Введение к работе
Актуальность проблемы. В период 1995-2008 гг. из-за самовозгорания веществ и материалов происходило 600-2000 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 Н.Н. Семенова, ДА. Франк-Каменецкого, Я.Б. Зельдовича, О.М. Тодеса, Томаса (Р.Н. Thomas), Бауса (Р.С. Bowes), А.Г. Мержанова, Ф.И. Дубовицкого, В.В. Барзыкина, А.П. Алдушина, СИ. Худяева, В.Т. Гонтковской, Паркса (J.R. Parks), Энига (I.W. Enig), Грэя (Р. Gray), Харпера (M.J. Harper), Ли (P.R. Lee), Доналдсона (А.В. Donaldson), Харди (Н.С. Hardee), Фридмана (М.Н. Friedman), Р.С. Буркиной, Б.С. Сеплярского и пр. Значительный практический вклад в изучение процессов самовозгорания внесен А.Н. Баратовым, СИ. Таубкиным, Я.С. Киселевым, Л.П. Вогманом, А.П. Петровым, В.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, выводя 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 новизна 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 7-11 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, 6-11 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 13-17 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.
Похожие диссертации на Самовозгорание материалов при симметричном и несимметричном теплообмене с окружающей средой
