Распределение температуры в горящей жидкости.

Во время горения часть теплоты излучения факела расходуется на нагревание жидкости. Распределение температуры в жидкости зависит от ее физико-химических свойств и условий горения.

При горении однокомпонентной жидкости в стационарном (т.е. установившемся) режиме температура ее поверхности равна температуре кипения.

При горении многокомпонентных смесей вначале выгорают преимущественно легкокипящие компоненты. Поверхностный слой со временем обогащается более тяжелыми компонентами. Температура его для небольших количеств жидкости повышается в соответствии с ее температурной кривой фракционной перегонки. Однако в резервуарах, например, где объем жидкости большой (от нескольких до десятков тысяч м³), уже примерно через 10 мин на поверхности нефтепродуктов устанавливается температура, которая далее очень медленно, малозаметно повышается (рис.1.8). Распределение температуры по глубине для различных жидкостей имеет разный характер (Рис.9).

Рис.8. Изменение температуры Рис.9. Распределение температу-

поверхности жидкости ры жидкости по глубине:

во времени 1- керосин; 2 - бензин

Например, в бензине (рис.9) образуется прогретый слой определенной толщины, температура которого приблизительно одинакова во всех его точках. Такой слой называют гомотермальным. За его нижней границей температура резко падает. Толщина прогретого слоя растет со временем. В керосине гомотермальный слой, как правило, не образуется, и температура плавно снижается по мере удаления от поверхности жидкости.

Значение некоторых рассмотренных параметров, можно проиллюстрировать данными табл.1.

Таблица 1

Параметры выгорания некоторых горючих жидкостей

----------------------------------------------------------------------------------

Горючие Скорость выго- Скорость нарас- Температура

жидкости рания, см/мин. тания прогретого прогретого

слоя, см/мин. слоя, °С

----------------------------------------------------------------------------------

Нефть 0,23 0,5 130 - 160

Мазут 0,17 0,5 230 - 300

Керосин 0,40 - 220 - 240

Дизельное 0,33 - 220 - 240

топливо

Бензины 0,50 1,2 80 - 100

----------------------------------------------------------------------------------

Чем же обусловлено наличие двух типов распределения температур в горючей жидкости?

При возникновении в горящей жидкости гомотермального слоя жидкость как бы разделяется на два слоя: верхний и нижний. В верхнем нагретом слое температура практически не понижается с увеличением расстояния от поверхности зеркала. Распределение температуры в этом слое напоминает распределение температуры в металле. Теплопроводность гомотермального слоя превышает теплопроводность меди. В нижнем слое температура быстро падает по мере удаления от верхнего нагретого слоя. Распределение температуры в нем такое же, как в жидкости, плохо проводящей тепло. Механизм теплопроводности в верхнем слое в тысячи раз превышает молекулярную теплопроводность соответствующей жидкости. Такую аномалию связывают с наличием мощных конвективных потоков на границе раздела фаз, В нижнем слое мощность конвективных потоков существенно слабее.

На модели резервуара с диаметром 0,5 метра экспериментально установлено:

- скорость прогрева растет с увеличением скорости воздушного потока;

- с ростом диаметра резервуара толщина гомотермальног слоя увеличивается;

- охлаждение стенок резервуара может как уменьшать интенсивность прогрева, так и, в некоторых случаях, увеличивать;

- нефть с большим содержанием воды имеет большую скорость прогрева и меньшую температуру на поверхности;

- характер распределения температуры в мазуте зависит от количества в нем воды. Гомотермальный слой образуется, если влажность более 0,5%.

Перечисленные экспериментальные факты являлись основой при разработке гипотез, объясняющих механизм образования гомотермального слоя. Все гипотезы связывают механизм образования гомотермального слоя с наличием мощных конвективных потоков и отличаются объяснением условий их возникновения.

Рис.10. Схема образования прогретого слоя

Наиболее известна гипотеза профессоров Блинова В.И. и Худякова Г.Н. В результате собственных экспериментальных исследований ими было установлено влияние нагревающего эффекта стенки резервуара. Схему образования прогретого слоя можно представить следующим образом (рис.10).

Стенки резервуара и прилегающая к ним жидкость во время горения нагреваются. Если температура стенки выше температуры кипения жидкости, жидкость закипает. Кипение усиливает конвекцию жидкости и, естественно, передачу теплоты в ее глубину. В приповерхностной области жидкости образуется гомотермальный слой. От нижней его границы стенка продолжает прогреваться теплопроводностью вниз, вызывая непрерывный подогрев прилегающих слоев жидкости. Это и вызывает снижение во времени нижней границы гомотермального слоя. При горении обводненных высококипящих жидкостей образованию этого слоя способствует вскипание воды.

Изложенное представление о причине образования гомотермального слоя не в полной мере соответствует реальной действительности, особенно, при пожарах крупных резервуаров. Роль стенки в этом случае не объясняет всех существующих факторов. В резервуарах большого диаметра происходят наряду с рассмотренными процессами и другие процессы, обусловленные изменением плотности жидкости за счет выгорания более легких фракций. При этом процесс массообмена и выгорания летучих фракций происходит по всей площади горючей жидкости. Влияние процессов у стенки таких резервуаров ослабевает.

Уравнение скорости прогрева жидкости имеет вид:

= U= V , (10)

где Z_O - толщина гомотермального слоя,

- время от начала формирования слоя,

- плотности исходной жидкости и высококипящей фракции,

С_О,С_Т,С_Л - теплоемкости исходной жидкости, высококипящей и легкокипящей фракций,

- коэффициент теплоотдачи,

R - радиус резервуара,

U - скорость изменения толщины слоя,

V - скорость выгорания жидкости.