуха или при охлаждении) именно щели и промежутки между поленьями становятся источниками дымления, поскольку в них дольше всего сохраняется высокая температура и высокая скорость пиролиза, хотя кислорода для сгорания горючих газов именно в них в первую очередь уже не хватает. Поэтому дольше всего дымят при тлении глубоко «изъеденные» расщелины (трещины) в обугленном слое древесины (обычно расположенные поперёк полена), причём дымление происходит белым дымом и чёрным (чадом) одновременно. Особенно долго дымят так называемые «головешки» — витиеватые сучки древесины.

Рис. 96. Костры: а — колотые поленья уложены шатром (двускатным или конусным), поджигаемые снизу лучинами; б — три бревна на общей подкладке со сближенными концами, поджигаемые вспомогательным костром или керосином, горят до 6-8 часов; в — три бревна диаметром 25-30 см, глубоко насечённые топором, уложенные отёсаными сторонами друг к другу с прокладкой из щепы и стружек от тёса, разжигаемой по всей длине брёвен, горят 9-10 часов.

Переход от интенсивного пламенного горения к тлению часто происходит отнюдь не просто: при сокращении скорости подачи воздуха в печь, пламя вовсе не увядает, переходя в тление, а наоборот, сначала неожиданно удлинняется, языки пламени «растут», охватывая весь топливник и «залезая» даже в дымоход. Пламя начинает «реветь», возникает обманчивое ощущение огромной мощности пламени. Печь «трясётся от огня», но стенки печи при этом вовсе не разогреваются, а остывают, поскольку мощность тепловыделения всё-таки определяется скоростью подачи воздуха. Причина явления в том, что массивные долго остывающие поленья продолжают выделять горючие газы, но те из-за нехватки кислорода не могут быстро сгореть, «мечутся» по топливнику в те стороны, куда ещё проникает (или сохраняется) кислород (за счёт воспламенений случайно образующихся горючих смесей).

При наблюдениях за работой печей часто возникает вопрос, почему цвет пламени не столь уж сильно зависит от количества подаваемого воздуха. Казалось бы, сажистые частицы должны были бы гореть (светиться) при полностью открытых заслонках печи значительно ярче, вплоть до белого цвета (впрочем, также и угли). Ну, во-первых, чем меньше размер горящей в воздухе частицы, тем меньше её температура может отличаться от температуры воздуха. Это закон природы, следующий из уравнения теплопроводности для частицы, горящей в воздухе. Поэтому горящие сажистые частицы, имея размеры 1 мкм и меньше, всегда имеют точно такую же температуру, как и окружающий их газ. Если мелкие частицы, не успев сгореть в пламени, попадают в холодный воздух, то тотчас охлаждаются, поликонденсируются и превращаются в чёрный дым (или сизый дымок). А вот крупные частицы могут сильно отличаться по температуре от окружающей газовой среды, могут ярко и долго гореть даже в очень холодном воздухе в виде известных «горящих искр» от костра. По той же причине крупные капли душа медленно остывают в воздухе, мелкие же капли тонкораспылённого душа тотчас остывают, нагревая воздух.

Во-вторых, пламя над древесиной (так же как над парафиновой свечей) образуется в месте контакта объёма горючего газа с окружающим воздухом (в оболочке языков пламени). В зону (плёнку, слой) горения с одной стороны непрерывно диффундируют молекулы горючего газа, с другой стороны - молекулы кислорода; продукты горения (молекулы воды и двуокиси углерода) столь же непрерывно удаляются диффузией навстречу кислороду и горючему газу (А.Г. Гейдон, Спектроскопия и теория горения, М.: ИЛ, 1950 г.; А.Г. Гейдон, Х.Г. Вольфгард, Пламя, его структура, излучение и температура, М.: Металлургиздат, 1959 г.; P.M. Фристром, A.A. Вестенберг, Структура пламени, М.: Металлургия, 1969 г.). Не углубляясь в теорию диффузионного горения, напомним, что пламя при этом может потреблять лишь ограниченное количество кислорода, лимитируемое не кинетикой химреакции, а скоростью диффузии кислорода (определяющейся парциальным давлением кислорода в воздухе, а также температурой и давлением воздуха в топливнике). Если при изменении расхода воздуха через печь эти параметры изменяются, то только тогда изменяется и температура пламени (то есть скорость реакции и температура газа в зоне горения), а значит, и цвет излучения сажистых частиц, имеющих ту же температуру, что и газ.

Если факт появления сажистых частиц обусловлен плохим смешением, то цвет их свечения и степень дымления особенно сильно изменяются при нехватке кислорода. Действительно, стехиометрический режим характерен именно тем, что в результате горения в топке потребляется абсолютно весь кислород. Но это же значит, что на заключительных стадиях горения и диффундировать в зону горения практически нечему. Это ведёт к росту времён сгорания (с удлиннением пламен и появлением дымления) и к «разбуханию» (диффузионному) языков пламени. Поэтому, когда мы погружаем в пламя парафиновой свечи металлическую чайную ложку, то снижение температуры пламени и появление дымления обусловлено не только прямым контактным охлаждением, но и ограничением поступления кислорода в пламя.

В заключение отметим, что понятия температур воспламенения и самовоспламенения древесины весьма неопределены и даже более условны, чем в случае жидкостей, поскольку при воспламенении древесины мы имеем дело со взаимодействием воздуха сразу с тремя фазами: твёрдой, жидкой и газообразной. Наиболее простой случай для анализа явлений воспламенений — смесь горючего газа с воздухом. Для каждого горючего газа имеется вполне определённая область концентрации газа в воздухе, когда смесь может воспламениться. Эта область концентрации называется концентрационными пределами распространения пламени (КПР по ГОСТ 12.1.044-89) или, как говорили раньше, концентрационными пределами воспламенения (КПВ). Если концентрация (содержание) горючего газа в смеси ниже нижнего концентрационного предела воспламенения (взрываемости) НКПВ, то смесь не может воспламениться (с выделением пламени и с существенным повышением температуры). В концентрационных пределах воспламенения смесь самопроизвольно вспыхивает при определённой температуре самовоспламенения (как в дизеле). Температуры воспламенения (то есть такой температуры, при которой смесь можно зажечь внешним поджигающим устройством) как таковой нет (вернее, она очень низкая) — достаточно нагреть внешним высокотемпературным источником некую минимальную зону смеси до температуры самовоспламенения. Для ориентировки укажем, что НКПВ для нафталина составляет 0,44% об., для бензола 1,43% об., для водорода 4,09% об., окиси углерода 12,5% об., генераторного газа (синтез-газа) 20,0% об., скипидара 0,73% об. Температуры самовоспламенения могут быть весьма низкими: наинизшие значения у кислородосодержащих углеводородов — эфиров 160-200°С, спиртов 200-300°С, скипидара 300°С. Ясно, что основной преградой к воспламенению горючих газов пиролиза древесины (с появлением пламени) является их низкая концентрация в воздухе над древесиной. Причём воспламеняются в первую очередь сложные соединения, но отнюдь не водород и окись углерода.

У горючих жидкостей в соответствии с ГОСТ 12.1.004-76 различают температуру вспышки (при которой над поверхностью жидкости достигается НКПВ паров и возможна кратковременная вспышка от внешнего источника зажигания, но поддержание горения оказывается в дальнейшем невозможным из-за малой скорости поступления паров из жидкости в воздух), температуру воспламенения (при которой пары воспламеняются от внешнего источника и продолжают гореть) и температуру самовоспламенения (при которой пары воспламеняются и горят самостоятельно без внешнего источника воспламенения). Температуры вспышки очень низки и составляют Твсп=0,736Ткип (эмпирическая формула Орманди-Грэвена), где Твсп и Ткип — температуры вспышки и кипения жидкости в градусах Кельвина Т=273+1, где I в градусах Цельсия. Так, температура вспышки скипидара всего 34°С, но никаких вспышек паров над тёплой древесиной от внешнего источника (например, спички) никогда не наблюдалось. Это означает, что скипидар в древесине находится в соединениях, разрушающихся лишь при пиролизе.

У горючей же древесины обычно различают температуру воспламенения летучих (газообразных продуктов пиролиза) и температуру самовоспламенения обугленного слоя (твёрдых продуктов пиролиза). Температура самовоспламенения летучих интереса не представляет, так как температура самовоспламенения угля обычно ниже температуры самовоспламенения летучих. Считается, что температура воспламенения летучих (газообразных продуктов пиролиза) составляет 270-300°С в том смысле, что при нагреве древесины до такой температуры можно добиться по крайней мере кратковременной вспышки газообразных продуктов пиролиза от внешнего источника зажигания. Температура самовоспламенения обугленного слоя (и фактически древесины, поскольку древесина при температурах самовоспламенения уже имеет обугленный слой), более информативна, поскольку определяет пожарную опасность древесины как конструкционного материала и лёгкость зажигания древесины как топлива. Считается, что древесный уголь древесины разных пород самовоспламеняется на воздухе при 300-470°С, однако при очень длительном нагреве древесины в связи с возможностью образования ультрамелкой сажи на поверхности древесины (пирофорного угля) может наблюдаться самовоспламенение уже при 140°С. Так или иначе, финские специалисты полагают, что деревянные потолки в саунах в принципе способны самовоспламеняться при 140°С (при поддержании сухой сауны в квартире в разогретом виде, может быть, и годами). Поэтому на электрокаменках рекомендуется устанавливать термовыключатели, срабатывающие при температурах потолка 140°С. Что касается пожарников, то они в нашей стране полагают, что температуры самовоспламенения древесины превышают 320°С, в связи с чем максимальная температура внешних поверхностей металлических печей по НПБ 252-98 установлена 320°С (в помещениях с временным пребыванием людей).

Источник: Дачные бани и печи. Принципы конструирования. Хошев Ю.М. 2008