CC BY
40ПОЖАРНАЯ ТАКТИКА, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ И ТУШЕНИЯ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЛУЧИСТОГО, КОНВЕКТИВНОГО И КОНДУКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА
Н.Н. Романов, кандидат технических наук, доцент; А.А. Кузьмин, кандидат педагогических наук, доцент; А.С. Некрасов.
Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России
Приведено описание основных механизмов распространения пожара с точки зрения законов теплофизики. Проанализированы основные принципы исследования явлений излучения, конвекции и теплопроводности. Описаны установки для исследования основных закономерностей теплообмена.
Ключевые слова: теплообмен, конвекция, теплопроводность, излучение, эксперимент
EXPERIMENTAL RESEARCH OF RADIATION, CONVECTION AND CONDUCTION HEAT TRANSFER PROCESSES
N.N. Romanov; A.A. Kuzmin; A.S. Nekrasov.
Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia
The description of main fire spread mechanisms is given according to the thermophysics laws. The basic investigation principles of radiation, convection and conduction phenomena are analyzed. The experimental equipment for researching basic laws of heat transfer is described. Keywords: heat transfer, convection, thermal conductivity, radiation, experiment
Несмотря на высокие темпы развития техники и технологии в области пожарной безопасности, статистика числа жертв пожара [1] наглядно демонстрирует, что потенциал роста в области повышения пожарной безопасности населения еще огромен. Динамика, несомненно, положительная, но фактическое положение Российской Федерации по количеству жертв все еще далеко от желаемого. На сохранение жизней и имущества, на улучшение позиций в рейтинге направлены силы и средства в различных направлениях. Улучшается материально-техническое оснащение пожарных частей, повышается квалификация надзорных органов, разрабатываются и внедряются новые системы предупреждения пожаров и пожаротушения. Одной из областей развития этой области является изучение процессов, связанных с распространением пожаров. С точки зрения теплофизики распространение пожара происходит тремя механизмами: излучением, конвекцией и кондукцией.
Излучением может переноситься до 90 % всей энергии пожара [2]. Величины тепловых потоков, которые исходят от открытого пламени, достигают десятков и сотен киловатт на квадратный метр [3]. Хотя законы переноса теплоты излучением давно и хорошо
изучены, эта область знаний постоянно пополняется новыми результатами экспериментов, расчетов и моделирования. Разработка новых материалов, в том числе и применяемых для огнезащиты, пожаротушения, строительства и машиностроения, регулярно требует исследований на предмет их свойств, влияющих, в том числе, на излучательную способность. Определение коэффициента черноты является главной трудностью при применении законов излучения. Этот параметр плохо поддается расчету, особенно его зависимость от температуры. Единственно возможным способом достоверно определить характеристики материала или покрытия, определяющие его способность излучать, является эксперимент. Экспериментальные способы определения коэффициента черноты в большинстве случаев можно разделить на три типа: калориметрический, нестационарный и радиационный [4]. Калориметрический метод основан на измерении количества теплоты, переданной от нагретого тела теплоприемнику и температуры каждого из тел, участвующих в теплообмене. К недостаткам калориметрического метода можно отнести высокие требования к теплоизоляции тел, учету стоков теплоты через нее и датчики температуры [5]. Нестационарный метод основан на наблюдении процесса охлаждения нагретого тела в вакууме. Недостатком подобного рода методов являются высокие требования к вакуумной камере, в которой проводится эксперимент.
Радиационный метод основан на наблюдении различий в лучистых потоках исследуемого тела и эталонного.
Для исследований в области лучистого теплообмена была разработана и собрана установка. Лабораторная установка предназначена для исследования процесса теплообмена излучением, в частности - определения коэффициента черноты. Принцип работы установки основан на наблюдении разной рассеиваемой энергии телами с различными коэффициентами черноты, но с одинаковой температурой. Имеются четыре образца одинаковой геометрической формы. Эталонный образец окрашен в черный цвет и имеет известный коэффициент черноты. Остальные три образца имеют различные поверхности (например, полированная, шлифованная, окрашенная в белый цвет) и, соответственно, неизвестный коэффициент черноты. В эксперименте необходимо с помощью регулирования напряжения на нагревателях внутри образцов добиться одинаковой стационарной температуры эталонного и исследуемого образцов. Далее, зная коэффициент черноты эталонного образца, становится возможным посчитать коэффициент черноты исследуемого образца. Возможность регулирования напряжения позволяет проводить исследования при различных температурах.
Лабораторная установка «Определение коэффициента черноты методом сравнения» представлена на рис. 1. Эталонный образец установлен слева на щите с помощью креплений через теплоизолирующие прокладки. Под эталонным образцом расположены ручка регулировки напряжения нагревателя образца, индикатор цифрового вольтметра и амперметра. Над образцом установлены индикаторы цифровых термометров. Справа установлены исследуемые образцы, закрепленные аналогично эталонному. Под исследуемыми образцами установлены ручка регулировки напряжения нагревателя образца, индикатор цифрового вольтметра и амперметра, над образцами - индикаторы цифрового термометра. Переключение нагревателей исследуемых образцов производится с помощью кнопок.
Рис. 1. Лабораторная установка «Определение коэффициента черноты методом сравнения»
Стоки теплоты через стойки, искажения температурного поля датчиками температуры на исследуемом теле не учитываются из-за взаимной компенсации их на эталонном теле. Исследуемое тело и эталон разогреваются до одинаковой температуры, датчики температуры расположены одинаково, крепление тел также одинаково, отличие в теплообмене с окружающей средой обусловлено исключительно различием в коэффициенте излучения.
Используемый метод определения степени черноты предполагает сравнение тепловых потоков от исследуемого тела, параметры которого будут обозначаться индексом «и»; и эталонного тела, параметры которого будут иметь индекс «э». Тогда для обоих тел должно выполняться условие:
£и=Ош+Ои; 0э=0лэ+0кэ.
Выбранные для опыта тела удовлетворяют условиям: ¥и=¥э=¥ - поверхности теплообмена должны быть одинаковы; Ти=Тэ=Тм, - температура поверхностей должна быть одинаковой и в течении опыта не изменяться.
При выполнении этих условий можно ожидать, что условия конвективного теплообмена на поверхностях этих тел также будут одинаковы, следовательно:
0,ки 0,кэ.
По условиям опыта излучение исследуемого и эталонного тел производится в пространство, ограниченное стенами помещения, то есть на поверхности стен, потолка, пола, причем площадь теплоизлучающей поверхности значительно меньше площади тепловосприятия.
В этом случае можно предположить, что вся излученная тепловая энергия будет поглощена ограждающими поверхностями, тогда уравнение для исследуемого и эталонного тел можно представить как:
блэ ~ С0£э£р
т
V 100
т 100
Оли ~ С0БиБ Р
т
V 100
г т
100
где е - степень черноты стен помещения; еэ=0,9 (степень черноты поверхности эталонного тела); еи - измеряемая степень черноты; Т - средняя абсолютная температура стен помещения.
Поскольку температуры на поверхностях исследуемых тел одинаковы, то каждое тело в окружающую среду отдает одинаковое количество тепла в конвективном теплообмене, однако суммарные тепловые потоки от тел за счет разности в условиях излучения будут различны: Qэ не равно Qи, то есть:
бэ би бЛэ О^ли
где Qэ=IэUэ и Qи=IиUи.
Таким образом, определить степень черноты исследуемого тела можно
по зависимости:
еи =еэ - -
бэ - би
8С0
т
V 100
т 100
Использование установки позволяет не только проверить и уточнить известные экспериментальные данные, но и исследовать новые материалы.
Интенсивное развитие и распространение любого пожара практически невозможно без конвекции. Перемещение нагретого газа конвекцией стимулирует газообмен и приток свежего воздуха к источнику пожара. Дым как продукт горения является самым опасным поражающим фактором на пожаре. По статистике именно от воздействия продуктов горения погибает самое большое число людей [6]. Процесс задымления помещений подчиняется законам конвекции, поэтому изучение законов конвективного теплообмена при пожаре имеет важнейшее значение [7].
Для изучения основных законов конвективного теплообмена разработана и собрана лабораторная установка. Установка предназначена для исследования процесса теплообмена при естественной конвекции, в частности - определения коэффициента теплопередачи при естественной конвекции, его зависимости от температурного напора и получения критериального уравнения. Принцип работы установки основан на наблюдении рассеиваемой энергии телом известной формы. Имеются три цилиндрических образца: два горизонтальных диаметром ^ и ё2, один вертикальный диаметром ё2. Внутри тел расположены электрические нагреватели, обеспечивающие равномерное выделение теплоты по длине образца, мощность которых регулируется. Степень нагрева определяется по встроенным датчикам температуры (3 шт. для тела № 1 и № 2, 5 шт. для тела № 3), мощность определяется на основании измерений силы тока и напряжения на нагревателе.
Лабораторная установка «Исследование теплообмена при естественной конвекции» представлена на рис. 2. На металлическом щите установлены образцы с помощью креплений через теплоизолирующие втулки. Рядом с вольтметром и амперметром расположена ручка регулировки напряжения нагревателя образца. Индикаторы цифровых термометров расположены над образцом № 3. Возле каждого образца установлена кнопка включения нагревателя с индикаторной лампой.
4
4
4
4
4
Рис. 2. Лабораторная установка «Исследование теплообмена при естественной конвекции»
Для определения коэффициента конвективного теплообмена при установившемся тепловом состоянии необходимо определить среднюю температуру на поверхности трубы по эмпирической формуле:
л
tv1 + tv2 + tv3 + tv4 + tv5
5
Далее определить абсолютные значения температуры воздуха и температуры на поверхности трубы:
т/ =V+273,
т„ = С + 273.
Лучистая составляющая теплового потока определяется по уравнению:
бл _ С0етев
Г у \
V100 У
/ т Л
т!
V100 У
где ев=0,8; ет и Б - степень черноты и площадь теплоизлучающей поверхности соответствующего образца.
Тепловой поток, создаваемый электронагревателем и проходящий через стенку трубы в окружающую среду, определяется по мощности нагревателя:
б = ш.
4
4
Для предотвращения утечек теплоты в окружающую среду в торцы трубок установлены теплоизолирующие заглушки. Величина конвективной составляющей теплового потока определяется по уравнению:
я = я - я.
Величину среднего значения коэффициента конвективного теплообмена ак при различных напряжениях на нагревателе, используя уравнение:
ак =
Як
Р (К - <г)
Таким образом, установка позволяет изучить процесс теплообмена при естественной конвекции, определить зависимость характеристик этого процесса от температурного напора и формы тела.
Современное многоэтажное строительство не обходится без систем активного дымоудаления. Организация таких систем обязательна для многоэтажных домов, лечебных учреждений, торговых и развлекательных центров и других мест массового скопления людей [8]. Правильно спроектированная система активного дымоудаления может спасти множество жизней. С другой стороны, построенная или спроектированная с ошибками система может не только не уменьшить число жертв, но и увеличить их повышением площади задымления и возгорания.
Для изучения законов вынужденной конвекции, отработки экспериментальных и теоретических методов нахождения величины коэффициента конвективного теплообмена при вынужденном движении жидкости была спроектирована и собрана установка.
Лабораторная установка, предназначенная для исследования процесса теплообмена при вынужденной конвекции, в частности - определения коэффициента теплопередачи при вынужденной конвекции, его зависимости от температурного напора и получения критериального уравнения, представлена на рис. 3.
Рис. 3. Лабораторная установка «Исследование теплообмена при вынужденной конвекции»
Принцип работы установки основан на наблюдении рассеиваемой энергии телом известной формы при обтекании его воздушным потоком. Имеется цилиндрический образец внутри воздушного канала. В эксперименте с помощью регулирования напряжения на нагревателе образца, скорости и температуры воздушного потока после наступления стационарного температурного режима фиксируются показания термометров. Далее, ступенчато повышая напряжение на нагревателе внутри образца, фиксируются стационарные значения температур на стенке тела на каждом шаге. После получения показаний данные обрабатываются и определяются требуемые величины. Возможность регулирования напряжения, скорости и температуры потока дает возможность проводить эксперимент при разных температурах и скоростях потока.
В экспериментальной установке используется алюминиевая трубка, установленная горизонтально по оси прозрачного воздушного канала. В исследуемый образец вмонтирован электрический нагреватель, обеспечивающий равномерное выделение теплоты по длине трубки. Нагреватель работает от постоянного тока с возможностью регулировки мощности. Тепловой поток, создаваемый электронагревателем и проходящий через стенку трубы в окружающий воздух, определяется по мощности нагревателя. Для предотвращения утечек теплоты в окружающую среду в торцы трубки установлены теплоизолирующие заглушки. При проведении эксперимента добиваются стационарного температурного режима и фиксируются показания термодатчиков. Помимо мощности нагревателя установка позволяет регулировать скорость и температуру воздуха в канале.
Для определения искомой величины необходимо определить среднюю температуру на поверхности нагреваемой трубы по эмпирической формуле:
+ 3Л„ + и.,
* 5
Определить абсолютные значения температур наружной поверхности нагреваемой трубы и поверхности воздуховода:
т* = ^ + 273, т/ = // + 273.
Лучистая составляющая теплового потока определяется по уравнению:
бл = С0етев
Г у \
V100 У
с т \
/
V100 У
где ет =0,7; ев =0,8 и Б- площадь теплоизлучающей поверхности образца.
Величину теплового потока через боковую поверхность нагреваемой трубы определяют по зависимости:
б = 1и.
Конвективная составляющая теплового потока:
б, = б - бл .
Экспериментальное значение коэффициента конвективного теплообмена при вынужденном движении жидкости:
а =
б,
р (г* - г,)
2
3
г
4
4
Таким образом, установка позволяет изучить процесс теплообмена при вынужденной конвекции, определить зависимость характеристик этого процесса от температурного напора, скорости и температуры потока.
Предел огнестойкости ограждающих конструкций, длительность работы пожарного в боевой амуниции напрямую зависят от теплофизических свойств материалов, которые сопротивляются распространению огня. Теплопроводность как характеристика материала, из которого сделаны стены здания и, например, противопожарные двери в помещениях, имеет важнейшее значение в задаче снижения скорости распространения пожара между помещениями. Низкая теплопроводность боевой одежды пожарного может обеспечить дополнительные, иногда решающие, минуты работы при высоких температурах [9].
Разработанная лабораторная установка для исследования теплофизических свойств материалов, в частности - определения коэффициента теплопроводности, теплоемкости и получения критериального уравнения, представлена на рис.4.
Принцип работы установки основан на наблюдении изменения температуры на цилиндрической стенке. Имеются три цилиндрических образца одинаковых диаметров, расположенных вертикально. В опыте предлагается после выбора рабочего образца с помощью регулирования напряжения на нагревателе, расположенного внутри, добиться стационарного температурного режима и зафиксировать показания термометров и секундомера в таблице. Далее, ступенчато повышая напряжение на нагревателе внутри образца, фиксировать стационарные значения температур на стенке тела на каждом шаге. После получения показаний следует обработать данные и определить требуемые величины. Возможность регулирования напряжения и наличие трех исследуемых образцов дает максимальную вариативность проводимой работы.
Рис. 4. Лабораторная установка «Определение теплофизических свойств материалов»
Образцы установлены на щите с помощью креплений через теплоизолирующие втулки. Слева от образцов расположены ручка регулировки напряжения нагревателя образца, индикатор цифрового вольтметра и амперметра, трех термометров. Возле каждого образца установлена кнопка включения нагревателя.
В экспериментальной установке используются три вертикальных цилиндрических образца из различных строительных материалов в тонких металлических кожухах. В исследуемые образцы вмонтированы электрические нагреватели, обеспечивающие равномерное выделение теплоты по длине образцов. Нагреватели питаются от постоянного тока, их мощность регулируется. Тепловой поток, создаваемый электронагревателем и проходящий через стенку трубы в окружающий воздух, определяется по мощности нагревателя. Для предотвращения утечек теплоты в окружающую среду в торцы трубок установлены теплоизолирующие заглушки. При проведении эксперимента добиваются стационарного температурного режима и фиксируются показания термопар, установленных вблизи оси, с краю и посередине радиуса образца. Установка также позволяет исследовать нестационарные процессы, опираясь на показания встроенного секундомера.
При проведении эксперимента необходимо определить величину теплового потока через боковую поверхность исследуемого образца по зависимости:
Определить средние величины коэффициента теплопроводности материала образца для первого и второго режимов, используя уравнение:
Q ln
Г , \
d 2
Я = -
d1
v^ 1 j
2л l (t2 -11)
И, зная среднюю температуру прогрева образца:
tm
U + to
2
вычислить величину температурного коэффициента теплопроводности по уравнению:
Р =
А2 -А1 С - tm
Таким образом, установка позволяет изучить процесс передачи теплоты теплопроводностью, определить зависимость характеристик этого процесса от температурного напора, вида строительного материала.
В заключение следует отметить, что результаты проведенной научно-исследовательской работы становятся основой для проведения новых научно-исследовательских работ, в том числе, по совершенствованию методики преподавания общетехнических дисциплин как в вузах МЧС России, так и в технических вузах, включая военные технические вузы.
2
Литература
1. Brushlinsky N.N., Ahrens M., Sokolov S.V., Wagner P. World Fire Statistics // International Association of Fire and Rescue Services. 2016.
2. Сухинин А.И., Конев Э.В. Вопросы лесной пирологии. Красноярск, 1972.
3. Копылов Н.П., Хасанов И.Р. Эффективность применения теплозащитных экранов для защиты от тепловых потоков при пожарах // Безопасность труда в промышленности. 2016. № 11.
4. Измерение коэффициента излучения поверхности конструкционных и теплоизоляционных материалов / В.А. Архипов [и др.] // Ползуновский вестник. 2010. № 4-1.
5. Экспериментальное определение интегральной степени черноты сверхтонких жидких композиционных теплоизолирующих покрытий / М.В. Анисимов [и др.] // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2016. Т. 327. № 5.
6. Бабаханян Р.В., Петров Л.В. Причины смерти пострадавших в условиях пожара // Проблемы практики судебной медицины. 2000.
7. Василевич А.Б., Балобан А.П. Влияние работы системы противодымной защиты на процесс развития пожара // Кримшалютичний вюник. 2015. № 1 (23).
8. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. М.: Государственный комитет Российской Федерации по строительству и жилищно-коммунальному комплексу (ГОССТРОЙ России), 2004.
9. Результаты исследований и перспективы развития материалов для специальной защитной одежды пожарных / В.И. Логинов [и др.] // Пожарная безопасность. 2012. № 3.
References
1. Brushlinsky N.N., Ahrens M., Sokolov S.V., Wagner P. World Fire Statistics // International Association of Fire and Rescue Services. 2016.
2. Suhinin A.I., Konev Eh.V. Voprosy lesnoj pirologii. Krasnoyarsk, 1972.
3. Kopylov N.P., Hasanov I.R. Ehffektivnost' primeneniya teplozashchitnyh ehkranov dlya zashchity ot teplovyh potokov pri pozharah // Bezopasnost' truda v promyshlennosti. 2016. № 11.
4. Izmerenie koehfficienta izlucheniya poverhnosti konstrukcionnyh i teploizolyacionnyh materialov / V.A. Arhipov [i dr.] // Polzunovskij vestnik. 2010. № 4-1.
5. Ehksperimental'noe opredelenie integral'noj stepeni chernoty sverhtonkih zhidkih kompozicionnyh teploizoliruyushchih pokrytij / M.V. Anisimov [i dr.] // Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov. 2016. T. 327. № 5.
6. Babahanyan R.V., Petrov L.V. Prichiny smerti postradavshih v usloviyah pozhara // Problemy praktiki sudebnoj mediciny. 2000.
7. Vasilevich A.B., Baloban A.P. Vliyanie raboty sistemy protivodymnoj zashchity na process razvitiya pozhara // Kriminalistichnij visnik. 2015. № 1 (23).
8. SNiP 41-01-2003. Otoplenie, ventilyaciya i kondicionirovanie vozduha. M.: Gosudarstvennyj komitet Rossijskoj Federacii po stroitel'stvu i zhilishchno-kommunal'nomu kompleksu (GOSSTROJ Rossii), 2004.
9. Rezul'taty issledovanij i perspektivy razvitiya materialov dlya special'noj zashchitnoj odezhdy pozharnyh / V.I. Loginov [i dr.] // Pozharnaya bezopasnost'. 2012. № 3.
