CC BY
21
йт
Ассистент Томского
политехнического
университета
А. В.Захаревич
Д-р физ.-мат. наук, профессор Томского политехнического университета
Г. В. Кузнецов
Канд. техн. наук, старший преподаватель Томского политехнического университета
В. И. Максимов
УДК 536.468
МЕХАНИЗМ ЗАЖИГАНИЯ БЕНЗИНА ОДИНОЧНОЙ НАГРЕТОЙ ДО ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ЧАСТИЦЕЙ
Экспериментально исследован механизм зажигания пожароопасного вещества одиночной "горячей" металлической частицей. На основании полученных данных установлено, что зажигание бензина происходит только при взаимодействии смеси его паров с воздухом и "горячей" частицы при концентрациях паров, соответствующих условиям испарения бензина при комнатной температуре. Вероятность воспламенения смеси паров бензина с воздухом быстро снижается по мере их отхода от поверхности испарения. Если температура частицы ниже критической, то воспламенение не происходит ни в паровой фазе, ни на поверхности бензина, даже если частица погружается в него полностью или частично.
Введение
В современных методах прогноза пожарной опасности горючих веществ [1] обычно используются модели, в которых источником нагрева является или поток высокотемпературных газов, или достаточно масштабный очаг возгорания (объемный источник высоких температур). Но источники воспламенения, встречающиеся в производственных условиях, весьма разнообразны, как по природе своего появления, так и по запасу энергии. Многие пожары возникают в результате воздействия на способные гореть вещества (в том числе жидкости) частиц металлов или их окислов, нагретых до высоких температур. Одиночные частицы достаточно малых размеров часто являются источниками возникновения пожаров на промышленных и гражданских объектах. Поэтому исследование процесса зажигания жидких пожароопасных веществ (ПВ) является практически значимым и представляет также большой интерес потому, что физические закономерности процесса зажигания жидкостей намного сложнее, чем это следует из общей тепловой теории [2].
Цель работы - экспериментальное исследование механизма зажигания бензина "горячей" металлической частицей, являющейся источником зажигания.
Методика эксперимента
Для проведения эксперимента с пожароопасной жидкостью использовалась установка (рис. 1), основными элементами которой являлись нагревательная печь и контрольно-измерительный блок. В качестве объекта исследования был использован бензин с октановым числом 92. Эксперименты про-
регистратор пламени; 10 — излучатель; 11 —вертикальный стеклянный цилиндрический сосуд; 12 — аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 13 — персональный компьютер
ца; 9 — держатель из керамики; 10 — конструкция из жаростойкой стали; 11 — цилиндрическая задвижка (шамот); 12 — винт
водились с частицей — источником зажигания в форме диска фиксированного диаметра (610-3 м) и высоты (5 10-3 м). Стальная частица при падении в вертикальный сосуд (высотой 40 10-3 м и диаметром 5010-3 м) с определенным ПВ (в количестве 2 мл) находилась в твердом состоянии и не деформировалась. Эксперименты проводились в хорошо воспроизводимых условиях. Нагрев металлического диска до заданной температуры осуществлялся в нагревательной печи (рис. 2), обеспечивающей стабильную температуру рабочего объема (до 1150°С) в течение продолжительного времени. Нагревательная печь представляла собой стальной цилиндр (диаметром 7510- ми высотой 10010-3 м), отверстия которого закрывались теплоизолирующими крышками 1 с целью минимизации теплопотерь в окружающую среду. В стальном цилиндре находилась конструкция из жаростойкой стали 3. Она представляла собой полый цилиндр со сквозными отверстиями на внутренней поверхности, в которые укладывался нагревательный элемент 5 (спираль из нихрома). Спираль была изолирована от короткого замыкания бусинками из керамики. Между стенками внутренней стальной конструкции и внешней конструкции из жаростойкой стали находился изолятор 4 (шамот).
Такая схема нагревательной печи обеспечивала получение равномерного прогрева металлической частицы. Значение ее температуры фиксировалось прибором УКТ38-Щ4-ТП 5 (см. рис. 1), первичным преобразователем которого являлась хромель-алю-мелевая термопара. Нижняя часть хромель-алюме-
левой термопары по оси стальной конструкции упиралась в стальную жаростойкую перегородку толщиной 110-3 м, снизу к которой, в свою очередь, прижималась металлическая частица. Это позволяло достаточно точно измерять температуру "горячей" частицы Тч. При достижении температурой металлического диска заданного значения открывалась задвижка 11 на нижней крышке печи и отодвигался керамический держатель 9, нагретая частица падала с фиксированной высоты 17010-3 м в пожароопасную жидкость. Высота падения частицы выбиралась такой, чтобы пары пожароопасной жидкости не воспламенялись около основания нагревательной печи. Момент соприкосновения "горячей" частицы с парами бензина, находящимися в стеклянном цилиндрическом сосуде, фиксировался датчиком 1 (см. рис. 1), который устанавливался около верхнего края стеклянного сосуда. Он состоял из излучателя 10 и приемника излучения (фотоэлемент 9). Падая, "горячая" частица перекрывала тонкий световой луч между излучателем и приемником излучения. Сигнал через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 12 поступал на персональный компьютер (ПК) 13. Воспламенение паров исследуемого топлива регистрировалось датчиком (фотоэлемент 9 на рис. 1). При появлении вспышки пламени фотоэлемент формировал сигнал. Этот сигнал через АЦП фиксировался на ПК. Время задержки зажигания определялось от момента пересечения частицей светового луча до момента появления пламени. Интервал между началом падения и зажиганием ПВ также фиксировался цифровой видеокамерой. Погрешность измерения начальной температуры частицы, оцениваемая по методике [3], не превышала 1-3%.
Явление зажигания паров горючих жидкостей зависит от многих факторов, в том числе от концентрации паров над поверхностью жидкости. Известно, что зависимость энергии зажигания от концентрации горючего имеет вид параболы, минимальная точка которой примерно соответствует стехиомет-рическому соотношению горючего и окислителя. По мере удаления от этой точки энергия зажигания резко возрастает. При комнатной температуре паровая фаза над поверхностью бензина А-92 переобогащена горючим, что может привести к получению завышенных значений температуры частицы, которая в экспериментах вызвала воспламенение.
Для оценки масштабов изменения температуры частицы — источника зажигания ПВ в процессе падения решена задача теплопроводности для диска. Рассматривался период времени падения частицы на поверхность ПВ. Задача решалась при граничных условиях третьего рода на поверхности диска. Коэффициент теплообмена рассчитывался по зави-
Рис. 2. Схема нагревательной печи: 1 — теплоизолирующая крышка (2 шт.); 2 — теплоизолятор (шамот); 3 — стальной цилиндр; 4 — прокладка из шамота; 5 — нихро-мовая спираль; 6 — хромель-алюмелевая термопара; 7 — отверстие для вывода частиц; 8 — стальная части-
40
ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2008 ТОМ 17
симостям [4] с учетом изменения скорости движения частицы. Установлено, что за время падения температура поверхности контакта частицы с ПВ уменьшается не более чем на 4°С. Этим отклонением при анализе можно пренебречь, так как в экспериментах достигалась температура частицы более 1000°С. Соответственно за время падения от выхода из нагревательной печи до воспламенения (не более 0,2 с) изменение температуры поверхности частицы составляло не более 0,4%. Такую погрешность в определении Тч можно считать приемлемой.
Результаты экспериментальных исследований
Эксперименты показали, что воспламенение бензина происходит в паровой фазе до попадания частицы на поверхность этой горючей жидкости при температуре частицы более 1080°С. Если Тч меньше этой величины, то воспламенения не происходит, даже если частица погружается в бензин полностью или частично. Варианты воспламенения и невоспламенения иллюстрируют видеограммы на рис. 3. Дальнейшее повышение Тч обеспечивает безусловное воспламенение бензина в паровой фазе. При этом время задержки воспламенения составляет не более 0,01 с при любом значении температуры частицы до 1200°С.
Полученный результат можно объяснить следующим образом. Бензин является легкоиспаряю-щейся жидкостью, поэтому даже при комнатной температуре происходит его испарение, достаточное, как показывают эксперименты, для создания в воздухе критической концентрации паров бензина. Эти пары при движении от поверхности испарения перемешиваются с воздухом. При попадании нагретой до высоких (более 1080°С) температур частицы в данную горючую смесь происходит воспламенение последней.
Интересным является то, что при температурах ниже критической воспламенение бензина не происходит даже при попадании частицы в слой этой жидкости. В данном случае значительная часть энергии, аккумулированной в частицы, затрачивается на интенсивное испарение бензина. Но парообразные продукты реализации этого процесса имеют низкую, недостаточную для воспламенения температуру. По мере удаления от поверхности фазового перехода они охлаждаются все больше за счет теплообмена с окружающим воздухом. Вероятность воспламенения смеси паров бензина с воздухом быстро снижается по мере их отхода от поверхности испарения. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что воспламенение бензина одиночными нагретыми до высоких темпе-
Рис. 3. Кадры видеограммы эксперимента с воспламенением (а) и без воспламенения (б) бензина: 1 — металлическая частица; 2 — пламя; 3 — пары бензина высокой концентрации; 4 — стеклянный вертикальный сосуд
ратур частицами возможно только непосредственно в слое паров бензина на некотором удалении от поверхности испарения даже при комнатной температуре (20-25°С). Необходимым условием воспламенения в этом случае является высокая температура частицы.
Следует отметить, что все обсуждаемые эксперименты проводились в условиях закрытых помещений при отсутствии направленного движения воздуха. В этом случае концентрация паров горючего над поверхностью бензина определялась конвекцией и диффузией продуктов испарения и была максимальной. На основании результатов проведенных исследований можно также сделать вывод, что открытые поверхности бензина при обычных комнатных температурах являются эффективными поставщиками горючего для реакций воспламенения, источниками которых могут быть не только "горячие" частицы, но и другие источники высоких температур (накаленная проволока, высокотемпературные элементы нагревательных приборов, открытый огонь и др.).
Результаты выполненных экспериментов также позволяют сделать заключение о высокой пожарной опасности открытых поверхностей бензина даже в условиях, когда нагретые до температур более 1080°С частицы пролетают на некотором расстоянии от поверхности испарения этой горючей жидкости. Особенно опасными в этих условиях являются работы по сварке и резке металлов. При их
проведении образуются частицы с температурой, превышающей, как правило, температуру плавления сталей (например, 1500-1600°С).
Выводы
Проведенные впервые экспериментальные исследования механизма зажигания бензина одиночными нагретыми до высоких температур частицами позволили выделить основные закономерности этого процесса. Установлено, что зажигание бензина происходит только при взаимодействии смеси
его паров с воздухом и "горячей" частицы при концентрациях паров, соответствующих условиям испарения бензина при комнатной температуре. Если температура частицы ниже критической, то воспламенение не происходит ни в паровой фазе, ни на поверхности бензина, даже если частица погружается
в него полностью или частично.
***
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 06-08-00366).
ЛИТЕРАТУРА
1. Варнатц, Ю. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ / Ю. Варнатц, У. Маас, Р. Диббл\ под ред. П. А. Власова. — М.: Физматлит, 2003. — 352 с.
2. Франк-Каменецкий, Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике / Д. А. Франк-Каменецкий. — М.: Наука, 1987. — 502 с.
3 Полежаев, Ю. В. Тепловая защита / Ю. В. Полежаев, Ф. Б. Юревич. — М.: Энергия, 1976. 4. Исаченко, В. П. Теплопередача / В. П. Исаченко. — М.: Энергоиздат, 1981.
Поступила в редакцию 22.07.08.
42
ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2008 ТОМ 17 №5
