黃曉寶 肖俊
摘 要:本文通過熱力學(xué)分析、動力學(xué)分析與國家標(biāo)準(zhǔn)分析,結(jié)合生產(chǎn)實際,探討防火電纜的防火機理,提出防火電纜設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞:防火;熱力學(xué);機理
0 引言
隨著我國經(jīng)濟發(fā)展速度加快,工業(yè)化水平不斷提高,電線電纜的用量迅速增加,近年來因電線電纜引發(fā)的火災(zāi)大幅上升。因此電線電纜的防火問題引起了國內(nèi)外消防部門的高度重視。國內(nèi)已研發(fā)相應(yīng)的阻燃電纜和耐火電纜產(chǎn)品,相應(yīng)阻燃、耐火和無鹵低煙要求已發(fā)布國家標(biāo)準(zhǔn)。但是目前對于電線電纜防火機理很少有從理論層面進行探討。探討電線電纜防火機理對于防火電線電纜的生產(chǎn)與設(shè)計具有指導(dǎo)意義。
1 電纜防火概述
電纜著火的主要因素為電纜材料的性質(zhì)、氧氣的濃度以及環(huán)境溫度與壓力等,所以選用適當(dāng)電纜材料,優(yōu)化電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計,把控電纜著火因素,是研發(fā)防火電纜關(guān)鍵所在。
國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19666-2005[1]《阻燃和耐火電線電纜通則》針對電纜的阻燃和耐火要求已發(fā)布相應(yīng)的試驗標(biāo)準(zhǔn)進行規(guī)定。阻燃電纜和耐火電纜在材料選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計和電纜分類上都有較大區(qū)別。本文主要針對電纜材料結(jié)合電纜結(jié)構(gòu)進行探討。
2 電線電纜防火機理探討
電纜著火的主要因素為電纜材料的性質(zhì)、氧氣的濃度以及環(huán)境溫度與壓力等,所以適當(dāng)控制著火的因素,可以防止因電纜發(fā)生的火災(zāi)。
2.1 防火熱力學(xué)機理分析
根據(jù)熱力學(xué)原理,從一個溫度到另一溫度的吉布斯自由能可由Gibbs-Helmholtz基本公式得:
例如,無鹵低煙阻燃電纜料中的氫氧化鎂,在燃燒過程中的熱力學(xué)函數(shù)變化如下:
氫氧化鎂的分解反應(yīng)可表示為:
熱力學(xué)數(shù)據(jù)如下表1所示
又由吉布斯自由能與壓力的關(guān)系可得:
式(4)中n為物質(zhì)摩爾量,R為摩爾氣體常數(shù),p為實際壓力,pΘ為1atm。
解微分方程,將式(3)代入式(2),等于式(4),代入表1中數(shù)據(jù)可得:
T=536K,即263℃,氣壓為1atm時Mg(OH)2開始分解,分解溫度為263℃,比一般未添加Mg(OH)2電纜料防火溫度高,從而達到防火的效果。
2.2 防火動力學(xué)機理分析
電纜材料防火動力學(xué)取決于導(dǎo)熱性能的初始散熱量等于同樣時間內(nèi)因化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化而形成的熱量。
單位時間內(nèi)物質(zhì)燃燒可放出的熱量,即放熱率表示為:
單位時間內(nèi)系統(tǒng)散熱量,即散熱率可表示為:
其中,A為頻率因子,E為活化能,α傳熱系數(shù),F(xiàn)傳熱面積。
電纜材料防火條件為材料著火放熱率小于散熱率,即:
放熱率曲線和散熱率曲線如圖1下:
如圖2所示,一般情況下,放熱率q1曲線和散熱率q2曲線有兩個交點,A點和C點。A點穩(wěn)定。當(dāng)外界有微小擾動時,如T上升,則q2>q1,散熱>放熱,T下降,回到A點;當(dāng)T下降,q2q1條件下。
3 結(jié)果分析
防火熱力學(xué)分析可知阻止電纜著火可控因素為電纜料的本身性質(zhì)、氧氣濃度及環(huán)境溫度等,防火動力學(xué)分析可知設(shè)計電纜時須從電纜的材料和結(jié)構(gòu)等角度考慮,控制著火因素,使著火時的電纜放熱率小于散熱率,即可控制因電纜發(fā)生的火災(zāi)。動力學(xué)和熱力學(xué)為系統(tǒng)與環(huán)境的理論分析,具體的防火物理指標(biāo)中無鹵、低煙、單根阻燃性能應(yīng)符合GB/T19666-2005《阻燃和耐火電線電纜通則》規(guī)定。
4 結(jié)論
本文在耐火和阻燃概念基礎(chǔ)上研究了電纜防火的防火機理。通過熱力學(xué)分析得出電纜防火性能與電纜材料的性質(zhì)、氧氣的濃度以及環(huán)境溫度與壓力等因素有關(guān),電纜防火性能可通過上述因素控制。動力學(xué)分析可知,適當(dāng)?shù)碾娎|材料選擇和電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計,可以設(shè)計出電纜著火放熱率小于散熱率的電纜,即可控制因電纜發(fā)生的火災(zāi)。
參考文獻
[1]傅獻彩,沈文霞.物理化學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2006.
(作者單位:安徽太平洋電纜股份有限公司)