Особенности пожаров в резервуарах с горючими жидкостями

Горение жидкости в резервуаре представляет собой горение паровоздушной смеси, образующейся над зеркалом горючей жидкости. Поток пара к зоне горения поступает непрерывно благодаря процессу испарения, который, в свою очередь, определяется интенсивностью лучистого теплового потока из зоны горения к зеркалу горючей жидкости. Кислород, необходимый для горения, поступает в зону горения из окружающей среды вместе с воздухом, интенсивно притекающим в зону горения под действием сил конвективной молярной диффузии. Поэтому пламя горючих жидкостей в резервуарах является диффузионным, когда процесс перемешивания горючего и окислителя происходит непосредственно перед зоной протекания химических реакций. Молярная диффузия в значительной степени определяет интенсивность горения, полноту сгорания, скорость выгорания, скорость распространения горения, температуру пламени и другие параметры пожара.

Известно, что характер, форма и размеры пламени при прочих равных условиях определяются видом горючей жидкости, ее температурой и размерами сосуда. Для небольших сосудов характерны ламинарные режимы горения. С увеличением объемов сосудов режим горения переходит в турбулентный. Горение жидкостей в технических резервуарах в большинстве случаев бывает турбулентным.

Высота пламени горящего резервуара прямо пропорциональна его диаметру. Для турбулентных пламен резервуаров диаметром от 2 до 23 м относительная высота пламени может быть принята равной:

для бензина Н_пл»1, 50 D_р;

для дизельного топлива Н_пл»1, 0 D_р;

для этилового спирта Н_пл»0, 8 D_р.

На высоту факела пламени резервуара большое влияние оказывает скорость ветра. Ветер дополнительно интенсифицирует процесс горения за счет лучшего притока кислорода в зону горения.

При скорости ветра w_В> l м/с относительное увеличение высоты пламени и отклонение его от вертикальной оси горючих жидкостей различно. При скорости ветра около 4 м/с и более отклонение факела пламени от вертикальной оси составляет 60-70°, т.е. пламя практически горизонтально.

При тушении горящих жидкостей с поверхности резервуаров необходимо знать температуру факела пламени и его лучистый тепловой поток. На температуру большое влияние оказывают турбулентные пульсации и метеорологические условия, поэтому она непрерывно изменяется. В табл. 14 приведены средние температуры и лучистые тепловые потоки факела пламени горящего резервуара с нефтепродуктами и этилового спирта при различных его диаметрах. Из табл. 14 видно, что с увеличением диаметра резервуара средняя температура факела пламени уменьшается, а лучистый тепловой поток возрастает.

Лучистый тепловой поток факела пламени при горении жидкостей в резервуарах в основном определяется излучением сажистых частиц и промежуточных продуктов разложения, которые присутствуют в пламени. Как известно, при горении жидкостей со свободной поверхности в большинстве случаев образуется светящееся пламя. Светимость пламени возникает в результате процесса разложения (пиролиза) паров ГЖ или ЛВЖ при их движении с поверхности зеркала к фронту горения. В результате этого возникают новые фазы – твердого сажистого углерода, жидких и твердых промежуточных углеродородных соединений.

 

Таблица 14 средние температуры и лучистые тепловые потоки факела пламени горящего резервуара с нефтепродуктами и этилового спирта при различных его диаметрах.

 

Горючие жидкости	Диаметр резервуара, м	Тпл ср, К	q, Вт/м2
Бензин	22, 8 18, 6	1097 1102	83000 82000
Дизельное топливо	22, 8 2, 7	1022 1260	63000 14600
Этиловый спирт	2, 7 8, 5	- -	30100 59000

 

Степень черноты пламени ε _пл для большинства жидких углеводородных горючих веществ, при размерах резервуара D_р = 2, 5 м, ε _пл »0, 9, а при D_р>, 5 м можно принимать ε _пл»1.

Зона теплового воздействия при пожаре в резервуаре определяется в большинстве случаев лучистым тепловым потоком. Поэтому необходимо знать, какую долю тепла составляет лучистый тепловой поток от общего количества тепла при горении паров жидкости над резервуаром. Рассмотрим пламя жидкости (рис.22), которая сгорает в резервуаре диаметром 5 м. Степень черноты пламен близка к единице, высота составляет ~1, 2 D_р, а скорость выгорания почти не зависит от диаметра. Примем условно форму факела пламени над резервуаром конической. Поток тепла, излучаемого факелом пламени, определится соотношением (61):

q_луч = ε _пл σ ₀ Т_пл ⁴F_пл         (61)

или формулой (62)

q_луч = 2, 6π R² σ ₀ Т_пл ⁴,       (62)

где R - радиус резервуара, м;  σ ₀ - коэффициент излучения черного тепа, Вт/(м²_*К⁴); Т_пл - температура пламени, К.

Рис.24. Форма пламени над горящим резервуаром

 

Количество тепла, выделяемого при горении жидкости в резервуаре, можно найти по формуле (63):

q _выд = π R² n₀ β r Q_H ^P,           (63)

где n₀  - линейная скорость выгорания ГЖ, м/с; r - плотность ГЖ, кг/м³; β  - коэффициент химического недожога; Q_H ^P теплотворная способность ГЖ, кДж/кг.

Поделив q_луч на q _выд получим выражение (64):

              (64)

Для большинства углеводородных горючих жидкостей это отношение равно 0, 4-0, 5. Зная общую потерю тепла за счет излучения пламени, можно рассчитать количество тепла, излучаемого в направлении зеркала жидкости, а если пренебречь количеством тепла, передаваемого жидкости через стенки резервуара, то и общее количество тепла, идущего на поддержание непрерывного процесса горения жидкости над резервуаром, т.е. на испарение горючей жидкости.

Экспериментально установлено, что по мере снижения уровня жидкости в резервуаре скорость ее выгорания уменьшается. Изменение уровня жидкости с течением времени описывается уравнением (65):

Н = К rⁿ                (65)

где Н - уровень ГЖ в резервуаре, м; К - коэффициент пропорциональности; г - время, с; n - показатель степени, колеблющийся от 0, 55 до 0, 75.

Уменьшение скорости выгорания обусловлено тем, что с увеличением расстояния до зоны горения понижается градиент концентрации паров жидкости.

После воспламенения температура на поверхности жидкости быстро возрастает, достигая определенного значения. Для химически чистых, од дородных жидкостей она очень близка к температуре кипения, но всегда несколько ниже нее. Для неоднородных нефтепродуктов температура поверхностного слоя всегда несколько выше t_кип данной жидкости, что обусловлено тем, что при горении полифракционных нефтепродуктов в поверхностном слое всегда происходит 'разгонка' жидкостей с выходом более летучих фракций. Поэтому t_пов ≥ t_кип.

Поле температур в слое ГЖ по его толщине и в горизонтальной плоскости неравномерно как по координатам х, у, z, так и по времени.

Экспериментально установлено, что при горении жидкостей распределение температур по толщине может быть двух типов. В одном случае передача тепла с поверхности жидкости в глубину осуществляется теплопроводностью, что приводит к прогреву жидкости на небольшую глубину (2-5 см). Температура и прогретом слое быстро понижается с увеличением расстоянии от поверхности жидкости (рис.25). Величина прогретого слоя остается постоянной и не изменяется по мере выгорания жидкости. Первый тип распределения температур в горящей жидкости выражается соотношением (66):                                   ,              (66)

где t₀ и t_п - соответственно начальная температура и температура на поверхности жидкости, °С; t - температура жидкости на расстоянии δ от поверхности, °С; К – коэффициент пропорциональности; δ - расстояние от поверхности жидкости, см.

При горении жидкостей в резервуарах большого диаметра характер прогрева существенно отличается от первого. При горении возникает прогретый слой, толщина которого растет во времени, а температура в этом слое почти одинакова с температурой на поверхности жидкости (рис.26).

Рис.25. Распределение температуры по толщине слоя горящей жидкости в установившемся режиме	Рис.26. Распределение температуры по толщине слоя горящего бензина во времени (d = 130 см): 1 - через 20 мин; 2 - через 40 мин

Такой слой называют гомотермическим. Под гомотермическим слоем температура жидкости быстро падает до начальной. Изменение толщины гомотермического слоя во времени описывается уравнением следующего, вида (67):

,                (67)

где δ — толщина гомотермического слоя, см; δ _Т – толщина прогретого слоя, см; r - время от начала формирования слоя, мин; μ - коэффициент пропорциональности.

Распределение второго типа может наблюдаться при определенных условиях (характеризующих интенсивность прогрева стенок резервуара) у всех нефтепродуктов и даже у индивидуальных жидкостей. Но чаще всего такое распределение наблюдается при горении бензина, влажных нефтей, масел и мазутов. Распределение первого типа характерно для горения керосина, трансформаторного и солярового масел, дизельного топлива и других жидкостей с высокой температурой кипения. При их горении температура стенки резервуара чаще всего не превышает температуры кипения, поэтому не возникает интенсивных конвективных токов, а, следовательно, и быстрого прогрева жидкостей вглубь.

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

Прямым следствием образования гомотермического слоя при горении некоторых видов горючих жидкостей является выброс их из резервуара. Он обусловлен вскипанием перегретых слоев воды, расположенных под гомотермическим споем горючей жидкости. Выброс происходит в тот момент, когда толщина слоя достигает уровня воды. 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. В процессе прогрева нефтепродукта влага, находящаяся в верхних слоях, частично опускается в нижележащих и постепенно на границе прогретых и холодных слоев надпиливается слой с повышенным содержанием влаги. Когда температура обводненного слоя повышается до 100°С и выше, наминается парообразование. Пузырьки водяного пара, двигаясь вверх, вспенивают нефтепродукт, объем его увеличивается, и если высота сухого борта невелика, то горящий вспененный нефтепродукт переливается через борт резервуара [13].

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться: