Зажигание жидкого топлива сфокусированным потоком светового излучения Текст научной статьи по специальности «Физика»

ПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ

0. В. Высокоморная

аспирант Томского политехнического университета, г. Томск, Россия

Г. В. Кузнецов

д-р физ.-мат. наук, профессор Томского политехнического университета, г.Томск, Россия

П. А. Стрижак

канд. физ.-мат. наук, ассистент Томского политехнического университета, г. Томск, Россия

УДК 536.468

ЗАЖИГАНИЕ ЖИДКОГО ТОПЛИВА СФОКУСИРОВАННЫМ ПОТОКОМ СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Исследованы особенности зажигания пленки жидкого топлива сфокусированным потоком светового излучения. Установлены предельные условия зажигания. Определены зависимости времени задержки воспламенения от мощности и площади зоны действия потока излучения на поверхности жидкости. Ключевые слова: зажигание, жидкое топливо, световое излучение, пожарная опасность.

Введение

Яркое солнечное излучение нередко приводит к появлению локальных очагов пожаров. Особенно следует отметить возгорания древесины и травяных покрытий под воздействием сфокусированного солнечного потока. Следствием таких возгораний, как правило, являются лесные пожары [1].

Известно [2], что к фокусированию солнечного излучения может приводить отражение света от осколков стекла, металлических поверхностей и ряда других предметов. Сфокусированные энергетические потоки опасны тем, что могут привести к неконтролируемому возгоранию не только твердых, но и жидких горючих веществ, в частности типичных жидких топлив. Особенно следует отметить тонкие пленки горючих жидкостей, на прогрев и испарение которых требуется небольшое количество энергии источника зажигания [3] по сравнению с жидкостями в сосудах и резервуарах [4]. В связи с этим представляет интерес оценка возможности зажигания пленок типичных жидких топлив сфокусированным потоком солнечного излучения, определение критических условий зажигания, выявление механизмов и режимов процесса.

Цель настоящей работы — численное исследование закономерностей зажигания пленки жидкого топлива сфокусированным потоком излучения и

оценка пожарной опасности анализируемого процесса.

Постановка задачи и метод решения

Физическая постановка задачи предусматривала, что пленка типичного жидкого топлива — керосина испаряется в условиях комнатной температуры. На участке в форме окружности радиусом г1 (зона действия) на пленку топлива направлен поток излучения мощностью Р (рис. 1), представляющий собой сфокусированный пучок солнечного излучения. За счет подводимой энергии жидкость прогревается, и, как следствие, ускоряется процесс ее испарения, что приводит к возрастанию концентрации паров горючего вблизи поверхности жидкости. При достижении критических концентраций компонентов смеси и температур реакция окисления ускоряется, и происходит воспламенение.

Были приняты допущения, не накладывающие существенных ограничений на общность постановки задачи:

1. Пары горючего, формирующиеся в зоне действия излучения, не влияют на поглощение энергии солнечного излучения пленкой топлива.

2. Не учитываются возможные процессы выгорания жидкого вещества.

3. Разогрев парогазовой смеси энергией излучения не рассматривается.

© Высокоморная О. В., Кузнецов Г. В., Стрижак П. А., 2010

0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНаСТЬ 2010 ТОМ 19 |э

Рис. 1. Схема области решения задачи зажигания: 1 — парогазовая смесь, 2 — пленка жидкого топлива

В качестве условий воспламенения принимались следующие [5]:

1. Тепло, выделяемое в результате химической реакции окисления паров горючего в воздухе, больше тепла, передаваемого от потока излучения пленке жидкого топлива.

2. Температура парогазовой смеси превышает температуру воспламенения паров горючего.

Задача зажигания решалась в цилиндрической системе координат в осесимметричной постановке (см. рис. 1).

Математическая модель процесса включала следующие уравнения (при 0 < t < ?з): • уравнение неразрывности парогазовой смеси

при 0 < г < г2, г1 < г < г2:

д 2ш 1 дш д 2ш —+--]! + —1_

дг 2 г дг дг 2

= ю;

(1)

уравнение движения парогазовой смеси при

0 < г < г2, г1 < 2 < г2:

дю

57

дю дю

- + дг

1 дю д Г

г дг дг

у1(Т)

дг

/-тл дю" "1<Т> &

дг

(2)

уравнение энергии для парогазовой смеси при

0 < г < г2, г1 < г < г2:

Р2 (Т) с2 (Т) = Х 1(Т)

дТ1

~дГ

дТ1 дТ1 и —1 + ^

дг

дТ12 1 дТ1 дТ12

дг2

г дг дг 2

дг

+ Я о^0; (3)

уравнение диффузии паров горючего в воздухе при 0 < г < г2, г1 < г < г2:

дС г

~дГ

дС г дг 1 дС г

дС г

w -

дг

д_ дг

+ Д„(Т) - —+ ^

г дг

д_ дг

Оп(Т)

Оц(Т)

дС

дг

дС г дг

У о

Рн(Т)

; (4)

• уравнение баланса при 0 < г < г2, г1 < г < г2:

СГ + Со=1; (5)

• уравнение энергии для пленки жидкого топлива при г1 < г < г2, 0 < г < г1:

Р2 (Т) С2 (Т) ЦГг =

дt

= Х 2 (Т)

дТ2 1 дТ2 дТ2

дг2 г дг дг2

(6)

• уравнение энергии для пленки жидкого топлива при 0 < г < г1, 0< г < г1:

= Х 2 ( Т )

Р2 (Т) С2 (Т) дТ2 =

дТ22 1 дТ2 дТ22

дг2 г дг дг2

дЯ (г)

дг

(7)

Начальные (t = 0) условия: 0 < г < г2, 0 < г < г1: Т2 = Т0; 0 < г < г2, г1 < г < г2: Т1 = Т0; Сг = 0; ш = 0; ю = 0.

Граничные условия при 0 < t < ^: • г = г1, 0 < г < г1:

дТ дТ

х 1(Т)-г = х2(Т)—2 + еиУи -

дг дг

- Я(0) ехр

дС

2

г

V '1 У

-Р11( Т )£П(Т)

Т1 = Т2;

-Ш

дг

г = Уи; = и = w; дг

дш

дг

• г = г1, г1 < г < г2:

дТ дТ

х 1(Т) —1 = х2(Т) —2 + еиУи, Т1 = Т2;

дг дг

-Р11(Т) ЛП(Т) С = У и;-дШ - и; ^ =

дг дг дг

• г = 0, 0 < г < г2

дТ2/дг = 0;

г = г2, 0 < г < г2:

дТ дС дш

-1 = 0; —^ = 0; д-= 0, ш = 0;

дг дг дг

г = 0, 0 < г < г1:

дТ2/дг = 0;

г = 0, г1 < г < г2:

дТ, дСг дш

-1 = 0; —^ = 0; 3-= 0, ш = 0;

дг дг дг

г = г2, 0 < г < г1:

дТ2/дг = 0;

• г = г2, г1 < г < г2:

дТ1 дСт дш

-1 = 0; —^ = 0; д-= 0, ш = 0.

дг дг дг

0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНаСТЬ 2010 ТОМ 19 №3

2

Здесь I — время, с; ^ — время задержки воспламенения, с; г, г — координаты цилиндрической системы; г1 — радиус зоны действия излучения, м; 21 — толщина пленки жидкости, м; г2,г2 — размеры области решения, м; у — функция тока, м2/с; ю — вектор вихря скорости, с-1; и, w — составляющие скорости конвекции смеси паров горючего и окислителя в проекции на ось г и 2 соответственно, м/с; V — кинематическая вязкость, м2/с; Т — температура, К; Р — коэффициент термического расширения, К-1; g—ускорение свободного падения в проекции на ось 2, м/с2; р — плотность, кг/м3; С — удельная теплоемкость, Дж/(кг-К); X — коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); Q0 — тепловой эффект реакции окисления паров горючего в воздухе, МДж/кг; Ж0 — массовая скорость окисления паров горючего в воздухе, кг/(м3-с); Сг — концентрация паров жидкого горючего вещества; 0 < Сг < 1; В — коэффициент диффузии паров горючего в воздухе, м2/с; С0 — концентрация окислителя; Н(г) — плотность теплового потока, Вт/м2; Qи — тепловой эффект испарения жидкости, кДж/кг; Жи — массовая скорость испарения, кг/(м2-с); Н(0) — плотность потока излучения на поверхности жидкости (г = г1), Вт/м2; индексы 0, 1,2, 11 при р, X, С, В и Т соответствуют начальному состоянию (? = 0), парогазовой смеси, пленке жидкого топлива, парам горючего.

Плотность потока излучения на поверхности жидкости вычислялась по формуле [6]:

Н(0) = Р/З,

где Р — мощность потока излучения, Вт;

З — площадь зоны действия излучения, м2;

З = яг2.

Распределение плотности теплового потока в жидкости определялось по закону Бугера - Ламберта - Бера [6]:

Н(21) = Н(0) ехр (-кX 21),

где кх — коэффициент поглощения излучения жидким топливом, м-1.

Метод решения системы уравнений (1)-(7) с начальными и граничными условиями, а также метод оценки достоверности полученных результатов аналогичны методам, используемым при решении задач зажигания в системе нагретая до высоких температур частица - жидкое топливо - воздух [3,4,7].

Результаты и обсуждение

Моделирование процесса зажигания в рассматриваемой системе (см. рис. 1) выполнялось при следующих значениях параметров [8-11]: начальная температура пленки керосина и воздуха Т0 = 300 К; температура воспламенения паров керосина Твсп = = 425 К; тепловой эффект реакции окисления паров

керосина Qо = 42 МДж/кг; тепловой эффект испарения керосина Qи = 261 кДж/кг; предэкспонент к0 = = 9108 с-1 и энергия активации Е = 193 кДж/моль реакции окисления в системе пары керосина - воздух; мощность излучения Р = 30 Вт; радиус зоны действия излучения г1 = 0,006 м; коэффициент поглощения излучения керосином кх = 6,8104 м-1; толщина пленки керосина 21 = 0,03 м; размеры области решения г2 = 0,05 мм, г2 = 0,1 м. Теплофизи-ческие характеристики жидкого керосина, его паров и воздуха в зависимости от температуры выбирались согласно [9-11].

Для анализа условий и возможных режимов, а также для определения значений характеристик зажигания в системе сфокусированный поток светового излучения - пленка жидкого топлива - воздух (см. рис. 1) варьировались основные параметры источника энергии: мощность Р и радиус зоны действия на поверхности жидкости г1. Результаты представлены на рис. 2 и 3.

Из рис. 2 и 3 видно, что время задержки воспламенения пленки керосина меняется на несколько порядков при увеличении мощности Р и уменьшении радиуса зоны действия потока светового излучения г1 в выбранных диапазонах. Установленные зависимости можно объяснить тем, что при повышении мощности Р и неизменном радиусе г1 (соот-

10 20 30 40 50 60 70 80 90 Р, Вт

Рис. 2. Зависимость времени задержки воспламенения пленки жидкого топлива от мощности сфокусированного излучения при г1 = 0,006 м

6 4 2 0

0,001 0,003 0,005 0,007 0,009 гь м

Рис. 3. Зависимость времени задержки воспламенения пленки жидкого топлива от площади зоны действия излучения на поверхности жидкого вещества при P = 30 Вт

ISSN 0869-7493 ООЖАРООЗРЬЮОБЕЗООАСООСТЬ 2010 ТОМ 19 №3

ветственно неизменной площади зоны действия 5) возрастает доля энергии, подводимая к горючей жидкости. Так как плотность теплового потока сфокусированного излучения максимальна на оси симметрии потока (см. рис. 1), то на этом участке с повышением мощности Р значительно возрастает доля теплоты, расходуемой на прогрев и испарение жидкости. Из-за ограниченных размеров зоны действия большая часть энергии излучения расходуется на разогрев небольшой площадки на поверхности жидкости. Это приводит к ускорению процесса испарения и увеличению количества вдуваемых в воздух паров с поверхности жидкого вещества. Чем меньше площадь 5 и больше мощность Р, тем быстрее проходит прогрев и испарение пленки жидкого вещества. При увеличении площади зоны действия сфокусированного излучения 5 уменьшаются масштабы влияния мощности Р на инерционность зажигания. Аналогично уменьшаются масштабы влияния площади 5 на время задержки воспламенения при малых значениях мощности Р.

Установленные зависимости (см. рис. 2 и 3) показывают, что условия воспламенения близки к оптимальным при минимальных значениях радиуса г1 и максимально возможных мощностях Р. В то же время в отличие от систем одиночная разогретая частица малых размеров - жидкое топливо - воздух [3, 4, 7] для исследуемого процесса трудно выделить предельные условия, при которых зажигания не происходит. Это обусловлено тем, что механизмы воздействия нагретых частиц малых размеров и локального излучения существенно различаются. Частица при контакте с горючим жидким веществом остывает. Ее теплосодержание расходуется на нагрев и испарение жидкости, а также на разогрев формирующейся парогазовой смеси. Поэтому можно выделить предельные значения температур и размеров таких частиц (определить критические условия воспламенения), при которых их энергетического запаса недостаточно для зажигания.

В рассматриваемой системе (см. рис. 1) сфокусированный поток солнечного излучения воздействует на пленку жидкости непрерывно с постоянной мощностью Р и неизменными размерами зоны действия, поэтому жидкое вещество прогревается без сокращения поступающей энергии от источника и, как следствие, не снижается массовая скорость испарения. Пары горючего поступают в воздух и перемешиваются с ним. Условия воспламенения реализуются при достижении критических температур парогазовой смеси и концентраций ее компонентов вблизи поверхности пленки жидкого топлива.

Следует отметить, что при варьировании основных параметров источника энергии в рассматриваемой системе (см. рис. 1) не происходило смены ре-

жима или механизма зажигания. Установлено, что при изменении мощности Р и радиуса г1 в широком диапазоне реализуется газофазный механизм зажигания. В отличие от систем одиночная разогретая частица малых размеров - жидкое топливо - воздух [3, 4, 7] в рассматриваемой системе возможен только один режим зажигания, который характеризуется формированием зоны воспламенения в малой окрестности поверхности пленки жидкого топлива вблизи оси симметрии зоны действия потока излучения. Этот результат обусловлен тем, что действие сфокусированного потока излучения представляет собой "точечный" нагрев жидкости. Пары горючего поступают в парогазовую смесь с площадки малых размеров. Так как прогрев паров горючего потоком излучения не учитывался, формирующаяся парогазовая смесь может разогреться до критических температур только вблизи зоны действия излучения на поверхности жидкости. Плотность потока излучения максимальна на оси его симметрии, поэтому критические температуры смеси могут быть достигнуты в малой окрестности оси симметрии зоны действия потока излучения.

Анализ рис. 2 и 3 позволяет сделать вывод о том, что сфокусированные потоки излучения являются пожароопасными не только при взаимодействии с древесиной, травяными покрытиями и другими твердыми конденсированными веществами [1], но и с типичными жидкими топливами (керосином, бензином, дизельным топливом, мазутом). Поэтому для предотвращения нерегламентных возгораний жидких топлив на промышленных предприятиях, помимо соблюдения рекомендаций [3, 4, 7], следует исключить возможное взаимодействие потока сфокусированного солнечного излучения с топ-ливами.

Выводы

Установленные закономерности позволяют сделать вывод о существенном различии механизмов зажигания пленок жидких топлив локальным потоком сфокусированного излучения и разогретыми до высоких температур частицами с ограниченным теплосодержанием. Наличие предельных условий воспламенения для систем с остывающими частицами и отсутствие таковых в системах с непрерывными потоками излучения указывают на высокую пожароопасность, создаваемую при нагреве небольших формирований типичных горючих жидкостей сфокусированным излучением.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 06-08-00366-а).

0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2010 ТОМ 19 №3

12

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Щетинский Е. А. Тушение лесных пожаров : пособие для лесных пожарных. — М.: ВНИИЛМ, 2002. — 104 с.

2. Даффи Дж., Бекман У. Солнечная энергетика. Физико-технические основы разработки. — М. : Интеллект, 2009. — 1200 с.

3. Кузнецов, Г. В., Стрижак П. А. Численное решение задачи воспламенения жидкого пожароопасного вещества одиночной "горячей" частицей // Физика горения и взрыва. — 2009. — № 5. — С. 42-50.

4. Кузнецов, Г. В., Стрижак П. А. Моделирование воспламенения жидкого вещества горячей частицей // Химическая физика. — 2009. — № 5. — С. 90-97.

5. Vilyunov, V. N., Zarko V. Е. Ignition of Solids. — Amsterdam : Elsevier Science Publishers, 1989. — 442 p.

6. Яворский Б. M., Детлаф А. А. Справочник по физике. — М.: Наука, 1979. — 942 с.

7. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Влияние формы разогретой металлической частицы на характеристики процесса зажигания горючей жидкости // Пожаровзрывобезопасность. — 2009. — Т. 18, № 6. — С. 20-24.

8. Щетинков Е. С. Физика горения газов. — М. : Наука, 1965. — 739 с.

9. Варгафтик Н. Б. Справочник потеплофизическим свойствам газов и жидкостей. — М.: ООО "Старс", 2006. — 720 с.

10. Теплотехнический справочник : в 2 т. / Под ред. В. Н. Юренева, П. Д. Лебедева. — М. : Энергия, 1975. — Т. 1. — 743 с.

11. Теплотехнический справочник : в 2 т. / Под ред. В. Н. Юренева, П. Д. Лебедева. — М. : Энергия, 1975. — Т. 2.— 896 с.

Материал поступил в редакцию 3 ноября 2009 г.

Электронные адреса авторов: vysokomornyy@yandex.ru, elf@tpu.ru, pavelspa@tpu.ru.

Издательство «П0ЖНАУКА»

Представляет новую книгу

А. Я. Корольченко, Д. 0. Загорский КАТЕГ0РИР0ВАНИЕ ПОМЕЩЕНИЙ И ЗДАНИЙ ПО ВЗРЫВ0П0ЖАРН0Й И ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ. - М.: Пожнаука, 2010.-118 с.

В учебном пособии изложены принципы категорирования помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности, содержащиеся в современных нормативных документах. На примерах конкретных помещений рассмотрено использование требований нормативных документов к установлению категорий. Показана возможность изменения категорий помещений путем изменения технологии или внедрения инженерных мероприятий по снижению уровня взрывопожароопасности и повышению надежности технологического оборудования и процессов.

Пособие рассчитано на студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям "Пожарная безопасность", "Безопасность технологических процессов и производств", "Безопасность жизнедеятельности в техносфере", студентов строительных вузов и факультетов, обучающихся по специальности "Промышленное и гражданское строительство", сотрудников научно-исследовательских, проектных организаций и нормативно-технических служб, ответственных за обеспечение пожарной безопасности.

121352, г. Москва, ул. Давыдковская, д. 12, стр. 7; тел./факс: (495) 228-09-03; e-mail: mall@flrepress.ru

ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2010 ТОМ 19 №3