Вопрос №2 – «Механизм теплового распространения горения» (25 минут)

Условия возникновения и характер распространения горения жидкости во многом определяется свойствами самой жидкости, здесь следует различать жидкости с низкими температурами вспышки от жидкостей с высокими температурами вспышки.

Жидкости с низкими температурами вспышки, содержащие летучие компоненты, представляют пожарную опасность уже при обычных температурах, независимо от того, где они находятся: в закрытых объемах или в открытых емкостях. Над поверхностью летучего нефтепродукта всегда находится пар, который на определенном расстоянии от зеркала образует однородные паровоздушные смеси по всей площади жидкости. Первоначально возникает кинетическое горение подготовленной смеси, которое переходит в диффузионное. Распространение пламени осуществляется по гомогенной смеси и ничем не отличается от горения газовоздушной смеси. После того, как подготовленная смесь сгорела, и, если интенсивность испарения достаточна для поддержания горения, возникает диффузионное пламя.

На рис.5.представлена схема образования горючей зоны и формы фронта пламени по поверхности жидкости с низкой температурой вспышки.

При нагреве жидкости до температуры воспламенения над ее поверхностью создается зона концентрации паров близкая или равная НКПР. В этой зоне пламя уже может распространяться, но скорость распространения пламени минимальная.

При повышении температуры от Т₁ до Т₂ растет концентрация паров над жидкостью и увеличивается зона области распространения пламени. При температуре Т₂ концентрация паров в горючей смеси может быть равной стехиометрической. Тогда скорость распространения пламени (U) будет иметь максимальное значение (рис 5.Б). Дальнейшее повышение температуры до Т₃ увеличивает зону распространения пламени, однако скорость распространения пламени по поверхности жидкости остается примерно постоянной. Пламя распространяется над всей поверхностью жидкости. Однородная смесь быстро сгорает, и пламя переходит из кинетического режима горения в диффузионное.

Для жидкостей с температурой вспышки ниже температуры окружающей среды горючая среда образуется без дополнительного подогрева. Скорость распространения пламени по таким жидкостям практически не зависят от температуры и равна скорости распространения пламени в гомогенной паровоздушной смеси.

Жидкости с высокой температурой вспышки можно поджечь и, не подогревая всю её, а ограничится подогреванием лишь незначительной части ее поверхности. Часто пожары имеют именно такой характер развития. Горючая среда над поверхностью таких жидкостей отсутствует, а возникает она постепенно, вследствие подогрева топлива непосредственно перед движущимся фронтом пламени. Первоначальный фронт пламени создается в результате локального теплового воздействия. Распространение пламени до полного охвата зеркала занимает некоторое время, которое требуется для нагрева поверхности до температуры вспышки, дальнейшего прогрева до температуры воспламенения и времени продвижения фронта по всей жидкости.

На рис. 6. представлена схема распространения пламени по жидкости с высокой температурой вспышки.

Из приведенной схемы видно, что при локальном тепловом воздействии на жидкость возникает локальное горение с фронтом пламени (5). Основному пламени предшествует небольшое пульсирующее пламя (3). Передовой край пульсирующего пламени соответствует температуре вспышки, а фронт установившегося пламени – температуре воспламенения. Начальное кратковременное продвижение пламени совпадает с нагревом поверхности жидкости до температуры вспышки. Из-за недостатка поступления паров устойчивое горение не устанавливается и фронт пламени (3) возвращается в область устойчивого горения (5). При достижении концентрации паров в зоне подготовки до уровня воспламенения фронт продвигается дальше по жидкости. Таким образом, над жидкостью с некоторым запозданием распространяется фронт пламени, а внутри жидкости с некоторым опережением – тепловая волна, в которой температура изменяется от начальной до температуры вспышки, далее, до температуры воспламенения и в дальнейшем приближается к температуре кипения на поверхности.

Все жидкости для возникновения и распространения горения требуют определенных затрат теплоты. Энергия необходима, прежде всего, для первоначального возникновения горения, далее она пополняется за счет излучения пламени. Возникновение и распространение горения в этом случае происходит в диффузионном режиме. В этом отличие.

Количественная характеристика таких процессов зависит от многих факторов и не всегда поддается расчету. Наибольшее влияние на возникновение и распространение горения оказывают теплофизические параметры горючей жидкости, процессы теплопередачи от пламени к жидкости и условия образования горючей среды. Так, например, жидкость с высокой температурой воспламенения легко поджигается, если ею пропитать пористый материал с низким коэффициентом теплопроводности. Это свойство используется в керосиновых лампах и свечах. Аналогичным образом, с помощью пропитанного кусочка материи, можно поджечь огромное хранилище с жидкостью, имеющей высокую температуру воспламенения. При этом не надо прогревать всю массу жидкости. В тоже время поджечь тонкий слой жидкости (2-3 мм) с низкой температурой вспышки, например, разлитый нефтепродукт на воде, не представляется возможным из-за большого съема теплоты и невозможности прогрева горючего до заданной температуры. Рассмотрим тепловые процессы, которые имеют место при горении жидкостей. На рис.7 изображен резервуар с горящей жидкостью.

Над жидкостью имеется зона паров. Последние на периферии зоны смешиваются с воздухом и сгорают, образуя пламя. Для того, чтобы пламя не гасло, в него должны непрерывно поступать пары и воздух. Процесс парообразования возможен только при постоянном подогреве поверхности жидкости. Источником теплоты в данном случае является лишь теплота излучения пламени, т.к. продукты горения (конвективный тепловой поток) оттесняются парами от поверхности жидкости. Теплоту излучения можно рассчитать по закону Стефана - Больцмана:

Q_изл = e×d (Т_гор⁴ - Т_ж⁴), (6)

где e - степень черноты пламени (e = 0,75 - 1,0);

d - постоянная Стефана - Больцмана (5,7×10¹¹ кДж/м²×с×К);

Т_гор и Т_ж - соответственно, температура пламени и жидкости, К.

На поверхность жидкости падает только часть теплоты излучения, равная:

q_ж = (0,2 - 0,3)Q_изл.

Эта теплота расходуется на нагрев жидкости q_нагр и на ее испарение q_исп. В целом тепловой баланс этого процесса будет иметь следующий вид:

q_ж = q_нагр + q_исп = r×v_нагр×c×(T_п - T₀) + r×V_исп.×q_исп,+ q_потерь (7)

где q_ж- теплота, поступающая от факела к жидкости;

r - плотность жидкости, кг/м³;

V_нагр – объем прогретой жидкости, м³;

с - теплоемкость жидкости, кДж/кг град;

T_п и T₀ - соответственно, температура поверхности и начальная

температура жидкости, К;

V_исп - объем испарившейся жидкости, м³;

q_исп - удельная теплота испарения, кДж/кг.

В установившемся стационарном режиме наблюдается равновесие между количеством поступающего в зону горения и сгорающего там вещества. Именно это обстоятельство определяет постоянство скорости нагревания и скорости выгорания жидкости при стационарном режиме горения.

Другая часть теплоты излучения в виде падающего теплового потока оказывает нежелательное воздействие на соседние резервуары, конструкции и оборудование.

Падающий тепловой поток определяется как:

; Квт/м²,

где q_ф – поверхностная площадь собственного излучения

- коэффициент облучения.

Коэффициент облучения зависит от геометрической формы и пространственного расположения излучаемых и поглощаемых поверхностей.