CC BY
16
Н. В. БАРАНОВСКИЙ, канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры теоретической и промышленной теплотехники Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Томск, Россия
УДК 533.6
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЗАЖИГАНИЯ В РЕЖИМЕ ТЛЕНИЯ РАСТИТЕЛЬНОГО ГОРЮЧЕГО МАТЕРИАЛА В РЕЗУЛЬТАТЕ ДЕЙСТВИЯ СФОКУСИРОВАННОГО СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Приведены результаты экспериментального исследования процессов зажигания в режиме тления растительного горючего материала. Представлено описание экспериментальной установки и методики проведения опытов. Определены условия реализации процесса зажигания в режиме тления. Приведены зависимости времени индукции процесса от времени суток. Сделаны выводы о пожарной опасности растительных горючих материалов при воздействии на них сфокусированного солнечного излучения.
Ключевые слова: зажигание в режиметления; растительный горючий материал; линза; сфокусированное солнечное излучение.
Введение
В настоящее время известны как природные [1, 2], так и антропогенные [3,4] причины возникновения пожаров на естественных ландшафтах. Разработаны математические модели для описания процессов зажигания лесных горючих материалов (ЛГМ) под действием одиночных нагретых частиц [5] и электрического разряда в условиях грозовой активности [6], а также детерминированно-вероятностные модели для учета этих факторов при прогнозе лесной пожарной опасности [7, 8]. В то же время достаточно высока вероятность возникновения пожара растительных горючих материалов (РГМ) в результате действия сфокусированного солнечного излучения [9]. В роли концентратора энергии могут выступать как стеклянные емкости с жидкостью либо осколки стекла, так и крупные капли смолы хвойных деревьев. В связи с этим согласно правилам пожарной безопасности в лесах запрещается разбрасывать стеклянную тару, так как эти предметы могут стать источником возгораний [10]. Однако пока в литературе отсутствуют результаты теоретических или экспериментальных исследований, обосновывающих условия возникновения возгораний растительных горючих материалов при воздействии сфокусированного солнечного излучения. Представляет интерес экспериментальное изучение процессов зажигания растительных горючих материалов сфокусированным солнечным излучением.
Современное состояние вопроса и цель исследования
Можно выделить несколько режимов зажигания горючих материалов растительного происхожде-
© Барановский Н. В., 2012
ния [11], которые отличаются от аналогичных режимов зажигания высокоэнергетических материалов [12, 13] и веществ [14, 15], используемых в энергетических установках специального назначения. Наиболее типичный режим зажигания с образованием пламени в зарубежной литературе обозначается термином ignition. Согласно [16] при таком режиме может быть выделена ведущая экзотермическая химическая реакция, протекающая в газовой фазе. Второй тип зажигания характерен для материалов, когда они переходят в раскаленное состояние (в зарубежной литературе обозначается как glowing ignition). В этом состоянии может происходить, например, зажигание целлюлозосодержащих материалов (древесины) радиационным тепловым потоком [17]. При зажигании пористых материалов может реализоваться третий режим зажигания, сопровождающийся тлением (в зарубежной литературе этому типу соответствует понятие smoldering ignition) [18]. Как второй, так и третий режимы зажигания характеризуются локализацией ведущей экзотермической реакции в структуре горючего материала. Для этих режимов типично протекание гетерогенных реакций как на поверхности, так и во внутрипоровом пространстве материала [16, 19]. Соответственно, для материала характерно развитое поровое пространство [20] или изначально монолитная структура (затем происходит процесс формирования пористой структуры подобно механизмам, реализуемым в нагретых до высоких температур приповерхностных слоях теплозащитных материалов [21,22]). Слои РГМ, как правило, представляют собой развитые пористые структуры [23], в которых возможен перенос энергии не только
за счет теплопроводности, но и за счет излучения и конвекции [21, 22]. Теоретический анализ таких процессов в условиях изменения во времени пористости прогретого слоя является слишком сложной задачей, поэтому представляет интерес экспериментальное изучение режимов зажигания РГМ в результате действия сфокусированного солнечного излучения.
Цель работы — экспериментальное исследование режимов зажигания растительного горючего материала потоком сфокусированного солнечного излучения в характерном для ряда РГМ режиме тления.
Объект и методика исследования
Для проведения опытов была изготовлена экспериментальная установка, принципиальная схема которой представлена на рис. 1.
Элементы установки закреплены на станине 1. Штатив 2 обеспечивает крепление манипулятора 3 с оптической линзой 4. С помощью манипулятора линза фокусирует солнечное излучение на образце 7, закрепленном на штативе 6 держателем 5. Манипулятор позволяет получать пятна сфокусированного солнечного излучения различного размера и, соответственно, различной интенсивности (линзы, как правило, формируют лучистый тепловой поток плотностью порядка 104 Вт/м2). Для продувки воздуха через пористый нагретый слой РГМ предназначена система, состоящая из держателя 5, трубки 8 и устройства отсоса 9, закрепленного на штативе 10. Для фиксации динамики зажигания РГМ в период эксперимента выполнялась видеосъемка процессов в поверхностном слое образца РГМ.
В различное время солнечного периода суток проводили серию из 5-7 опытов для определения периода индукции зажигания РГМ. Под периодом индукции при анализе процесса зажигания в режиме тления принималось время, достаточное для дальнейшего распространения горения в режиме
Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки: 1 — станина; 2 — штатив № 1; 3 — манипулятор; 4 — оптическая линза; 5 — держатель образца РГМ; 6 — штатив №2; 7 — образец РГМ; 8 — трубка продува воздуха; 9 — устройство отсоса; 10 — штатив отсоса
тления по навеске РГМ без дальнейшего подвода к ней энергии сфокусированного солнечного излучения. Рассчитывались усредненные значения tind и среднеквадратические отклонения. Затем определялись доверительные интервалы с доверительной вероятностью P = 0,95 [24].
Объектом исследования являлись навески растительного горючего материала в форме диска. В качестве таких навесок использовали брикеты измельченного РГМ, что позволило смоделировать образцы РГМ в виде дисков различных размеров (толщина х диаметр): 10 см х 5 мм; 8,5 см х 7 мм; 6 см х 8 мм; 9,5 см х 12 мм.
Образцы РГМ предварительно выдерживались в сушильном шкафу, чтобы исключить возможность их влагонасыщения при хранении в непредусмотренных условиях. На внешней стороне образца была нанесена градуировка с ценой деления 1 мм, чтобы отследить глубину термического разложения РГМ при фильтрации воздуха через образец.
Результаты эксперимента и их обсуждение
Установлен физический механизм развития процесса тления РГМ. Сначала навеску РГМ подвергали инертному прогреву, воздействуя на нее сфокусированным солнечным излучением, концентрируемым оптической двояковыпуклой линзой диаметром 10 см (размер фокусируемого пятна воздействия 2 мм). Затем в центральной области образца РГМ начиналось термическое разложение материала, очаг которого увеличивался в размере под действием потоков воздуха. С течением времени процесс термического разложения переходил в режим тления. С этого момента тление протекало в пористом слое в условиях отсутствия воздействия сфокусированного потока солнечного излучения. После формирования очага тления, сопоставимого по размерам с диаметром образца РГМ, осуществлялась прокачка воздуха через образец на установке (см. рис. 1) моделированием интенсивного вдува окислителя в разогретую область в слое РГМ. Следствием фильтрации воздуха являлось выгорание образца РГМ на определенную глубину (smoldering combustion). Типичные кадры видеосъемки процесса представлены на рис. 2.
На рис. 3, а - 3, г приведены зависимости периода индукции процесса тления различных навесок РГМ от времени суток. Исследования проводились в период с 13 до 17 часов дня. Общим для всех образцов являлся тот факт, что период индукции уменьшался с течением времени суток. Согласно метеорологической информации в этот период наблюдалось повышение температуры окружающей среды с 25 до 31 °С. Следовательно, температура окружающей среды влияет на процессы тления РГМ.
Рис. 2. Типичные кадры видеосъемки процесса зажигания в режиме тления: а — t = 0 с, первоначальный вид образца; б — t = 2 с, инертный прогрев сфокусированным солнечным излучением; в — t = 10 с, образование газообразных продуктов пиролиза (термическое разложение материала); г — t = 12 с, переход процесса в режим тления; д — t = 15 с, образование "зародыша" очага тления; е — t = 17 с, формирование очага тления по всей поверхности образца; ж — t = 19 с, формирование волны тления при фильтрации воздуха через образец (smoldering combustion)
16
о
% 14
IS
12
К 10
g
N
Он ST 8
к
25
о
-в .с 23
W
К
N 21
И
& 19
ч
S
ft 17
с
15
12
13 14 15 16 Время суток, ч
17
18
12
13 14 15 16 Время суток, ч
17
18
20
о
■а с 18
1 16
14
N
§
IS
& 12
И
10
38
34
30
26
22
18
12
13 14 15 16 Время суток, ч
17
18
12
13 14 15 16 Время суток, ч
17
18
Рис. 3. Зависимость периода индукции зажигания в режиме тления от времени суток для навески: а — толщиной 10 см, диаметром 5 мм; б—толщиной 8,5 см, диаметром 7 мм; в—толщиной 6 см, диаметром 8 мм; г—толщиной 9,5 см, диаметром 12 мм; ■ — усредненные значения периода индукции с указанием доверительных интервалов;--аппроксимирующая прямая
Анализ полученных результатов показывает, что зависимость параметра от времени суток может быть описана линейной функцией. Следует отметить, что прослеживается аналогия между процессами тления РГМ и зажигания их нагретой до высоких температур частицей [25, 26]. Под воздействием сфокусированного двояковыпуклой линзой солнечного излучения возникает очаг тления в слое РГМ, которое может перейти в пламенное горение или инициировать возгорание в газовой фазе [27,28]. Отсюда можно сделать вывод о пожароопасности
воздействия сфокусированного солнечного излучения на слой РГМ.
Заключение
Проведено экспериментальное исследование режима тления РГМ в результате воздействия на него сфокусированного солнечного излучения. Установлено, что при воздействии лучистого теплового потока, сфокусированного линзой с двукратным увеличением, в определенных условиях формируется очаг тления. Для области нагрева диаметром поряд-
ка 2-2,5 мм характерен режим тления. При прокачке воздуха через образец РГМ формируется устойчивая волна горения в беспламенном режиме
(smoldering combustion).
***
Автор благодарит д-ра физ.-мат. наук, профессора, заведующего лабораторией Института
теплофизики СО РАН В. С. Бердникова за предоставленную информацию о реальных возгораниях лесного горючего материала под действием сфокусированного стеклянными емкостями и каплями смолы солнечного излучения. Данная информация послужила основанием для проведения настоящего исследования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. California Department of Forestry and Fire Protection Home Page. URL : http://www.fire.ca.gov (дата обращения 01.06.2012 г.).
2. Country Fire Authority (Victoria State of Australia). URL : http://www.cfa.vic.gov.au/index.htm (дата обращения 01.06.2012 г.).
3. ДевисиловВ. А. Русский лес просит пощады и защиты! // Безопасность в техносфере. —2010. — № 6. — С. 3-7.
4. Кузнецов Г. В., Барановский Н. В. Прогноз возникновения лесных пожаров и их экологических последствий. — Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2009. — 301 с.
5. Кузнецов Г. В., Барановский Н. В. Математическое моделирование зажигания слоя лесных горючих материалов нагретой до высоких температур частицей // Пожаровзрывобезопасность. — 2006. — Т. 15, № 4. — С. 42-46.
6. Кузнецов Г. В., Барановский Н. В. Математическое моделирование зажигания дерева хвойной породы наземным грозовым разрядом // Пожаровзрывобезопасность. — 2008. — T. 17, № 3. — С. 41-45.
7. Барановский Н. В., Кузнецов Г. В. Конкретизация неустановленных причин в детерминирован-но-вероятностной модели прогноза лесной пожарной опасности // Пожаровзрывобезопасность.
— 2011. — Т. 20, № 6. — С. 24-27.
8. Кузнецов Г. В., Барановский Н. В. Детерминированно-вероятностный прогноз лесопожарных возгораний // Пожаровзрывобезопасность. — 2006. — Т. 15, № 5. — С. 56-59.
9. Babrauskas V. Ignition handbook: principles and applications to fire safety engineering, fire investigation, risk management, and forensic science. — Issaquah : Fire Science Publishers, 2003. — P. 843.
10. Об утверждении Правил пожарной безопасности в лесах: постановление Правительства РФ от 30 июня 2007 г. № 417 // Пожарная безопасность. — 2007. — № 4.
11. Babrauskas V.Ignition: a century of research and an assessment of our current status // Journal ofFire Protection Engineering. — 2007. — Vol. 17. — P. 165-183.
12. Кузнецов Г. В., Мамонтов Г. Я., ТаратушкинаГ. В. Зажигание конденсированного вещества "горячей" частицей // Химическая физика. — 2004. — Т. 23, № 3. — С. 67-72.
13. Кузнецов Г. В., Мамонтов Г. Я., Таратушкина Г. В. Численное моделирование зажигания конденсированного вещества нагретой до высоких температур частицей // Физика горения и взрыва.
— 2004. — Т. 40, № 1. — С. 78-85.
14. Kuznetsov G. V., StrizhakP. A. Numerical Solution of the Problem of Ignition of a Combustible Liquid by a Single Hot Particle // Combustion, Explosion, and Shock Waves. —2009.—No. 5. — P. 543-550.
15. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Моделирование воспламенения жидкого вещества горячей частицей // Химическая физика. — 2009. — Т. 28, № 5. — С. 91-98.
16. Вилюнов В. Н. Теория зажигания конденсированных веществ. — Новосибирск : Наука, Сиб. отд-ние, 1984.— 187 с.
17. Babrauskas V.Ignition of wood: a review of the state of the art // Journal ofFire Protection Engineering.
— 2002.—Vol. 12.—P. 163-189.
18. Hadden R. M., Scott S., Lautenberger Ch., Fernandez-Pello C. Ignition of Combustible Fuel Beds by Hot Particles: An Experimental and Theoretical Study // Fire Technology. —2011. —Vol. 47, No. 2.
— P. 341-355.
19. СамуйловЕ.В., Фаминская М. В., Головина Е. С. Модель и расчет процесса газификации одиночной углеродной частицы // Физика горения и взрыва. — 2004. — Т. 40, № 1. — С. 86-94.
20. Москалев П. В., Шитов В. В. Математическое моделирование пористых структур. —М. : Физ-матлит, 2007. — 120 с.
21. Кузнецов Г. В., РудзинскийВ. П. Высокотемпературный тепломассоперенос в слое кокса теплозащитных материалов // Теплофизика высоких температур. — 2000. — Т. 38, № 4. — С. 654-660.
22. Страхов В. Л., Гаращенко А. Н., Кузнецов Г. В., Рудзинский В. П. Математическое моделирование теплофизических и термохимических процессов при горении вспучивающихся огнезащитных покрытий // Физика горения и взрыва. — 2001. — Т. 39, № 2. — С. 63-73.
23. Курбатский Н. П. Исследование свойств и количества лесных горючих материалов // Вопросы лесной пирологии. ИЛиД СО АН СССР. — Красноярск, 1970. — С. 5-58.
24. Гмурман В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика. — М. : Высшая школа, 2003.
— 479 с.
25. ЗахаревичА. В., БарановскийН. В., МаксимовВ. И. Экспериментальное исследование процессов зажигания опада широколиственных пород деревьев источником ограниченной энергоемкости // Экологические системы и приборы. — 2012. — № 7. — С. 18-23.
26. ЗахаревичА. В., Барановский Н. В., Максимов В. И. Зажигание лесных горючих материалов одиночными, нагретыми до высоких температур частицами // Пожаровзрывобезопасность. — 2012.
— Т. 21, №4.— С. 13-16.
27. Alpert H. R., O'Connor R. J., Spalletta R., Connolly G. MRecent Advances in Cigarette Ignition Propensity Research and Development // Fire Technology. — 2010. — Vol. 46, No. 2. — P. 275-289.
28. БухтояровД. В., Копылов С. Н., Казаков А. В., Попов А. В. Тлеющее горение: особенности. Модельный очаг // Пожарная безопасность. — 2008. — № 3. — С. 63-66.
Материал поступил в редакцию 10 октября 2012 г. Электронный адрес автора: firedanger@narod.ru.
Издательство «П0ЖНАУКА»
А. Я. Корольченко, Д. 0. Загорский КАТЕГ0РИР0ВАНИЕ ПОМЕЩЕНИЙ И ЗДАНИЙ ПО ВЗРЫВ0П0ЖАРН0Й И ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ. - М.: Пожнаука, 2010.-118 с.
В учебном пособии изложены принципы категорирования помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности, содержащиеся в современных нормативных документах. На примерах конкретных помещений рассмотрено использование требований нормативных документов к установлению категорий. Показана возможность изменения категорий помещений путем изменения технологии или внедрения инженерных мероприятий по снижению уровня взрывопожароопасности и повышению надежности технологического оборудования и процессов.
Пособие рассчитано на студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям "Пожарная безопасность", "Безопасность технологических процессов и производств", "Безопасность жизнедеятельности в техносфере", студентов строительных вузов и факультетов, обучающихся по специальности "Промышленное и гражданское строительство", сотрудников научно-исследовательских, проектных организаций и нормативно-технических служб, ответственных за обеспечение пожарной безопасности.
121352, г. Москва, а/я 43; тел./факс: (495) 228-09-03; e-mail: mail@firepress.ru
Представляет книгу
