CC BY
10
ПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ
Г. В. Кузнецов
д-р физ.-мат. наук, профессор Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Томск, Россия
Л ИшЪ
А. В. Захаревич
канд. физ.-мат. наук, ст. преподаватель Национального исследовательского Томского политехнического университета, г.Томск, Россия
Л
В. И. Максимов
канд. техн. наук, доцент Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Томск, Россия
А. А. Пашин
магистрант Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Томск, Россия
УДК 536.468
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЗАЖИГАНИЯ ПЛЕНОК ЖИДКИХ ТОПЛИВ ОДИНОЧНОЙ, НАГРЕТОЙ ДО ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР КЕРАМИЧЕСКОЙ ЧАСТИЦЕЙ
Излагаются результаты экспериментального исследования закономерностей зажигания пленок жидких теплив (керосин и дизельное топливо) одиночной, нагретой до высоких температур керамической частицей. Проведено сравнение времен задержки зажигания исследуемых пожароопасных веществ керамическими и металлическими частицами. Установлено, что время задержки зажигания керамической частицей значительно выше по сравнению с частицами металлов.
Ключевые слова: экспериментальные исследования; жидкое топливо; керамическая частица; время задержки зажигания; температура частицы.
Введение
Одна из основных проблем современности и ближайшего будущего — проблема энергетической безопасности, обусловленная непрерывным ростом потребления электрической и тепловой энергии. В связи с общей изношенностью и выработкой ресурса значительной части технологического оборудования ТЭС, ТЭЦ и котельных, невыполнением в полной мере мероприятий по планово-предупредительному ремонту [1,2] оборудования из-за недофинансирования, а также в связи с общим снижением уровня технологической дисциплины имеет место рост числа аварий, сопровождаемых возгоранием. Следствием этого может быть, например, разрушение теплоизоляционных "горячих" материалов на котельных установках и образование одиночных, нагретых до высоких температур частиц.
Многие пожары возникают в результате воздействия частиц металлов и неметаллов, нагретых до высоких температур, на способные гореть жидкие вещества. Детальное исследование процессов вза-
имодействия источников нагрева с ограниченным теплосодержанием и горючих жидкостей позволит выявить закономерности, механизмы и условия их воспламенения. Среди таких процессов особо следует отметить неконтролируемые взрыво- и пожароопасные возгорания жидкостей при их взаимодействии, например, с разогретыми до высоких температур частицами, образующимися при сварке или резке металлических конструкций, и неметаллическими частицами, формирующимися в результате, например, взрыва. Это, в первую очередь, объясняется тем, что во многих отраслях промышленности используются большие объемы легковоспламеняющихся жидкостей, а также достаточное количество различных по своей природе потенциальных источников воспламенения. Изучение пожаровзрывоопас-ных свойств веществ и материалов, обращающихся в процессе производства, является одной из основных задач пожарной профилактики, направленной на исключение горючей среды из классического "треугольника пожара" [3, 4]. Экспериментальное исследование проблемы зажигания горючих жид-
© Кузнецов Г. В., Захаревич А. В., Максимов В. И., Пашин А. А., 2011
4
ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНаСТЬ 2011 ТОМ 20 №10
костей локальными источниками энергии представляет собой решение новой научной задачи, результаты которого позволят разработать физические модели зажигания пленок жидких топлив, а также выявить механизмы их зажигания.
Ранее были проведены экспериментальные исследования зажигания жидких топлив "горячими" частицами металлов. Но на практике возможны воздействия на горючие жидкости и частиц неметаллов. Среди них наиболее типичными являются керамические частицы. До настоящего времени результаты экспериментов по исследованию таких процессов не опубликованы.
Целью данной работы является экспериментальное исследование процесса зажигания типичных горючих жидкостей одиночными, нагретыми до высоких температур керамическими частицами.
Методика эксперимента
В качестве объектов исследования рассматривались широко используемые жидкие топлива — керосин марки ТС-1 высшего сорта (по ГОСТ 10227-86 с изм. 1-3, изготовитель ОАО "Сибнефть Омский НПЗ") и летнее автомобильное дизельное топливо ЕН 590, сорт С, вид 1 (по ГОСТ Р 523682005).
Состав керосина: керосиновая фракция нефти — 75 %; массовая доля ароматических углеводородов — 22 %; оксиды серы, водорода и азота — 3 %.
Состав дизельного топлива: алифеновые (или алифатические) углеводороды — 53-55 %; нафтеновые и парафиновые компоненты — 33-35 %; ароматические углеводороды — 5-9 %; оксиды серы, водорода и азота — до 3 % [5].
При планировании эксперимента была принята наиболее типичная схема: частица падает перпендикулярно поверхности жидкости с малой скоростью (1,7 м/с). Из всего многообразия возможных форм частиц предпочтение было отдано цилиндру малой высоты — диску. Диаметр частицы принимался из условия обеспечения минимального рассеяния параметров, характеризующих условия эксперимента. Принималось также, что частица погружается в горючую жидкость не полностью. Моделировались условия разлива жидкого топлива по твердой поверхности с образованием пленки, толщина которой меньше высоты частицы.
Для проведения исследований применялась экспериментальная установка [6], основными элементами которой являются нагревательная печь и контрольно-измерительный блок. В качестве источника зажигания в экспериментах использовалась керамическая частица на основе корунда (А1203) в форме диска с фиксированным диаметром d = 6-10-3 м
и высотой к = 3-10-3^5 ■ 10-3 м. Высота и диаметр диска выбирались так, чтобы можно было варьировать площадью поверхности контакта частицы с жидкостью. Керамическая частица падала в стеклянный вертикальный сосуд размером к = 4-10-2 м, d = 5-10-2 м. Температура частицы Тч существенно превышала начальную температуру топлива (300 К). Для обеспечения достоверности результатов измерений было проведено 5-7 серий опытов при одинаковых условиях.
Результаты экспериментальных исследований
В опытах использовались керамические частицы в форме диска с размерами, соответствующими размерам металлических частиц, эксперименты с которыми проводились ранее [7, 8]. На рис. 1 и 2 представлены экспериментальные зависимости времени задержки зажигания тш от начальной температуры частицы Тч при воспламенении керосина и дизельного топлива стальными и керамическими частицами. Кривые построены в результате аппроксимации экспериментальных данных. Аппроксима-ционные зависимости получены методом наименьших квадратов. Коэффициент вариации экспериментальных данных при постоянной температуре составлял не более 10 %. Левое предельное значение температуры на рисунках соответствует минимальному значению Тч, при котором происходило зажигание. После возникновения возгорания наблюдалось устойчивое горение топлива.
1300 1320 1340 1360 1380 1400 1420 1440 1460 Тч, К
б
0,20
0,16
0,12
0,08
0,04
1340 1360 1380 1400 1420 1440 1460 А
Рис. 1. Экспериментальные зависимости времени задержки зажигания дизельного топлива (а) и керосина (б) от начальной температуры частиц d = 6 ■ 10-3 м, к = 3 ■ 10-3 м: 1 — керамической; 2 — металлической
1290 1310 1330 1350 1370 1390 1410 1430 1450 1470 Тч, К
с
0,20 0,16 0,12 0,08 0,04 О
1330 1350 1370 1390 1410 1430 1450 1470 Тч, К
Рис. 2. Экспериментальные зависимости времени задержки зажигания дизельного топлива (а) и керосина (б) от начальной температуры частиц d = 6 ■ 10-3 м, к = 5 ■ 10-3 м: 1 — керамической; 2 — металлической
Результаты проведенных экспериментов (см. рис. 1 и 2) показали, что минимальная температура керамической частицы Тч, при которой происходит зажигание дизельного топлива, на 40 К меньше, чем керосина. Отличие времен задержки зажигания дизельного топлива и керосина составляет не более 15 %. Такое отклонение экспериментальных данных наблюдается при начальной минимальной температуре зажигания исследуемых дистиллятных топлив. Наименьшее значение времени задержки зажигания зафиксировано при зажигании дизельного топлива. Установлено, что вероятность воспламенения его выше, чем керосина. Визуальные наблюдения в процессе экспериментов и видеосъемки позволили выделить детали механизма процесса зажигания и
сформулировать физическую модель исследуемого процесса.
При взаимодействии горячей частицы с поверхностью жидкости происходит испарение последней, сопровождающееся интенсивным парообразованием с поглощением теплоты фазового перехода. Между частицей и жидкостью образуется паровой зазор, который снижает интенсивность теплообмена между керамической частицей и топливом. Однако при обтекании горячей частицы продукты испарения горючего нагреваются, и при определенном запасе энергии, аккумулированной в частице, может произойти прогрев паров горючего до температур, при которых начинается процесс горения.
Из рис. 1 и 2 видно, что значение в экспериментах с керамическими частицами в 1,5 раза выше, чем с металлическими [6, 7]. Этот результат, скорее всего, обусловлен физическими свойствами материалов частиц. Коэффициенты теплопроводности металлов намного выше соответствующих коэффициентов для керамических материалов, поэтому теплота, аккумулированная в металлической частице, более интенсивно передается в топливо по сравнению с керамической при одинаковых температурах частиц. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что нагретые до высоких температур частицы металлов представляют существенно большую опасность, чем частицы неметаллов с меньшей теплопроводностью и объемной теплоемкостью.
Заключение
Экспериментально исследовано зажигание пленок жидких топлив в стеклянном сосуде диаметром 5 10-2 м одиночными, нагретыми до высоких температур керамическими частицами. Установлено, что время задержки зажигания керамической частицей значительно превышает аналогичные времена для частиц металлов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. РД 153-34.1-39.603-99. Руководство по ремонту арматуры высоких параметров : введ. 01.11.2000 ; утв. 16.12.99 РАО "ЕЭС России". — М. : СПО ОРГРЭС, 2000. — 31 с.
2. Буров В. Д. и др. Тепловые электрические станции. — 2-е изд., перераб и доп. — М. : Изд-во МЭИ, 2007. — 466 с.
3. Корольченко А. Я., Корольченко Д. А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: справочник :в2ч. — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Пожнаука, 2004.
4. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности : Федер. закон № 123-Ф3 от 22.07.2008 : принят Гос. Думой 04.07.2008 : одобр. Советом Федерации 11.07.2008 // Собр. законодательства РФ. — 2008. — № 30; Российская газета. — 2008. — № 163.
5. Химия горения / Пер. с англ.; под ред. У. Гардинера. — М. : Мир, 1988. — 464 с.
6. Захаревич А. В., Кузнецов В. Т., Кузнецов Г. В., Максимов В. И. Зажигание модельных сме-севых топливных композиций одиночной, нагретой до высоких температур частицей // Физика горения и взрыва. — 2008. — Т. 44, № 5. - С. 54-57.
0869-7493 ООЖАРООЗРЫООБЕЗООАСООСТЬ 2011 ТОМ 20 №10
7. Кузнецов Г. В., Захаревич А. В., Максимов В. И. Зажигание дизельного топлива одиночной "горячей" металлической частицей // Пожаровзрывобезопасность. — 2008 — Т. 17, № 4. — С.28-30.
8. Кузнецов Г. В., Захаревич А. В., Максимов В. И. Экспериментальное исследование влияния формы нагретой частицы на характеристики зажигания жидких топлив // Пожаровзрывобезопасность. — 2010. — Т. 19, № 2. — С. 11-13.
Материал поступил в редакцию 22 ноября 2010 г.
Электронный адрес авторов: [email protected].
Учебное пособие
В. Н. Черкасов, В. И. Зыков
Обеспечение пожарной безопасности электроустановок
Рецензенты: Федеральное государственное учреждение Всероссийский ордена «Знак почета» научно-исследовательский институт противопожарной обороны МЧС России, кафедры физики и пожарной безопасности технологических процессов Академии ГПС МЧС России.
В учебном пособии рассмотрены общая схема электроснабжения потребителей, классификация электроустановок и причины пожаров от них, а также вероятностная оценка пожароопасных отказов в электротехнических изделиях и пожарная безопасность комплектующих элементов. Приведены нормативные обоснования и инженерные решения по обеспечению пожарной безопасности электроустановок и защите зданий и сооружений от молний и статического электричества. Учебное пособие предназначено для практических работников в области систем безопасности и может быть использовано для подготовки и повышения квалификации специалистов соответствующего профиля.
