A faanyag égése

A különféle anyagok éghetőségét azok kémiai összetétele határozza meg. a szenet, hidrogént, foszfort, ként, illetve ezek különféle vegyületeit tartalmazó anyagok többnyire éghetőek. A faanyag egy cellulózból, hemicellulózból, ligninből és pektinből felépülő, bonyolult összetételű szerves anyag mely gyakorta nagyobb mennyiségben tartalmaz különféle járulékos, úgynevezett extrakt anyagokat is. A cellulóz, a hemicellulóz, a lignin és a pektin (magas szén és hidrogéntartalmuknak köszönhetően,) már önmagukban is éghetőek, a faanyagban megjelenő extrakt-anyag tartalom a különböző olajok, gyanták képében pedig tovább növeli a faanyag éghetőségét.

Az égés

A definíció szerint: az égés egy olyan kémiai reakció, mely során az éghető anyagok hő fejlődés és fényjelenségek kíséretében a levegő oxigénjével egyesülnek. A reakció létrejöttéhez három feltételnek kell teljesülnie:

Egyszerre, egy időben kell jelen lennie:

– az éghető anyagnak,

– az égést tápláló oxigénnek,

– és a megfelelő gyulladási hőmérsékletnek.

A fenti három tényező közül bármelyik is hiányzik, az égés nem következik be, illetve, a reakció leáll.

A faanyag égési jellemzői, égésének folyamata

Kevesen tudják, hogy bár a fa szilárd tüzelőanyag, meggyújtva túlnyomórészt mégis fagázként ég el. A lángok hatására 85%-ban gázzá, 15%-ban szénné alakul át. A faanyagot felépítő különféle vegyületek nemcsak fűtőértékükben de égési tulajdonságaikban is különböznek. Igaz közülük a ligninnek van a legnagyobb fűtőértéke, de ez is kap lángra a legnehezebben. A legkisebb fűtőértéke a hemicellulóznak van, ezzel párhuzamosan ez gyullad meg a legkönnyebben. És valahol e két anyag között helyezkedik el fűtőértékével és gyúlékonyságéval a cellulóz.

Amennyiben a faanyag égési jellemzőit szeretném megvizsgálni, úgy érdemes a faanyag égésének folyamatát három fő fázisra elkülöníteni:

– gyulladás

– égés

– utóizzás

Amennyiben a faanyag hőmérsékletét lassan emelni kezdjük, az egyes hőmérséklettartományokban különféle kémiai változásokat tapasztalhatunk. Ez alapján a faanyag égését, vagy helyesebben mondva termikus bomlását 9 szakaszra oszthatjuk. Ennek a kilenc szakasznak, csupán ötödig eleme a faanyag gyulladása.

1.: A faanyag száradása: 100-110 C°. Amennyiben a faanyagot kemencébe helyezzük, és ott huzamosabb ideig 100-110C°-os hőmérsékleten tároljuk, az igen gyorsan száradni kezd. Faanyagunk elveszti szabadvíz tartalmát, majd a kötöttvíz távozásával megkezdődik az anyag zsugorodása is, mely a gyors nedvességleadás következtében vetemedéshez, mély repedések megjelenéséhez is vezethet. A fizikai változások ezen szakaszban szemmel láthatóak, de jelentősebb kémiai változás még nem következik be a fatest felépítésében.

2.: A faanyag elszíneződése: 110-150 C°. Amennyiben a hőmérsékletet tovább emeljük, 110-150C°-on már számítanunk kell a faanyag elszíneződésére, ami 160C°-on már igen jelentős is lehet. Ezen értékek ismerete különösen a faanyag ragasztása során fontos, a megfelelő préselési hőfok beállításához. 110-150C°-on a faanyagból már eltávoznak a különféle illó olajok, a fenyőfélék gyantatartalmából pedig terpentin szabadul fel. A színváltozás kezdetben csak igen enyhe, világos barna színű, később, a hőmérséklet emelésével azonban egyre sötétebb és sötétebb lesz. Ami különösen világos faanyagok préselése során komoly gondokat okozhat.

3.: A faanyag elszenesedése: 150-200 C°. 150C° felett már kémiai változások következnek be a faanyagban. A sejtfalakban lévő cellulózmolekulák a nagy hő hatására feldarabolódnak. A faanyag színe jelentősen besötétedik, felgyorsul a faanyagból kilépő éghető gázok termelődése megkezdődik a fa termikus bomlása (elgázosítása) és beindul a faszénképződés.

4.: A faanyag lobbanáspontja: 200-260 C°. 200C°-tól a faanyagból kilépő éghető gázok mennyisége ugrásszerűen megnő, és összetételében is megváltozik. Csökken a széndioxid és nitrogéntartalma, ellenben megnő az éghető bomlástermékek aránya, mint a szénmonoxid, a hidrogén, vagy a metán. A felszabaduló gázok ebben a szakaszban már hő, vagy akár szikra hatására is belobbannak, az égési folyamat azonban még nem öntartó.

A faanyag termikus bomlása eddig a pontig endoterm reakció. Ahhoz, hogy folytatódjon az égés energia, hő bevitelére van szükség a rendszerbe.

5.: A gyulladási pont: 260- 290-340 C°.:

260C° fölött a faanyagból távozó, gáz halmazállapotú bomlástermékek keletkezése, már olyan intenzív, hogy a gyújtó láng hatására bekövetkező égés önfenntartóvá válik, külső beavatkozás nélkül is tovább folytatódik. Az eddig endoterm termikus bomlási folyamat exotermmé, hő termelő reakcióvá változik, és egészen addig folytatódik, míg éghető anyag és oxigén egyszerre van jelen az égés környezetében.

A faanyag gyulladáspontja változó. Függ a nedvességtartalomtól, a geometriai kialakítástól, és a fafajtól is.

Példának okáért a fenyőfa gyulladási hőmérséklete: 280°C, a kőrisé 240°C. A bükk megközelítőleg 295°C-on kap lángra, míg a tölgynek legalább 340°C-ra van szüksége mindehhez. De ezek csupán átlagértékek. Az előző oldalakról jól ismerjük a nedvesség égésre gyakorolt hatását. Tudjuk, hogy a víz nem csak a fűtőértéket rontja. Mivel gátolja az égést emeli az égéshez szükséges gyulladási hőmérsékletet is.

Ebben az esetben is lehetőségünk van azonban a gyulladási hőmérséklet csökkentésére, hiszen, minél kisebbre, apróbbra daraboljuk a faanyagot, az annál könnyebben meggyullad. Itt következik a fa geometriai alakjának hatása az éghetőségre. Minél nagyobb ugyanis az anyag térfogatához viszonyított felülete, annál könnyebben át tudja járni a levegő és az annál könnyebben gyullad meg.

6.: A faanyag öngyulladása: 330-370 C°. Ebben a hőmérséklettartományban, amennyiben elegendő oxigén van jelen, már bármiféle külső hatás, szikra, vagy gyújtóláng hatása nélkül is lángra lobban a faanyag.

7.: A faanyag égése: 400-500 C°. Miután a faanyag már lángra kapott, és elegendő oxigén van jelen az égés környezetében, beindul az öngerjesztő égési folyamat, mely saját magát katalizálva egészen addig folytatódik, míg az éghető anyag el nem fogy. Ennek során a hőmérséklet fokozatosan emelkedik, majd 400-500C° környékén a gázképződés eléri maximumát

8.: A faszén égése: 500 C° felett: Ahogy a hőmérséklet megközelítőleg 500C°-ra emelkedik a faanyag már jelentős mértékben elszenesedett. A gázképződés újra csökkenni kezd, begyulladnak az elszenesedett részek, és az égés intenzívvé válik, mely során a hőmérséklet az 1000-1200C°-ot is elérheti.

9.: Az utóizzás, vagy utóégés: Nincs hőmérséklettartományhoz kötve: Miután leállt a gázképződés, mint éghető anyag már csak a faszén marad vissza az égés helyén. Ez még egy jó darabig izzik, majd miközben lassan elfogyott, a hőmérséklet meredeken csökkenni kezd. Végül az égés megszűnik, és (amennyiben az égés során elegendő oxigén állt rendelkezésre), csak 0,2-1%-nyi éghetetlen hamu marad vissza.

A faanyag égését számos tényező befolyásolja. Amennyiben a faanyag szempontjából vizsgáljuk az égést és nem vesszük figyelembe a külső tényezőket, mint az égés környezetébe jutó Oxigén mennyisége, a huzathatás, a szélsebesség, a hőmérdéklet…

az alábbi befolyásoló tényezőket kell szem előtt tartanunk:

1. a fafaj,
2. a fafajon belüli sűrűség, és szöveti felépítés,
3. a nedvességtartalom,
4. az járulékos (extrakt) anyag tartalom, (gyanták, illó olajok…)
5. a méretek és a tagoltság.

1.: A fafaj jelentősége: amennyiben széles körben szeretnénk figyelembe venni a tűzvédelmi tervezés szempontjait, a faanyagokat az éghetőségük alapján négy csoportba sorolhatjuk:

• Jól ellenálló: akác, bükk, kőris, tölgy.
• Közepesen ellenálló: erdeifenyő, nyír, vörösfenyő.
• Mérsékelten ellenálló: dió, cseresznye, lucfenyő.
• Nem ellenálló: éger, hárs, jegenyefenyő, nyár.

Tűzvédelmi szempontból tehát kijelenhetjük, hogy a fenyőfélék, és a szórt likacsú fák a kevésbé ellenálló fafajok, míg a gyűrűs likacsúak az ellenálló fajok közé sorolhatók.

Ennek oka nem feltétlenül abban keresendő, hogy a szórt likacsú fajok, illetve a fenyőfélék általában több levegőt tartalmaznak. A kulcs inkább a szöveti szerkezetükben rejlik. Ezekből a fafajokból nehezebben tudnak eltávozni a magas hőmérsékleten keletkező gázok. Így miután az égés kezdetét követően kialakul az égés terjedését akadályozó faszénréteg, az addig felgyülemlett gázok nagy mennyiségben távoznak rajta keresztül, ami szikrahatás mellett jelentős láng és hőképződéssel is jár (, dacára a szénréteg hőszigetelő képességének).

2.: A fafajon belüli sűrűség, és szöveti felépítés,

Nem csak a különböző fafajok, de a különböző területekről származó, azonos fafajok éghetősége között is jelentős különbségek mutatkoznak. Egy nagyobb sűrűségű, sűrűbb évgyűrűszerkezettel ellátott faanyag beégési sebessége akár 50%-kal is kisebb lehet. De a sűrűséggel összefüggésben azt is elmondhatjuk, hogy az éghetőség az anyag fatörzsben elfoglalt helyétől is nagymértékben függ. A sűrűbb geszt sokkal kevésbé éghető (, éghetősége kb. 30%-kal kisebb), mint a szíjács. Ennek oka azonban nem csak a nagy térfogatsúly, hanem az is, hogy a gesztben létrejött nagymértékű tilliszképződés akadályozza az éghető gázok faanyagon belüli áramlását. Ezen szempontok figyelembevétele a valóságban igen körülményes lenne, ezért a szerkezetek tervezésénél „hibalehetőségként” vesszük számon őket. A tervezés során igyekszünk olyan értékekkel számolni, hogy az átlagosnál silányabb minőségű anyagok is meg tudjanak felelni a célnak. Ezt a legtöbb esetben tapasztalati értékek alapján történik, mely a biztonság érdekében a szerkezet szelvényméreteinek nagymértékű növelését vonja maga után.

3.: Nedvességtartalom:

A faanyagban lévő nedvesség nem csak annak fűtőértékét, de éghetőségét is drasztikusan csökkenti. A csökkenés olyan nagymértékű, hogy az élőnedves faanyag meg sem gyújtható, amíg a felületi rétegek nedvességtartalma a külső hő hatására le nem csökken. A víz ugyanis gátolja az égési folyamatot. A faanyag csak akkor válik éghetővé, ha előbb elpárologtatjuk, „kiforraljuk” belőle a vizet. Ez jelentős hő veszteséggel jár, melyet az égés energiája fedez. Minél nedvesebb a faanyag, a párologtatás annál nagyobb hőelvonással jár, az égés pedig annál nehézkesebb, és alacsonyabb hőfokú lesz.

4.: Járulékos (extrakt) anyagok:

A különböző járulékos anyagok (idegen szóval: extrakt anyagok): gyanták, zsírok, viaszok és olajok, lobbanáspontja jóval alacsonyabb, és magas fűtőértékük miatt jelentős hőt is termelnek, ami miatt különösen hátrányosan befolyásolják a faanyag éghetőségét. Mennyiségük a faanyagban igen változó, 1-5% közötti értékre tehető. Hazai viszonylatban a téma szempontjából nagyobb jelentősége csak a fenyőféléknek van. A fenyőfélék jó része nagy mennyiségben tartalmaz gyantát, melynek fűtőértéke különösen magas, mintegy 35MJ/kg. És a helyzetet csak súlyosbítják a gyantatáskák, melyek (, mivel helyükön nem tud kialakulni a faanyagot védő felületi szénréteg) hosszan, és forró lánggal égnek, így gyújtóforrásként működve hamar lángra lobbantják az anyagot.

5.: A méretek és a tagoltság,

E két tényező ugyancsak nagymértékben meghatározza a faanyag éghetőségét, illetve gyulladási hőmérsékletét. Általános érvényű szabályként elmondhatjuk, hogy minél kisebb méretűre szeleteljük a faanyagot, az annál könnyebben gyullad meg (lsd. miért aprítunk pl. gyújtóst). De a hangsúly nem is annyira a méreteken, mint inkább a térfogat-felület arányon van. Minél kisebbre daraboljuk az anyagot, annál inkább csökken a térfogat-felület aránya, mellyel párhuzamosan javul az éghetősége.  Az adott térfogatra viszonyítva mindezek mellett sokkal több él van kit

Következésképpen, a gyakorlatba átültetve eddigi tapasztalatainkat, minél nagyobb szelvényméretű darabokból építünk fel egy szerkezetet, annál nagyobb lesz a tűzállósága. Furcsa módon ehhez semmi köze a szilárdsági méretezéshez. Egy erősebb, kisebb szelvényekből felépülő tető jóval hamarabb válik a lángok martalékává, mint esetlegesen gyengébb, de nagyobb szelvényekből felépülő társa.