Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ характерных пожаров и способов тушения резервуаров 13
1.1. Статистика пожаров на резервуарах с легковоспламеняющимися и горючими жидкостями 13
1.2 Закономерности возникновения и развития пожаров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей 18
1.3 Обзор существующих способов и средств тушения пожаров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей 30
1.4 Экологические проблемы, возникающие при тушении пожаров нефти и нефтепродуктов 56
1.5 Выводы 67
Глава 2. Разработка теоретической модели тушения нефтепродуктов и полярных жидкостей в резервуарах диоксидом углерода твердым гранулированным 69
2.1. Исходные данные и замечания 69
2.2. Теоретическое обоснование предлагаемого способа тушения пожаров нефтепродуктов и полярных жидкостей в резервуарах 70
2.3 Виды и свойства диоксида углерода 76
2.3. Моделирование способа тушения пламени жидкости в резервуаре диоксидом углерода твердым гранулированным 79
Глава 3. Экспериментальные исследования способа тушения пожаров нефтепродуктов и полярных жидкостей в резервуаре диоксидом углерода твердым гранулированным 92
3.1 Работы, проводимые по исследованию огнетушащей способности диоксида углерода твердого гранулированного 92
3.2 Измерение интенсивности сублимации диоксида углерода твердого, помещенного в различные виды жидкостей 95
3.3 Изучение механизма перемешивания в процессе сублимации диоксида углерода твердого, помещенного в жидкость 104
3.4 Исследование огнетушащей эффективности диоксида углерода твердого гранулированного 109
3.5 Оценка погрешности измерений 128
3.6 Выводы 133
Глава 4. Предложения технической реализации тушения реальных пожаров нефтепродуктов и полярных жидкостей в резервуаре диоксидом углерода твердым гранулированным 135
4.1. Состояние технического внедрения исследуемого способа 135
4.2. Технология производства диоксида углерода твердого 135
4.3. Техническое решение производства, подачи и хранения диоксида
углерода твердого гранулированного для тушения пожаров
нефтепродуктов и полярных жидкостей 138
Заключение 152
Список использованной литературы
- Закономерности возникновения и развития пожаров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей
- Экологические проблемы, возникающие при тушении пожаров нефти и нефтепродуктов
- Моделирование способа тушения пламени жидкости в резервуаре диоксидом углерода твердым гранулированным
- Изучение механизма перемешивания в процессе сублимации диоксида углерода твердого, помещенного в жидкость
Введение к работе
Резервуары, резервуарные парки и другие технологические сооружения транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов входят в состав предприятий системы снабжения потребителей нефтепродуктами (нефтебазы), предприятий нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности, объектов энергетики и электрификации, железнодорожного, воздушного, водного и автомобильного транспорта, а также промышленных и сельскохозяйственных предприятий, потребляющих нефтепродукты.
В каждой отрасли имеются определённые особенности технологического процесса, которые существенно влияют на их пожарную опасность.
Тушение пожаров на подобных объектах связано со значительными трудностями, кроме того, пожары наносят материальный ущерб и сопровождаются человеческими жертвами.
Статистика показывает, что резервуары средних и больших объемов с нефтепродуктами, и особенно с полярными жидкостями, существующими автоматическими системами практически не тушатся. Тушение пожаров в резервуарах, как правило, осуществляется в основном мобильными средствами. Если тушение не возможно по каким-либо причинам, то производится выжигание продукта. При тушении пожаров резервуаров возникают проблемы, связанные с экологией и качеством оставшейся в резервуаре продукции. В связи с этим, существует необходимость разработки новых способов и средств тушения нефтепродуктов и полярных жидкостей в резервуарах, достаточно эффективных и «чистых» по указанным выше проблемам.
Актуальность темы. Анализ проблем, возникающих при тушении пожаров нефтепродуктов и полярных жидкостей в резервуарах существующими средствами и способами приводит к следующим выводам:
- существующие системы автоматического пожаротушения в 60% случаев не выполняют функции тушения пожара в первые минуты с момента его начала, в связи с утратой работоспособности системы вследствие
взрыва паровоздушной смеси, формирующейся над поверхностью жидкости в резервуаре;
тушение, осуществляемое передвижной пожарной техникой подачей пены через борт резервуара, усложнено образованием закрытых пространств - «карманов» - в результате деформации стенок и конструкций резервуара при длительном его горении;
тушение пожара в резервуарах требует сосредоточения значительных сил личного состава и техники. Время ликвидации пожаров может составлять десятки часов.
При горении нефтепродуктов и полярных жидкостей в непосредственной близости от очага горения концентрация СО, NO2 и SO2 выше в 10-100 раз санитарно-гигиенических норм.
Данные об экологических свойствах пенообразователей, используемых для тушения пожаров, свидетельствуют о том, что даже так называемые мягкие пенообразователи не исчезают бесследно и наносят ущерб окружающей среде.
Таким образом, ситуация, складывающаяся в области тушения пожаров в резервуарах существующими средствами и способами, показывает необходимость разработки новых эффективных, в том числе и в экологическом смысле, систем пожаротушения.
В настоящей работе проведены исследования по применению в качестве огнетушащего средства пожаров нефтепродуктов и полярных жидкостей диоксида углерода твердого гранулированного.
В начале работы необходимо сделать важное замечание. Название исследуемого огнетушащего вещества - диоксид углерода - выбрано с точки зрения правильного названия химического вещества [62, 96], тем не менее, термины «двуокись углерода» и «углекислота» являются с технической точки зрения синонимами исходного названия.
Способ тушения пожаров нефтепродуктов и полярных жидкостей в резервуарах диоксидом углерода твердым не является открытием автора на-
стоящего исследования. Впервые об этом способ тушения упоминается в источниках [14, 117] и несколько позднее в работах [16, 59]. Но исследования, проведенные в указанных работах достаточно общие и дают слабое качественное представление о механизмах тушения и позволяют делать лишь общие выводы о возможности тушения горючих жидкостей диоксидом углерода твердым.
Если говорить о технологии подачи, то до настоящего момента проблема не решалась вообще, в связи с отсутствием установок, позволяющих реализовать на практике способ тушения для резервуаров.
Цель работы: обоснование возможности применения способа тушения пожаров на резервуарах с нефтепродуктами и полярными жидкостями диоксидом углерода твердым гранулированным.
Для достижения поставленной цели необходимо в комплексе решить следующие задачи исследования:
Разработать теоретическую модель предлагаемого способа тушения.
Исследовать способ тушения пожаров нефтепродуктов и полярных жидкостей в резервуаре диоксидом углерода твердым. Исследовать механизмы, присутствующие при тушении указанным способом.
Установить зависимость эффективности тушения пожара в резервуаре от удельного расхода диоксида углерода твердого гранулированного.
Обосновать возможность технического применения исследуемого способа тушения, с использованием существующих технических средств получения, хранения и доставки диоксида углерода твердого гранулированного к месту пожара нефтепродуктов и полярных жидкостей в резервуаре.
Объект исследования: способ (закономерности) тушения различных видов нефтепродуктов и полярных жидкостей в резервуаре диоксидом углерода твердым гранулированным.
Предмет исследования: механизм взаимодействия твердой гранулированной двуокиси углерода с нефтепродуктами и полярными жидкостями. Механизмы огнетушащего воздействия твердой двуокиси углерода.
В связи с этим, научная новизна работы заключается в том, что:
разработаны: теоретическое описание способа тушения нефтепродуктов и полярных жидкостей диоксидом углерода твердым; методики определения интенсивности газообразования диоксида углерода, помещенного в различные виды жидкостей и эффективности тушения пламени нефтепродуктов и полярных жидкостей в резервуаре диоксидом углерода твердым гранулированным;
на основании результатов экспериментальных исследований установлена закономерность поведения диоксида углерода твердого в различных видах жидкостей и изучены основные механизмы, влияющие на эффективность процесса тушения;
предложены эмпирические формулы, выражающие оптимальное количество удельного расхода диоксида углерода твердого гранулированного, необходимого для тушения пожара исследуемых жидкостей в резервуаре;
обоснована возможность технического применения исследуемого способа тушения, с использованием существующих технических средств получения, хранения и доставки диоксида углерода твердого гранулированного к месту пожара нефтепродуктов и полярных жидкостей в резервуаре.
На защиту выносится:
теоретическое обоснование способа тушения нефтепродуктов и полярных жидкостей диоксидом углерода твердым;
методика исследования огнетушащей эффективности диоксида углерода твердого для различных видов жидкостей и влияния на температурное поле при тушении с учетом скорости газообразования в процессе сублимации;
результаты экспериментальных исследований по тушению горящих жидкостей диоксидом углерода твердым;
технические возможности реализации тушения реальных пожаров нефтепродуктов и полярных жидкостей в резервуаре диоксидом углерода твердым гранулированным.
рекомендации по тушению пожара нефти и нефтепродуктов в резервуаре.
Практическая ценность работы подтверждается тем, что на основе проведённых исследований сформулированы условия и практические рекомендаций по технической реализации тушения пожаров на резервуарах с нефтепродуктами диоксидом углерода твердым.
Получены формулы для расчёта необходимого количества огнетуша-щего вещества при тушении пожаров исследуемых жидкостей.
Выявлены условия оптимального применения способа тушения пожаров нефти и нефтепродуктов в резервуаре.
Реализация на практике. Выводы и результаты реализованы при разработке технического задания на создание мобильной установки для тушения пожаров нефтепродуктов и полярных жидкостей в резервуарах диоксидом углерода твердым гранулированным в Службе пожарно-спасательной и местной обороны Министерства обороны Российской Федерации. Полученная теоретическая модель способа тушения пожаров нефтепродуктов в резервуарах диоксидом углерода твердым гранулированным и результаты исследования включены в учебную программу по дисциплине "Физико-химические основы развития и тушения пожаров" в Тольяттинском военном техническом институте и Академии ГПС МЧС России.
Апробация работы. Основные результаты проведённых исследований докладывались: на IX научных чтениях Академии МАНЭБ в Самаре в 2005 году; на научно-практическом семинаре в Тольяттинском военном техническом институте МО РФ 2005 г.; на 3-ей и 4-ой межвузовских научно-практических конференциях в Тольяттинском военном техническом институте в 2005 и 2006 гг.; на XV научно-технической конференции «Системы безопасности» в Академии ГПС МЧС России в 2006 г. и обсуждались на объ-
единённом заседании кафедр «Пожарная безопасность технологических процессов», «Процессов горения и экологии», «Пожарной техники» и «Общей и специальной химии» Академии ГПС МЧС России.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 статей.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, списка использованной литературы, приложений. Содержание диссертации изложено на 169 страницах, включая 44 рисунка, 18 таблиц, 1 приложение, список литературы из 144 наименований.
Закономерности возникновения и развития пожаров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей
Для хранения нефти и нефтепродуктов в отечественной практике применяются резервуары металлические, железобетонные, земляные, из синтетических материалов, льдогрунтовые [38].
Наиболее распространены как у нас в стране, так и за рубежом, стальные вертикальные цилиндрические резервуары.
Пожары в резервуарах, как правило, начинаются с воспламенения па-рогазовоздушной смеси в свободном пространстве резервуара.
Образование парогазовоздушной смеси основано на способности жидкости к испарению. В результате теплового движения часть молекул, преодолевая силы поверхностного натяжения жидкости, переходит в газовую зону, образуя над поверхностью ЛВЖ, ГЖ паро-воздушную смесь. Если объем над жидкостью замкнутый, то при любой температуре жидкости устанавливается динамическое равновесие между процессами испарения и конденсации [26].
Для создания НКПР паров над поверхностью жидкости достаточно нагреть до температуры, равной НТПР, не всю массу жидкости, а лишь только ее поверхностный слой.
При наличии источника зажигания такая смесь будет способна к воспламенению [4, 5] (при условии, что интервал температур будет таким, при котором концентрация насыщенных паров над поверхностью будет находиться в области воспламенения, т.е. НКПР (рп ВКПР).
Необходимо отметить, что концентрация образующейся смеси приводит к взрыву смеси в свободном пространстве резервуара, в результате чего происходит разрушение крыши резервуара или нарушение целостности ее конструкции. Взрывы в стальных резервуарах со стационарной крышей чаще всего приводят к отрыву ее от стенок, при этом она может быть полностью сброшена или упасть внутрь резервуара. Если резервуар с понтоном, то падающая кровля может повредить понтон, затопить его или деформировать.
Сила взрыва, как правило, большая у тех резервуаров, где имеется большое газовое пространство, заполненное смесью паров нефтепродукта с воздухом (низкий уровень жидкости) .В зависимости от силы взрыва в вертикальном металлическом резервуаре может наблюдаться следующая обстановка: - крыша срывается полностью, ее отбрасывает в сторону на расстояние 20—30 м. Жидкость горит на всей площади резервуара; - крыша несколько приподнимается, отрывается полностью или частично, затем задерживается в полупогруженном состоянии в горящей жидкости (рис. 1.4); - крыша деформируется и образует небольшие щели в местах крепления к стенке резервуара, а также в сварных швах самой крыши. В этом случае горят пары ЛВЖ над образованными щелями.
При пожаре в железобетонных заглубленных (подземных) резервуарах от взрыва происходит разрушение кровли, в которой образуются отверстия больших размеров, затем в процессе пожара может произойти обрушение покрытия по всей площади резервуара из-за высокой температуры и невозможности охлаждения ее несущих конструкций.
У цилиндрических, горизонтальных, сферических резервуаров при взрыве чаще всего разрушается днище, в результате чего жидкость разливается на значительную площадь, создается угроза соседним резервуарам и сооружениям.
Горение жидкости в резервуаре представляет собой диффузионное горение струи пара в воздухе. Поток пара к пламени поддерживается благодаря непрерывно идущему испарению, скорость которого определяется мощностью теплового потока от пламени к жидкости и ее свойствами. Кислород, необходимый для горения, поступает из окружающей среды. Процесс проникания окружающего воздуха в резервуар при низком уровне взлива горящей жидкости можно представить следующим образом. Разрежение, возникающее на выходе конвекционной колонны из резервуара, вызывает подсос воздуха. У пламени нет замкнутого фронта. Через зоны, в которых горение не происходит, воздух проникает к центру пламени. Смешивание и горение происходят более или менее глубоко внутри резервуара. Диаметр реакционной зоны и формирующейся над ней конвекционной колонны равен примерно половине диаметра резервуара [32].
В связи с сильными и непрерывными турбулентными пульсациями довольно сложным оказывается вопрос о геометрических (форма, размеры) и термических (температура, излучающая способность) характеристиках пламени. На основании экспериментов установлены осредненные характеристики. В работе [40] установлено, что высота Щ факела (светящейся части) пламени растет с увеличением диаметра DP резервуаров, а их отношение Нф/Dp (относительная высота пламени) для диаметров 1 м и более меняется мало и в среднем равно 1—2. Идеализированную форму пламени представляют в виде конуса или цилиндра с зеркалом горящей жидкости в основании (рис. 1.5).
Экологические проблемы, возникающие при тушении пожаров нефти и нефтепродуктов
К числу последствий пожаров, не всегда очевидных, относится загрязнение биосферы, причем не только дымом и токсичными продуктами горения, но и розливами пожаров нефтепродуктов и полярных жидкостей из разрушившихся емкостей и хранилищ, а также огнетушащих средств используемых при тушении пожаров.
На рисунке 1.13 очень хорошо видна доля загрязнения окружающей среды от пожаров нефти и нефтепродуктов в сравнении с другими видами загрязнений в результате пожаров и аварий. Продукты горения древесины Аммиак Природный газ
При этом необходимо отметить, что, несмотря на постоянное развитие нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей отрасли проблема экологического загрязнения в результате пожаров нефтепродуктов и полярных жидкостей остается очень острой. Пожары пожаров нефтепродуктов и полярных жидкостей в резерву-арных парках характерны тяжелыми последствиями. Тяжесть обусловлена, как правило, огромным материальным ущербом, использованием большого количества сил и средств пожарной охраны, а также воздействием пожаров на людей и прилегающие объекты. Наряду с этим, особую настороженность вызывает величина экологического ущерба наносимого окружающей среде [52].
При непосредственном горении нефти и нефтепродуктов в первую очередь загрязняется атмосфера.
В воздушную оболочку земли выбрасываются продукты неполного (окись углерода, сажа и продукты термоокислительного разложения) и полного (углекислый газ, сернистый газ, пары воды, азот) сгорания.
Углеводороды в составе нефти и нефтепродуктов относительно безвредны, но продукты их сгорания, выделяющиеся при пожарах в огромном количестве, накапливаются в атмосфере, воде, в почве и являются источником экологического дисбаланса окружающей среды.
Анализ данных свидетельствует о том, что при горении нефтепродуктов и полярных жидкостей в непосредственной близости от очага горения концентрация СО, N02 и S02 выше в 10-100 раз санитарно-гигиенических норм (ПДКСС). Наибольшее количество оксида углерода выделяется при горении бензина. Опасный уровень выделения N02 и S02 во много раз больше, чем СО, так как ПДКСС последней почти в 100 раз больше других токсичных газов.
Пожары и сжигание разлитых нефтепродуктов может приводить к серьезному загрязнению ОС, имеющему последствия для людей и природных экосистем, в случае горения больших объемов горючих жидкостей [53].
Анализ состава продуктов горения показывает, что часть токсичных соединений присутствует в воздухе в концентрациях, близких к ПДК.
Кроме того, интенсивность выбросов достаточно велика. Так, только при одном пожаре на РВС-2000, за короткое время в воздух может произойти выброс около тысячи тонн опасных веществ.
В целом масса выбросов загрязняющих веществ в атмосферу паров горючих жидкостей и продуктов горения - 6 млн. т в год составляет около 40-50 % от штатных выбросов объектов ТЭК - 12 млн. т в год.
Не менее значительный фактор при пожарах нефти и нефтепродуктов, влияющий на загрязнение окружающей среды - загрязнение почвенного слоя и водной среды в результате разливов нефти и нефтепродуктов.
Проникновение нефти и нефтепродуктов в почву при аварийных разливах приводит к изменениям ее свойств: увеличивается содержание углерода и гетероатомов, в частности, тяжелых металлов, серы и др., ограничивается содержание влаги. Загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами нарушает условия протекания окислительно-восстановительных процессов в почвенном биоценозе. Действие легких фракций нефти и нефтепродуктов обнаруживается сразу, а эффект тяжелых фракций позже. Хотя почвенные экосистемы обладают большим потенциалом самоочищения от нефти и нефтепродуктов, при высоком уровне загрязнения скорость процесса замедляется и почвенные микроорганизмы сами не могут справиться с загрязнением, почвы деградируют.
Можно видеть, что количество металлов в несгоревшем остатке больше, чем нефти. С учетом того, что при горении разлитой жидкости в почве остается 50 % нефти, концентрация металлов сохраняется в ней примерно на том же уровне. Считается что, наибольшую опасность для почв представляют разливы дизельного топлива. В дизтопливе содержится больше серы, чем в бензинах и керосинах, а любая из форм серы в нефтепродуктах (сероводород, меркаптаны, тиофены) оказывают токсическое воздействие на живые организмы. Таким образом, в случае, когда происходят разливы и пожары нефти и дизтоплива, почвы требуют дополнительной очистки.
Необходимо обратить внимание, что тушение пожаров нефтепродуктов существующими способами также негативно отражается на экологическом равновесии.
Как отмечалось ранее, на сегодняшний день пена является основным огнетушащим средством при ликвидации горения нефти и нефтепродуктов.
Основными показателями качества пены являются ее реологические свойства: стойкость к тепловым и механическим воздействиям. Все необходимые требования к этим свойствам пены обеспечиваются подбором пенообразователей на основе ПАВ.
В процессе тушения пена разрушается, а пенообразователи в большинстве случаев попадают в грунт и водоемы. Известны случаи, когда применение пен для тушения пожаров стало причиной локальных экологических катастроф. Так, в Германии (1987 г.) при тушении пожара пеной загрязнение реки Фуртбах вызвало гибель растений и рыбы. В другом случае из-за попадания в водоем только 0,5 л пенообразователя при промывке полости насоса также погибла вся рыба.
При недавнем пожаре на нефтехранилище в Хартфордшире (Великобритания), произошедшем в декабре 2005 года и продолжавшемся трое суток расход раствора пенообразователей составлял 1920 м час". Экологи заявляют о том, что пожар, может стать причиной нарушения рыбного промысла и нарушением экологического равновесия в районе на длительное время.
Моделирование способа тушения пламени жидкости в резервуаре диоксидом углерода твердым гранулированным
Принципиальная схема исследуемого способа тушения представлена на рисунке 2.3.
Гранулы диоксида углерода твердого помещаются в резервуар с горящей жидкостью. Так, как плотность твердой фазы диоксида углерода выше плотности жидкости, гранулы (1) опускаются на дно резервуара. На поверхности гранул бурно протекает сублимация, в результате которой происходит активное поглощение тепла от окружающей жидкости (теплота сублимации г=570,8 кДж кг 1). Выделившийся газ устремляется к поверхности зеркала жидкости (2). В результате сильно развитого контакта по поверхности мельчайших пузырьков диоксидом углерода с горючей жидкостью, большой разности температур газа и жидкости (At 100-250C) и большой теплоемкости СОг - происходит активное поглощение тепла для нагревания газовых потоков до температуры жидкости. Газовые потоки, за счет силы трения, вызывают завихрения, создающие активное перемешивание слоев, что приводит к снижению температуры поверхностного слоя.
Кроме того, в процессе сублимации с потерей массы гранулы поднимаются к поверхности (3). Это связано с образованием вокруг гранул постоянной газовой оболочки, которая создает подъемную силу. Происходит дополнительный тепломассоперенос, снижающий энергетический запас поверхностного слоя.
Выделяющийся газ, проникая через границу среды жидкость - атмосфера, скапливается над поверхностью зеркала жидкости (4). Происходит разбавление и охлаждение зоны горения. Необходимо заметить, что газ диок сида углерода нейтральный, и огнетушащая концентрация, достаточная для потухания пламени, составляет около 30% от состава смеси.
Вследствие действия всех описанных механизмов: охлаждения и перемешивания слоев жидкости, охлаждения и разбавления зоны пламенного горения - наступает потухание пламени.
Таким образом, имеем дело со сложной открытой термодинамической системой, в которой имеет место одновременно множество термодинамических процессов тепло- и массопереноса. Схематично система изображена на рис. 2.4.
Графическое представление термодинамической системы
Для удобства рассмотрения процесса мысленно разбиваем представленную систему на три подсистемы, в которых рассматриваем более упрощенные термодинамические процессы. Опишем физическую суть этих подсистем. I подсистема - тепло-массоперенос, в результате фазового перехода твердое тело - газ в жидкой среде. В подсистеме рассматривается процесс сублимации диоксида углерода твердого гранулированного, помещенного в жидкость. С поверхности гранул диоксида углерода твердого происходит активное выделение газа вследствие активного поглощения тепла. Процесс сублимации аналогичен процессу кипения жидкости с твердой поверхности.
Диоксид углерода за время г поглощает тепло, необходимое для процесса межфазового перехода. Интенсивность тепла поглощаемого в единицу времени при сублимации, q "(j), Дж-с"1, выражается как: С(г) = Ч т (г) Дж сЧ (2.13. где гсо - теплота сублимации rco =570,8-103 Дж-кГ1, т\т) - значение расхода газа диоксида углерода в момент времени г, кг с"1.
II подсистема - тепломассоперенос в двухкомпонентной среде жидкость - газ. В этой подсистеме имеет место процесс поглощения тепла газом диоксида углерода от жидкости в резервуаре. Газовые потоки, образованные в I подсистеме, перемещаются к поверхности резервуара, вызывая при этом движение самой жидкости вследствие силы трения. Тепло, qHaip{r), Дж-с"1, по глощаемое при нагревании диоксида углерода от контакта с жидкостью от температуры твердого вещества Тсубл до температуры жидкости Тж в единицу времени, определяется как: СГ(г) = с2 т (т (тж-тчь) Дж с" - (2.14/ где ссо - удельная теплоемкость газа диоксида углерода, Дж кг"1 К"1.
В исследованиях, представленных в настоящей работе использовались гранулы цилиндрической формы с высотой h и радиусом R.
Гранулы, помещенные в жидкость, с потерей массы, выражаемой величиной т , кг м"2 с"1,уменьшаются в пространстве. Проанализируем изменения, связанные с изменением геометрических параметров гранул. Гранула имеет правильную цилиндрическую форму. Тогда, в начальный момент времени г0 = 0, размеры гранулы / = R и h0=h. Изначально, задаем условие, что / = 2 (,. Кроме того, предполагаем, гранула изменяет свои размеры пропорционально.
Изучение механизма перемешивания в процессе сублимации диоксида углерода твердого, помещенного в жидкость
Одним из механизмов, привлекающим интерес при исследовании способа тушения нефти и нефтепродуктов диоксидом углерода твердым является перемешивание слоев жидкости в резервуаре потоками газа, устремляющимися от дна резервуара к поверхности зеркала жидкости в результате процесса сублимации диоксида углерода твердого.
Обратимся к физическим основам механизма. При горении в жидкости резервуаре у поверхности образуется гомотермический слой, температура которого, близка температуре кипения горящей жидкости. Толщина слоя составляет не более 5 см. В глубине резервуара температура жидкости длительное время остается неизменной.
При помещении в объем жидкости диоксида углерода твердого, гранулы опускаются на дно резервуара. В результате фазового перехода твердого тела в газ к поверхности жидкости устремляются потоки газа, вызывающие движение слоев жидкости во всем резервуаре. Возникающий массоперенос, вызывает активный теплоперенос в слое жидкости, в результате которого происходит охлаждение прогретого верхнего слоя. Принципиальная схема механизма перемешивания слоев жидкости газовыми потоками показана на рис.3.4.
Для построения общей физико-математической модели, позволяющей описать закономерности способа тушения нефтепродуктов и полярных жидкостей и для получения требуемых для расчетов данных необходимо изучить гидродинамику механизма перемешивания и тепловые процессы, протекающие при тушении пламени.
Общие принципы гидродинамики механизма перемешивания, выявленные в результате проведенных экспериментов описаны ниже.
Визуальное наблюдение, за частицами марганцовки, введенных в жидкость, в которую предварительно помещены гранулы диоксида углерода твердого, дало картину, характерную для турбулентных потоков [8].
Кроме того, наблюдения движения жидкости в резервуаре с прозрачными стенками показывают, что в потоке преобладают крупномасштабные пульсации в которых, как известно, заключена наибольшая доля энергии пульсаций. Поэтому представляет большой интерес определить характер этих пульсаций в разных местах потока.
Характер пульсаций скорости в очень сильной степени зависит от расстояния до гранул, образующих поток газа. На небольшом расстоянии наблюдаются довольно упорядоченные, регулярные колебания, амплитуда и частота которых зависят от количества гранул диоксида углерода, а соответственно от расхода газа, образующегося при сублимации. По мере удаления от гранул колебания становятся все более хаотическими и теряют полностью регулярный характер.
Чтобы более ясно представить себе связь характера пульсаций скорости с местом положения датчика в потоке, попытаемся объяснить продвижение пузырьков воздуха в толще жидкости.
При больших скоростях образования газа, пузырьки образуются в результате некоторого процесса, не связанного с поочередным отделением пузырьков гранулы, как это имеет место при малых размерах гранул.
Движение в струе имеет крайне нерегулярный характер. Нерегулярность усугубляется не только неравномерным распре делением пузырьков по сечению струи, но и колебаниями двухфазного ядра струи около вертикальной оси, которые особенно заметны на сравнительно больших расстояниях от гранул.
Колебания низкой часто ты на расстояниях, удаленных от гранул, объясняются, вероятно, прохождением отдельных групп пузырьков газа.
Таким образом, в двухфазной струе намечаются две области: начальный участок, где происходит образование пузырьков воз духа и который характеризуется регулярными возмущениями в жидкости, и основной участок, в котором наблюдаются весьма неупорядоченные пульсации. В рассматриваемых опытах начальный участок составлял около 80 см. Интенсивность пульсаций, определяется как отношение: r- (2.56.] v, где v z - пульсация скорости в данной точке; vz - среднее значение скорости в данной точке.
Итак, исследования показывают весьма сложную структуру турбулентной двухфазной струи. В струе наблюдаются колебания различных частот, причем крупномасштабные пульсации имеют низкую частоту. Струю можно разделить на два участка, которые по аналогии со свободной затопленной струей можно назвать начальным и основным. В начальном участке двухфазной струи происходит процесс образования пузырьков воздуха, который имеет периодический характер. Основной участок — это область движения образовавшихся пузырьков, движущихся здесь, по-видимому, группами. Интенсивность турбулентных пульсаций в основном участке весьма высока. Последнее обстоятельство весьма важно для понимания процесса перераспределения темпера туры при тушении пламени.
Для расчета параметров системы тушения нефтепродуктов с участием механизма перемешивания потоками газа диоксида углерода необходимо иметь данные о зависимости средней скорости движения жидкости на свободной поверхности от расхода газа, высоты слоя жидкости и т. д.
