Тепловой баланс процесса горения жидкости в резервуаре.

Количественным параметром распространения фронта горения по поверхности жидкости является линейная скорость U_л, м/с, распространения пламени – расстояние, пройденное фронтом пламени в единицу времени:

Распространение пламени происходит под действием теплового потока, поступающего от зоны горения на поверхность перед фронтом, за счет излучения, конвекции и теплопроводности.

На скорость распространения пламени влияют теплота испарения жидкости, её температура вспышки и интенсивность теплового потока от пламени.

После воспламенения жидкости и распространения пламени по её поверхности устанавливается диффузионный режим её выгорания, который характеризуется удельной массовой (U_м, кг/м²·с) и линейной (U_л, м/с) скоростями.

Удельная массовая скорость выгорания численно равна массе вещества (Δm), выгорающего с единицы площади зеркала жидкости (S) в единицу времени (Δτ):

Линейная скорость выгорания (U_л) – расстояние на которое в результате горения перемещается уровень жидкости (ΔH) в единицу времени (Δτ):

Массовая и линейная скорости выгорания связаны друг с другом через плотность жидкости (ρ):

U_м = U_лρ

На скорость выгорания оказывают влияние интенсивность теплового потока, поступающего от пламени к зеркалу жидкости, и теплофизические параметры горючего: температура кипения, теплоемкость и теплота испарения.

На скорость выгорания оказывает влияние и диаметр резервуара. Эта зависимость сложная и условно может быть разделена на 3 зоны:

1. По мере увеличения диаметра сосуда от нескольких мм и примерно до 0,1 м скорость выгорания снижается.

2. В области от 0,1 до 1,3 м она возрастает.

3. Начиная с 1,3 м скорость выгорания постоянна и не зависит от диаметра резервуара.

Уменьшение скорости выгорания по мере увеличения диаметра связано с характером подвода тепла от зоны пламени к жидкости. Количество тепла, поступающего поступающего к жидкости излучением, пропорционально площади поперечного сечения сосуда, а количество тепла, поступающего за счет теплопроводности при прогревании стенок сосуда, пропорционально периметру сосуда. Тогда доля тепла от стенок к лучистому потоку, поступающему на зеркало жидкости, будет пропорциональна отношению периметра к площади поперечного сечения сосуда, т.е. с ростом диаметра сосуда относительная доля теплоотвода по стенкам сосуда снижается и скорость выгорания падает.

С понижением уровня жидкости происходит снижение скорости выгорания вплоть до прекращения горения.

Поскольку подвод воздуха, необходимого для горения, за счет диффузии из окружающей среды внутрь резервуара невозможен, то при понижении уровня жидкости происходит отрыв зоны пламени от поверхности горения. Величина теплового потока к зеркалу жидкости снижается, а следовательно, уменьшается и скорость выгорания. При некотором критическом расстоянии поверхности жидкости от кромки борта может наступить самотуше­ние. Это расстояние называется критической высотой; она увеличивается с увеличением диаметра резервуара. Для больших резервуаров зависимость скорости горе­ния от высоты свободного борта практического значения не имеет, так как высота стандартных резервуаров всег­да значительно меньше критической высоты. Так, расчет показывает, что самотушение в резервуаре диамет­ром 23 м может наступить при высоте его более 1 км. Действительная высота резервуара 12 м.

Содержание влаги снижает скорость выгорания жидкости, во-первых, вследствие дополнительных затрат тепла на её испарение, а во-вторых, в результате охлаждающего и флегматизирующего влияния паров воды в газовой зоне.

Большинство жидкостей не способны к горению в атмосфере с содержанием кислорода менее 15%. С повышением концентрации кислорода выше этого предела скорость выгорания возрастает. Это обусловлено увеличением излучающей способности пламени в результате роста температуры горения и высокого содержания сажи в нем.

Для сложных, многокомпонентных горючих жидкостей состав их паровой фазы определяется концентрационным составом раствора и зависит от интенсивности испарения и степени их равновесности. При интенсивном испарении в поверхностных слоях жидкости происходит процесс возгонки и состав паровой фазы отличается от равновесного, а массовая скорость выгорания изменяется по мере выгорания более легколетучих фракций.

В процессе горения жидкости происходит ее прогрев на всю глубину слоя горючего в резервуаре. Тепло, передаваемое от зоны горения на поверхность горящей жидкости, вызывает её нагревание. Передача тепла с поверхности с вглубь жидкости может осуществляться различными способами; в зависимости от этого по-разному распределяется температура в жидкости. Температура в центре резервуара значительно ниже, чем у стенки.

Исследования показывают, что при горении керосина, дизельного топлива, солярового масла перенос тепла от поверхности жидкости в глубину осуществляется благодаря ламинарной конвекции. Конвекция в горящей жидкости возникает в результате различной степени нагрева её в центре резервуара и у стенок, а также в результате разгонки её в верхнем слое. Температура в этом слое быстро понижается с увеличением расстояния от поверхности жидкости. Величина прогретого слоя остается постоянной и не изменяется по мере выгорания жидкости. Такой тип распределения температур в горящей жидкости называется распределением первого типа.

При горении смесей жидкостей с разными температурами кипения, например, нефтепродуктов в резервуарах большого диаметра характер прогрева существенно отличается от описанного выше. При их горении возникает прогретый слой, толщина которого закономерно растет с течением времени и температура одинакова с температурой на поверхности жидкости. Такой слой называется гомотермическим. При нагреве поверхностного слоя до температур, близких к температуре кипения, из него преимущественно испаряются легкокипящие компоненты, а оставшаяся жидкость обогащается более высококипящими, которые имеют соответственно, и большую плотность и опускается до холодной исходной жидкости. При нагревании исходной жидкости, прилегающей к нижней границе гомотермического слоя, происходит всплывание свежей жидкости к поверхности испарения; возникающий противоток обеспечивает почти равномерное распределение плотности и температуры во всем нагретом слое и постепенное увеличение этого слоя.

Перемеще­ние более плотных слоев вниз интенсифицирует процесс прогрева. Ниже гомотермического слоя температура жидкости быстро падает и становится почти одинаковой с начальной температурой. Распределение температур в горящей жидкости при образовании гомотермического слоя называется распределением второго типа.

Формирование прогретого слоя начинается приблизительно через 10 мин после воспламенения жидкости. Толщина прогретого слоя увеличивается только до некоторого значения, которое зависит от диаметра резервуара, скорости ветра и др.

Если при горении любых жидкостей охлаждать стенки резервуара, то гомотермического слоя не возникает, так как прогрев вглубь осуществляется в основном теплопроводностью.

Вскипание и выбросы в процессе горения жидкостей представляют большую опасность, так как внезапно выброшенная горящая жидкость может покрыть большую площадь вблизи очага горения вместе с находящимися рядом людьми, строениями и пожарной техникой.

Кипение

Как известно, кипение — это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырь­ков пара по всему объему жидкости при определенной температуре.

Кипение жидкости при заданном внешнем давлении начинается при вполне определенной и не изменяющейся в процессе кипения температуре и может происходить только при подводе энергии извне в результате теплообмена.

Обычно в жидкости или на стенках сосуда, в котором она находится, присутствуют пузырьки растворенного в ней воздуха. При нагревании жидкости растворимость содержащихся в ней газов понижается. В результате число таких пузырьков значительно увеличивается. В эти пузырьки происходит испарение окружающей их жидкости, вследствие чего пузырьки наполняются насыщенным паром, давление которого с повышением температуры увеличивается.

Пока температура жидкости такова, что давление насыщенного пара внутри пузырька меньше внешнего давления над жидкостью, пузырек не может расти. При некоторой температуре давление насыщенного пара внутри пузырька становится равным давлению, оказываемому на пузырек извне. Это давление равно сумме атмосферного давления, гидростатического давления, обусловленного столбом жидкости над пузырьком и дополнительного давления, связанного с кривизной поверхности пузырька (давление Лапласа).

При некоторой температуре, когда давление насыщенного пара внутри пузырьков становится равным внешнему давлению, точнее говоря, несколько больше, пузырьки, быстро увеличиваясь в размерах, устремляются вверх и прорываются наружу. С этого момента жидкость начинает кипеть.

Рассмотрев механизм закипания жидкости, подчеркнем, что кипение существенно отличается от испарения. Во-первых, испарение происходит при любой температуре, кипение же для каждой жидкости при определенном давлении имеет место при строго определенной температуре, называемой точкой кипения. Если процесс кипения начался, температура жидкости, несмотря на продолжающееся сообщение теплоты, не повышается. Она так и останавливается на точке кипения до тех пор, пока не выкипит вся жидкость. Во-вторых, в процессе кипения жидкость испаряется не только с поверхности, но и с поверхности пузырьков внутри жидкости.

Итак, для того, чтобы жидкость закипела, нужно довести ее температуру до такого значения, при котором давление насыщенного пара внутри содержащихся в жидкости пузырьков хотя бы чуточку превышало внешнее давление.

Пузырьки зарождаются на центрах парообразования, которые представляют собой инород­ные вкрапления в жидкости — пылинки, пузырьки газа (воздуха) и т. д. Если жидкость не содержит примесей, центры парообразования распределяются в основном на стенках сосуда, где всегда вблизи шероховатостей и в порах имеются мельчайшие пузырьки газа. Если центры парооб­разования удалить (этого можно достичь тщательной очисткой жидкости, а также механической и химической обработкой поверхности стенок сосуда), то кипение не возникает, даже если жидкость будет нагрета выше тем­пературы кипения. Так, воду, тщательно освобожденную от воздуха, можно нагреть, не вызывая кипения, почти до 200ºС. Жидкость в таком состоянии называется перегретой. Достаточно внести в перегретую жидкость небольшое количество какой-либо механической примеси, как произойдет бурное закипание, которое при определенных условиях имеет взрывной характер. Зародыши паровой фазы могут возникнуть внутри самой жидкости, если она перегрета достаточно сильно. В этом случае закипание носит взрывной характер.

Прямым следствием образования гомотермического слоя при горении некоторых видов горючих жидкостей является выброс их из резервуара. К выбросу способны главным образом темные нефтепродукты – нефть, содержащая 3.8% влаги, и мазут, содержащий до 0,6% влаги. Необходимыми условиями для выброса являются наличие на дне резервуара водяной подушки, прогрев всей массы нефтепродукта до граница раздела его с водой. Выброс происходит в тот момент, когда нефтепродукт нагреется на границе раздела значительно выше 100℃. Соприкосновение нагретого до высокой температуры нефтепродукта с водой приводит к быстрому парообразованию.

После первого выброса нагретый до более высокой температуры слой нефтепродукта соприкасается вновь с водой и происходит более мощный выброс. Обычно выброс продолжается несколько минут и сопровождается многочисленными взлетами нефтепродукта. Выброс всего нефтепродукта одним взлетом является редким случаем.

Это явление приводит к резкому увеличению площади пожара, интенсификации его распространения и развития. Кроме того, это явление представляет большую опасность для личного состава.

Кроме явления выброса, при определенных условиях может наблюдаться вскипание нефтепродуктов. К вскипанию способны все нефтепродукты, имеющие воду и прогревающиеся при горении выше 100°С. Если в резервуаре с горящей нефтью нет подстилающего слоя воды (вода содержится в самой нефти в эмульгированном состоянии), то в начальный период горения вода более или менее равномерно будет распределена в массе нефти. При нагревании, вследствие уменьшения вязкости верхнего слоя нефти, капли воды опускаются в глубь слоя жидкости и постепенно накапливаются там, где вязкость нефти сравнительно велика. Одновременно с этим капли воды нагреваются и при достижении определенной температуры (степени нагрева) закипают. Пары воды сильно вспенивают нефть, которая переливается через борт резервуара, т.е. происходит вскипание нефти (точнее вскипание воды, содержащейся в нефти).

Характерными признаками начала выброса являются возникновение вибрации стенок резервуара, сопровождаемое шумом, и возрастание размеров факела пламени. Вскипание возникает гораздо раньше выброса, т.е. тогда, когда еще нет каких-либо определенных данных, дающих возможность точно предсказать момент наступления вскипания. Вскипание зависит от сорта и влажности нефти, высоты свободного борта и т.д. Опыты показывают, что нефть, содержащая 1 % воды, вскипает через 45 – 60 мин от начала горения. Если при этом уровень нефти в резервуарах высок, вскипание с переливанием нефти через борт может периодически повторяться.

Основным признаком начала вскипания является увеличение размеров факела пламени. В некоторых случаях перед началом вскипания возникает сильный шипящий шум. Необходимо также иметь в виду, что вскипание может начаться при подаче на поверхность горящей жидкости воды или пены. В связи с тем, что эффективных мер предупреждения вскипания пока нет, большое значение приобретает оперативность при тушении горящих нефтей в резервуарах.