Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор исследований по теме диссертационной работы и определение цели исследования 12
1.1. Виды лесных пожаров 12
1.1.1. Низовые лесные пожары механизм и предельные условия их распространения 14
1.1.2. Верховые лесные пожары механизм и предельные условия их распространения 15
1.1.3. Почвенные лесные пожары механизм и предельные условия их распространения 17
1.2. Методы тушения лесных пожаров, их классификация 18
1.2.1. Методы тушения, непосредственно воздействующие на фронт пожара 19
1.2.2. Методы тушения направленные на локализацию зоны горения 31
1.2.3. Анализ методов борьбы с лесными пожарами 40
2. Методика исследования характеристик струи переохлажденного водяного пара 41
2.1. Цели и задачи эксперимента 41
2.1.1. Постановка задач эксперимента 42
2.2. Методика проведения экспериментов 45
3. Противопожарные характеристики струи переохлажденного водяного пара 57
3.1. Геометрические характеристики струи 57
3.2. Эффект увлажнения твердой поверхности расположенной параллельно оси струи, вне ее границ 61
3.3. Изменение температуры по оси струи 64
3.4. Оценка интенсивности конденсации в струе переохлажденного водяного пара 66
3.5. Оптическая плотность струи переохлажденного водяного пара 69
3.6. Оценка содержания пара в струе 71
3.7. Способность струи переохлажденного водяного пара экранировать инфракрасное излучение 72
4. Оценка эффективности использования переохлажденного водяного пара при тушении различных очагов горения 75
4.1. Диффузионное горение горючего газа 75
4.2. Кинетическое горение горючего газа 82
4.3. Диффузионное горение с подачей горючих газов за счет испарения с поверхности горючей жидкости 86
4.4. Диффузионное горение происходящее в результате пиролиза твердого материала 91
4.5. Комбинация диффузионного горения с гетерогенным 96
4.6. Горение сложной системы, имеющей сильно развитую поверхность, с крайне малым временем прогрева горючего материала
4.7. Анализ результатов экспериментов 106
5. Экологическая безопасность применения струи переохлажденного водяного пара при тушении пожаров 108
5.1. Сравнительный анализ эффективности применения парогенератора с имеющимися средствами и методами при борьбе с низовыми лесными пожарами 108
5.2. Оценка экологической безопасности использования генератора переохлажденного водяного пара при тушении низовых лесных пожаров 113
5.3. Тактика тушения низовых лесных пожаров струей переохлажденного водяного пара
5.4. Организация тушения лесных пожаров при использовании парогенераторов 126
Основные результаты и выводы по диссертации 129
Литература 131
Приложения 141
- Низовые лесные пожары механизм и предельные условия их распространения
- Методы тушения направленные на локализацию зоны горения
- Эффект увлажнения твердой поверхности расположенной параллельно оси струи, вне ее границ
- Диффузионное горение с подачей горючих газов за счет испарения с поверхности горючей жидкости
Введение к работе
Лесные и степные пожары ежегодно наносят огромный ущерб человеку и окружающей среде. Они представляют угрозу жизни и здоровью человека выбросами в атмосферу вредных веществ, уничтожением флоры и фауны. В связи с глобальным потеплением климата во всем мире увеличивается число лесных пожаров. В России наблюдается прирост площадей лесных пожаров: ежегодно гибнет лес на территории более 8 миллионов гектаров. Большая часть пожаров приходится на районы Сибири и Дальнего Востока, где каждый год огонь охватывает от 2,0 до 5,5 миллионов гектаров лесных массивов. Тушение пожаров на этих территориях затрудняется большими перепадами высот и слабо развитой инфраструктурой. Надо сказать, что существующие методы тушения лесных пожаров недостаточно адаптированы к условиям горной тайги. Следовательно, поиск новых способов тушения пожаров, применимых к условиям горно-таежной местности, является актуальной научно-технической проблемой.
В настоящее время известно много методов борьбы с лесными пожарами. Их можно разделить на два типа: методы тушения, непосредственно воздействующие на фронт пожара, и методы тушения, направленные на локализацию зоны горения. При прочих равных условиях предпочтение следует отдавать первому типу как более оперативному и экологически безопасному. В зависимости от воздействия на зоны пиролиза (область термического разложения органических веществ при их нагревании, где происходит образование летучих горючих продуктов) методы тушения, непосредственно воздействующие на фронт пожара, можно разделить на две группы:
1. механического воздействия ударными волнами (сдув);
2. физико-химического воздействия.
Отмеченные методы тушения позволяют реализовать новую концепцию экологически чистой борьбы с лесными пожарами, предложенную в Томском
5 государственном университете специалистами под руководством профессора
A.M. Гришина [1 - 4]. Суть ее заключается в разрушении наиболее уязвимой
части фронта пожара — зоны пиролиза и зоны смешивания горючих продуктов
пиролиза с кислородом воздуха.
Группа методов с использованием ударных волн в настоящее время разработана наиболее детально. Физико-химическое воздействие на зону пиролиза с использованием двухфазных струй в настоящее время не достаточно изучено, что стало предметом диссертационного исследования.
Работа выполнена по теме научно-исследовательских работ Восточно-Сибирского института МВД России «Предупреждение и тушение лесных пожаров», а также в соответствии с планами Федеральной целевой программы «Интеграция» (договор № 57 от 11.05.01 г., по проекту № 268).
Цель работы — разработка новых методов тушения низовых лесных пожаров, которые обладали бы при прочих равных условиях большей эффективностью по сравнению с другими известными методами и устройствами.
Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:
Изучение, анализ и систематизация существующих на сегодняшний день отечественных и зарубежных методов тушения лесных пожаров.
Экспериментальное исследование физико-химических методов тушения лесных пожаров и определение их наиболее эффективных характеристик.
Разработка физико-химического метода с использованием двухфазной струи переохлажденного водяного пара.
Экспериментальное определение очагов горения, при тушении которых целесообразно использовать новый метод.
Определение эффективности предложенного метода и сравнение его результатов с другими методами тушения низовых лесных пожаров.
Научная новизна работы заключается в следующем: 1 .Разработан новый метод тушения - струей переохлажденного водяного пара. Новизна подтверждена патентом России на изобретение.
2. Исследованы характеристики струи переохлажденного водяного пара, влияющие на эффективность тушения.
3.Установлены возможные механизмы тушения струей переохлажденного водяного пара:
изоляция факела пламени от кислорода воздуха;
охлаждение зоны горения и горючих материалов;
разбавление горючих продуктов пиролиза и кислорода воздуха паром;
экранирование факела пламени от зон прогрева, сушки, пиролиза;
динамический сдув газообразных продуктов пиролиза струей пара.
4. Обнаружен эффект увлажнения твердой поверхности, расположенной параллельно оси струи пара вне видимых границ.
Практическая значимость работы состоит в следующем. Разработанный метод тушения низового лесного пожара позволяет уменьшить расход воды, затрачиваемой на тушение, улучшить условия труда пожарных расчетов и, одновременно с этим, увеличить скорость тушения по сравнению с традиционными методами. Разработанные тактические приемы с использованием струи переохлажденного водяного пара позволяют эффективно тушить низовые лесные пожары малой и средней интенсивности.
Новый метод тушения низовых лесных пожаров, методики его использования и рекомендуемые тактические приемы внедрены в практику борьбы с пожарами на территории Тайшетского лесхоза (Иркутская область), а также в учебный процесс Восточно-Сибирского института МВД России (г. Иркутск) по специальностям 3203 и 330400 (Пожарная безопасность). Соответствующие акты внедрения приведены в приложении к диссертации.
Достоверность результатов исследования обеспечена использованием в диссертации универсальных и апробированных методик измерений, многократной повторяемостью результатов, полученных в опытах.
Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на международной конференции «Лесные и степные пожары: возникновение, распространение и экологические последствия» (Иркутск, 2001);
7 Всероссийской научно-практической конференции «Деятельность
правоохранительных органов и государственной противопожарной службы в
современных условиях: проблемы и перспективы развития» (Иркутск, 2002,
2004); Российско-Швейцарском научно-практическом семинаре «Проблемы
обнаружения, прогнозирования и борьбы с лесными пожарами» (Иркутск, 2002,
2004); международной конференции «Сопряженные задачи механики,
информатики и экологии» (Томск, 2002, Горно-Алтайск, 2004); международной
конференции «Природные пожары: возникновение, распространение и
экологические последствия» (Красноярск, 2003); Российско-Монгольском
научно-практическом семинаре «Проблемы пожарной профилактики и
деятельности государственного пожарного надзора» (Иркутск, 2004); Ученом
Совете Восточно-Сибирского института (ВСИ) МВД России,
межкафедральных семинарах ВСИ МВД России.
На защиту выносятся следующие положения:
новый метод тушения низовых лесных пожаров струей переохлажденного водяного пара;
результаты экспериментального исследования характеристик струи переохлажденного водяного пара, влияющих на эффективность тушения;
анализ механизмов тушения струей переохлажденного водяного пара различных очагов горения;
сравнительный анализ эффективности использования метода тушения с использованием струи переохлажденного водяного пара и имеющихся базовых методов и устройств борьбы с низовыми лесными пожарами;
- тактику тушения низовых лесных пожаров с использованием
разработанного метода.
По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, перечень которых приводится в списке литературы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, приложения и списка литературы из 98 наименований. Работа содержит 140 страниц текста, 23 рисунка и 4 таблицы.
8 В первой главе диссертации проведен анализ и систематизация методов
тушения лесных пожаров с точки зрения воздействия на фронт пожара,
определены механизмы и предельные условия прекращения горения лесных
материалов [5, 6]. Проведенный анализ позволил выявить перспективную
группу методов с использованием двухфазных струй и разработать новый
метод тушения - воздействие на фронт пожара струей переохлажденного
водяного пара [7]. В связи с отсутствием достоверных данных были
исследованы противопожарные характеристики струи переохлажденного
водяного пара и особенности взаимодействия очага горения с этой струей. Это
необходимо для постулирования основных механизмов взаимодействия струи
переохлажденного водяного пара с очагом горения, как первоначального этапа
составления математического описания процесса тушения рассматриваемой
струей.
Во второй главе дается описание экспериментов, экспериментального
оборудования и измерительных устройств, позволяющих определять границы,
оптическую плотность, температуру по оси, способность струи
переохлажденного водяного пара экранировать инфракрасное излучение. Исследования проводились с использованием экспериментальной установки, состоящей из парогенератора, системы обеспечения стабильных параметров работы парогенератора, измерительного оборудования [6-9].
В третьей главе представлены результаты исследования характеристик струи переохлажденного водяного пара, влияющих на эффективность тушения, и их анализ. Результаты измерения видимых границ струи пара свидетельствуют о том, что ширина границ струи прямо пропорциональна расстоянию от среза сопла парогенератора. Угол полураствора струи по статистической модели примерно совпадает с углом свободной автомодельной турбулентной струи, что позволяет предположить идентичность механизмов подсасывания окружающего воздуха в обоих случаях [8,10,11]. Во время проведения экспериментов был обнаружен эффект увлажнения твердой поверхности, расположенной параллельно оси струи за пределами ее видимых
9 границ. По разности расчетных (без учета конденсации пара) и измеренных
температур было определено приращение массы конденсата по оси струи пара.
Зависимость оптической плотности по оси струи пара свидетельствует:
на выходе из сопла струя пара является практически однофазной;
с удалением от сопла до 230 калибров происходит интенсивная конденсация пара;
на удалении от сопла более 230 калибров интенсивность конденсации пара незначительна.
Таким образом, струю переохлажденного водяного пара можно условно разделить на две области. Первая - зона абсолютно нестабильного водяного пара, в которой процессы конденсации преобладают над другими процессами. Вторая - зона метастабильного пара. В этой зоне основным механизмом, определяющим изменение оптической плотности, является механизм растворения пара окружающим воздухом.
В струе пара на всем удалении от сопла парогенератора содержание пара (43%, об.) превышает минимальную огнетушащую концентрацию (35%, об.), при которой происходит прекращение диффузионного горения горючих газов.
Измерения показывают, что струя переохлажденного водяного пара способна экранировать инфракрасное излучение на 35-40 %, но при этом зависимость экранирующей способности с удалением от сопла не выявлена.
Полученные данные позволяют ожидать, что возможными механизмами взаимодействия струи переохлажденного водяного пара с фронтом пожара будут: разбавление горючих продуктов пиролиза и кислорода воздуха паром; охлаждение зоны горения; изоляция факела пламени от кислорода окружающего воздуха; экранирование зоны горения от зон прогрева, сушки и пиролиза.
В четвертой главе диссертации экспериментальным путем выявлены механизмы тушения струей переохлажденного водяного пара в зависимости от вида очага горения. Установлены доминирующие механизмы тушения, к которым относятся охлаждение зоны горения, изоляция и разбавление
10 газообразных продуктов пиролиза. Выявленные возможные механизмы тушения могут быть реализованы в различных комбинациях в зависимости от вида горения. При этом доказано, что воздействие струи пара на переднюю кромку фронта пожара эффективно, на зону догорания (тления) неэффективно [12,13].
Пятая глава работы посвящена оценке экологической безопасности применения струи переохлажденного водяного пара при тушении низовых лесных пожаров [14]. Приведен сравнительный анализ эффективности применения струи переохлажденного водяного пара и струи распыленной воды с диаметром капель 2-3 мм. Испытания проводились в равных условиях: состав, структура и влажность лесных горючих материалов, рельеф местности, физические параметры окружающей среды были одинаковыми [15-18]. С учетом необходимости дозаправки водой и отдыха оператора скорость тушения составила:
тушение с использованием ранцевого лесного опрыскивателя - 4,5-5 м/мин;
тушение с использованием парогенератора -9-10 м/мин;
Расход воды при использовании струи переохлажденного водяного пара составил 0,003 л/с, распыленной воды - 0,06 л/с.
Анализ экологических и экономических аспектов применения разработанного метода позволяет сделать вывод о возможности существенного уменьшения экологического ущерба.
Далее приведены тактические особенности применения струи переохлажденного водяного пара при тушении низовых лесных пожаров. Тактика тушения низовых лесных пожаров малой и средней интенсивности предусматривает прекращение пламенного горения со скоростью продвижения по передней кромке фронта пожара 18-22 м/мин. После прекращения пламенного горения оставшиеся очаги тления на тонких (диаметром до 0,007 м) веточках не приводят к повторному возгоранию. Если в состав лесных горючих материалов входят толстые (диаметром более 0,007 м) элементы фитоценоза, то в результате тления возможно их повторное возгорание. Тогда тушение
переохлажденным водяным паром следует сопровождать контролем, производимым, к примеру, оператором, вооруженным дезинтегратором низового лесного пожара [19,20]. Комплексный способ тушения группой из двух операторов с парогенератором и дезинтегратором увеличивает эффективность тушения низового лесного пожара [21].
В заключении представлены основные результаты и сформулированы выводы научного исследования.
Полученные результаты диссертационной работы могут быть использованы в практической деятельности по тушению различных типов лесных пожаров, а также в конструкторских бюро при создании новых средств пожаротушения.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю кандидату технических наук, доценту М.Г. Руденко за постановку задачи исследования и помощь в работе; научному консультанту заслуженному деятелю науки РФ, доктору физико-математических наук, профессору A.M. Гришину за плодотворные консультации.
Низовые лесные пожары механизм и предельные условия их распространения
При низовых пожарах сгорают лесные горючие материалы в нижнем ярусе леса, состоящем из опавших листьев, хвои, сучьев и веток. Также сгорает и живой покров: трава, мох и кустарники. Особенностью таких пожаров являются невысокая скорость распространения (1-2 см/с) и небольшая высота пламени (2-2,5 м). При пламенном горении лесных горючих материалов во фронте низового лесного пожара (НЛП) основное количество тепловой энергии выделяется в результате горения газообразных продуктов пиролиза.
В [2] экспериментально и теоретически были установлены следующие закономерности. Энергетика лесного низового пожара характеризуется интенсивностью, температурой во фронте пожара и суммарным тепловым потоком. Интенсивность такого пожара может изменяться в пределах 15 кВт/м 1 \0 МВт/м; максимальная температура горения 900 К ТГ 1350 К, а суммарный тепловой поток 3 кВт/м g 41,5 кВт/м . В данном виде пожаров основной характеристикой является скорость распространения, которая имеет эмпирическую зависимость от влагосодержания ЛГМ. В случае, когда влагосодержание превышает 13%, горение прекращается. Имеется зависимость скорости распространения пожара от запаса ЛГМ, критическое значение которого для опада хвои составляет пь=0,1 кг/м . Также скорость распространения пожара зависит от угола наклона плоскости слоя горючего к горизонтали плоскости, плотности слоя ЛГМ и скорости ветра. С помощью представленных выше выявленных закономерностей установлено, что распространение лесных низовых пожаров прекращается при выполнении следующих условий: W W , т ігьв , с с , где W , т , с - критические значения влагосодержания, запаса ЛГМ и концентрации газообразных горючих продуктов пиролиза ЛГМ. Вышеуказанные значения являются основополагающими при прогнозе пожарной опасности и разработке способов тушения низовых пожаров, поэтому необходимо подробное дальнейшее исследование данных величин для разных регионов России.
Возникновение и распространение лесного верхового пожаров является наиболее губительным для лесных массивов. Особенностью таких пожаров является большая скорость распространения - до 25 км/ч, особенно при наличии ветра, а также быстрое увеличение площади лесных пожаров вследствие разлета искр и головней, переносимых мощными конвективными потоками, возникающими в результате образования аэродинамического вихря в зоне горения. Попадая на еще не горящие участки леса, они образуют новые очаги пожаров.
Как и любой лесной пожар, верховой проходит следующие стадии: возникновение, распространение и потухание. Возникновение данных пожаров возможно по двум причинам [22,23]: 1. В условиях засухи, когда влажность горючих материалов подстилки и живого покрова понижается, низовой пожар может видоизмениться в верховой, тогда происходит распространение пламенного горения по кронам деревьев и повреждения фитоценоза во всех других ярусах леса. 2. Непосредственное зажигание сухостойных деревьев в результате воздействия сухих гроз. Из вышеуказанных причин наибольшее распространение получила первая. Поэтому рассмотрим подробнее условия перехода низового пожара в верховой. Из анализа данных [1] выявлено, что переход низового пожара в верховой определяется его энергетикой (интенсивностью, высотой пламени), а также расстоянием между напочвенным покровом и нижней границей полога леса (hi-ho). Данные условия можно записать в следующем виде: Tj T , hp h0 (hi-h0)=hn, Qi Q , где T - температура зажигания ЛГМ на нижней границе крон деревьев (800-900 К); (hi-ho) - критическое расстояние от верхней границы напочвенного покрова до нижней границы полога; Q - критический тепловой импульс на единицу площади нижней границы полога леса (Q =4500 к Дж/м). Также согласно приведенным в [15] данным отметим, что из за ветра, при одной и той же влажности горючих материалов, энерговыделение увеличивается в единицу времени в 6-25 раз, скорость продвижения кромки - в 3-19 раз, глубина кромки - в 3-12 раз, а высота пламени - в 2-5 раз. Вследствие этого тепловой поток действует на нижний полог леса гораздо интенсивней, что при благоприятных условиях приводит к верховому пожару. В экспериментальных исследованиях [24] ставилась проблема изучения формирования фронта верхового лесного пожара. Было установлено, что для формирования в пологе леса устойчивого фронта верхового лесного пожара необходимо, чтобы за счет фронта низового пожара плотность суммарного теплового потока в пологе леса превышала критическое значение (Eq q ), а массовая и линейная скорости горения ЛГМ в пологе леса превышали критические значения m , w , т.е. m m , w w . Из вышесказанного можно сделать вывод о том, что верховой лесной пожар не может долго существовать без взаимодействия с фронтом низового пожара. Согласно исследованиям [24] независимый верховой пожар может распространяться при следующих условиях: 1) интенсивность низового лесного пожара больше критической; 2) скорость распространения фронта пожара по кронам деревьев (wn) превышает критическое значение (w ); 3) суммарная плотность теплового потока (q) в направлении распространения пожара превышает критическое значение (q ).
Методы тушения направленные на локализацию зоны горения
Способы тушения, направленные на локализацию зоны горения, приводят к большим затратам времени при тушении лесных пожаров и являются недостаточно экологически безопасными, так как многие из них приводят к дополнительному разрушению лесных экосистем. Большинство способов по этому направлению являются безопасными для тех, кто их применяет, позволяют держаться лесным пожарным на расстоянии от фронта пожара, что уменьшает вероятность поражения опасными факторами пожара.
Способы тушения пожаров, направленные на локализацию зоны горения, также можно разделить на две группы: 1. Способы тушения, изменяющие свойства лесных горючих материалов. 2. Способы тушения, изолирующие лесные горючие материалы от фронта пожара.
Способы тушения лесных пожаров, изменяющие свойства лесных горючих материалов, на сегодняшний день нашли широкое применение. Они позволяют создавать заградительные полосы из надпочвенного растительного покрова, не поддерживающего горение, что приводит к локализации пожара, при этом жизнеспособность растений сохраняется. В частности, для данной группы распространение лесного пожара прекращается при достижении горючими материалами следующих предельных условий распространения горения: повышение влагосодержания, химическое торможение горения ингибиторами, разбавление лесных горючих материалов материалами, не поддерживающими горение, изменение тепло- и массообмена между зоной горения и лесными горючими материалами. В зависимости от путей реализации данного способа различают три подгруппы: 1. Химическая обработка лесных горючих материалов. 2. Химическая обработка почвы. 3. Увлажнение лесных горючих материалов.
Обработка лесных горючих материалов химическими веществами осуществляется различными способами в зависимости от вида лесного пожара. Одним из способов химической обработки лесных горючих материалов является метод формирования заградительной полосы при нанесении на горючие материалы ретарданта [51]. Другой способ для предупреждения и оперативной локализации верхового лесного пожара предлагает создавать лесопожарные преграды путем разбрызгивания во всех ярусах леса негоримых материалов, отвердевающих на воздухе [52]. При этом увеличивается удельная поверхность негоримой конденсированной фазы. Следует отметить также, что при разбрызгивании этих материалов увеличивается влагосодержание конденсированной фазы в пологе леса и уменьшается прогрев лесных горючих материалов от зоны горения из-за образования на поверхностях ЛГМ теплоизоляционных покрытий. В результате достигается сразу несколько предельных условий, необходимых для распространения лесных пожаров. Простым и самым распространенным способом локализации лесных низовых пожаров является распыление на надпочвенный покров фосфатно амонийных солей при помощи ранцевых лесных опрыскивателей [53]. В данном случае реализуется предельное условие распространения лесного пожара по влагосодержанию лесных горючих материалов и соли, выделившиеся из обработанных лесных горючих материалов,- активно тормозят процессы горения. К достоинствам данного способа можно отнести простоту его реализации. Недостатком будет являться низкая надежность при локализации лесного пожара из-за возможности прохода фронта пожара через обработанную полосу. Поэтому возникает необходимость в дополнительном контроле за фронтом пожара. Эффективность заградительных полос, созданных огнегасящими растворами, зависит не только от их ширины, но от степени пропитки горючих материалов. Кроме того, химикаты обеспечивают быстрое прекращение пламенного горения и тления, исключают возможность возобновления пожара, задерживают распространение огня в течение определенного промежутка времени, хорошо растворяются в воде, нетоксичны и недороги. Заградительные полосы устраивают в местах незахламленных, с наименее развитым растительным покровом. Рекомендуемая ширина полосы 1 м, а для захламленных участков и при скорости ветра под пологом леса более 3 м/мин -2 м. Компоненты напочвенного покрова на заградительной полосе должны быть равномерно смочены жидкостью. Если пропущен или недостаточно смочен незначительный участок полосы, то это может послужить «мостом» для перехода огня через полосу.
В лесах с покровом из брусники и черники требуется дозировка растворов не менее 1 л на 1 м2, на лишайниково-мшистом покрове и в верещатниках - 0,5-0,75 л/м2, на покрове сфагновых мхов с багульником и другими кустарниковыми растениями -1,5 л/м , а в захламленных участках леса на всех видах лесного покрова - не менее 2 л/м . На создание ранцевым опрыскивателем стометровой заградительной полосы шириной 1 м с дозировкой раствора 0,5 л/м2 требуется 15-18 мин, а с дозировкой раствора 1 л/м -30 - Ъ5мин[\1].
Срок действия полос в основном зависит от свойства жидкости, используемой для обработки горючих материалов. При устройстве перед низовым пожаром заградительных полос с периодом действия до 1 часа в наиболее горящих типах леса эффективным составом является вода с добавкой смачивателя. В случае необходимости создания огнезадерживающих полос с периодом действия до 1 ч должен быть использован 20%-ый раствор хлористого кальция с добавкой 0,5%-ого смачивателя ОП-7. Высокими огнезадерживающими свойствами обладает полоса из воздушно-механической пены, однако срок «жизни» пены всего 15-20 мин, после чего остается слабо смоченная полоса.
Одним из вариантов создания заградительных полос из растений является способ обработки почвы химическими веществами. С целью придания огнестойкости растениям в почву вносят биологически усваиваемые ими химические элементы, тормозящие процесс их воспламенения, при этом жизнеспособность растений сохраняется [54].
Эффект увлажнения твердой поверхности расположенной параллельно оси струи, вне ее границ
Через 10-15 минут после начала работы генератора холодного пара на твердой поверхности, параллельной оси струи, оставался «влажный» след. Границы влажного участка с достаточной точностью описываются прямыми линиями, пересекающимися примерно на срезе сопла парогенератора. Угол полураствора между границами составляет примерно 17,5. Характерно, что в области «влажного» следа вода испарялась постепенно, без нарушения ее границ, т.е. сушка проходила равномерно, по всей площади влажного следа.
После непродолжительной сушки в естественных условиях область «влажного» следа высыхала и оставалась зона «мокрого» следа. Зону «мокрого» следа можно определить как стабильную область сильно увлажненной поверхности, которая не высыхала в течение достаточно большого промежутка времени (более 30 минут). Внешние границы «мокрого» следа распространяются по прямым линиям, пересекающимся примерно в точке пересечения границ зоны «слабого» увлажнения. Угол полураствора между границами составляет примерно 11,4. Графики полурастворов зон «сильного» и «влажного» увлажнения представлены на рисунке 7. Отметим, что увлажняемая поверхность не соприкасалась с видимой частью струи. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что зона увлажнения твердой поверхности, располагаемой вне струи пара, увлажняется неравномерно. В связи с этим, зону увлажнения можно разделить на две части: зону сильного увлажнения и зону слабого увлажнения. Область влажного следа значительно превышает по ширине ширину видимой паровой струи.
Отметим, что полученные данные противоречат визуально наблюдаемым границам струи, так как и мокрый, и влажный следы находятся за пределами видимой части струи. Таким образом, в струе переохлажденного водяного пара имеется некоторый механизм, обеспечивающий дополнительный унос влаги из пределов самой струи.
Следует отметить и аномально интенсивное торможение струи. Плотность воды более высока по сравнению с плотностью пара. При торможении потока за счет сил инерции образуется скольжение фаз, т.е. появляется скорость обтекания капли, имеющей циркуляцию скорости по контуру. Главный вектор Ry сил давления пара на поверхность сконденсировавшейся капли отличен от нуля и направлен от оси струи к периферии. Величина главного вектора равна произведению плотности жидкости на скорость набегающего потока и на циркуляцию [78,79]: Ry=-pK\r- (8)
В результате воздействия поперечной силы капля может выйти из потока пара и увлажнить поверхность, не соприкасающуюся со струей. Таким образом, увлажнение твердой поверхности, находящейся вне пределов паровой струи, может быть объяснено циркуляционным обтеканием капель в паровом потоке. 3.3. Изменение температуры по оси струи
Графическая зависимость температуры T = /(L) не имеет ярко выраженных характерных точек (рисунок 8). Результаты измерений показали, что на выходе из сопла парогенератора температура пара составляет порядка 349 К. Это свидетельствует о том, что истекающий пар находится в неравновесном термодинамическом состоянии. Проведем сопоставление экспериментальных и расчетных (без учета конденсации) значений температур. При исследовании внешних границ струи переохлажденного водяного пара было сделано предположение (п.3.2), что механические процессы (интенсивность подмешивания воздуха в струю) протекают как в свободной автомодельной турбулентной струе. В связи с этим объемный расход на основном участке струи можно определить как для свободной автомодельной турбулентной струи [74], из которой было выявлено количество подмешанного воздуха в струю пара вдоль ее оси. По количеству подмешанного в струю пара воздуха рассчитывалась температура смеси пара и подмешанного воздуха в различных сечениях струи без учета тепла, выделяющегося при конденсации пара: где св = 1,005 кДж/(кг К) и с„= 1,005 кДж/(кг К) - соответственно теплоемкость воздуха и водяного пара; т„ = pnvco - массовый расход переохлажденного водяного пара, кг/с; рп = 5,5 кг/м - плотность водяного пара, рассчитанная по экспериментальным данным (где скоростной напор составил 21,5 кПа, расход воды 3 Ш6м3/с); v = 88 м/с - скорость истечения водяного пара; со = 6,154x10"6м2-площадь сопла; тві=рвАУі- масса подмешанного воздуха; рй= 1,205 кг/м -плотность воздуха; Тв=294,5К и Т„ =349 К- соответственно температура окружающего воздуха и температура истекающего пара в начальном сечении струи [77].
Из представленных на рисунке 9 графиков видно, что расчетные и экспериментальные данные температуры струи в зависимости от расстояния до сопла не совпадают. На начальном участке струи температура, полученная экспериментальным путем, превышает расчетную. Это можно объяснить тем, что переохлажденный пар в окружающем воздухе стремится к термодинамическому равновесию. В результате пар конденсируется, при этом освобождается теплота, равная теплоте, необходимой для испарения сконденсировавшегося пара. В этом случае разница в распределении температуры будет объясняться именно процессами конденсации переохлажденного водяного пара.
Диффузионное горение с подачей горючих газов за счет испарения с поверхности горючей жидкости
Данный вид горения можно разобрать на примере горения паров бензина. Особенности распространения пламени по поверхности бензина будут следующими. Интенсивность испарения зависит в первую очередь от температуры верхнего слоя бензина. Повышение температуры верхнего слоя происходит за счет излучательной способности факела пламени. В результате теплового движения часть молекул, преодолевая силы поверхностного натяжения жидкости, переходит в газовую зону, образуя над поверхностью горючей жидкости паровоздушную смесь. Такая смесь способна к реакции окисления. Пары большинства горючих жидкостей не способны к горению в атмосфере с содержанием кислорода менее 15%. При концентрации кислорода выше этого предела скорость выгорания возрастает [81, 83]. Максимальная температура турбулентного диффузионного пламени большинства горючих и легковоспламеняющихся жидкостей не превышает 1250- 1350С [81]. Горючая жидкость наливалась в противень и поджигалась. Делалась выдержка для прогрева слоя бензина и стенок противня. Во избежание разбрызгивания горючей жидкости под воздействием струи пара, струю подавали, начиная с наибольшего расстояния от среза сопла парогенератора до очага горения, под углом к поверхности 5-15. По характеру взаимодействия определялись механизмы тушения.
В качестве горючего материала применялся бензин марки А-80, обладающий следующими пожароопасными характеристиками: Бензин А-80, легковоспламеняющаяся бесцветная жидкость, представляющая собой смеси легких углеводородов. Бензины при горении прогреваются на глубину, образуя все возрастающий гомотермический слой. Скорость нарастания прогретого слоя 0,7 м/ч; температура прогретого слоя 80-100С; температура пламени 1200С Состав смеси, % (масс): бензин А-80 изобутанол 6-9; метанол14,5-15,0; вода 0,08-0,15. Температура вспышки - 35С, температура самовоспламенения 375С, температурные пределы распространения пламени: нижний - 35С, верхний - 17С [82]. Бензин заливался в противень, имеющий геометрические размеры 1 0,6 0,07 м, слоем 0,01 м, при этом высота борта по всему периметру составила 0,06 м. Парогенератор выводился на стационарный режим работы. Бензин поджигался, делалась выдержка 0,5 минуты, достаточная для прогрева слоя жидкости и стенок противня. Струей переохлажденного водяного пара воздействовали на поверхность бензина. При воздействии струи пара на поверхность горящего бензина наблюдалось прекращение горения по границам струи пара (рисунок 16). Тушение происходило на поверхности соприкосновения парожидкостной струи и зоны пламени. Струя пара могла разделять поверхность бензина на горящую и не горящую (потушенную) зоны. При этом становилось возможным создание устойчивого теплового экрана препятствующего теплообмену между зоной горения и потушенной области. Наиболее эффективное расстояние от сопла парогенератора до передней кромки протвиня составляла примерно 300 калибров. В одном случае из 10 произошел обратный проскок пламени в область погашенного бензина. После завершения всей серии экспериментов бензин в емкости не помутнел.
Горение паров бензина происходит по диффузионной схеме горения. В связи с этим, особенности прекращения горения паров бензина струей переохлажденного водяного пара будут примерно такими же, как при тушении диффузионного факела пламени (п. 4.1.). Прекращение горения струей пара горючих паров жидкости по механизму охлаждения происходит вследствие охлаждения факела пламени. Тушение за счет охлаждения горючего материала невозможно по причине высокой испаряемости бензина при температуре струи пара. Следовательно, прекращение горения горючей жидкости струей пара может достигаться, за счет охлаждения самого факела пламени. Количество переохлажденного водяного пара, необходимого для тушения горючей жидкости, будет определяться теплотой сгорания горючего материала и теплотой, которую сможет отвести струя пара от факела пламени. При этом, для прекращения горения по механизму охлаждение необходимо отвести от зоны горения примерно 10% от теплоты сгорания горючего материала [80]. В связи с этим, расход пара будет определяться выражением, представленным в п. 4.1. Теплота сгорания бензина, по справочным данным [81,83], составляет Д , =АЪ51вкДж1кг. Тогда, необходимый расход пара, составит ул 0,1-43576 . . - г. qiM = — » 4,4 кг на 1 кг бензина. чв 1000 Рассмотрим возможность тушения факела пламени паров бензина по механизму «разбавление» горючих паров до негорючих концентраций переохлажденным водяным паром. Для этого горючие пары бензина необходимо разбавить до нижнего концентрационного предела распространения пламени, 2,3 % (об.). Известно [80], что с 1 кг бензина образуется 12,35 м3 продуктов горения.
