автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Процесс горения органических жидкостей в условиях аварийного разлива

Условные обозначения

Введение

Глава I. Аналитический обзор

1.1. Общие сведения о механизме горения жидкостей

1.2. Особенности развития пожаров при проливах жидкостей 14.

1.3. Анализ факторов, оказывающих влияние на скорость выгорания

1.4. Экспериментальные методы определения скорости выгорания

1.5. Вопросы теории диффузионного горения жидкостей

1.5.1. Элементарные теории горения

1.5.2. Теории, основанные на анализе дифференциальных уравнений тепломассообмена

1.6. Выводы и постановка задачи исследований

Глава 2. Теоретическое исследование процесса выгорания жидкого топлива

2.1. Формулировка задачи

2.2. Граничные условия

2.3. Определение подъемной силы через функцию Р(х)у).

2.4. Приведение математической модели к безразмерным переменным

Глава 3. Экспериментальные исследования

3.1. Лабораторная установка и методика определения скорости выгорания жидкостей в горелках

3.2. Крупномасштабные натурные опыты. Определение скорости выгорания жидких топлив в резервуаре

Глава 4. Проверка адекватности математической модели экспериментальным данным. Внедрение результатов исследований

4.1. Определение вида йушещюнальной связи между безразмерными параметрами по экспериментальным данным

4.2. Критериальные уравнения для скорости выгорания

4.3. Корреляция расчетных и экспериментальных данных

4.4. Полуэмпирический метод определения скорости выгорания

Выводы

В соответствии с "Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1981-1985 г.г. и на период до 1990 года", принятыми на ХХУ1 съезде КПСС, в нашей стране предполагается дальнейшее интенсивное развитие химической и нефтехимической промышленности. Достаточно сказать, что перед химической промышленностью партией поставлена задача увеличения объема производства продукции на 30-83 процента /I/.

Рост масштабов производства, изменение технологии, выпуск новых веществ и материалов в конечном итоге приводит к увеличению пожарной опасности технологических линий, аппаратов и оборудования, а также хранилищ и складов готовой продукции.

Это связано прежде всего с тем, что производственное оборудование и аппараты технологических установок размещаются на небольшом расстоянии друг от друга и часто 'имеют значительную высоту. В процессе производства перерабатывается большое количество горючих и легковоспламеняющихся жидкостей, которые, как правило, находятся при высоких давлениях и температурах.

Аварии технологического оборудования и установок нередко связаны с нарушением герметичности аппаратов, резервуаров и трубопроводов, беспрепятственным растеканием горючей жидкости, что способствует развитию пожара из небольшого очага горения в пожар, имеющий характер катастрофы и влекущий за собой значительный материальный ущерб, гибель людей и нарушение работы целого предприятия.

Для разработки мероприятий по предотвращению распространения пожара, а также его тушению, необходимо иметь данные по интенсивности тепловыделения, температурному режиму и расчетной продолжительности пожара.

Интенсивность сгорания вещества в условиях пожара характеризуется скоростью его выгорания.

Скоростью выгорания жидкости называется количество продукта, сгорающее в единицу времени с единицы площади горения.

Следовательно, скорость выгорания является характеристикой, необходимой на стадии проектирования дня принятия ряда мер, ограничивающих масштабы развития пожара и возможный материальный ущерб. В их числе расчет огнестойкости конструкций, обоснование противопожарных разрывов технологического оборудования, хранилищ и складов горючих жидкостей. Величина скорости выгорания используется также при определении нормативных параметров подачи средств тушения и для рассчета их потребного запаса.

В настоящее время основным источником достоверных сведений о скорости выгорания жидкостей является крупномасштабные натурные о опыты, в которых интересующий показатель получается путем непосредственного измерения /2-7/. Но эксперименты нащупных моделях связаны с большими материальными затратами, требуют использования сотен килограммов исследуемого продукта, привлечения крупных людских ресурсов. Помимо сложностей в организации при проведении таких опытов необходимо решать вопросы техники безопасности, а также защиты окружающей среды.

Для определения скорости выгорания индивидуальных жидкостей используются аналитические методы /8-10/. Однако, они неприменимы в случае исследования веществ, теплофизические свойства которых неизвестны и не поддаются расчету (смеси жидкостей, продукты, содержащие примеси). Расчетные формулы неточны в силу принятых при их выводе допущений /9/ или требуют громоздких математических операций, выполнение которых невозможно без использования ЭВМ /10/.

Последнее замечание относится также и к лабораторным методам оценки скорости выгорания /9,10/.

Таким образом, область применения известных в настоящее время методов определения скорости выгорания горючих жидкостей весьма ограничена.

Цель настоящей работы заключается в создании теоретически обоснованного метода, позволяющего исследовать как индивидуальные горючие жидкости, так и их сложные композиции.

На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований были получены соотношения, связывающие величину скорости выгорания с теплофизическими и динамическими свойствами жидкости, а также с геометрическими размерами модели. Создана лабораторная методика и прибор, потребляющий небольшое количество исследуемой жидкости для получения данных, позволяющих в конечном счете определять скорость выгорания на любой заданной площади горения.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения.

ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ выполнных ранее исследований в области горения жидкостей со свободной поверхности и показано, что они не нашли практического применения, так как относятся к ограниченному кругу веществ, часто противоречивы и непригодны для соответствующих обобщений. Основанные на них методы расчета скорости выгорания носят частный характер и применимы для тех экспериментальных данных, на анализе которых они построены.

2. На основании анализа системы дифференциальных уравнений, описывающих тепломассообмен при горении в условиях естественной конвекции, найден комплекс критериев, определяющих скорость выгорания жидкостей. Показано, что скорость выгорания зависит от безразмерных параметров, характеризующих интенсивность тепломассообмена, режим горения и условия протекания химической реакции окисления в газовой фазе.

3. Разработана методика и создана экспериментальная установка для измерения скорости выгорания горючих жидкостей в лабораторных условиях на горелках различных диаметров.

Установка обеспечивает проведение массовых лабораторных исследований горючих жидкостей, относящихся к различным гомологическим рядам и отличающихся друг от друта физико-химическими свойствами.

4. Получены экспериментальные данные по скорости выгорания на горелках диаметром от 18 до 100 мм для 26 веществ, представляющих собой индивидуальные жидкости и многокомпонентные смеси. Результаты экспериментов, а также данные других авторов использованы при определении вида критериального уравнения, описывающего тепломассоперенос при диффузионном горении жидкостей.

5. Проведены крупномасштабные опыты по выгоранию 10 горючих жидкостей в резервуаре диаметром 1,6 м, что позволило расширить имеющийся экспериментальный материал по горению топлив в турбулентном режиме.

6. В зависимости от величины критерия Галилея определены границы режимов горения жидкостей и установлено, что ламинарный режим горения наблюдается при бскуо' » переходный при и турбулентный при 6а»з/о'2

7. На основе анализа экспериментальных данных получены критериальные уравнения для расчета безразмерной скорости выгорания в зависимости от режима горения топлива.

Для ламинарного режима горения

М -- 12,9 Я д 6а < ю*-, для переходного режима горения

П=ЯВ6ая* , Лба^/ио»;

И = /67-103 ЙВ6а'*8, 6а < з-/о'2; для турбулентного режима горения

И = о,,« Я В 62й, ба^з /о'2

8. По результатам исследований разработана "Временная инструкция по экспериментальному определению и расчету скорости выгорания горючих жидкостей" с помощью которой можно рассчитать скорость выгорания в резервуаре любого диаметра по заданным физико-химическим свойствам жидкости.

Для веществ сложного состава, свойства которых неизвестны, разработан полуэмпирический метод определения скорости турбулентного горения по результатам лабораторных опытов на горелках малого диаметра.

При этом расчетные и экспериментальные значения скорости выгорания находятся в удовлетворительном согласии друг с другом.

9. Полученное соответствие теоретических и экспериментальных данных позволяет сделать заключение о доминирующем влиянии параметра массопереноса В и критерия Галилея на величину скорости выгорания.

10. Применение указанных методов расчета позволяет без проведения крупномасштабных огневых испытаний определять скорость выгорания жидкостей для любой площади горения.

1. Тихонов H.A. Доклад на ХХУ1 съезде КПСС "Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 г.г.и на период до 1990 года" В кн.: Материалы ХХУ1 съезда КПСС.-М.»Политиздат, 1981, с.149,152.

2. Павлов П.П., Хованова A.M. О горении нефтей и нефтепродуктов со свободной поверхности. Баку: ВШИПО, 1955 , 79с.

3. Павлов П.П. Влияние размера резервуара на скорости выгоранияи режимы горения нефтей и нефтепродуктов. В кн.: Вопросы горения и пожарной профилактики. Инф. сб. ШЮ-ЦНИИПО МВД СССР, М., МКХ РСФСР, 1957, с.31-39.

4. Петров И.И., Реутт Б.Ч. Тушение пламени горючих жидкостей. -М., МКХ РСФСР, 1981, 143с.

5. Ройко В.М., Михайлов В.Г. Регистрация скорости выгорания жидкостей в полигонных условиях. Экспресс-информация ВНИШО, сер.1, вып.1 (82), М., 1977, 6с.

6. Кучер В.М., Козлов В.А. Экспериментальное определение скорости выгорания жидкостей со свободной поверхности. В кн.: Проблемы горения и тушения пожаров. Материалы 1У Всесоюзной научно-практической конференции. - М.: ВНИШО, I975,c.II5-II6.

7. Титов P.E., Попов П.С., Гришин В.В. О скорости выгорания продуктов нефтехимических предприятий. В кн.: Пожарная защита объектов газоперерабатывающих и нефтехимических производств. Сб. трудов.чМ.: ВНИШО, 1977, с. 14-21.

8. Кучер В.М., Козлов В.А. Расчет скоростей выгорания жидкостей со свободной поверхности. В кн.: Проблемы горения и тушения пожаров. Материалы 1У Всесоюзной научно-практической конференции. -М.: ВНИИПО, 1975, с.117-119.

9. Монахов В.Т., Ройко В.М. Исследование скорости выгорания жидкостей. Экспресс-информация ВНИИПО, сер.1, вып. 57, М., 1973, 15 с.

10. II. Иванов E.H. Пожарная защита открытых технологических установок.-М., Химия, 1975. 200 с.

11. Cline D.D., Koenig I»,H. The transient growth of an unconfi-ned pool fire,- Pire Technol., 1983, v.19, N3, p.149-152.

12. Блинов В.И., Худяков Г.Н. Диффузионное горение жидкостей. -М.: Изд-во АН СССР, 1961. 208 с.

13. Петров И.И. Методика исследования процессов горения горючих жидкостей в резервуарах и способов их тушения. В кн.: Пожарная профилактика и тушение пожаров. Инф. сб. ВНИИПО М00П РСФСР. - М., изд-во лит-ры по строительству, вып.З,1966, 36 с.

14. Блинов В.И. 0 трех режимах горения жидкостей в резервуарах. -. В кн. Известия АН СССР, ОТН, 4, M, 1956, с.115-121.

15. Бахман H.H., Алдабаев Л.И., Сатинский Н.Д. Диффузионное горение жидкостей. В кн.: Горение и взрыв. - М., Наука, 1977. с.254-263.

16. Блинов В.И. 0 скорости горения бинарных смесей жидкостей. -В кн.: Пожарная профилактика и средства пожаротушения. Инф. сб. ГУП0-ЦНИИП0 МВД СССР, МКХ, M., 1955, с.13-31.

17. Худяков Г.Н. Выгорание жидкостей со свободной поверхности. -В кн.;Известия АН СССР, ОТН, 10. -М., IS45, с.П-15.

18. ГейдонА.Г., Вольфгард Х.Г. Пламя, его структура, излучение и температура. Пер. с англ. -М.: Металлургиздат, 1959. -334 с.

19. Akita К., Yumoto Т• Heat transfer in small pools and rates of burning of liquid.-10 Symp. (int.) Combust., Pittsburgh, Pa, p.943-948.

20. Блинов В.И., Худяков Г.Н. 0 влиянии ветра на скорость сгорания нефтепродуктов в резервуарах. Ин'о. письмо г- 8 АН СССР. Энергетический институт им. Г.М.Кржижановского. ГЛ. ,1958,12с.

21. Werthenbuch Н.6. Das Warmetransport-modell bei Tankbranden. VGDB-Z, 1976, y 25, N2, 57-60.

22. Казаков M.B., Петров И.И., Реутт В.Ч. Средства и способы тушения пламени горючих жидкостей. -М., Стройиздат, 1977.-112с.

23. Блинов В.И., Володина JI.A., Худяков Г.Н. Об обмене теплом между стенкой резервуара и нефтепродуктом. Инф. письмо JS 9 АН СССР, ЭШШ, 1.1., 1958. 12 с.

24. Павлов П.П. О некоторых закономерностях горения п прогрева нефтей и нефтепродуктов в резервуарах. В кн.: Вопросы горения и тушения нефтепродуктов. Инф. сб. ГУП0-ЦШ'1ИП0 ьВд СССР, Баку, 1958, с.64-73.

25. Худяков Г.Н. О температурном поле жидкости, горящей со свободной поверхности и о факеле над ней. Вкн.: Известия АН СССР, ОТН, 7. -М., 1951, с.1015-1023.

26. Pons W.L. Rate of combustion from free surfaces of liquid hydrocarbons. Comb, and Flame, 1961, v5, p.283-287.

27. Bajpai Satya IT. An investigation of the extinction of diffusion flame nalons. Y. Fire and Flammabil., 1974,5,N4, p.255-267.

28. Монахов B.'^. Методы исследования пожарной опасности веществ. -М.: Химия, 1979. 423 с.

29. Худяков Г.Н. Явления выброса тяжелого жидкого топлива при горении его со свободной поверхности. В кн.:Известия АН СССР, ОТН, 5.-М., 1950, с.682-688.

30. Худяков Г.Н. Испарение жидкости со свободной поверхности. -В кн.: Известия АН СССР, ОТН, 4. М., 1946, с.337-341.

31. Blinov V.I., Khudiakov G.N, Certain laws governing diffusive burning of liquids. Fire Research Abstracts and Reviews, Washington, 1959, v.1, N2, p.41-44»

32. Grymer J., Strasser A., Kubala T.A., Burgess D.S. Uncontrolled diffusiv burning of some new liquid propellents. Fire Research Abstracts and Review, Washington, 1961, v.3, N3, p.159-176.

33. Burgess D.S., Strasser A., Grumer J. Diffusive burning of liquid in open trays. Pire Research Abstracts and Review, Waschington, 1961, N3, p.177-192.

34. Burgess D.S., Hertzberg M. Radiation from pool flames. Heat Transfer Flames. Washington, D.C., 1974, p.413-430.

35. Burgess D.S., Grumer J., Wolfhard H.G. -Int. Symp. on the use of modies in fire research. Publ.786. Nat. Acad. Sei., Washington, 1961, p.287-292.

36. Spolding D.B. Experiments of the burning and extinction of liqui<fuel spheres. Fuel. London, 1953, v.32, N2, p.169-185.th

37. Spolding D.B. The combustion of liquid fuels.-4 Symp. (int.) Combust. Baltimore, 1953, p.847-854.

38. Spolding D.B. Mass transfer in laminar flow. Royal Society. London, 1954, v.221, N1144, p.78-99.

39. Spolding D.B. The Burning Rate of Liquid Fuels from Open Trays by Natural Convection.

40. De Ris J., Orloff L. A dimensionless correlation of pool data. Combustion and Flame, 1972, v.18, ЖЗ, p.381-388.

41. Orloff L., De Ris Y. Cellular and turbulent ceiling fires. Combustion and Flame, 1972, v.18, ЖЗ, p.389-401.

42. Orloff L., De Ris. Modeling of ceiling fires.-13th Symp. (int.) Combust., 1971, Pittsburgh, Pe, p.979-990.

43. Kim J.S., De Ris J., Krocsser F.W, Laminar free-convec-tive burning of fuel surf aces.-13 th Symp. (int.) Combust., 1971, Pittsburgh, Pe, p.949-961.

44. Corlett R.C.- Combustion and flame, 1970, v.14, H3, p.351-356.

45. Kikkawa S., Yoshikawa K. Theoretical investigation on laminar boundary layer with combustion on a flat plate. Int. J. Heat mass Transfer, 1973, v.116, p.1215-1229.

46. Смирнов H.H. Диффузионное пламя в потоке окислителя над слоем топлива. Вестник Моск. ун-та, сер. I, мат., мех., 1982, $ 3, с. 69-74.

47. Штессель Э.А. Химическая естественная конвекция. В кн.: Теплообмен в процессах горения. Черноголовка, 1980, с.88-119.

48. Тарг С.М. Основные задачи теории ламинарных течений. М.-1.: Гостехиздат, 1951. - 420 с.

49. Слезкин Н.А. Динамика вязкой несжимаемой жидкости. М.: Гос. изд-во техникотеоретической литературы, 1955. - 520 с.

50. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Изд-во иностранной литературы, 1956. - 528 с.

51. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1969. - 260 с.

52. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел Л.С. Теплопередача. -М.: Энергия, 1975. 486с.

53. Юмото Т., Сато К., Косэки X. Экспериментальное исследование горения горючих жидкостей в стальном резервуаре диаметром I м.

54. Хайкан гидзюцу кэнкэ кекайси. -1982, 22, JA 12, 13-17.

55. Справочник химика. Второе издание, перер. и доп., том первый. -М.-Л.: Государственное научно-техническое издательство химической литературы, 1962. 1070 с.

56. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. - 720 с.

57. Методы расчета теплофизических свойств газов и жидкостей / Федоров В.В., Бочаров Ю.Н., Барашков Р.Л. и др. М.: Химия, 1974. - 248 с.

58. Гмурман В.Е. Руководство к решению задач по теории вероятностей и математической статистики. Второе издание, дополненное. М.: Высшая школа, 1975. - 333 с.

59. Устройство для получения газовой смеси /Мелихов A.C., Третьяков В.А., Болодьян И.А. и др. В кн.: Пожарная профилактика. -М., ВНИИПО, 1977, 13, с. 102-107.

60. Петров И.И., Реутт В.Ч., Цыган P.M. Рекомендации по тушению пожаров ацетона в резервуарах. Информ. бюллетень ЦНИМП0 МВД СССР, гё 42, М., 1959, 12 с.

61. Кассандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений. М.: Наука, 1970. - 103 с.

62. Лабораторная установка для автоматической регистрации скорости выгорания жидкости /Авдонин Н.И., Гурьянова H.H., Попов С.А., Тарадайко В.П. В кн.: Пожаровзрывоопасностьвеществ и материалов. Сб.научи.трудов.М. :ВНШШ0, 1982,0.113-114.

63. Средства тушения веществ в производстве псевдоионона /Литвинов В.А., Чесноков В.II., Сульженко Г.К. ДУрьянова Н.Н.-В кн:Пожаротушение: Сб.научн.трудов.М. :ШИШ10, 1983,с. 184-190.

64. Рид Р., Праусниц Д., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие/ Ilep. с англ. под ред.Б.Н.Соколова.-3-е изд.перераб. и доп.- Л.:Химия, 1982.-592 е., ил.-Нью-Йорк, 1977.

65. Оценка точности экспериментального определения массовой скорости выгорания