CC BY
29
A. В. ЗАХАРЕВИЧ, канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры теоретической
и промышленной теплотехники Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Томск, Россия Н. В. БАРАНОВСКИЙ, канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры теоретической и промышленной теплотехники Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Томск, Россия
B. И. МАКСИМОВ, канд. техн. наук, доцент кафедры теоретической
и промышленной теплотехники Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Томск, Россия
УДК 614.841.12:533.6
ЗАЖИГАНИЕ ЛЕСНЫХ ГОРЮЧИХ МАТЕРИАЛОВ ОДИНОЧНЫМИ, НАГРЕТЫМИ ДО ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР ЧАСТИЦАМИ
Представлены результаты экспериментального исследования процессов зажигания типичного и широко распространенного лесного горючего материала (сосновая хвоя) одиночными, нагретыми до высоких температур частицами металлов цилиндрической формы. Приведены времена задержки зажигания для частиц различных размеров и начальных температур. Установлены предельные условия зажигания и выделен ряд особенностей механизма исследуемого процесса.
Ключевые слова: время задержки зажигания; частица; лесной горючий материал; предельные условия.
Введение
Известно, что одиночные, нагретые до высоких температур частицы металлов могут быть источниками зажигания различных конденсированных веществ [1,2] и жидких топлив [3,4]. Теоретические следствия, представленные в [1-4], подтверждаются результатами экспериментальных исследований зажигания модельных смесевых композиций [5] и жидких топлив [6, 7] одиночными, нагретыми до высоких температур частицами. Теоретически обоснована [8] и возможность зажигания лесных горючих материалов (ЛГМ) локальными источниками нагрева. Однако до настоящего времени отсутствуют экспериментальные данные, подтверждающие выводы [8].
Целью настоящего исследования является экспериментальное изучение основных закономерностей и условий зажигания типичных, широко распространенных ЛГМ одиночными, нагретыми до высоких температур частицами стали.
Методика эксперимента и объект исследования
Эксперименты проводились на установке, схема которой представлена на рис. 1, по методике [5, 6] с нагретыми частицами металлов в форме цилиндров двух различных размеров (диаметр й, высота Н, масса т): а) й = 6 мм; Н =13 мм; т = 2,5 г; б) й =8 мм; Н = 17 мм; т = 6,2 г. Установлено, что при воздей-
© Захаревич А. В., Барановский Н. В., Максимов В. И., 2012
ствии на слой ЛГМ тепла от частиц высотой менее 13 мм зажигания не происходит.
Объект исследования — слой ЛГМ из опада сосновой хвои. Материал для исследований был собран в Тимирязевском лесничестве Тимирязевского лесхоза Томской области осенью 2011 г. Образцы ЛГМ формировали в огнеупорной кювете посредством хаотической укладки хвоинок длиной 7-8 см, толщиной 0,7-1,2 мм равномерным по толщине слоем (плотность укладки соответствовала плотности
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — нагревательный прибор; 2 — штатив; 3 — хромель-алюмелевая термопара; 4 — керамический стержень; 5 — устройство контроля температуры УКТ38-Щ4-ТП; 6 — металлическая частица; 7—рабочая поверхность экспериментальной установки; 8 — огнестойкая площадка; 9 — приемник излучения и регистратор пламени; 10 — излучатель; 11 — вертикальный стеклянный цилиндрический сосуд; 12 — аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 13 — персональный компьютер
а в д
б г 4 '
Рис. 2. Характерные кадры видеосъемки процесса зажигания ЛГМ нагретой до высоких температур частицей в различные моменты времени: а — t = 0,08 с - инертный прогрев слоя ЛГМ; б — t = 0,12 с - вдув газообразных продуктов пиролиза; в — t = 0,20 с - появление пламени (зажигание ЛГМ); г — t = 0,24 с - появление пламени по периметру частицы; д — t = 0,32 с -объединение пламени над частицей; е — t = 0,52 с - горение слоя ЛГМ в окрестности частицы; ж — t = 1,08 с-распространение пламени по слою ЛГМ
опада хвои в Тимирязевском лесничестве; объемная доля сухого органического вещества в слое составляла около 0,06 [9]). Эксперименты проводили с побуревшей, частично разложившейся, предварительно высушенной хвоей. Сушку ЛГМ осуществляли в сушильном шкафу в течение нескольких часов. Удаление влаги из хвои продолжалось до состояния ее полного высыхания, соответствующего условиям катастрофической пожарной опасности [10].
По результатам статистической обработки экспериментальных данных определяли доверительные интервалы с доверительной вероятностью Р = 0,95 [11]. Предполагалось нормальное распределение измеряемой величины (времени задержки зажигания). Проводилось не менее пяти опытов с идентичной частицей при постоянной начальной температуре.
Результаты и обсуждение
На рис. 2 представлены характерные кадры видеосъемки процесса зажигания слоя ЛГМ нагретой до высоких температур частицей. Установлены следующие закономерности процесса. После короткого периода инертного прогрева слоя ЛГМ начинается термическое разложение материала с выделением газообразных продуктов пиролиза. Лесной горючий материал в приповерхностном слое разлагается практически полностью с небольшим коксовым остатком, выпадающим на подложку. В пористой среде ЛГМ происходит фильтрация газообразных продуктов пиролиза к нагреваемой поверхности слоя, их смешивание с окислителем и нагрев газовой смеси с последующим зажиганием. Затем пламя появляется по всему периметру частицы.
Нарис. 3 представлены зависимости времени задержки зажигания от начальной температуры частицы. Для каждой частицы установлен нижний предел зажигания по температуре. Доверительные интервалы приведены в таблице. Достаточно высокие значения среднеквадратичных отклонений результа-
Рис. 3. Зависимость времени задержки зажигания ЛГМ от начальной температуры частицы: усредненные значения и аппроксимирующая прямая для частиц размером d =8 мм; к = 17 мм; т = 6,2г(/, 2)иd = 6 мм; к = 13 мм; т = 2,5 г (3,4)
тов измерений tign от средних значений обусловлены, очевидно, случайным характером распределения отдельных хвоинок в приповерхностном слое ЛГМ, который непосредственно нагревается "горячей" частицей. Расстояние между отдельными хвоинками на границе контакта ЛГМ - частица в экспериментах не было постоянным (как и в реальном ЛГМ), поэтому в отдельно взятом опыте каждая частица могла одновременно нагревать от 3 до 7 хвоинок. Соответственно, по этим причинам отличались
Доверительные интервалы времен задержки зажигания ЛГМ частицами
Начальная температура частицы, К Доверительный интервал, с, при зажигании частицей размером
d = 8 мм, к =17 мм d =6 мм, к = 13 мм
1153 + 0,061
1173 + 0,171
1193 + 0,093 + 0,115
1233 + 0,09 + 0,041
1273 + 0,137 + 0,065
1293 + 0,022 + 0,057
в единичном эксперименте и условия теплообмена между источником нагрева и ЛГМ. Так, например, при высокой пористости приповерхностного слоя ЛГМ (малом числе хвоинок, нагреваемых частицей) материал прогревался существенно медленнее по сравнению с вариантом низкой пористости хвои (большое число отдельных хвоинок, на которых лежит "горячая" частица). Соответствующим образом при изменении условий нагрева ЛГМ менялись от опыта к опыту и времена задержки зажигания вследствие того, что значительная часть энергии частицы расходовалась на нагрев воздуха, заполняющего пористую структуру ЛГМ.
Анализ зависимостей, приведенных на рис. 3, показывает, что при достижении начальной температуры частицы 1300 К время ^^ не зависит от размеров источника возгорания. Зависимость времени задержки зажигания от температуры можно аппроксимировать прямой. Следует отметить, что при зажигании ЛГМ происходит комплекс взаимосвязанных диффузионных и конвективных процессов как в пористой структуре материала, так и над ним. Это приводит к тому, что вид зависимости времен задержки зажигания ЛГМ существенно отличается от кривых, характерных, например, для топливных композиций [1,2]. Так, в частности, высокая пористость хвои приводит к тому, что значительная часть тепловой энергии, аккумулированной в частице металла, излучается во внутрипоровое пространство, заполненное воздухом. При этом прогрев слоев ЛГМ, расположенных на некотором расстоянии от поверхности раздела сред, не стимулирует быструю газификацию приповерхностного слоя хвои.
Проводя анализ механизма зажигания сосновой хвои нагретой до высоких температур частицей, необходимо отметить, что, если характерный размер пористой структуры ЛГМ был больше максимального характерного размера нагретой частицы, последняя проходила через весь слой хвои (или через его большую часть) без зажигания ЛГМ. Соответственно, можно сделать вывод о предельных размерах "горячих" частиц стали, при которых выполняются условия зажигания типичного ЛГМ —
сосновой хвои. Важным при этом является то, что температура и влажность всего слоя ЛГМ поддерживались постоянными. В реальном опаде сосновой хвои температура и влажность по толщине слоя существенно изменяются. Поэтому в реальной практике зажигание ЛГМ частицей металла при проникновении ее в слой хвои на некоторую глубину представляется маловероятным.
Следует также отметить, что оценка условий и характеристик зажигания ЛГМ на образцах, например, в виде дисков, спрессованных из высушенной хвои, должна приводить к несколько заниженным, по сравнению с реальными, значениям времен задержки и предельных температур зажигания.
Эксперименты показали также высокую устойчивость процесса зажигания слоя ЛГМ с очень высокой (более 0,9) пористостью одиночной "горячей" частицей. Типичная видеограмма (см. рис. 2) наглядно иллюстрирует динамику исследуемого процесса. Появление локального микрофакела при ? = 0,2 с на малой части поверхности образца материала завершается через 0,88 с формированием пламени по всему контуру источника нагрева. Воспламеняются, как и можно было предположить, хорошо прогретые отдельные хвоинки, примыкающие к поверхности стальной частицы.
Заключение
Экспериментальные исследования зажигания ЛГМ нагретыми до высоких температур частицами стали в диапазоне температур, типичном для природных пожаров и реальных пожароопасных источников, подтвердили обоснованную ранее теоретически [8] возможность зажигания лесных горючих материалов одиночными "горячими" частицами. Установлены зависимости времен задержки зажигания от начальной температуры частиц. Выделены предельные начальные температуры частиц и их размеры, при которых возможна реализация такого механизма возгорания типичного ЛГМ — опада сосновой хвои. Идентифицирован механизм возникновения возгорания при воздействии одиночных, нагретых до высоких температур частиц металлов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кузнецов Г. В., Мамонтов Г. Я., Таратушкина Г. В. Зажигание конденсированного вещества "горячей" частицей // Химическая физика. — 2004. — Т. 23, № 3. — С. 67-72.
2. Кузнецов Г. В., Мамонтов Г. Я., Таратушкина Г. В. Численное моделирование зажигания конденсированного вещества нагретой до высоких температур частицей // Физика горения и взрыва. — 2004. — Т. 40, № 1. — С. 78-85.
3. Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Heat and mass transfer at the ignition of a liquid substance by a single "hot" particle // Journal of Engineering Thermophysics. — 2008. — Vol. 17, No. 3. — P. 244-252.
4. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Нагретые до высоких температур частицы металла как источники локальных возгораний жидких веществ // Пожарная безопасность. — 2008. — №4. — С. 72-76.
5. 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.
6. Кузнецов Г. В., Захаревич А. В., Максимов В. И. Зажигание дизельного топлива одиночной "горячей" металлической частицей // Пожаровзрывобезопасность. —2008. —Т. 17, № 4. — С. 28-30.
7. Захаревич А. В., Кузнецов Г. В., Максимов В. И. Механизм зажигания бензина одиночной нагретой до высоких температур металлической частицей // Пожаровзрывобезопасность. — 2008. — Т. 17, №5. —С. 39-42.
8. Кузнецов Г. В., Барановский Н. В. Численное исследование задачи о зажигании слоя лесного горючего материала нагретой до высоких температур частицей в плоской постановке // Химическая физика и мезоскопия.— 2011.—Т. 13, №2. — С. 173-181.
9. Гришин А. М., Зима В. П., Кузнецов В. Т., Скорик А. И. Зажигание лесных горючих материалов потоком лучистой энергии // Физика горения и взрыва. — 2002. — Т. 38, № 1. — С. 30-35.
10. Flannigan M.D., Stocks B. J., Wotton B. M. Climate change and forest fires // Science of the Total Environment. — 2000. — Vol. 262, No. 3. — P. 221-229.
11. Гмурман В. E. Теория вероятностей и математическая статистика. — М. : Высшая школа, 2003. — 479 с.
Материал поступил в редакцию 21 февраля 2012 г.
Электронные адреса авторов: bet@tpu.ru; firedanger@yandex.ru; elf@tpu.ru.
ООО «ИЗДАТЕЛЬСТВО «ПОЖНАУКА» ПРЕДЛАГАЕТ ВАШЕМУ ВНИМАНИЮ
А. А. Антоненко, Т. А. Буцынская, А. Н. Членов
Основы эксплуатации систем комплексного обеспечения безопасности объектов:
учебно-справочное пособие
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 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.
Web-сайт: firepress.ru, www.fire-smi.ru
Эл. почта: mail@firepress.ru, izdat_pozhnauka@maii.ru
Тел.: (495) 228-09-03
Основы аигп»,^—
СИППи ■ —!■
эйа-р
J J А ™ в
