CC BY
8
УДК 614.841
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЛАМЕГАШЕНИЯ ПРОЛИВА ЛЕГКОВОСПЛАМЕНЯЮЩИХСЯ ЖИДКОСТЕЙ В ГРАНУЛИРОВАННОМ СЛОЕ ПОДЛОЖКИ
Е. В. ШИРЯЕВ
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России Российская Федерация, г. Иваново E-mail: [email protected]
В статье представлены результаты экспериментов горения легковоспламеняющихся жидкостей (бензина) с гранулированными подложками различных фракций. Проведен анализ физико-механических характеристик различных пористых гранулированных материалов. Проведена экспериментальная оценка отношения «сухого» слоя гранулированной подложки и слоя гранул, погруженных в жидкость. Построены графики распределения температуры по высоте системы «гранулированная подложка - жидкость», а также график распределения средней высоты пламени при горении нефтепродукта с подложками из гранул пеностекла различных фракций. Определены параметры гранулированных подложек, которые влияют на геометрические параметры пламени при горении нефтепродукта, характер горения, распределение температур в гранулированном слое.
Ключевые слова: нефтепродукты, пламя, высота, температура, гранулированная подложка.
EVALUATION OF THE EFFECTIVENESS OF PLAMEGATE STRAIT OF FLAMMABLE LIQUIDS IN THE GRANULAR LAYER OF THE SUBSTRATE
E. V. SHIRYAEV
Federal State budgetary educational Institution of higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo E-mail: [email protected]
The article presents the results of the experiments combustion of flammable liquid (gasoline) from the granular substrates of different factions. The analysis of physical and mechanical characteristics of various porous granular materials is carried out. An experimental evaluation of the ratio of the «dry» layer of the granular substrate and the layer of granules immersed in the liquid is carried out. Graphs of the temperature distribution along the height of the system «pelletized substrate - liquid», and a graph of the distribution of the average flame height during combustion of oil with the substrate of the granules of foamed glass of different factions. The calculated parameters granular substrates that affect the geometric parameters of the flame during combustion of petroleum products, the nature of combustion, temperature distribution in the granular layer are determined.
Keywords: oil products, flame, height, temperature, granular substrate.
Ограничение распространения пожара за пределы очага регламентируется ст. 59 Федерального закона «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности»1. Сни-
© Ширяев Е. В., 2019
Федеральный закон от 22 июля 2008 года №123-Ф3 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» (с изменениями и дополнениями).
жение пожарной опасности локальных проливов горючих жидкостей может быть достигнуто за счет применения технических решений, ограничивающих разлив и растекание жидкости при пожаре, при этом предотвращающих развитие пожара за счет снижения характеристик пламени вплоть до полного его затухания.
Одним из наиболее простых и эффективных способов повышения эффективности пожаротушения проливов горючих жидкостей является применение гранулированных мате-
риалов в поддонах для сбора проливов легковоспламеняющихся жидкостей (далее - ЛВЖ), горючих жидкостей (далее - Г~Ж) [1,2].
Для защиты оборудования от прогрессирующего пожара пролива известно техническое устройство, представляющее собой емкость с гравийным наполнителем. В виде наполнителя можно использовать щебень, тальк, гравий и керамзит размером гранул 1535 мм. При этом для эффективности пламега-шения свободный, не занятый горючей жидкостью, слой должен быть не менее 30 мм [3].
Принцип работы данного устройства состоит в том, что пролитая горючая жидкость свободно проходит через зазоры между гранулами и растекается по всей площади емкости, при этом высота наполнителя должна превышать уровень жидкости не менее, чем на 30 мм для флегматизации и локализации горения. В таких условиях при воспламенении паров горючей жидкости образуется устойчивое пламенное горение, высота которого не превышает 150 - 200 мм, а его температура 750 °С. Установлена экспериментальная зависимость высоты пламени от размера гранул наполнителя на противне 0,16 м2, рис. 1.
Недостатком предлагаемого способа является то, что предлагаемые к использованию гранулированные материалы обладают высокой насыпной плотностью и соответственно большой массой, что делает поддоны (емкости) с огнегасящим наполнителем не мобильными. Кроме этого, эффективность пла-мегашения снижается при поднятии уровня горючей жидкости к поверхности гранулированного слоя, а при превышении уровня грану-
лированной поверхности и вовсе не влияет на геометрические и тепловые характеристики пламени.
Lrrn. м 1,4
1,2 ; 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0
►
ж ж
ж
♦ < ж ►
♦ 1 > ♦ ♦ 4
drp,
0
20
40
60
Рис. 1. Изменение высоты пламени от размера гранул при горении керосина в поддоне
Для того чтобы гранулированный слой эффективно гасил пламя, пролитой горючей жидкости, не зависимо от уровня ее взлива (поднятия в емкости) гранулы должны обладать положительной плавучестью, не высоким влагопоглощением (гигроскопичностью).
Проведенный анализ физико-механических характеристики различных пористых гранулированных материалов показал, что гранулированное пеностекло марки «Тер-моизол» является самым легким, низкогигроскопичным, термостойким материалом, обладающим низкой теплопроводностью, табл. 1.
Таблица 1. Физические свойства гранулированных материалов
№ Материал Размер Насып Темпера- Во- Тепло- Паропро- Теп-
п/ фрак- ная тура по- допо- провод- ницае- ло-
п ции, мм плот- лучения, гло- ность мость, усво-
ность, °С ще- Вт/(м°С) мг/(м-ч-Па) ения
кг/м3 ние, Вт/(м2-
% °С)
1 Гравий ке- -2 рамзитовыи 5-10 600 900-1000 20 0,190 0,23 2,83
10-20 500 900-1000 25 0,165 0,23 2,41
10-20 400 900-1000 25 0,145 0,24 2,22
20-40 300 900-1000 30 0,130 0,25 1,86
20-40 200 900-1000 30 0,110 0,26 1,3
2 Гравий шун-гизитовый 0-5 600 1100 20 0,13 0,22 2,89
5-10 500 1100 25 0,12 0,22 2,54
10-20 450 1100 25 0,11 0,22 2,3
20-40 400 1100 30 0,11 0,23 2,1
3 Щебень шла-копемзовый и 1-5 600 1100-1300 20 0,15 0,15 4,36
5-10 500 1100-1300 25 0,14 0,14 3,83
2ГОСТ 32496-2013 «Заполнители пористые для легких бетонов. Технические условия».
№ Материал Размер Насып Темпера- Во- Тепло- Паропро- Теп-
п/ фрак- ная тура по- допо- провод- ницае- ло-
п ции, мм плотность, кг/м3 лучения, °С гло-ще- ние, % ность Вт/(м°С) мость, мг/(м-ч-Па) усвоения Вт/(м2-°С)
аглопорито- 10-20 450 1100-1300 25 0,13 0,13 3,37
вый 20-40 400 1100-1300 30 0,122 0,122 2,98
4 Щебень из 1-3 500 1000-1100 20 0,09 0,09 1,92
перилита 1-5 450 1000-1100 20 0,076 0,076 1,6
5-10 400 1000-1100 25 0,07 0,07 1,42
10-20 350 1000-1100 25 0,064 0,064 1,04
5 Вермикулит 1-3 300 850-900 20 0,07 0,22 1,16
вспученный4 4-8 250 850-900 25 0,065 0,23 1,02
5-10 200 850-900 30 0,06 0,24 0,75
6 Гранулирован- 1-5 300 850 8 0,07 0,009 0,45
ное пеностекло 5-7 250 850 8 0,06 0,007 0,39
«Термо-изол»5 10-20 200 850 10 0,045 0,005 0,33
20-30 180 850 10 0,038 0,004 0,30
Для оценки эффективности плавучести подложек из гранулированного пеностекла были сформированы четыре образца подложек различных фракций Ф1-5, Ф5-7, Ф10-20, Ф20-30 высотой 70 мм каждая для емкости (резервуара) диаметром 150 мм и высотой 200 мм. Образцы гранулированных подложек помещены в стеклянные емкости на одни сутки, при этом были проведены замеры высоты «сухого» слоя, находящегося над уровнем жидкости (воды) и слоя, занятого жидкостью. В табл. 2 сведены параметры, показывающие объем слоев гранул после 24 часов пребывания в воде.
Таблица 2. Усредненное отношение «сухого» слоя и слоя гранул, погруженных в жидкость
После проведения эксперимента с водой, аналогично был проведен эксперимент с ЛВЖ - бензин плотностью р = 729 кг/м3 также для четырех фракций пеностекла. Высота «су-
3ГОСТ 10832-2009 «Песок и щебень перлитовые вспученные. Технические условия».
4ГОСТ 12865-67 «Вермикулит вспученный».
5ГОСТ 33676-2015 «Материалы и изделия из пеностекла теплоизоляционные для зданий и сооружений. Классификация. Термины и определения».
хого» слоя, находящегося над уровнем воды в среднем на 10 % больше высоты «сухого» слоя, находящегося над уровнем бензина. Из-за низкой плотности гранулированных подложек при проливе жидкостей образуется «сухой» слой. Самый большой по высоте - слой фракции 20-30 мм, самый маленький - слой фракции 1-5 мм.
Именно высота «сухого» слоя и диаметр гранул влияют на эффективность пламе-гашения горючей жидкости. В свою очередь теплопроводность гранул влияет на температуру прогрева слоя жидкости, у мелкой фракции пеностекла теплопроводность выше из-за небольшой пористости гранул. Таким образом, в условиях поиска минимальной высоты гранулированной подложки, необходимой для гашения пламени ЛВЖ, нужно учитывать, с одной стороны небольшую высоту «сухого» слоя гранул Ф1-5, с другой - большой диаметр канала фракции Ф20-30.
Для оценки эффективности снижения параметров пламени при горении ЛВЖ в гранулированном слое из пеностекла была разработана маломасштабная установка, рис. 2.
Порядок подготовки и проведения эксперимента следующий: в металлическую емкость диаметром 150 мм и высотой 200 мм насыпался слой гранул 70 мм одной из фракций (табл. 2), затем наливался нефтепродукт (бензин АИ-92) в центр емкости до уровня всплытия гранулированной подложки до верхнего уровня емкости. Размещались термопары ТХКА внутри емкости на расстоянии от поверхности 3,5 см; 7 см и 10,5 см; лучиной осуществляется поджег ЛВЖ; геометрические параметры пламени фиксировались видеокамерой Canon fx20 (60 кадр/с); термические параметры определялись при помощи тепловизора
№ Фракция, Сухой Гранулы в
п/п мм слой, с, % жидкости, с, %
1 1-5 1/4 3/4
2 5-7 1/3 2/3
3 10-20 1/2 1/2
4 20-30 2/3 1/3
Fluke Ti20; термоаннемометр определяет скорость воздушного потока и температуру окружающей среды; по «миллиметровке», расположенной на стене (в области измерения тепловизором») определялась высота пламени.
На рис. 3 представлены фотографии горения бензина АИ-92 с плавающей гранули-
Миллиметровка
рованной подложкой разных фракций. Горение бензина в емкости диаметром 150 мм с подложками из гранул пеностекла высотой 70 мм и без подложки: а) без подложки; б) фракция 20-30 мм; в) фракция 10-20 мм г) фракция 5-7 мм; д) фракция 1-5 мм.
Тепловизор
Термоанемометр
Рис. 2. Маломасштабная установка для проведения огневых испытаний гранулированных подложек Не - высота «сухого» слоя; Нм - высота слоя в нефтепродукте; Ннп - высота взлива нефтепродукта; 11, \.2,13 - температуры в соответствующих точках
i
Рис. 3. Горение бензина в емкости диаметром 150 мм с подложками из гранул пеностекла высотой 70 мм и без подложки: а) без подложки; б) фракция 20-30 мм;
в) фракция 10-20 мм г) фракция 5-7 мм; д) фракция 1-5 мм Д
Проведена оценка геометрических характеристик пламени. Высота пламени в горелке диаметром 150 мм без применения подложки достигает 110 см с учетом пульсаций. В зависимости от диаметра гранул (фракции пеностекла) высота пламени в проведенных экспериментах снижается до 7 см, рис. 4 г), при этом высота «сухого» слоя пеностекла составляет около 5 см. При увеличении «сухого» слоя гранул фракции 5-7 мм до 8 см горение прекращается. На рис. 5 представлено распределение средней высоты пламени при горении нефтепродукта с подложками из пеностекла различных фракций и при горении бензина со свободной поверхности.
На рис. 4 показано распределение средней высоты пламени с интервалом в 10 секунд при горении бензина в емкости диаметром 150 мм с подложками 4х фракций и без них. Турбулентный режим горения наблюдается на рис. 3 а), б), д), для данного режима характерны пульсации пламени. Ламинарный режим горения на рис. 3 в), г) без пульсаций пламени.
Пламя при горении бензина АИ-92 в горелке диаметром 150 мм, показывает, что в этом пламени наблюдаются беспорядочные пульсации, рис. 3. а), б), д). При этом режим горения является турбулентным при значениях Re значительно меньше 2000 (для горелки диаметром 150 мм может составлять 300-400, вследствие особого профиля скоростей) [4]. Разные режимы горения говорят о разных скоростях горения нефтепродукта и разной интенсивности испарения жидкости в процессе горения. Самая низкая скорость горения соответствует процессу горения с подложкой фракции 5-7 мм, при этом площадь горения занимает лишь 1/8 часть площади емкости.
На графике (рис. 5) показано распределение температур в точке t-i на 35 мм ниже поверхности гранул.
На графике (рис. 6) показано распределение температур в нижней точке \2, на 70 мм ниже поверхности гранул.
На графике (рис. 7) показано распределение температур в точке на 105 мм ниже поверхности гранул.
Распределение температур в слоях гранулированной подложки и в жидкости показывает быстрый рост температуры в точке 1т на глубине 35 мм от поверхности гранулированного слоя (за исключением фракции 5-7 мм) и медленный рост температуры в точке ^ на глубине 105 мм. С увеличением расстояния от поверхности жидкости изменение температуры при горении жидкости происходит гораздо медленнее.
На рис. 5 видно, что значения температур в точке для всех фракций 20-30, 10-20 и 1-5 гранулированных подложек выше начальной температуры кипения бензина (Ткип « 65-70 °С), для фракции 5-7 мм температура в данной точке не превысила 70 °С.
Распределение температуры в точке \2 с подложками из гранул фракций 20-30 и 1-5 близки к температуре кипения бензина, а для фракций 5-7 мм и 10-20 мм значительно ниже, рис. 6.
В точке ^ расположенной ниже уровня гранул, увеличение температуры происходило значительно медленнее, чем в точках ^ и \2 Минимальное изменение температуры в точке ^ к концу эксперимента наблюдается в емкости с подложкой фракции 5-7 мм (29°С), максимальное - с подложкой фракции 20-30 (51 °С). При этом распределение разницы температур в зависимости от размера фракции гранул пеностекла в 1з происходит равномерно и на 320 секунде составляет 7°С.
Ln.i, см 120
100 80 60 40 20 0
Д
- . Пульсация Л \ / \
• • • \ ♦ * А.
LV" Пульсация ■ я Пульсация ♦ ♦ . F
■ч Ж Ж^ 1 ■ / _я' ■ ■ ■ • я. ■ /Ч F _
Нет пульсации ..... Л -Л— —til , ' . 1 ' . * 4 ' i , . 1/2F ---- 1/8F
Ф20-30
Ф10-20
Ф5-7
Ф1-5
Расчет
50
100
150
200
250
300
350
Т,С
Рис. 4. Распределение средней высоты пламени с интервалом в 10 секунд при горении бензина в емкости диаметром 150 мм с подложками из гранул пеностекла высотой 70 мм и без подложки
(F - площадь емкости)
t. °С
180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
-f 4 / ►
...........
J f А
м • л
Ф20-30 -■-Ф10-20
Ф5-7 Ф1-5
50
100
150
200
250
300
350 Т, С
Рис. 5. Распределение температуры в точке t-i
t, °С
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
..И* . т т т ш щ ■#»#!
•
Ф20-30 -»- Ф10-20
Ф5-7 Ф1-5
50
100
150
200
250
300
350 Т, С
t, °С
60 50 40 30 20 10 О
Рис. 6. Распределение температуры в точке t2
В—1■ 1диии—пшяш 1
-♦—Ф20-30 10-20 Ф5-7 Ф1-5
50
100
150
200
250
300
350
Т,С
Рис. 7. Распределение температуры в точке t3
Оценка геометрических параметров пламени показала эффективность пламегаше-ния ЛВЖ с фракцией пеностекла 5-7 мм. Установлено, что размер гранул пеностекла влияет на площадь горения нефтепродукта (с гранулами пеностекла фракции 5-7 мм площадь горения уменьшается в 8 раз). Диаметр гранул
пеностекла влияет на распределение температур в слоях по вертикали, а также на геометрические параметры пламени, режим горения жидкости, площадь горения с поверхности гранулированного слоя.
Список литературы
1. Ширяев Е. В., Назаров В. П. Влияние гранулированной подложки на процесс го-
рения нефтепродукта при его аварийном проливе // Технологии техносферной безопасности. 2017. Вып. 3 (73).
2. Ширяев Е. В., Комельков В. А. Нормативно-правовые основы и опыт применения инженерно-технических решений, направленных на снижение пожарной опасности аварийных проливов горючих жидкостей проливов горючих жидкостей // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России (Современные проблемы гражданской защиты). 2018. № 3. С.82-87
3. Авторское свидетельство СССР №1729521, Кл. А 62 С 3/06, 1988. Бюл. №16.
4. Блинов В. И., Худяков Г. Н.. Диффузионное горение жидкостей / Акад. наук СССР. Энергет. ин-т им. Г. М. Кржижановского. М.: Изд-во Акад. наук СССР, 1961. 208 с.
References
1. Shiryaev Е. V., NazarovV. P. Influence of the granular substrate in the process of
burning oil when an emergency channel Tekhnologii tekhnosfernoy bezopasnosti, 2017, vol. 3 (73).
2. Shiryaev E. V., KomelkovV. A. Regulatory and legal framework and experience in the application of engineering solutions aimed at reducing the fire hazard of emergency spills of flammable liquids. Vestnik Voronezhskogo insti-tuta GPS MCHS Rossii (Sovremennyye problemy grazhdanskoy zashchity), 2018. issue 3, pp. 8287.
3. Copyright certificate of the USSR №1729521, CL. A 62 FROM 3/06, 1988. Bui. № 16.
4. HudyakovV. I., BlinovG. N. Diffuzion-noe gorenie jidkostei. Acad, of Sciences of the USSR. Energet. in-t im. G. M. Krzhizhanovsky. Moscow : Izd-vo Akad. of Sciences of the USSR, 1961. 208 p.
Ширяев Евгений Викторович
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
преподаватель
E-mail: [email protected]
Shiryaev Evgeny Victorovich
Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo lecturer
E-mail: [email protected]
