CC BY
31
Д. О. ГЛУШКОВ, канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры автоматизации теплоэнергетических процессов Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета (Россия, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 30; e-mail: dmitriyog@tpu.ru) Г. В. КУЗНЕЦОВ, д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической и промышленной теплотехники Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета (Россия, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 30; e-mail address: kuznetsovgv@tpu.ru) П. А. СТРИЖАК, д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры автоматизации теплоэнергетических процессов Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета (Россия, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 30; e-mail: pavelspa@tpu.ru)
УДК 536.468
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ЗАЖИГАНИЯ ТИПИЧНОГО ПОЛИМЕРНОГО МАТЕРИАЛА ЛОКАЛЬНЫМ ИСТОЧНИКОМ ЭНЕРГИИ
Выполнено численное исследование зажигания типичного термопластичного полимерного материала локальным источником ограниченного теплосодержания. Показано, что математическая модель процесса учитывает кондуктивный теплоперенос и термическую деструкцию в конденсированной фазе, диффузионно-конвективный тепломассоперенос и окисление газообразных продуктов пиролиза полимерного материала в воздухе. В результате анализа интегральных характеристик процесса при варьировании начальной температуры источника энергии выделены три режима: газификация без зажигания с последующим прекращением пиролиза, устойчивое зажигание, неустойчивое зажигание (вспышка).
Ключевые слова: термопластичный полимер; локальный источник энергии; зажигание.
Введение
Анализ статистических данных [1-3] с целью установления характерных причин возникновения очагов возгораний на объектах промышленных предприятий, в жилых и общественных зданиях, а также на лесопокрытых территориях позволяет сделать вывод, что большинство пожаров (в некоторых случаях до 80 %) возникает из-за непосредственного теплового взаимодействия малокалорийных источников энергии [1, 4] с конденсированными веществами или продуктами их газификации. Типичным примером источников локальных очагов возгораний являются углеродистые частицы, образующиеся при горении костров, работе печного отопления, а также металлические частицы, формирующиеся при резке, сварке, шлифовании металлов, заточке инструментов и других технологических процессах [5]. Как правило, такие частицы имеют форму неправильных многогранников с характерными размерами от 0,001 до 10 мм и находятся в твердом, реже в жидком агрегатном состоянии при температурах 1000-2000 К.
К настоящему времени в результате численных [6-11] и экспериментальных [12-14] исследований установлено, что одиночные, нагретые до вы© Глушков Д. О., Кузнецов Г. В., Стрижах П. А., 2014
соких температур металлические (сталь, алюминий) и неметаллические (керамика, углерод) частицы малых размеров способны инициировать горение высокоэнергетических материалов, например жидких [6, 7, 12, 13], гелеобразных [8, 9] и смесевых [10, 11, 14] топлив. Авторами [12-14] было зафиксировано устойчивое зажигание (с последующим стационарным горением) конденсированных веществ типичными источниками ограниченной энергоемкости в подавляющем большинстве экспериментов. Распространение пламени по поверхности соответствующих топлив отсутствовало лишь в предельных случаях, когда энергии, аккумулированной "горячей" частицей, было недостаточно для инициирования процесса. Полученные результаты позволяют предположить, что при локальном нагреве возможно зажигание не только высокоэнергетических материалов, но и веществ (например, полимеров), не предназначенных для горения.
Изделия на основе полимерных материалов (ПМ) достаточно широко применяются в качестве элементов декора при строительстве. Следует отметить, что большинство ПМ, производимых в России или ввозимых на территорию страны, подлежат обязательной сертификации на предмет соответствия
основным показателям пожарной опасности, в частности воспламеняемости, горючести, способности к распространению пламени и т. д. Тем не менее эти показатели отсутствуют в технических условиях в качестве обязательных параметров для большинства видов полимерной продукции. Данное обстоятельство при учете динамичного роста объемов потребления изделий из ПМ несет в себе угрозу возникновения и распространения пожаров.
Опубликованы результаты (интегральные характеристики и аппроксимационные выражения) численных исследований процессов газофазного воспламенения полимеров при взаимодействии с высокотемпературными газами и потоками лучистой энергии [15-17]. Закономерности взаимодействия таких источников с ПМ имеют ряд особенностей.
Во-первых, при воздействии высокотемпературных газов или потоков излучения интенсивный нагрев ПМ может продолжаться в течение длительного периода времени. Нагретая же до высоких температур частица быстро остывает, и, соответственно, даже за малые интервалы времени интенсивность теплового потока, поступающего в зону возможного зажигания, существенно снижается.
Во-вторых, при прогреве ПМ высокотемпературными газами или излучением возможно исследование процессов зажигания в рамках относительно простых одномерных моделей, что не всегда обоснованно в случае локального нагрева полимеров источниками ограниченного теплосодержания.
В-третьих, движение внешней газовой среды способно вызвать частичный или полный унос размягченного в результате нагрева приповерхностного слоя вещества [15-17], что может оказать существенное влияние на выполнение условий зажигания последнего. Но в условиях локального нагрева возможно также зажигание материала при высоких температурах только в его очень тонком приповерхностном слое. При малых глубинах прогрева ПМ зажигание может быть неустойчивым, и тогда притока газообразных продуктов термического разложения полимерного материала будет недостаточно для поддержания в дальнейшем процесса горения.
Из вышесказанного можно сделать вывод, что оценка интегральных характеристик зажигания ПМ источниками ограниченной энергоемкости возможна лишь после анализа условий устойчивости этого процесса. Поэтому целью работы является оценка устойчивости зажигания типичного термопластичного полимерного материала при локальном нагреве одиночной "горячей" частицей.
Далее под термином "устойчивое зажигание" понимается режим взаимодействия конденсированного вещества с источником энергии, при котором стадия инициирования горения на отдельном
малом по размерам участке поверхности ПМ сменяется последующим распространением пламени по всей его поверхности.
Постановка задачи
Условная схема системы частица - ПМ - газ представлена на рис. 1. Размеры области решения (х = I, у = И) значительно превосходят размеры локального источника (хр = х1, ур = у2- у1). Предполагалось, что в начальный момент времени (г = 0) одиночная, нагретая до высоких температур Тр металлическая (стальная) частица в форме параллелепипеда малых размеров инерционно осаждается на поверхность типичного термопластичного полимера — полиметилметакрилата (ПММА). Начальная температура полимерного материала Т0 существенно ниже начальной температуры источника энергии. За счет тепла, аккумулированного частицей, в течение некоторого времени гг происходит инертный прогрев приповерхностного слоя ПММА. При достижении температуры пиролиза вблизи границы контакта ПМ с локальным источником инициируется эндотермический процесс термической деструкции ПММА. Выделяющиеся при этом газообразные продукты пиролиза полимера за счет диффузионно-конвективного массопереноса перемешиваются с окислителем (воздухом). Концентрация горючего в газовой смеси с течением времени (гг < г < гл) возрастает в результате увеличения глубины прогрева и, соответственно, интенсивности пиролиза ПМ. Дополнительный прогрев относительно "горячей" (за счет теплоты продуктов термической деструкции) газовой смеси происходит при ее движении вдоль боковых граней источника энергии (х = х1, у1 < у < у2) (см. рис. 1). При достижении достаточных для воспламенения концентраций горючих компонентов и температуры газовой смеси реакция окисления принимает необратимый характер. В результате происходит газофазное зажигание (в момент времени гл).
34
У2 У\
о
Х1
I
Рис. 1. Схема области решения задачи при гг < г < гл: 1 — газовая смесь; 2 — "горячая" частица; 3 — полимерный материал
Принимались следующие условия воспламенения [18], учитывающие специфику отвода тепла от "горячей" частицы:
• энергия, выделяемая в результате реакции окисления газообразных продуктов термического разложения ПМ, больше теплоты, передаваемой от источника энергии полимеру и формирующейся газовой смеси;
• температура газовой смеси в зоне интенсивной реакции окисления превышает начальную температуру источника энергии.
При численном моделировании процесса зажигания приняты допущения, не накладывающие существенных ограничений на общность постановки задачи:
1) контакт между стальной частицей и полимером идеален (не учитывается возможное образование газового зазора между веществом и источником энергии);
2) в результате термической деструкции ПММА образуется одно вещество с известными теп-лофизическими и термохимическими характеристиками;
3) газоприход продуктов пиролиза ПМ с участка поверхности, закрытого частицей (у = у1, 0 < х < х1), распределяется в непосредственной близости от источника энергии.
Математическая модель и метод решения
Взаимосвязанные процессы теплопереноса и термического разложения в конденсированной фазе, а также тепломассопереноса и окисления в газовой среде описываются системой нелинейных, нестационарных дифференциальных уравнений в частных производных, соответствующей основным положениям общей теории тепломассопереноса в химической кинетике [19] и смешанной конвекции [20, 21]:
• уравнения неразрывности, движения, энергии, диффузии и баланса для газовой смеси (х1 < х < I, у1 < у < у2; 0 < х < I, у2< у < к) соответственно:
д 2 у/дх2 + д 2 у/ду2 = -ю;
С/ + Со =1;
(5)
(1)
дю ~дг
дю
дх
дю
ду
рс (£
'д 2Т,
2
д ю д х2
ду2
дТ1
+ р gv-L■, (2)
дх
дТ1 дТ1
= Х
д х 2
Р1
д С/
~дГ
дх
д 2Т1 Л ду2
д С } дх
ду
■ем;
(3)
дС
ду
= Р1 А
'д 2С/ д х 2
д2С
ду
(4)
- Щ;
уравнение теплопроводности для "горячей" частицы (0 < х < х1, у1 <у < у2):
р2 С2 ~Т2 = Х2
'д 2Т2 д х 2
д2Т2 ^ ду2
(6)
уравнение энергии и химической кинетики для ПМ (0 < х < I, 0 < у < у1) соответственно:
Р С дТ3 = Х
р3С3 = х3
' д 2Т3 д х2
д2Т3 ^ ду2
- еъЩ\ (7)
| = (1 ).,?ехр '-; (8)
объемные доли компонентов газовой смеси (воздуха и продуктов пиролиза ПМ):
фо + ф/ = 1; ф/ =
Сг1 Р/
(9)
(10)
С/1Р / + Со1 Ро ' • теплофизические характеристики газовой смеси:
X = X/ф/ + X фо; С1 = С/ф/ + Со фо;
Р1 = Р/ф/ + Ро фо.
В уравнениях (1)—(10) приняты следующие обозначения:
у — функция тока, м2/с; х, у — координаты декартовой системы, м; ю — вектор вихря скорости, с-1; ю = ду/дх - ди/ду;
и, у — составляющие скорости газовой смеси в проекции на оси х, у,м/с; и = ду/ду; у = ду/дх; ? — время, с;
и 1 — коэффициент кинематической вязкости, м2/с; Р — коэффициент термического расширения, К-1; gy — ускорение свободного падения, м/с2; Т — температура, К; рг — плотность, кг/м3; Сг — удельная теплоемкость, Дж/(кг-К); X — теплопроводность, Вт/(м-К); е1 — тепловой эффект реакции окисления газовой смеси, Дж/кг;
Ж1 — массовая скорость реакции окисления газовой смеси, кг/(м3-с); Ж1 =Р1 кСоСу ехр(-Е11(ЯТ1)); к]0 — предэкспоненциальный множитель реакции окисления, с-1; п, т — постоянные; п = т = 1;
Е
энергия активации реакции окисления,
Дж/моль;
Я — универсальная газовая постоянная, Дж/(мольК);
Со, С/ — концентрация соответственно окислителя и горючего в газовой смеси;
Б1 — коэффициент диффузии компонентов термического разложения ПМ в воздухе, м2/с; А= ^о (Т1/27З)1'7;
В0 — коэффициент диффузии компонентов термического разложения ПМ в воздухе при 27З К,
м2/с;
Q3—тепловой эффект реакции термического разложения ПМ, Дж/кг;
Ж3 — массовая скорость реакции термического разложения ПМ, кг/(м3 с);
у1
Ж = ¡црз кЗ0 ехр (-Ез/(ЯТГ ))ёу;
о
^ — доля вещества, способного к экзотермическому реагированию;
к3° — предэкспоненциальный множитель реакции термического разложения, с-1; Е3 — энергия активации реакции термического разложения, Дж/моль; Тг — температура начала пиролиза ПМ, К; Ф0, — объемная доля соответственно воздуха и газообразных продуктов термической деструкции ПМ;
индексы "о", "/", "1", "2", "3" соответствуют воздуху, газообразным продуктам пиролиза полимера, смеси воздуха с газообразными продуктами пиролиза ПМ, "горячей" частице, полимерному материалу. Начальные условия (г = 0):
• 0 < х < /, 0 < у < у1:
Т = Т0, ^ = 1;
• 0< х < х1, у1 < у < у2:
Т= Т ; Т= Тр;
• х1 < х < /, у1 <у <у2; 0 < х < /, у2 <у < И:
Т = Т0, =0, у = 0, ю = 0.
Граничные условия (0 < г < г^):
• х = 0, х = /, 0< у < у1:
дТ3/ дх = 0;
• х = 0, у1< у < у2:
дТ2/ дх = 0;
• х = 0, у2 < у < И; х = /, у1 < у < И:
дТх/ дх = 0, дСг/дх = 0, ду/дх = 0;
• х = у1< у < у2:
'-к2 (дТ2/дх) = -к1 (дТ1/дх), Т2 = Т1,
< д Сг/дх = 0, ду/дх = 0, ^ = 0;
• у = 0, 0< х < /:
дТ3/ ду = 0;
• у = у1, 0 < х < х1:
/-^3 (дТ3/ду) = -к2(дТ2/ду), 1Т3 = Т2;
• у = у1, х1 < х < /:
/-■к 3 (дТ^ ду) = -^1 (дТх! ду) + Q1Wl, Т = Т >1 (дсг/ду) = - Ж3,
ду/ду = 0;
• у = у2, 0 < х < х1:
/-к 2 (дТ2! ду) = -кх (дТх! ду), Т2 = Т1, < д С;1 ду = 0, ду/ду = 0, = 0;
• у = И, 0< х < /:
дТ1/ ду = 0, д С;/ду = 0, ду/ду = 0.
Система дифференциальных уравнений с соответствующими начальными и граничными условиями решена методом конечных разностей. При решении уравнений эллиптического типа — неразрывности и движения использован аналогично [22, 23] метод переменных направлений. Разностные аналоги дифференциальных уравнений теплопроводности, энергии и диффузии решены локально-одномерным методом. Система одномерных разностных уравнений решена методом итераций при использовании неявной четырехточечной разностной схемы.
Для повышения точности вычисления интегральных характеристик по координате у устанавливалось не менее 200 узлов разностной сетки, причем в области границы ПМ - частица (у = у1 ± Ду, Ду = 0,5 мм) сетка сгущалась. По координате х устанавливалось не менее 100 узлов разностной сетки. Шаг по времени Дг составлял 10-6 с. Оценка достоверности результатов численного моделирования выполнялась проверкой консервативности используемой разностной схемы по методике, описанной в [7].
Результаты и их обсуждение
Математическое моделирование процесса зажигания выполнено при теплофизических характеристиках (табл. 1) и кинетических параметрах: Q3 = 0,941 106 Дж/кг, Е3 = 0,13106 Дж/моль, к30 = = 2,82 109 с-1; Q1 = 25,9 106 Дж/кг, Е1 = 0,089 х х 106 Дж/моль, к10 = 89,3-106 с 1, соответствующих термическому разложению ПММА и окислению
Таблица 1. Теплофизические характеристики веществ
Параметр Воздух Сталь ПММА Газ
С, Дж /(кг-К) 1190 470 1467 1006
к, Вт/(м-К) 0,026 49 0,19 0,025
р, кг/м3 1,161 7831 1200 1,29
продуктов деструкции полимера в газовой среде [15, 16, 24-26]. Теплофизические характеристики воздуха и материала частицы [27-29] представлены также в табл. 1. Остальные константы, используемые при расчетах, имеют следующие значения [27-29]: Р = 0,0009 К-1, ^ = 14Т0-6м2/с, ^0 = 8,12-10-6м2/с. Начальная температура воздуха и ПМ Т0 = 300 К, источника энергии Тр = 700^1500 К; температура пиролиза ПММА Тг = 500 К; размеры "горячей" частицы: хр = 2,5 мм, ур = 2,5 мм; размеры области решения: / =10 мм, И = 11 мм.
Известно [15], что стационарное горение ПМ типа полиметилметакрилата возможно при глубине "активного пиролиза" приповерхностного слоя не менее (1^2)Т0-2 мм. Вполне обоснованно предположить, что размер зоны пиролиза ПМ Дуг = 10-2 мм в момент воспламенения может быть принят в качестве первого приближения при выборе параметра, характеризующего устойчивость зажигания.
В табл. 2 приведены значения времени задержки зажигания гл, глубины прогрева ук и пиролиза уг ПММА при изменении начальной температуры источника энергии Тр. Последняя характеризует энергетический запас "горячей" частицы [18] и, как следствие, развитие исследуемого процесса. При варьировании температуры источника установлены следующие режимы: газификация с последующим прекращением пиролиза (Тр < 700 К); устойчивое зажигание (700 К < Тр < 1500 К); неустойчивое зажигание — вспышка (Тр > 1500 К).
Для первого из перечисленных режимов относительно длительная (более 0,2 с) стадия инертного прогрева ПМ сопровождается значительным отводом тепла от источника энергии вдоль продольной и поперечной координат. При выполнении условий газификации полимера энергии "горячей" частицы из-за снижения ее температуры недостаточно для увеличения скорости реакции термического разло-
жения ПМ и, соответственно, интенсивности вдува горючих газов в среду окислителя. Поэтому с течением времени происходит монотонное затухание процесса пиролиза.
При устойчивом зажигании ПМ в результате инертного прогрева приповерхностного слоя и его последующей газификации в окружающей среде (см. рис. 1) формируется смесь горючего и окислителя. Тепло, выделяющееся при окислении газообразных продуктов термического разложения полимера, обеспечивает непрерывный прогрев вещества в окрестности зоны активного пиролиза Дуг, а также интенсивную газификацию ПМ. Эти процессы в совокупности обуславливают распространение пламени по поверхности материала.
Последний из установленных режимов соответствует неустойчивому зажиганию. При взаимодействии ПММА с источником энергии вблизи границы у = у1 (см. рис. 1) формируются высокие температурные градиенты. Скорость прогрева приповерхностного слоя ПМ до температуры пиролиза превосходит аналогичный показатель для рассмотренных выше режимов. При этом глубина зоны активного пиролиза настолько мала (Дуг < 10-2 мм), что при выполнении условий зажигания происходит быстрое сгорание смеси окислителя с продуктами термического разложения ПМ, а интенсивность вдува последних в газовую среду оказывается недостаточной для поддержания устойчивого процесса горения.
Анализ результатов численного исследования выполнен при 700 К < Тр < 1500 К. На рис. 2 представлены профили температуры системы частица - ПМ - газ на оси симметрии (х = 0) в момент зажигания при трех значениях температуры локального источника Тр. Из рисунка видно, что при повышении начальной температуры стальной частицы возрастает скорость прогрева приповерхностного слоя ПМ. Однако из-за значительного уменьшения длительности индукционного периода (на 95 %) при изменении Тр от 700 до 1500 К глубина зоны термического разложения ПММА уменьшается. Следует отметить, что минимальное значение уг = 1,26Т0-2 мм в момент зажигания ПММА при Тр = 1500 К сопоставимо с глубиной зоны активного пиролиза
Таблица 2. Время задержки зажигания, глубины прогрева и пиролиза в момент зажигания ПММА при изменении начальной температуры источника энергии
Параметр Значение параметра при Тр, К
700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500
Ч,с 0,0504 0,0167 0,0098 0,0075 0,0059 0,0049 0,0041 0,0032 0,0024
уж'Ю2, мм 30,27 17,89 14,45 12,48 11,17 10,35 9,76 9,35 7,74
у/10 , мм 2,18 1,68 1,54 1,46 1,40 1,37 1,35 1,33 1,26
т,к-
140012001000 800600 400200
Тр = 1400 К
0) 1100 К О)
800 К
© \ \ ТГ = 500 К
ж;
1
5
8
10 у, мм
Рис. 2. Профили температуры системы частица - ПМ - газ при х = 0 в момент зажигания td = 0,0167 с, Тр = 800 К; td = = 0,0059 с, Тр =1100 К; ^ = 0,0032 с, Тр = 1400 К: 1 — смесь газообразных продуктов пиролиза с окислителем; 2 — стальная частица; 3 — ПММА
Дуг = (1^2)-10-2 мм [15] при стационарном горении полимера. Это позволяет сделать вывод о возможности устойчивого зажигания ПММА в результате его локального нагрева источником ограниченной энергоемкости (см. рис. 1). Достаточно длительная стадия инертного прогрева приповерхностного слоя ПМ (до 85 % от создает благоприятные условия (за счет формирования зон прогрева и пиролиза), необходимые для последующего распространения пламени по поверхности вещества.
В результате анализа изотерм (рис. 3) в момент зажигания ПММА "горячей" частицей установлено, что при варьировании теплосодержания (за счет Тр) источника изменяется положение локализации (на относительно границы у = у1) реакции окисления в газовой среде. При относительно невысо-
ких начальных температурах (Тр < 1000 К) зона воспламенения смещается от границы ПММА — газ в направлении движения продуктов термической деструкции ПМ более чем на 0,5 мм (см. рис. 3,а). Это изменение характеризуется увеличением длительности стадии прогрева горючей смеси до момента зажигания. При этом возрастает роль тепло-переноса за счет механизмов конвективного тепло-отвода в общем комплексе физико-химических процессов. Повышение значения Тр ведет к смещению зоны воспламенения в направлении границы у = у1 (см. рис. 3,6). При дальнейшем увеличении температуры (Тр > 1200 К) зажигание смеси горючего и окислителя происходит существенно ближе к границе ПММА - газ Дyd < 0,25 мм (см. рис. 3,в).
Процессы прогрева ПМ, а также формирования зон активного пиролиза и экзотермического реагирования в приповерхностном слое ПМ и окружающей газовой среде соответственно взаимосвязаны. При устойчивом зажигании полимера зона локализации реакции окисления удалена от границы ПМ- газ в направлении оси у не менее чем на 0,2 мм. При неустойчивом зажигании воспламенение продуктов термического разложения происходит в непосредственной близости от поверхности вещества (Дyd < 0,1 мм).
Заключение
В результате численного анализа процесса взаимодействия типичного термопластичного полимерного материала с локальным источником энергии при варьировании температуры последнего выделены три характерных режима: газификация с по-
у, мм
х, мм
Рис. 3. Изотермы Т системы частица - ПМ - газ в момент зажигания td = 0,0167 с, Тр = 800 К (а), td = 0,0059 с, Тр = 1100 К (6), td = 0,0032 с, Тр = 1400 К (в): 1 —смесь газообразных продуктов пиролиза с окислителем; 2 — стальная частица; 3 — ПММА
следующим затуханием (Тр < 700 К); устойчивое зажигание (700 К < Тр < 1500 К); неустойчивое зажигание — вспышка (Тр > 1500 К). При реализации зажигания в системе частица - ПМ - газ в первом приближении можно сделать вывод о возможном устойчивом зажигании ПМ источником ограниченной энергоемкости при выполнении следующего
условия: глубина термического разложения полимера Дуг в момент воспламенения соответствует глубине зоны активного пиролиза (1^2)10-2 мм при
его стационарном горении [15].
***
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ (№ 12-08-33002).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Акинин H. И., Булхов H. H., Гериш В. А. Статистический анализ причин аварий и травматизма на опасных производственных объектах // Пожаровзрывобезопасность. — 2010. — Т. 19, № 10. — С. 53-55.
2. Баратов А. H. Горение - Пожар - Взрыв - Безопасность. — М. : ФГУП ВНИИПО МЧС России, 2003. —364 с.
3. Собурь С. В. Пожарная безопасность нефтегазохимических предприятий : справочник. — М. : ПожКнига, 2004. — 431 с.
4. Романенков И. Г., Левитес Ф. А. Огнезащита строительных конструкций. — М. : Стройиздат,
1991. —320 с.
5. Куликов В. П. Технология сварки плавлением. — Минск : Дизайн ПРО, 2000. — 256 с.
6. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Моделирование воспламенения жидкого вещества горячей частицей // Химическая физика. — 2009. — Т. 28, № 5. — С. 91-98.
7. Кузнецов Г. В., СтрижакП. А. Численное решение задачи воспламенения жидкого пожароопасного вещества одиночной "горячей" частицей // Физика горения и взрыва. — 2009. — Т. 45, № 5. — С. 42-50.
8. Кузнецов Г. В., СтрижакП. А. Численное исследование процессов тепломассопереноса при зажигании гелеобразного топлива источником ограниченной энергоемкости // Инженерно-физический журнал. — 2013. — Т. 86, № 3. — C. 652-660.
9. Глушков Д. О., Жданова А. О., СтрижакП. А. Математическое моделирование зажигания геле-образного конденсированного вещества одиночными разогретыми металлическими и неметаллическими частицами // Бутлеровские сообщения. — 2013. — Т. 34, № 5. — С. 22-33.
10. Глушков Д. О., Кузнецов Г. В., СтрижакП. А. Численное моделирование твердофазного зажигания металлизированного конденсированного вещества нагретой до высоких температур частицей // Химическая физика. — 2011. — Т. 30, № 12. — С. 35-41.
11. Glushkov D. O., StrizhakP.A. Heatandmass transfer at ignition of solid condensed substance withrela-tively low calorific power by a local energy source // Journal of Engineering Thermophysics. — 2012.
— Vol. 21,No. 1.—P. 69-77.
12. 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. 11-14.
13. Кузнецов Г. В., Захаревич А. В., Максимов В. И. О влиянии структуры "горячих" частиц на условия зажигания жидких топлив //Пожаровзрывобезопасность.—2010. — Т. 19,№ 11. — С. 9-11.
14. Захаревич А. В., Кузнецов В. Т., Кузнецов Г. В., Максимов В. И. Зажигание модельных смесевых топливных композиций одиночной, нагретой до высоких температур частицей // Физика горения и взрыва. — 2008. — Т. 44, № 5. — С. 54-57.
15. Асеева Р. М., ЗайковГ. Е. Горение полимерных материалов. — М. : Наука, 1981. — 280 с.
16. Щеглов П. П., Иванников В. Л. Пожароопасность полимерных материалов. — М. : Стройиздат,
1992.— 110 с.
17. Халтуринский H. А., Попова Т. В., Берлин А. А. Горение полимеров и механизм действия антипи-ренов // Успехи химии. — 1984. — Т. 53, № 2. — С. 326-346.
18. Vilyunov V. N., Zarko V.E. Ignition of solids.—Amsterdam : Elsevier Science Publishers, 1989.—442p.
19. Франк-КаменецкийД.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике.—М. :Наука, 1987.
— 502 с.
20. Роуч П. Дж. Вычислительная гидродинамика. — М. : Мир, 1980. — 616 с.
21. Пасконов В. М., Полежаев В. И., ЧудовЛ. А. Численное моделирование процессов тепло- и мас-сообмена. — М. : Наука, 1984. — 288 с.
22. Кузнецов Г. В., Шеремет М. А. Сопряженный теплоперенос в замкнутой области с локально сосредоточенным источником тепловыделения // Инженерно-физический журнал. — 2006. — Т. 79, № 1. —С. 56-63.
23. Кузнецов Г. В., Шеремет М. А. Об одном подходе к математическому моделированию тепловых режимов радиоэлектронной аппаратуры и электронной техники // Микроэлектроника. — 2008.
— Т. 37, № 2. — С. 150-158.
24. Bhattacharjee S., KingM.D., Paolini C. Structure of downward spreading flames: a comparison of numerical simulation, experimental results and a simplified parabolic theory // Combustion Theory and Modelling. — 2004. — Vol. 8, No. 1. — P. 23-39.
25. WuK.K.,Fan W.F., Chen C. H., Liou T. M., Pan I. J. Downward flame spread over a thick PMMA slab in an opposed flow environment: experiment and modeling // Combustion and Flame. — 2003. — Vol. 132, No. 4. — P. 697-707.
26. Ayani M. B., Esfahani J. A., Sousa A. C. M. The effect of surface regression on the downward flame spread over a solid fuel in aquiescent ambient // Thermal Science. — 2007. — Vol. 11. — P. 67-86.
27. Чиркин В. С. Теплофизические свойства материалов : справочное руководство. — М. : Гос. изд-во физ.-мат. литер., 1959. — 356 с.
28. Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. — М. : ООО "Старс", 2006. — 720 с.
29. Теплотехнический справочник / Под ред. В. Н. Юренева, П. Д. Лебедева. — М.: Энергия, 1975.
— Т. 1. —743 с.
Материал поступил в редакцию 1 октября 2013 г.
= English
THEORETICAL ESTIMATION OF STABILITY IGNITION OF TYPICAL POLYMERIC MATERIAL BY LOCAL ENERGY SOURCE
GLUSHKOV D. O., Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor of Automation Thermal and Power Processes Department, Institute of Power Engineering of National Research Tomsk Polytechnic University (Lenina Avenue, 30, Tomsk, 634050, Russian Federation; e-mail address: dmitriyog@tpu.ru)
KUZNETSOV G. V., Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Head of Theoretical and industrial Heat Engineering Department, Institute of Power Engineering of National Research Tomsk Polytechnic University (Lenina Avenue, 30, Tomsk, 634050, Russian Federation; e-mail address: kuznetsovgv@tpu.ru)
STRIZHAK P. A., Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor of Automation Thermal and Power Processes Department, Institute of Power Engineering of National Research Tomsk Polytechnic University (Lenina Avenue, 30, Tomsk, 634050, Russian Federation; e-mail address: pavelspa@tpu.ru)
ABSTRACT
Results of theoretical researches on estimation of stability ignition of typical polymeric material (PMMA) at interaction with the single steel particle heated to high temperatures in the form of a parallelepiped are presented in work.
The mathematical model of process is presented by system of the nonlinear, non-stationary differential equations in private derivatives. It considers conductive heat transfer and thermal destruction in the condensed phase, diffusive and convective heat and mass transfer, besides oxidation of gaseous products of pyrolysis polymeric material in air.
Depth of thermal decomposition of the near-surface layer, corresponding to depth of active PM pyrolysis zone (1^2) T0-2 mm at its stationary burning, was chosen as the parameter characterizing steady ignition of PMMA.
As a result of the analysis of integrated characteristics of process at variation of initial temperature of energy source three modes are allocated: gasification without ignition with the subsequent termination of pyrolysis (Tp < 700 K), steady ignition (700 K < Tp < 1500 K), unstable ignition — flash (Tp > 1500 K).
Keywords: thermoplastic polymer; local energy source; ignition.
REFERENCES
1. Akinin N. I. Bulkhov N. N., Gerish V. A. Statisticheskiy analis prichin avariy i travmatizma na opas-nykh proizvodstvennykh obyektakh [Statistical analysis of the reasons of accidents and traumatism on dangerous production objects]. Pozharovzryvobezopasnost—Fire and Explosion Safety, 2010, vol. 19, no. 10, pp. 53-55.
2. Baratov A. N. Goreniye - Pozhar - Vzryv - Bezopasnost [Burning - Fire - Explosion - Safety]. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection of Emercom of Russia Publ., 2003.364 p.
3. Sobur S. V. Pozharnaya bezopasnost neftegazokhimicheskikh predpriyatiy [Fire safety of petrochemical enterprises]. Moscow, PozhKniga Publ., 2004. 431 p.
4. Romanenkov I. G., Levites F. A. Ognezashchita stroitelnykh konstriktsiy [Fire protection of construction designs]. Moscow, Stroyizdat, 1991. 320 p.
5. Kulikov V. P. Tekhnologiya svarki plavleniyem [Technology of welding by melting]. Minsk, Design PRO Publ., 2000. 256 p.
6. Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Modelirovaniye vosplameneniya zhidkogo veshchestva "goryachey" chastitsey [Simulation of the ignition of a liquid fuel with a hot particle]. Khimicheskaya fizika — Russian Journal of Physical Chemistry B, 2009, vol. 3, no. 3, pp. 441-447.
7. Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Chislennoye resheniye zadachi vosplameneniya zhidkogo pozharo-opasnogo veshchestva odinochnoy "goryachey" chastitsey [Numerical solution of the problem of ignition of a combustible liquid by a single hot particle]. Fizika goreniya i vzryva — Combustion, Explosion, and Shock Waves, 2009, vol. 45, no. 5, pp. 543-550.
8. Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Chislennoye issledovaniye processov teplomassoperenosapri zazhiga-nii geleobraznogo topliva istochnikom ogranichennoy energoemkosti [Numerical research of heat and mass transfer processes at ignition of gel fuel by a source of limited power consumption]. Inzhenerno-fizicheskiy zhurnal — Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2013, vol. 86, no. 3, pp. 652-660.
9. Glushkov D. O., Zhdanova A. O., Strizhak P. A Matematicheskoye modelirovaniye zazhiganiya gele-obraznogo kondensirovannogo veshchestva odinochnymi razogretymi metallicheskimi i nemetalli-cheskimi chastitsami [Mathematical modeling of ignition of the gel condensed substance by the single warmed metal and nonmetallic particles]. Butlerovskiye soobshcheniya — Butlerov Communications, 2013, vol. 34, no. 5, pp. 22-33.
10. Glushkov D. O., Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Chislennoye modelirovaniye tverdofaznogo zazhiga-niya metallizirovannogo kondensirovannogo veshchestva nagretoy do vysokikh temperatur chastitsey [Numerical simulation of solid-phase ignition of metallized condensed matter by a particle heated to a high temperature]. Khimicheskaya fizika — Russian Journal of Physical Chemistry B, 2011, vol. 5, no. 6, pp. 1000-1006.
11. Glushkov D. O., Strizhak P. A. Heat and mass transfer at ignition of solid condensed substance with relatively low calorific power by a local energy source. Journal of Engineering Thermophysics, 2012, vol. 21, no. 1, pp. 69-77.
12. Kuznetsov G. V., Zakharevich A. V., Maksimov V. I. Eksperimentalnoye issledovaniye vliyaniya formy nagretoy chastitsy na kharakteristiki zazhiganiya zhidkikh topliv [Experimental research of heated particle form influence on characteristics of liquid fuels ignition]. Pozharovzryvobezopasnost— Fire and Explosion Safety, 2010, vol. 19, no. 2, pp. 11-14.
13. Kuznetsov G. V., Zakharevich A. V., Maksimov V. I. O vliyanii struktury "goryachikh" chastits na uslo-viya zazhiganiya zhidkikh topliv [About influence of structure of "hot" particles on conditions of liquid fuels ignition]. Pozharovzryvobezopasnost—Fire and Explosion Safety,2010, vol. 19,no. 11,pp. 9-11.
14. Zakharevich A. V., Kuznetsov V. T., Kuznetsov G. V., Maksimov V. I. Zazhiganiye modelnykh smese-vykh toplivnykh kompozitsiy odinochnoy nagretoy do vysokikh temperatur chastitsey [Ignition of model composite propellants by a single particle heated to high temperatures]. Fizika goreniya i vzryva — Combustion, Explosion, and Shock Waves, 2008, vol. 44, no. 5, pp. 543-546.
15. Aseeva R. M., Zaykov G. E. Goreniye polimernykh materialov [Burning of polymeric materials]. Moscow, Nauka Publ., 1981. 280 p.
16. Shcheglov P. P., Ivannikov V. L. Pozharoopasnost polimernykh materialov [Fire danger of polymeric materials]. Moscow, Stroyizdat, 1992. 110 p.
17. KhalturinskiyN. A., PopovaT. V., Berlin A. A. Goreniyepolimerov imekhanizm deystviya antipirenov [Burning of polymers and mechanism of fire-retarding agents effect]. Uspekhi khimii — Russian Chemical Reviews, 1984, vol. 53, no. 2, pp. 326-346.
18. Vilyunov V. N., Zarko V. E. Ignition of solids. Amsterdam, Elsevier Science Publishers, 1989.442 p.
19. Frank-Kamenetsky D. A. Diffuziya i teploperedacha v khimicheskoy kinetike [Diffusion and heat transfer in chemical kinetics]. Moscow, Nauka Publ., 1987. 502 p.
20. Rouch P. J. Vychislitelnaya gidrodinamika [Computational hydrodynamics]. Moscow, Mir Publ., 1980. 616 p.
21. Paskonov V. M., Polezhaev V. I., Chudov L. A. Chislennoyemodelirovaniyeprotsessov teplo- i masso-obmena [Numerical modeling ofprocesses heat and mass exchange]. Moscow, Nauka Publ., 1984.288 p.
22. Kuznetsov G. V., SheremetM. A. Sopryazhennyy teploperenos v zamknutoy oblasti s lokalno sosredo-tochennym istochnikom teplovydeleniya [The interfaced heat transfer in the closed area with locally concentrated source of a thermal emission]. Inzhenerno-fizicheskiy zhurnal — Journal ofEngineering Physics and Thermophysics, 2006, vol. 79, no. 1, pp. 56-63.
23. Kuznetsov G. V., Sheremet M. A. Ob odnom podkhode k matematicheskomu modelirovaniyu teplo-vykh rezhimov radioelektronnoy apparatury i elektronnoy tekhniki [New approach to the mathematical modeling of thermal regimes for electronic equipment]. Mikroelektronika — Russian Microelectronics, 2008, vol. 37, no. 2, pp. 131-138.
24. Bhattacharjee S., King M. D., Paolini C. Structure of downward spreading flames: a comparison of numerical simulation, experimental results and a simplified parabolic theory. Combustion Theory and Modelling, 2004, vol. 8, no. 1, pp. 23-39.
25. Wu K. K., Fan W. F., Chen C. H., Liou T. M., Pan I. J. Downward flame spread over a thick PMMA slab in an opposed flow environment: experiment and modeling. Combustion and Flame, 2003, vol. 132, no. 4, pp. 697-707.
26. Ayani M. B., Esfahani J. A., Sousa A. C. M. The effect of surface regression on the downward flame spread over a solid fuel in a quiescent ambient. Thermal Science, 2007, vol. 11, pp. 67-86.
27. ChirkinV. S. Teplofizicheskiyesvoystvamaterialov. Spravochnoye rukovodstvo [Tthermophysicalproperties of materials. Reference guide]. Moscow, State publishing house of physical and mathematical literature, 1959. 356 p.
28. Vargaftik N. B. Spravochnikpo teplofizicheskim svoystvam gazov i zhidkostey [Reference for thermo-physical properties of gases and liquids]. Moscow, Stars Publ., 2006. 720 p.
29. Yurenev V. N., Lebedev P. D. Teplotekhnicheskiy spravochnik [Thermophysical reference]. Moscow, Energiya Publ., 1975, vol. 1. 743 p.
Издательство «П0ЖНАУКА»
А. А. Антоненко, Т. А. Буцынская, A. H. Членов. ОСНОВЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ СИСТЕМ КОМПЛЕКСНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ОБЪЕКТОВ : учебно-справочное пособие / Под общ. ред. д-ра техн. наук А. Н. Членова. -М.: ООО "Издательство "Пожнаука", 2010. - 210 с.
В учебно-справочном пособии изложены основы современного подхода к проблеме комплексного обеспечения безопасности объектов хозяйствования с помощью технических средств и систем; приведены сведения о технической эксплуатации комплексных систем безопасности, а также справочно-методическая информация для решения практических задач по эксплуатации. Дано основное содержание эксклюзивной разработки — ГОСТ Р 53704-2009 "Системы безопасности комплексные и интегрированные", входящего в отраслевой комплект нормативно-технической документации поданной проблеме.
Книга предназначена для практических работников в области систем безопасности и может быть использована как учебное пособие для подготовки и повышения квалификации специалистов соответствующего профиля.
121352, г. Москва, а/я 43; тел./факс: (495) 228-09-03; e-mail: mail@firepress.ru
Представляет книгу
ОПШКЕЛЩШЦН
