Способ расчёта времени до самовозгорания отложения веществ при несимметричном теплообмене с окружающей средой Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Вывод

Представлена методология расчёта условий очагового самовозгорания хранимых материалов. Показана возможность микробиологического самовозгорания продукции в условиях хранения. Предложенные алгоритмы позволяют определить безопасные для самовозгорания условия хранения. Приведены основные направления деятельности по профилактике микробиологического самовозгорания на хозяйственных объектах.

Литература

1. Вогман Л.П., Горшков В.П., Дегтярев А.Г. Пожарная безопасность элеваторов. - М.: Стройиздат. 1993. 288 с.

2. Крестинин A.B., Перегудов Н.И., Самойленко Н.Г., Манелис Г.Б. Возникновение очага самосогревания при хранении зерна // Химическая физика. 2002, том 21, № 12, с. 54-65.

3. Рубцов Ю.И., Казаков А.И., Рубцова Е.Ю. Кинетические закономерности тепловыделения при развитии микроорганизмов на зерне пшеницы и оценка возможности теплового самовоспламенения, инициированного этим процессом // Химическая физика. 2003, том 22, № 6, с. 79-86.

4. Методика обеспечения пожарной безопасности складирования самовозгорающихся материалов. - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС РФ, 2008. 33 с.

5. Корольченко И.А. Тепловое самовозгорание насыпей и отложений твердых дисперсных материалов: Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: ВНИИПО, 2007. 472 с.

6. Сеплярский Б.С., Афанасьев С.Ю., Амосов А.П. Расчет критических условий воспламенения системы очагов разогрева // Физика горения и взрыва, 1990, т. 26, № 6. с. 16-20.

7. Корольченко И.А., Горшков В.И., Казаков A.B. Экспериментальное изучение очагового самовозгорания // Материалы XIX Научно-практической конференции по вопросам борьбы с пожарами: «Пожарная безопасность многофункциональных и высотных зданий и сооружений», г. Балашиха, ВНИИПО 1-2 ноября 2005г. Часть 1. М.: ВНИИПО. 2005. с. 128-129.

8. Кривачев И.Т. Противопожарные мероприятия при сушке и очистке хлопка-сырца. - М.: Минкоммунхоз. 1960. 136 с.

9. Кельберт Д.Л. Предупреждение пожаров в хлопкоочистительной промышленности. М.: Легкая индустрия. 1973. 158 с.

10. Таубкин С.И., Таубкин И.С. Пожаро- и взрывоопасность пылевидных материалов и технологических процессов их переработки. М.: Химия. 1976. 264 с.

11. Трисвятский Л.А. Хранение зерна. М.: Агропромиздат. 1986. 352 с.

12. Горшков В.И., Корольченко И.А. Способ расчета времени индукции при очаговом самовозгорании материалов. Части 1 и 2 // Пожарная безопасность, 2009, № 3-4.

13. Справочник по специальным функциям. Под ред. М. Абрамовица и И. Стиган. М., Наука, 1979, 832 с.

14. Зверев C.B., Зверева Н.С. Физические свойства зерна и продуктов его переработки. М.: ДеЛи принт. 2007. 176 с.

Способ расчёта времени до самовозгорания отложения веществ при несимметричном теплообмене с окружающей средой

Оськина Т.А., д.т.н. Корольченко И.А.

Университет машиностроения

Аннотация. Разработана методика, позволяющия рассчитывать период индукции теплового самовозгорания отложений при несимметричном теплообмене. С помощью неё можно определить пожароопасные и пожаробезопасные толщины отложений на поверхности различного технологического оборудования, время

достижения самовозгорания отложении в заданных условиях.

Ключевые слива: тепловое самовозгорание, несимметричный теплообмен

Большинство зданий оснащено общеобменной вентиляцией, в помещениях лабораторий и производственных участков функционирует система удаления вредных выбросов на рабочих местах (местных отсосов). Кроме того, некоторые помещения (например, котельной) могут оснащаться аварийной вентиляцией для удаления внезапных выбросов газов и паров в рабочее пространство. В процессе работы вентиляционных систем на внутренней поверхности трубопроводов накапливаются отложения удаляемых по ним веществ (в результате осаждения или конденсации). Образуется скопление горючих веществ, которое из-за самовозгорания отложений, попадания в трубу искр, нагретых частиц и т. п. может загореться. Замечено такое загорание может быть не сразу. Возгорание отложений, накапливающихся в процессе длительного функционирования вентиляционных систем (общеобменных, местных отсосов лабораторий и т. п.), опасно ещё возможностью быстрого распространения горения к соседним участкам зданий. Подобные пожары могут развиваться в результате самовозгорания отложений, образующихся на внутренней поверхности воздуховодов.

Кроме того, задача о несимметричном теплообмене (наличие разницы температур противолежащих поверхностей слоя) возникает также при изучении других случаев самовозгорания отложений на горячих поверхностях оборудования или в прогретой технологической среде. Статистика пожаров в вентиляционных системах и на поверхности оборудования промышленных предприятий насчитывает множество инцидентов по всему миру, что издавна вызывало интерес специалистов к разработке способов определения профилактических мероприятий [1-3].

Температура транспортируемой по трубам среды часто оказывается существенно выше температуры воздуха в помещении с трассировкой воздуховодов. В этих условиях температуры противолежащих поверхностей отложений различны и теплообмен накопившегося слоя с окружающей средой несимметричен. Решение задачи определения критических параметров для самовозгорания пластины и способы расчета условий самовозгорания отложений на поверхности различного оборудования при несимметричном теплообмене слоя материала описаны в работах [2, 4]. Апробация новых методов расчёта для обоснования профилактических мероприятий по предотвращению самовозгорания конденсированных отложений в воздуховодах проводилась авторами [5, 6]. Один из последних результатов в изучении рассматриваемого явления - метод расчёта периода индукции самовозгорания отложений при несимметричном теплообмене на основании приближённого решения задачи в нестационарной постановке [7].

В данной работе рассматривается задача определения индукционного периода при самовозгорании отложения на нагретой поверхности (с учетом его несимметричного теплообмена с окружающей средой). Задача решается в нестационарной постановке, и предполагается, что начальная температура нагрева поверхности Тг выше критической Ткр (соответствует критическому значению параметра Франк-Каменецкого).

Если задать текущую безразмерную температуру для надкритической области 9<0, то в предположении Аррениусовской кинетики и реакции нулевого порядка задача для ньютоновского охлаждения пластины с внутренними источниками тепловыделения может быть представлена в виде следующей системы уравнений:

(1)

ск 5 у

с>Я

при г = 0; 9 = 9н + 9П; ^ = 0; — = 0, (2)

дд

дй

£ = £ ; — = 0; 0=0», (3)

^max > ' ' V /

^ = 2; ^ = Bi(9n-9), (4)

Е / \

где: 9 =-— ( Ткр - TJ- текущая безразмерная температура; (5)

RTKP

Е / \

9Н =-— ( Т - Ткр j - начальный перегрев горячей поверхности; (6)

RTKP

Е / \

9П =-— (Ткр - Тп J - критический перепад температур для данного отложения; (7)

RTKP

__Е_

QEk е RTr

I =-^—t - безразмерное время; (8)

cRT,

Е

QEk pr2e RTr

5 =---;--параметр Франк-Каменецкого; (9)

А. RTr

Т - текущая температура; Тп - температура окружающей среды; К - универсальная га-

ос • г

зовая постоянная; ЕЛ =--критерий Био; а - коэффициент теплоотдачи; г - ха-

X

рактеристический размер отложения (половина толщины); с, Х - соответственно теплоемкость и коэффициент теплопроводности материала; р - насыпная плотность материала; Е - энергия активации процесса термоокисления; <3 - тепловой эффект процесса термоокисления; ко- константа скорости реакции; / - время; с, т;|,. - координата максимума профиля распределения температур в слое;0*- максимальная температура в слое.

Считаем ^тах неизменяемой в течение процесса. Значение ^тах определяется по вы-

£

ражению (10) с учетом обозначения ^о = т (Тг ~ТП) принятого при получении решений

К1г

стационарной задачи [4].

^тах = л/2 / 6/5 • агсИл/а . (10)

Вследствие нелинейности уравнения (1) задача в сформулированном виде не имеет аналитического решения, поэтому необходимо использовать приближенные методы. Степень допускаемой при этом ошибки может быть определена впоследствии сравнением полученного решения с экспериментальными данными. Используя метод интегрального теплового баланса [8], принимаем, что распределение температуры в очаге может быть описано полиномом второй степени:

е = л + + (п)

где коэффициенты полинома являются функциями только времени и должны быть определены из граничных условий.

Из начального условия (2) следует:

е =А = ен+е0. (12)

Из условия (3) получаем:

В = "2С^тах. (13)

Для температуры записываем:

0 = 0Н + 0О-2С^Ш.^ + С^2. (14)

При Е, = ^тах с учетом (3) можно записать:

0 = 0« = 0Н + 0 о - • (15)

Или с учетом (14):

0 - 0« = С(^2 - 2Е, тахЕ, + = - ^шах)2 . (16)

Вводя обозначение Е, * = Е, - Е,тдх , получаем:

9 = 0, + СГ2. (17)

Используя условие (4), приходим к соотношениям:

™ =2С С = 2 С (2 - ^шах) = В1(0О - 0, - С (2 - ^шах)2) . (18)

5Е, Откуда:

Bi(en-e.)

С =-—---. (19)

Вводим обозначение:

Bi

п =

(20)

(2Чтах)-(2 + 2В1-В^тах) и переписываем:

С = п(0о-0,). (21)

Подставляя (21) в (17), получим выражение для распределения температуры в тепловом очаге:

0 = 0»+п(0о-0»)^2. (22)

Умножим все члены уравнения (1) на ¿/^ и проинтегрируем от 0 до 2.

"■дд г 1 а2е

= (23)

о 31 о 5 ^ о

Так как мы приняли ^max ¡«const, d^* «d£, . Подставляя (22) в (23), последовательно находим для составляющих членов уравнения:

30 ,„ р ,,„ „ч 50* ч ,„* d0* _ о , „ 8п

\ f-di = |((1 - = (2■- 2п1;;„ + 4„5ш„ -, (24)

(25)

Для последнего члена соотношения (23) с помощью программы МаШешайса8 получаем

=е-\ ^ (26)

о о 2 ^П(У0 -а)

где: erf д/п(0о -0*)(^пнх -2) = 3— е X dx-интеграл вероятности Гаусса [9].

л/2тг

о

Для п(0п -0*)» 1 рассматриваемый интеграл вероятности практически равен -1. При (0П -0*)» 1 (характеризует условия самовозгорания отложений на поверхности оборудования) ^тах —»0 В этом случае erf &0. Следовательно (26) можно записать в

виде:

Г -е«; ^ -а

!е ж_е 2^п(е0-а)'

Дифференциальное уравнение для изменения температуры внутри отложения получим, подставив в (23) соотношения (24), (25) и (27):

^ ■ (2 - 2„5=„ ♦ 4п5„„ -е--т#=, (28)

ИЛИ

1 V Ъшах Ътах о ' с» I 7г\ 7ГТ -

с!т 3 8 2л]п(вп-в,)

(19. _ц(90-е.)'-5 -уе" ^ " Хл/ео"е*

(29)

где: [о, = (30); V = (31);

о V 16п

Х=1-п^ах+2п^тах-^ (32).

Уравнение (29) является обыкновенным дифференциальным уравнением с разделенными переменными и может быть преобразовано к интегралу

х- Г

Интеграл (33) может быть определен численно, если задать пределы изменения величин температуры в слое.

Экспериментальное изучение условий самовозгорания отложений материалов на нагретой поверхности выполнено в работе [10]. Основные результаты экспериментальной оценки периода индукции процесса приводятся в таблице 1, они использованы при интерполяции интеграла (33) приближенной зависимостью. Для удобства использования искомой расчетной формулы анализируется зависимость периода индукции от начальных условий задачи. Вводим дополнительное обозначение:

е* = е0 + ен . (34)

0* в течение периода индукции является отправной точкой роста максимума безразмерной температуры в отложении 9*=9о-9. В диапазоне изменения величин 0* от 10 до 14 и 8 от 9 до 400 экспериментальные значения периода индукции самовозгорания отложений на нагретой поверхности описываются с удовлетворительной погрешностью следующими выражениями:

• при критических значениях параметра Франк-Каменецкого 8кр<6,5

А-в-х-л/е^ ....

т =-Г71---(35)

ц-(07<5 -12500-уе~е

28,9 • 8^5"7 -19172 0,486- А'3 66 -0,081

ГДС: " 11Д6+8;р507 ; " 0,054 + А-3 66 ;

Л 5

Д =--удаление от критических условии самовозгорания;

5кр

• при критических значениях параметра Франк-Каменецкого 8кр>6,5

а-С-х-л/Э*" 1 |д-(9*)1,5 -12500-у-е~9* '

п хО.ЗЗ Л 0.1

где: С = о -А .

Раздел 6. Инженерная экология и смежные вопросы. Расчет величин а (в выражении (10)), 8кр и В1 выполняется согласно методике [11]. Размерное время определяется из соотношения (8) по формуле

1 = Т-С-К-Т;2-е^. (37)

О-к0Е

Необходимые для выполнения расчетов параметры, характеризующие свойства материалов, приняты по данным работы [10] и приводятся в таблице 1.

Таблица 1

Свойства использованных материалов

Материал с, К Р, Е, Qk,A,

Дж/(кг К) Вт/(м К) кг/м1 Дж/моль м К/кг

Ржаная мука 1091 0,142 700 98000 8,46101"

Костная мука 797 0,0568 810 122000 4,35 1012

Использование формул (35)-(37) приводит к погрешности оценки периода индукции не более 22,1 % при усредненном отклонении 6,3 % (см. таблицу 2, рисунки 1 и 2).

Таблица 2

Сравнение экспериментальных и расчетных значений периода индукции самовозгорания отложений на нагретой поверхности

Матери- Тол- 5кр Т ■•■Г; 0* 5 Bi Период индукции 1, Ошибка,

ал щина К с %

слоя Ь, экспе- расчет

м римент

0,01 5,21 790 10,097 9,220 0,503 5630 5574 0,99

Мука 3 805 10,404 11,727 0,504 4418 4421 0,07

ржаная 815 10,610 13,694 0,505 4250 4242 0,19

852 11,369 23,486 0,509 2900 2899 0,03

0,02 8,48 777 11,172 29,701 0,884 12060 11836 1,86

6 800 11,709 43,342 0,888 9560 9506 0,56

813 12,012 53,120 0,890 8343 8488 1,74

813 12,012 53,120 0,890 8130 8488 4,4

0,03 10,5 711 10,424 19,511 1,222 35775 38911 8,77

37 718 10,600 22,490 1,224 30400 35028 15,22

729 10,878 27,951 1,227 25000 30524 22,1

0,04 11,9 710 11,018 33,981 1,553 46002 46357 0,77

41 720 11,286 41,616 1,556 42865 42232 1,48

740 11,821 61,332 1,562 40055 35241 12,02

899 12,578 130,352 0,513 3100 2846 8,19

Мука 0,01 6,95 921 13,038 183,421 0,514 2337 2651 13,44

костная 5 928 13,185 203,735 0,515 2251 2553 13,42

959 13,834 318,063 0,518 2015 1851 8,11

Погрешность оценки периода индукции по вышеприведенным формулам увеличивается для слоев толщиной 3 и 4 см при повышенных температурах нагреваемой поверхности (см. таблицу 2 и рисунок 2). Это может быть связано с отмеченным в выполненных авторами [10] экспериментах появлением трещин в отложениях за счет высушивания и интенсивной газификации продуктов термоокисления. Увеличение экспериментальных значений периода индукции в этих условиях связано, по-видимому, с интенсификацией отвода тепла из реакционной зоны.

В целом, сходимость результатов расчета и эксперимента можно признать удовлетворительной, что позволяет рекомендовать разработанный метод для практического использования.

Время д 13000

Время, с iOOOO

12000 *

820 Ti, К

HS Tl.K

Рисунок 1 - Сравнение экспериментальных результатов оценки

периода индукции самовозгорания отложения ржаной муки толщиной 2 см (точки) с расчетной кривой

Рисунок 2 - Сравнение экспериментальных результатов оценки

периода индукции самовозгорания отложения ржаной муки толщиной 4 см (точки) с расчетной кривой Выводы

Получены выражения, позволяющие рассчитывать период индукции теплового самовозгорания отложений при несимметричном теплообмене. При этом отклонение расчетных и экспериментальных данных не превышает 22 %.

Данная методика рекомендуется для практического использования. К настоящему времени создан комплекс расчётных методов, с помощью которого можно определить пожароопасные и пожаробезопасные толщины отложений на поверхности различного технологического оборудования, время достижения самовозгорания отложений в заданных условиях.

Литература

1. Вогман Л.П., Михайлов Д.С., Вилитенко А.Г., Ерофейчев Е.И. Пожарная опасность отложений в воздуховодах вентиляционных систем // Лакокрасочные материалы и их применение, 1980, № 2, с. 63-64.

2. Bowes Р. С. Self-heating: evaluating and controlling the hazards. London, 1984, 500p.

3. Петров А.П. Пожарная безопасность технологического оборудования с горючими отложениями: Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. - М.: ВИПТШ, 1994.-275 с.

4. Корольченко И.А. Тепловое самовозгорание насыпей и отложений твердых дисперсных материалов: Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. - М.: ВНИИПО, 2007. - 472 с.

5. Корольченко И.А., Горшков В..И., Соколов Д.Н., Казаков A.B., Ларченко Д.Ю. Условия теплового самовозгорания отложений материалов // Материалы XIII Симпозиума по горению и взрыву РАН, г. Черноголовка 7-11 февраля 2005 г. Черноголовка: 2005. с. 91.

6. Горшков В.И., Вогман Л.П., Корольченко И.А., Шмурнов П.А. Определение условий самовозгорания отложений в воздуховодах вентиляционных систем // Пожарная безопасность. 2009, № 3. с. 90 95.

7. Корольченко И.А. Определение периода индукции самовозгорания отложения при несимметричном теплообмене с окружающей средой // Пожарная безопасность. 2010, № 4. с. 77-82.

8. Гудмен Т. Применение интегральных методов в нелинейных задачах нестационарного теплообмена. В кн.: Проблемы теплообмена. М.: Атомиздат. 1967. с. 41-96.

9. Справочник по специальным функциям. Под ред. М. Абрамовича и И. Стиган. М., Наука, 1979, 832 с.

10. СоколовД.Н. Самовозгорание материалов при симметричном и несимметричном теплообмене с окружающей средой: Диссертация на соискание ученой степени кандидата тех-

Раздел 6. Инженерная экология и смежные вопросы, нических наук. М.: ВНИИПО, 2010. 356 с. 11. Методика определения условий теплового самовозгорания веществ и материалов. М.: ВНИИПО. 2004. 65 с.

Совершенствование и автоматизация подготовки проб компонентов природной среды к химическому анализу при возникновении чрезвычайной ситуации

д.т.н. проф. Латышенко К.П., к.т.н. Миронов A.A., Цикунов B.C.

Университет машиностроения kplat(a},mail.ru, тел. 8-499-267-07-46

Аннотация. В современных методиках количественного анализа загрязнителей широко применяют инструментальные методы предварительной подготовки проб к анализу, такие, как процедуры гомогенизации, экстракции, разделения и др. Представляется перспективным использование универсального алгоритма проведения подготовки проб компонентов природной среды для определения опасных химических веществ. Перспективным направлением повышения стабильности и скорости выполнения этапа подготовки проб является автоматизация этого процесса. Для использования в химических лабораториях создан комплект устройств подготовки проб, состоящий из унифицированных центробежных аппаратов и концентратора-выпаривателя. Следует учитывать возможность их размещения в мобильной лаборатории.

Ключевые слова: Универсальный алгоритм, подготовка проб, компоненты природной среды, опасные химические вегцества, автоматизация, отбор проб, скрининг, экспресс-метод ы, фил ътрование.

Для расширения перечня определяемых опасных химических веществ в компонентах природной среды, увеличения специфичности количественного химического анализа в настоящее время предлагается использование перспективных средств, принцип работы которых основан на физико-химических методах анализа (ФХМА) (например, спектрометрии ионной подвижности, масс-спектрометрии, высокоскоростной газовой хроматографии и др.).

Основная задача анализа проб на содержание в них загрязнителей состоит в обнаружении этих веществ, подтверждении их идентичности и измерении концентрации. В лаборатории часто поступают пробы, содержание загрязнителей в которых не превышает 10"2 - 10"3 мг/дм3 (мг/кг) [1]. Чувствительность прямых методов анализа оказывается, как правило, недостаточной и для получения достоверных результатов должна быть повышена на 2 - 3 десятичных порядка. Кроме того, прямой метод анализа не применим при определении следовых количеств загрязнителей, так как они зачастую имеют близкие аналитические признаки с неопределяемыми компонентами пробы. В этих условиях для точного определения требуется отделение матрицы, выделение определяемого вещества или разделение веществ, что вызывает необходимость проведения подготовительных операций.

В современных методиках количественного анализа загрязнителей широко применяют инструментальные методы предварительной подготовки проб к анализу, такие, как процедуры размельчения, гомогенизации, экстракции, разделения и др.

Самой трудоёмкой является процедура выделения определяемого компонента, в которой широко используют методы разделения: физические (фильтрование, декантирование, отстаивание), химические (соосаждение, перевод в другое валентное состояние) и физико-химические (хроматография, экстракция, электрофорез, диализ и др.).

Процедура подготовки проб для лабораторного исследования предполагает проведение операций перевода содержащихся в пробе веществ в удобную для анализа форму. Основными способами извлечения химических веществ из анализируемой пробы являются жидкост-