автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Самовозгорание материалов при симметричном и несимметричном теплообмене с окружающей средой

ииа4Э1353

На правах рукописи

СОКОЛОВ Денис Николаевич

САМОВОЗГОРАНИЕ МАТЕРИАЛОВ ПРИ СИММЕТРИЧНОМ И НЕСИММЕТРИЧНОМ ТЕПЛООБМЕНЕ С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ

Специальность 05.26.03 «Пожарная и промышленная безопасность» (Технические науки, отрасль - «Химическая и нефтехимическая промышленность»)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2010

- 4 ФЕВ 2010

003491359

На правах рукописи

СОКОЛОВ Денис Николаевич

САМОВОЗГОРАНИЕ МАТЕРИАЛОВ ПРИ СИММЕТРИЧНОМ И НЕСИММЕТРИЧНОМ ТЕПЛООБМЕНЕ С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ

Специальность 05.26.03 «Пожарная и промышленная безопасность» (Технические науки, отрасль - «Химическая и нефтехимическая промышленность»)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2010

Работа выполнена в Федеральном государственном учреждении "Всероссийский ордена «Знак Почета» научно-исследовательский институт противопожарной обороны" МЧС России (ФГУ ВНИИПО МЧС России).

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Корольченко Игорь Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Баратов Анатолий Николаевич

доктор технических наук, профессор Васин Алексей Яковлевич

Ведущая организация: Академия Государственной противопожарной

службы МЧС России

Защита состоится «18» февраля 2010 г. в 10 часов 00 мин, на заседании диссертационного совета ДС 205.003.01 при ФГУ ВНИИПО МЧС России по адресу: 143903, Московская область, г. Балашиха, мкр. ВНИИПО, д. 12, в зале диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ФГУ ВНИИПО МЧС России.

Автореферат разослан «15» января 2010 г. Исх. № 4-06-135.

Отзыв на автореферат с заверенными подписями и печатью просим выслать в ФГУ ВНИИПО МЧС России по указанному адресу. Телефон для справок: (495) 521-29-00.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Е.Ю. Сушкина

Актуальность проблемы. В период 1995-2008 гг. из-за самовозгорания веществ и материалов происходило 600-2ООО пожаров за год. В результате этих пожаров ежегодно погибало от 3 до 12 человек. От 42 до 127 пожаров от самовозгорания происходит ежегодно на транспорте. В течение 1990-2008 гг. самовозгорание становилось причиной в среднем более одного крупного (с существенным материальным ущербом) пожара за год.

Современные методы расчёта условий теплового самовозгорания сыпучих мелкодисперсных материалов сводятся к решению системы уравнений теплопроводности и реакций термоокисления веществ с учетом заданных физико-химических свойств, формы компактной укладки (засыпки) и условий теплообмена скопления продукции с окружающей средой. В стационарной и нестационарной постановке подобные задачи решались аналитически, приближенными методами, а также численно. Полученные выражения для определения критических условий самовозгорания и периода индукции процесса имеют ограничения в практическом применении, обусловленные постановкой задачи. Научные основы исследований данного направления закладывались и развивались в работах H.H. Семенова, Д.А. Франк-Каменецкого, Я.Б. Зельдовича, О.М. Тодеса, Томаса (Р.Н. Thomas), Бауса (P.C. Bowes), А.Г. Мержанова, Ф.И. Дубовицкого, В.В. Барзыкина, А.П. Алдушина, С.И. Худяева, В.Т. Гонтковской, Паркса (J.R. Parks), Энига (I.W. Enig), Грэя (Р. Gray), Харпера (M.J. Harper), Ли (P.R. Lee), Доналдсона (A.B. Donaldson), Харди (Н.С. Hardee), Фридмана (М.Н. Friedman), P.C. Буркиной, Б.С. Сеплярского и пр. Значительный практический вклад в изучение процессов самовозгорания внесен

A.Н. Баратовым, С.И. Таубкиным, Я.С. Киселевым, Л.П. Вогманом, А.П. Петровым,

B.И. Горшковым, А.Г. Дегтяревым, Б.Г. Поповым, К.С. Кольцовым и др.

Формулы, экстраполирующие численные решения задачи о тепловом взрыве при симметричном теплообмене реакционной смеси с внешней средой, могут применяться в узком диапазоне изменения величин определяющих процесс параметров и дают большую погрешность вычисления вне этого диапазона. Так как самовозгорание твердых органических материалов наблюдается при относительно невысоких температурах, этот процесс характеризуется ограниченным набором реализуемых химических превращений и сопровождается неполным тепловыделением. К тому же, величины кажущейся энергии активации процесса для некоторых самовозгорающихся веществ оказываются ниже 40-50 кДж/моль. Все это приводит к существенному росту значений параметров, характеризующих режим протекания реакций и степень выгорания исходных компонентов, вывода их за пределы рекомендованного для использования известных формул диапазона. На производственных объектах известны случаи самовозгорания материала, не остывшего после сушки и других технологических прогревов (древесноволокнистые плиты, пенополиуретан и т. п.). Актуальным было подтверждение приемлемости приближенных решений задачи о самовозгорании реакционной системы (очага), прогретой выше температуры контактирующей с ней газовой среды, численными рассчетами. Самовозгорание отложений материала на поверхности различного технологического оборудования характеризуется обычно

разницей температур на противолежащих поверхностях слоя (несимметричный теплообмен). Экспериментальных исследований условий самовозгорания отложений твердых дисперсных материалов на нагретой поверхности в отечественной практике не проводилось, отсутствовали также способы расчета периода индукции этого процесса.

Цель работы. Целью настоящей работы является усовершенствование методов расчёта критических условий теплового самовозгорания с учётом выгорания материала при симметричном и несимметричном теплообмене с окружающей средой. Для достижения указанной цели ставятся и решаются следующие задачи:

- разработка программ для численного решения систем уравнений, описывающих процесс теплового самовозгорания отложений простой формы (пластина, цилиндр, сфера) при различном теплообмене с окружающей средой;

- определение условий теплового самовозгорания численными методами для расчета критического значения параметра Франк-Каменецкого и периода индукции в зависимости от формы скопления, интенсивности теплообмена, выгорания вещества, чувствительности скорости реакции к изменению температуры в расширенном диапазоне изменения характеризующих процесс параметров;

- численный расчет задач периода индукции самовозгорания слоя материала на нагретой поверхности и теплового очага;

- экспериментальное определение теплофизических свойств и параметров кинетики термоокисления твёрдых дисперсных материалов (уголь, опилки, мука костная, мука ржаная);

- проведение экспериментальных исследований по оценке критических температур и периода индукции теплового самовозгорания отложений исследуемых материалов на нагретой поверхности;

- создание диалогового программного продукта для внедрения разработанных алгоритмов расчета в практику подразделений ГПС.

Объект исследований: твёрдые дисперсные вещества и материалы, способные к быстрому экзотермическому термоокислению при относительно низких температурах окружающей среды.

Методы исследований:

- определение критических условий и периода индукции до теплового самовозгорания численными методами;

' экспериментальное определение коэффициентов теплоотдачи, коэффициентов теплопроводности, теплоёмкости и теплового эффекта реакции термоокисления материалов;

- экспериментальное изучение характера изменения температуры в различных точках исследуемого образца и определение периода индукции до самовозгорания слоя материала на нагретой поверхности;

- расчёт условий теплового самовозгорания скоплений вещества на практике при несимметричном теплообмене с окружающей средой.

Предмет исследований: пожарная безопасность переработки, транспортировки и хранения твёрдых дисперсных материалов.

Научная новнзна работы заключается в следующем:

- получены численные решения системы дифференциальных уравнений, описывающих процесс самовозгорания материала при значениях параметров, определяющих скорость выгорания (у) и чувствительность скорости реакции к изменению температуры (Р), характерных для сыпучих материалов;

- получены интерполяционные формулы расчета критического значения параметра Франк-Каменецкого в расширенном диапазоне изменения параметров (3 и у с учетом симметричного и несимметричного теплообмена с окружающей средой;

- предложено упрощенное -выражение для учета влияния интенсивности теплообмена реакционной зоны с окружающей средой на критическое условие самовозгорания;

- определены формулы расчета периода индукции процесса самовозгорания при несимметричном теплообмене с окружающей средой и при очаговом самовозгорании.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- разработаны компьютерные программы для численного расчёта критических условий и периода индукции самовозгорания материалов в широком диапазоне изменения граничных условий задачи, применимость полученных формул подтверждена результатами эксперимента;

- создан экспериментальный стенд для определения условий теплового самовозгорания веществ при несимметричном теплообмене с окружающей средой;

- получены экспериментальные данные по периоду индукции процесса самовозгорания слоя твёрдых дисперсных материалов на нагретой поверхности;

- разработан метод расчёта периода индукции до самовозгорания отложений материалов на поверхности различного технологического оборудования (аппараты, трубопроводы, нагретые механизмы и т. п.);

- получен метод определения периода индукции самовозгорания насыпей (в бункерах) и штабелей продукции после технологической термообработки;

- создан диалоговый программный продукт с использованием всех предложенных алгоритмов расчета;

- результаты диссертационной работы использованы при разработке:

«Методики обеспечения пожарной безопасности перевозки самовозгорающихся грузов»;

«Методики обеспечения пожарной безопасности складирования самовозгорающихся материалов»;

- Стандарта организации на ксантогенат калия бутиловый (ОАО «Волжский Оргсинтез»);

- Технической документации на ввозимую продукцию (руководства ООО «Терра-Экология» по применению торфяного мха и технических условий на продукт).

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на следующих научно- технических конференциях и симпозиумах:

- Международная конференция «Сопряженные задачи механики, информатики и экологии» (г. Горно-Алтайск 4-9 июля 2004 г.);

- XIII Симпозиум по горению и взрыву РАН (ИПХФ РАН, г. Черноголовка 711 февраля 2005 г.);

- XIX Научно-практическая конференция по вопросам борьбы с пожарами: «Пожарная безопасность многофункциональных и высотных зданий и сооружений» (г. Балашиха, ВНИИПО 1-2 ноября 2005 г.);

- VI Международная научно-практическая конференция «Лесные и степные пожары. Возникновение, распространение, тушение и экологические последствия» (г. Иркутск, 6-1 ¡ сентября 2005 г., Томский государственный университет);

- XX Международная научно-практическая конференция, посвященная 70-летию создания ВНИИПО: «Исторические и современные аспекты решения проблем горения, тушения и обеспечения безопасности людей при пожарах» (г. Балашиха, ВНИИПО 3-4 июля 2007 г.);

- Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы пожарной безопасности» (г. Москва, ВВЦ 16-17 мая 2008 г.);

- XIV Симпозиум по горению и взрыву РАН (ИПХФ РАН, г. Черноголовка 1317 октября 2008 г.);

- VIII научно-практическая конференция «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций» МЧС России (г. Санкт-Петербург 8-10 октября 2008 г.);

- XXI Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы пожарной безопасности» (г. Москва, ВВЦ 19-20 мая 2009 г,).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 печатных работ.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 210 страницах машинописного текста и состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложений. Диссертация содержит 55 рисунков, 20 таблиц, 5 приложений.

На защиту выносятся следующие положения:

- программы численного моделирования процесса термоокисления скоплений твёрдых дисперсных материалов простой формы (бесконечная пластина, бесконечный цилиндр, сфера) в условиях симметричного, несимметричного теплообмена с окружающей средой и при очаговом самовозгорании;

- новые численные решения и аппроксимирующие их формулы для определения критического значения критерия Франк-Каменецкого в расширенном диапазоне изменения параметров, отвечающих за выгорание вещества и качество теплового взрыва, для симметричного. (включая очаговое самовозгорание) и несимметричного теплообмена с окружающей средой;

- новые формулы зависимости критических условий теплового взрыва от интенсивности теплообмена с окружающей средой для симметричного и несимметричного теплообмена;

- метод и результаты экспериментального определения критических температур самовозгорания слоя материалов (уголь, опилки, мука костная, мука ржаная) на нагретой поверхности и периода индукции до самовозгорания этих слоев в надкритической области температур горячей поверхности;

- методика и результаты расчёта по нахождению периода индукции до самовозгорания в надкритической области при несимметричном теплообмене с окружающей средой и очаговом самовозгорании.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность постановки темы диссертации, формулируются цель и направления исследований, излагаются научная новизна и практическая ценность работы.

Первая глава «Литературный обзор» посвящена анализу методов расчёта теплового самовозгорания веществ

Представлены литературные источники, в которых заложены теоретические основы расчёта условий теплового самовозгорания веществ и материалов, выделены особенности процесса с описанием общих условий и допущений при решении задач по нахождению условий теплового самовозгорания твёрдых дисперсных материалов.

Анализируются границы применения основных теоретических моделей (H.H. Семёнова, Д,А. Франк-Каменецкого, А.Г. Мержанова и др.) для описания процессов теплового самовозгорания. Рассматривается математическая постановка, варианты аналитического, приближенного и численного решения задач о самовозгорании экзотермически реагирующей системы при симметричном (исходное равенство температур реакционной зоны и окружающей среды) и несимметричном теплообмене (отличие температур противолежащих поверхностей слоя) с окружающей средой, а также в случае самовозгорания очагов (реакционных систем, нагретых выше температуры окружающей среды). Дан обзор существующих экспериментальных методов исследования теплового самовозгорания материалов.

Анализ численных расчетов условий теплового взрыва, выполненных В.В. Барзыкиным, В.Т. Гонтковской, А.Г. Мержановым, С.И. Худяевым и Парксом, позволил предложить выражение для определения критического значения параметра Франк-Каменецкого следующего вида:

V=£0p(ß;)-(l + 2,4^).(l + /?) , (1)

где Зц - значения SKf для реакции нулевого порядка.

Эта формула хорошо описывает результаты численных расчетов при изменении параметров в диапазоне: <д<\06кр\ 0,001<Bi£co; 0<у<0,01;

0<Д<0,05.

Зависимость <p{Bi) получена В.В. Барзыкиным и А.Г. Мержановым в результате аналитического решения стационарной задачи для цилиндра, пластины и сферы в виде

При изучении низкотемпературного окисления органических материалов растительного происхождения отмечалось (Баус, Л.Т. Абрамова, В.Г. Абрамов, А.Г. Мержанов), что величина теплового эффекта процесса термоокисления при температурах ниже температуры самовоспламенения для органических материалов оказывается намного меньше теплоты сгорания этих же веществ. Учитывая это, а также величины энергии активации процесса термоокисления некоторых самовозгорающихся материалов, можно говорить о превышении верхних границ вышеприведенных диапазонов изменения параметров ß и у при исследовании самовозгорания. Поэтому целесообразно проверить выполнение приближенной формулы (1) при больших величинах ß и у, сравнив с численным решением этой задачи.

При изучении самовозгорания отложений материалов на горячих поверхностях или в прогретой среде возникает задача о несимметричном теплообмене (наличие разности температур противолежащих поверхностей слоя). Такие исследования актуальны, например, при самовозгорании природных отложений материалов и отложений веществ на поверхности различного технологического оборудования. Приближенные решения задачи о самовозгорании слоя в стационарной постановке получены Баусом, В.И. Горшковым, И.А. Корольченко и др. Выражения для оценки периода индукции процесса в настоящее время не известны.

Решение задачи об очаговом тепловом взрыве становится актуальным для случаев самовозгорания скоплений материала, прогретых выше температуры окружающей среды (например - после технологической термообработки). Задача для очагов, заполненных реакционноспособной смесью с теплофизическими (не зависящими от температуры) и кинетическими параметрами, одинаковыми для смеси и очага, решалась приближенными методами в работах Томаса, Б.С. Сеплярского, P.C. Буркиной. Численное решение получено А.Г. Мержановым с сотрудниками. В работах В.И. Горшкова, И.А. Корольченко, A.B. Казакова рассматривался очаг, прогретый выше температуры контактирующего с ним атмосферного воздуха. Получены приближенные решения задачи в стационарной и нестационарной постановке. Использование предложенного ранее сотрудниками ВНИИПО выражения для расчета периода индукции приводит к погрешности оценки до 30 %.

На основании выполненного литературного анализа произведена постановка задачи исследований.

Вторая глава «Разработка программы численного расчёта критических условий теплового взрыва систем простой формы (бесконечная пластина, бесконечный цилиндр, сфера)» посвящена описанию способа численного нестационарного решения системы дифференциальных уравнений в частных производных с граничными и начальными условиями, отвечающими задачам о самовозгорании, отложений материала при симметричном, очаговом и несимметричном теплообмене с окружающей средой.

Система уравнений и определяющие протекание процесса параметры представлены в безразмерной форме. Произведён соответствующий поставленным задачам выбор закона протекания реакции, граничных и начальных условий с обоснованием. Диапазон изменения параметров, таких как выгорание вещества и качество теплового взрыва ограничен условием вырождения теплового взрыва. Рассмотрены несколько разностных схем для численной аппроксимации решаемых уравнений с оценкой порядка аппроксимации, величины погрешности вычислений и условий устойчивости. Представлен вариант программной реализации поставленных задач с помощью приведённых разностных схем и диалогового интерфейса разработанных программ (рис. 1). В окне программы выбирается форма упаковки материала (плоскость, цилиндр или сфера) и вводятся значения определяющих процесс самовозгорания параметров: «Gamma» (у) - характеризует выгорание вещества; «Beta» (ß) - качество теплового взрыва;

«TetaO» (60) - начальный температурный напор очага для очагового самовозгорания или температура горячей поверхности для несимметричного теплообмена с окружающей средой;

«Bio» (Bi) - критерий Био, характеризующий соотношение между внутренней и внешней теплопередачей;

«Delta» (8) - начальное значение критерия Франк-Каменецкого, представляющего собой отношение масштабов времени тепловой релаксации к времени реакции.

" SetfHeating В®®

Параметры Вид зависимости

[Плоскость Beta Gamma ReName 1 Slop! | л;

Delta Bio

|0.0622 ¡0.0183 1га Ii J2.35S ¡10.1308 Ш

Tau Ътр. M.«

1 J

Рис. 1. Диалоговый интерфейс разработанной программы

Все эти величины, а также критические значения критерия Франк-Каменецкого, период индукции до самовозгорания, достигнутые за этот период максимальные температура и глубина превращения исходного вещества фиксируются в итоговом файле расчёта, директория расположения и имя которого выбирается с помощью кнопки «FileName». Промежуточные значения безразмерного времени процесса «Таи», температуры «Тетр.» и глубины превращения исходного вещества «Mass» выводятся в окне программы по мере продолжения расчёта. В меню программы «Параметры» можно установить интервал безразмерного времени, представляющего собой частоту вывода в окно программы промежуточных результатов расчёта; шаг сетки по времени и по координате для используемой в расчёте разностной схемы; шаг изменения значений критерия Франк-Каменецкого, для которых производятся расчёты. В меню программы

«Вид -зависимости» выбирается тот параметр, в зависимости от которого будет сохраняться п итоговом файле критические значения критерия Франк-Каменецкого при постоянстве других параметров. Всего представлено 4 зависимости: Зкр(у), <\.(1'), 5«Р(0п), бкр(В|). При задании начального значения критерия Франк-Камепеикого больше критического получаем в итоговом файле аналогичные зависимости для периода индукции.

Обработка результатов расчёта позволяет получить критические значения критерия Франк-Каменецкого и периода индукции до самовозгорания в надкритической области (рис. 2), согласующиеся с результатами ранних работ а пределах 5 % (см. табл. 1 и 2).

Рмс. 2. Типичная шямснмпси. 0(т) 0 - 0. |1 - 0, у = 0.005. В! = т). получснппя после обработки ршулыптоп численною рлсчС™

Таблица I

Сравнение результатов расчета критического значения критерия Франк-Каменецкого (5кр) по разработанной программе с результатами других работ

Зависимость 5,р от различных параметров

Фактор 13'| у 10"т Р Ю'2 5кр (численные 5Кр численный Отличие

формы. решения А.Г. счет по результатов,

] Мержанова) разработанной %

программе

0 2 1 3 0,43 0,445 3,5 •

1 1 10 3 0,67 0,655 2,2-

О 2 10 1 1,6 1,62 1,2

Таблица 2

Сравнение результатов расчета периода нндукцни до самовозгорания в надкритической области (т) по разработанной программе с результатами рашшх работ

Зависимость т от различных па раметров

) Д=5/5кр В1 уЮ4 р 10 т (приближённая зависимость А.Г. Мержанова) т численный счет по разработанной программе Отличие результатов, %

0 1,5 2 1 3 2,034 2,017 0,83

1 2 1 10 3 1,514 1,515 0,07

2 5 2 10 1 1,072 1,061 1,03

Третья глава «Результаты численного расчёта критических условий, характерных для самовозгорания органических материалов» посвящена обработке результатов расчёта в расширенном диапазоне изменения параметров задачи при симметричном теплообмене с окружающей средой и описанию полученных новых приближённых зависимостей критического значения критерия Фраик-Камеиенкага от параметров задачи.

С помощью разработанной программы рассчитаны критические значения параметра Франк-Каменецкого при В1 = «з и изменении у в диапазоне от 0 до 0.1. При этом величина параметра Р принималась постоянной. Результаты численных расчетов, полученные при фиксированных величинах параметра р, представлены на рис. 3. Получены кривые при значениях Р =0; Р =0,1; р =0,15 и Р =0,2.

0,5 - у

0 -I-.-1-.-.-■--■

О 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12

Рис. 3. Зависимости 8,р(у) при постоянной величине параметра Р

Подобным же образом определены критические значения параметра Франк-Каменецкого при В1=оо и изменении /7 в диапазоне от 0 до 0,032. При этом величина

параметра / принималась постоянной. Результаты численных расчетов, полученные при фиксированных величинах параметра /, представлены на рис. 4. Получены кривые при значениях / = 0; /=0,005; /=0,01; /=0,0!5; /=0,02; /=0,03; /=0,04; /

Рис. 4. Зависимости 5кр(Р) при постоянных величинах у

1- у =0; 2 - у =0,005; 3 - у =0,01; 4 - у =0,015; 5 - у =0,02; б - у =0,03; 7 - у =0,04; 8 - у =0,05; 9 - у =0,06; 10 - у =0,07; 11 - у =0,08; 12 - у =0,09

Используя результаты расчёта, представленные на рис. 3 и 4, получена приближённая зависимость критического значения параметра Франк-Каменецкого при В1 = оо от обоих параметров во всей рассмотренной области (рис. 5). Предложены поправки к выражению (1), для расширения области действия этой формулы

5„ -(1 + 2,4у''3) (1 + В) / з/ ,Л , 1Л

5„„ =—-,, , ■—Ц- = 50- 1 + 2,4-у'3 +6,7 ■у1'4 (1 + р + Ир1)

кр (1 - 6,7у ) (1 -11 - Р ) "V >К ' (3)

Показано, что эти выражения дают погрешность от 1 до 37,3 % в зависимости от величин параметров у и (5.

Анализ численного решения при произвольных значениях параметра В/ показывает, что при 1 <й/<со влияние интенсивности теплообмена на критические условия самовозгорания с ошибкой расчета не более 2 % может быть учтено более простым, чем уравнение (2), выражением (рис. 6).

' 2,2 +я;

Рис. 5. Зависимость 6„(3,У) при 1 = О, В| =

Рис. 6. Зависимости ф(В1) при 1 <В1<оо; <р, - функция (2); точки - численное решение; ф!В - выражение (4)

Показано, что для цилиндра и шара выражения (3) и (4) также могут быть использованы для расчета 5кр(Р,у,5/) с погрешностью, не превышающей 10 % (см.

Рис. 7. Зависимость S^ß) при у = 0, Bio = со, полученная для цилиндра, согласно: 1 - А.Г. Мержанову с сотр.; точки - численному расчету; 2 - соотношению S = 2 ' С1 + Р ) (I - 1 1 • ß 1 )

Рис. 8. Зависимость 5кр(у) при ß = 0, Bio = со, полученная для сферы согласно: 1 - А.Г. Мержанову с сотр.; точки - численному расчету; 2 - соотношению

= 3,32-(1+ 2,4Г^)

(1 - 6, 7/1'4)

Четвёртая глава «Расчёт критических условий для очагового самовозгорания ттериалов» посвящена численному расчёта в расширенном диапазоне изменения щраметров задачи очагового самовозгорания предварительно нагретых материалов | получению новых приближённых зависимостей для определения критического начения параметра Франк-Каменецкого и периода индукции.

С помощью разработанной программы рассчитаны критические значения 1араметра Франк-Каменецкого при изменении 0() в диапазоне от 0 до 40. При этом еличины параметров Bio, у и ß принимались постоянными. В результате численных асчетов получен ряд зависимостей при значениях ß от 0 до 0,3 с шагом 0,05; у от 0 о 0,1 с шагом 0,01; Bio = оо, Bio = 20, Bio - 10, Bio = 5, Bio = 2, Bio = 1, Bio = 0,5, iio = 0,1, Bio = 0,01 и Bio = 0,001.

На рис. 9 приведен пример зависимости критического значения параметра >ранк-Каменецкого от начального температурного напора (рис. 9) для пластины, а акже цилиндрического и сферического очагов. Показано влияние степени ыгорания и качества теплового взрыва на критические условия процесса, •тмечено, что наиболее заметное влияние оказывает параметр Био, арактеризующий интенсивность теплоотвода. При Bi=l величина s снижается в .5-2 раза.

Получены приближенные зависимости для определения критического тчения критерия Франк-Каменецкого, позволяющие выполнять расчеты с огрешностью не более 10 %. Ниже представлен вид этих выражений с учетом .зияния качества теплового взрыва, степени выгорания и интенсивности ¿плообмена. Показано, что использование вида зависимостей <p(ß), ф(у) и <p(Bi), налогичных формулам (3) и (4), не приводит к заметному росту погрешности пределения.

д0

Рис. 9. Зависимости критического значения параметра Франк-Каменецкого от начального температурного напора очага (0„) при теплообмене по закону Ньютона, ¿3 = 0 и / = 0,05

Пласшма (>ч,, = 5Лй(Ы^„) ' х1р(/))х1р(у)х(р(Ш)

Цшпшлр <>"м. = 10,7(1пОн)1"1' х<р(/1)х<р(у)х<р(Щ)

С(|)ера |>"м. = 16.6(1п^,)°" хр(/))х</Цу)хр{1И)

(5);

(6); (7).

IIнгпп глав» «Расчёт периода индукции теплового самовозгорания в надкритической области» посвящена анализу результатов численного расчёта времени до самовозгорания материалов.

И результате обработки численных решений задачи о самовозгорании очага получен ряд зависимостей, характеризующих условия самовозгорания • в зависимости от начальной температуры очага (О<0()<2О) (рис. 10), интенсивности теплового взрыва (0<р<0,3) (рис. 11) н удаленности от критических условий д = $/5

(1,1<Д<10) (рис. 12). Полученные численные решения описываются зависимостью (8) с погрешностью, не превышающей 5%.

I + 2 (} \ I

1

1 - 0,87 е

(8)

выполнен также численный расчет периода нилукшш самовозгорания бесконечном пластины при значениях параметра у от 0 до 0,1 с учетом несимметричного теплообмена. 7.0(1

I

0.00

5.00

-1.00

3.00

2.00

1.00

0.00 -.....

о

0.5

I

1.5

2,5

Рис. 10. "Зависимость периода индукции от начальной температуры очага при различной интенсивности теплового взрыва

т

Рис. 11. Зависимость периода индукции от интенсивности тепловою взрыва при различном удалении от критического значения параметра Франк-Каменецкого

Рис. 12. Зависимость периода индукции от значения параметра Франк-Каменецкого при симметричном самовозгорании Предложены следующие зависимости для оценки периода индукции :амовозгорания отложений, материала с отличием температур на противолежащих юверхностях отложения

где

Л/,0)=1.5з+о.:7-у;(/)+(о.1б+о.12-/;(х))-5+(о,026+0,026-у;

/(/) = соз(34-;г + 2.8) у;(В/,0) = —(18 + ^(й>0 + й(В|)-^-2.28-й3+О.16-е4-3.62-10''-й5)

р, (В/) = -18.3 7 - 0.025 • В/+^ р, (В/) =

В|" ■

0.88 +В/2 Ь-0.124-В/+0.0123-Вг 4

-е

Показано, что использование выражений (9) приводит к отличию оценок периода индукции самовозгорания отложений при несимметричном теплообмене от расчета по формуле, экстраполирующей приближенное решение задачи, не более, чем на 15 %.

Шестая глава «Сравнение результатов расчёта с экспериментальными данными» посвящена экспериментальным исследованиям условий теплового самовозгорания.

В главе представлены результаты экспериментального определения кинетических параметров процесса термоокисления, а так же результаты экспериментов по определению теплофизических характеристик и оценке величины удельного тепловыделения, характеризующего процесс самовозгорания, исследуемых веществ (сухие сосновые опилки, активированный уголь, технический углерод, торф, костная мука, ржаная мука). Эти эксперименты выполнялись согласно методикам ФГУ ВНИИПО МЧС РФ, полученные результаты приводятся в табл. 3.

Экспериментально определены условия самовозгорания сферического образца сухих сосновых опилок. Диаметр сферы составлял 0,2 м. Образец помещался в термошкаф с заданной температурой воздушной среды. Погрешность оценки критической температуры с помощью выражений (3) и (4) по отношению к экспериментально определенной величине составила 3 К. Отклонение численной оценки периода индукции от экспериментальных значений не превышало 10 %.

Создан экспериментальный стенд (рис. 13) и разработана методика определения условий самовозгорания отложений материала на нагретой поверхности. Нагрев до заданной температуры поверхности осуществлялся с помощью промышленной электрической плиты «ПЭП-0,34-0,1-М». Площадь

Таблица 3

Вещество о. кДж/кг ОкЛ (м К)/кг Е, кДж/моль Теплоемкость С, До/с/(кгК) 1 Вт/(мК)

Опилки сосновые сухие 1716 1,32710ш 82,5 1786 0,086

Уголь активированный 3490 8,88'10ш 106 710 0,036

Мука ржаная 1670 8,4610ш 98 1091 0.142

Мука костная 1510 4.351012 122 797 0.057

поверхности на термоэлектрический нагреватель плиты насыпался слой речного песка, на котором фиксировалась нагреваемая поверхность в виде металлического листа толщиной 0,01 м из жаропрочной стали. Для плавного регулирования температуры использовался регулятор «Термодат 12Е1» с термопарой обратной связи, впаянной в нагреваемый металлический лист на уровне внешней поверхности. Нагрев поверхности мог осуществляться до 950 К с относительным изменением температуры по горячей поверхности до 1.8 %. Шаг изменения температуры составлял 5 К. Температура горячей поверхности и внутри слоя исследуемого вещества во время эксперимента определялась с помощью термоэлектрических преобразователей, которые фиксировались в отверстиях нагреваемой металлической поверхности на расстоянии 2,5 - 12,5 мм от горячей поверхности с шагом 2,5 мм и непосредственно на горячей поверхности. С помощью термопар также определялась температура на холодной поверхности вещества и на заданном расстоянии от холодной поверхности. Значения температур во всех указанных точках записывались на электронный носитель блока ЭВМ с помощью регистрирующего устройства «Микролаб». При выполнении эксперимента из фольги изготавливался бортик высотой h для засыпки и выравнивания поверхности исследуемого вещества. При достижении температурой поверхности заданного значения Тг и её выравнивания по площади поверхности устанавливался бортик и осуществлялась равномерная засыпка исследуемого вещества. Затем производилась запись изменения температуры до резкого повышения температуры внутри слоя вещества на 150 градусов выше температуры либо до образования максимума температуры внутри слоя вещества с течением времени и выхода на стационарный режим.

Определялась критическая (наименьшая для самовозгорания) температура нагретой поверхности для каждой толщины слоя материала и период индукции самовозгорания. Произведено сравнение результатов численного расчёта критических температур и периода индукции до самовозгорания слоев материала различной толщины (от 0,01 до 0,04 м) с экспериментальными данными (рис. 14-16). Определение критической температуры численным методом приводит к отклонению от экспериментальных значений не более 10 %. Оценка периода индукции по формулам (9) описывает экспериментальные данные с погрешностью не выше 20 %.

Рис. 13. Схема экспериментального стенда по определения критических температур самовозгорания и периода индукции при несимметричном теплообмене: 1 - термоэлектрические преобразователи (ТХА); 2 - слой исследуемого вещества; 3 ~ металлический лист толщиной 1 см (горячая поверхность) с отверстиями для фиксации термопар; 4 - песок для равномерного прогрева горячей поверхности; 5 - плоский термоэлектрический нагреватель (ТЭН); 6 - корпус промышленной электрической плиты мощностью 3 кВт; 7 - фазовый регулятор мощности; 8 — регистрирующее устройство «Микролаб»; 9 - блок ЭВМ.

Разработанная программа апробирована для оценки пожарной опасности отложений в воздуховодах вентиляционных систем фармацевтических производств. В диапазоне изменения температур, характеризующем штатный и аварийные режимы работы вентиляционной системы, опасная для самовозгорания толщина отложений превышает 0,05 м. Возгорание отложений толщиной менее 0,05 м может происходить в результате попадания в воздуховод тлеющих частиц или неконтролируемого роста температуры среды Тг выше 170 °С. Двукратное снижение критической толщины отложений возможно в воздуховодах с теплоизоляцией (может использоваться с целью снижения степени конденсации летучих компонентов среды). Выявлены тенденции и показано слабое влияние на условия самовозгорания отложений в воздуховоде диаметра поперечного сечения трубы и скорости движения потока в ней. Показано, что самовозгорание отложения в воздуховоде может произойти в течение одной рабочей смены. Основным лимитирующим фактором следует считать процесс накопления осаждающихся слоев до критических величин толщины.

Создан программный продукт, использующий все разработанные алгоритмы расчета. На рис. 17 представлен вид диалогового окна участка программы.

Ь, см

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

Рис. 14. Сравнение результатов экспериментальных определений (точки) и численного расчёта (сплошная линия) критических температур нагретой поверхности при различной толщине слоя ржаной муки

12 -I I, ч

Т.К.

700

720

740

760

780

800

820

840

860

Рис. 15. Сравнение результатов эксперимента (точки) и численного расчёта (сплошная линия) периода индукции для слоя ржаной муки толщиной 3 см

16 it,4

Т.К.

705 710 715 720 725 730 735 740 745

Рис. 16. Сравнение экспериментальных результатов (точки) и численного расчёта (сплошная линия) периода индукции для слоя ржаной муки толщиной 4 см

РАСЧЁТ КРИТИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЬ '. : •• •• •• •• .'■.'■ "...■■•'•'•--I

введите исходные данные

выберите форму упаковки материалам 1—]нпва

плотность упаковки материала р, кг'м"3" бесконечная пластина * бесконечный прямоугольный стержень бесконечный цилиндр бочка

| теплоемкость исследуемого материала с, Дж*га"1'К*1:|

теплота реакции Джкг"1:!

энергия активации реакции окисления материала Е, Дж'моль'1".. куб многоугольный цилиндр

предзкепоненциальный множитель реакции окисления0,к„/ Я, м*Ктсг'3:(| zl

■- Н.ззая | Далее > | Отмена |

Рис. 17. Окно ввода исходных данных для определения критической температуры

ВЫВОДЫ

1. Определены границы применимости существующих аналитических и численных решений задачи теплового самовозгорания твёрдых сыпучих материалов.

2. Разработаны компьютерные программы для численного расчёта критических условий и периода индукции до самовозгорания материалов и проведён численный расчёт критических условий теплового самовозгорания систем простой формы (бесконечная пластина, бесконечный цилиндр, сфера) в неисследованных ранее областях.

3. Проведена обработка численных решений задачи и получены новые формулы для определения критического значения критерия Франк-Каменецкого и периода индукции до самовозгорания в надкритической области. Получены новые зависимости критических условий теплового взрыва от теплообмена с окружающей средой. Полученные аппроксимационные зависимости действуют в расширенном

диапазоне изменения параметров, отвечающих за выгорание вещества и качество теплового взрыва, для симметричного (включая очаговое самовозгорание) и несимметричного теплообмена с окружающей средой.

4. Получены новые экспериментальные данные по нахождению критической температуры самовозгорания образцов сферической формы, теплофизических и кинетических характеристик ряда веществ.

5. Разработан метод экспериментального определения и расчёта периода индукции до самовозгорания отложений материалов в трубопроводах, сушилках, конвейерных лентах и т. п. при температурах горячей поверхности выше критической. Для этой цели создан экспериментальный стенд для определения критических условий теплового 'самовозгорания веществ при несимметричном теплообмене с окружающей средой и впервые получены экспериментальные данные по периоду индукции до самовозгорания твёрдых дисперсных материалов в условиях несимметричного теплообмена с температурой нагретой поверхности выше критической.

6. Разработаны методики обеспечения пожарной безопасности перевозки самовозгорающихся грузов (ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2006), методики обеспечения пожарной безопасности складирования самовозгорающихся материалов (ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2008).

7. Создан диалоговый программный продукт для внедрения разработанных алгоритмов расчета в научно-исследовательскую практику.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Корольченко И.А., Горшков В.И., Лицкевич В.В., Соколов Д.Н. Влияние выгорания материала на критические условия теплового взрыва для бесконечно плоского слоя // Материалы Международной конференции «Сопряженные задачи механики, информатики и экологии», г. Горно-Алтайск 4-9 июля 2004 г. - Томск: 2004.-с. 128-129.

2. Корольченко И.А., Горшков В..И., Соколов Д.Н., Казаков A.B., Ларченко Д.Ю. Условия теплового самовозгорания отложений материалов // Материалы XIII Симпозиума по горению и взрыву РАН, f. Черноголовка 7-11 февраля 2005 г. -Черноголовка: 2005. - с. 91.

3. Зайдельман Ф.Р., Горшков В.И., Корольченко И.А., Шваров А.П., Казаков A.B., Соколов Д.Н. Профилактика самовозгорания природных торфяных отложений // Материалы VI Международной научно-практической конференции «Лесные и степные пожары. Возникновение, распространение, тушение и экологические последствия», г. Иркутск, 6-11 сентября 2005 г. - Томск: Томский государственный университет. - 2005. - с. 60.

4. Корольченко И.А., Горшков В.И., Казаков A.B., Соколов Д.Н. Тепловое самовозгорание отложений материалов на поверхности оборудования // Пожарная безопасность. - 2006. - № 1. - с. 16-23.

5. Корольченко И.А., Горшков В.И., Соколов Д.Н. Расчет критических параметров для теплового самовозгорания слоя материалов с учетом выгорания // Пожарная безопасность. - 2006. - № 2. - с. 24-33.

6. Методика обеспечения пожарной безопасности перевозки самовозгорающихся грузов. - М.: ВНИИПО. - 2006. - 28 с.

7. Казаков A.B., Горшков В.И., Корольченко И.А., Соколов Д.Н. Определение условий очагового самовозгорания материалов // Материалы XX Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию создания ВНИИПО: «Исторические и современные аспекты решения проблем горения, тушения и обеспечения безопасности людей при пожарах», г. Балашиха, ВНИИПО 3-4 июля 2007 г. Секция 1. - М.: ВНИИПО. - 2007. - с. 64-65.

8. Соколов Д.Н., Корольченко И.А., Горшков В.И., Казаков A.B. Влияние выгорания и интенсивности теплообмена на самовозгорание материалов // Материалы XX Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию создания ВНИИПО: «Исторические и современные аспекты решения проблем горения, тушения и обеспечения безопасности людей при пожарах», г. Балашиха, ВНИИПО 3-4 июля 2007 г. Секция 1. -М.: ВНИИПО. - 2007. - с. 60-62.

9. Методика обеспечения пожарной безопасности складирования самовозгорающихся материалов. - М.: ВНИИПО. - 2008. - 33 с.

10. Соколов Д.Н., Корольченко И.А., Горшков В.И., Казаков A.B. Расчетное определение периода индукции теплового самовозгорания материалов с учетом условий теплообмена // Материалы Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы пожарной безопасности», г. Москва, ВВЦ 1617 мая 2008 г. - М.: ВНИИПО. - 2008. - с. 28-29.

11. Корольченко И.А., Горшков В.И., Соколов Д.Н., Печенюк C.B. Методы определения критических условий самовозгорания твердых дисперсных материалов // Материалы XIV Симпозиума по горению и взрыву РАН, г. Черноголовка 13-17 октября 2008 г. - Черноголовка: 2008. - с. 96.

12. Соколов Д.Н., Корольченко И.А., Горшков В.И. Экспериментальное определение и численный расчет периода индукции самовозгорания очагов и отложений твердых материалов // Материалы XIV Симпозиума по горению и взрыву РАН, г. Черноголовка 13-17 октября 2008 г. - Черноголовка: 2008.-е. 175.

13. Корольченко И.А., Горшков В.И., Соколов Д.Н. Профилактика самовозгорания материалов при переработке, транспортировании и хранении // Материалы VIII научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций» МЧС России, г. Санкт-Петербург 8-10 октября 2008 г. - М.: 2008. - с. 5557.

14. Соколов Д.Н. Экспериментальное изучение условий самовозгорания материалов и сравнение с результатами расчетов численными методами // Материалы XXI Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы пожарной безопасности», г. Москва, ВВЦ 19-20 мая 2009 г. - М.: ВНИИПО.-2009.-с. 70-71.

15. Соколов Д.Н. Вопросы профилактики возникновения пожаров по причинам самовозгорания и электростатических разрядов на объектах с обращением ксантогената калия бутилового: в Сб. научных трудов Инв. №5-22/656дсп «Проблемы горения и тушения пожаров». Выпуск 1.-М.: ВНИИПО.-2009.-с. 159-178.

Подписано в печать 11.01.2010 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная усл. печ.л. 1,63. Уч.-изд. л. 1,43. Т-100 экз. Заказ №./

Типография ВНИИПО МЧС России 143903, Московская обл., г. Балашиха, мкр. ВНИИПО. д. 12.