CC BY
27
Д. А. КОРОЛЬЧЕНКО, канд. техн. наук, заведующий кафедрой комплексной безопасности в строительстве Московского государственного строительного университета (Россия, 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26; e-mail: ICA_kbs@mgsu.ru)
А. Ф. ШАРОВАРНИКОВ, д-р техн. наук, профессор кафедры комплексной безопасности в строительстве Московского государственного строительного университета (Россия, 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26; e-mail: ICA_kbs@mgsu.ru)
УДК 614.841.412
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ВРЕМЯ ВЫБРОСА НЕФТЕПРОДУКТОВ ПРИ ГОРЕНИИ В РЕЗЕРВУАРЕ
Показано, что физическая природа выброса нефтепродуктов при пожарах в резервуарах связана с перегревом и испарением накопившейся на дне резервуара или на поверхности понтона подтоварной воды. Показано также, что время, в течение которого гомотермический слой нефти, прогретый в результате горения в резервуаре до температуры кипения, достигает уровня подтоварной воды или воды, введенной в резервуар в процессе тушения пожара, зависит от тепловых потерь в окружающую среду через боковую поверхность резервуара. Установлено, что время выброса зависит от площади поверхности резервуара, охлаждаемой водой. Показано, что при интенсивном охлаждении водой скорость формирования гомотермического слоя резко снижается с ростом его толщины. Выведены соотношения для определения времени выброса нефтепродукта, которые показывают, что на время выброса нефтепродукта при пожаре в резервуаре влияют скорость прогрева жидкости, ее линейная скорость выгорания, начальный уровень горючего в резервуаре и толщина гомотермического слоя. Приведены формулы, описывающие динамику изменения толщины гомотермического слоя, которые могут быть использованы для прогнозирования времени выброса нефтепродукта при длительном нагреве.
Ключевые слова: пожар; резервуар; время выброса нефтепродуктов; гомотермический слой нефти; уровень подтоварной воды.
Физическая природа выброса нефтепродуктов при пожарах в резервуарах связана с перегревом и испарением накопившейся на дне резервуара или на поверхности понтона подтоварной воды.
Время, в течение которого гомотермический слой (ГТС) нефти, прогретый в результате горения в резервуаре до температуры кипения, достигает уровня подтоварной воды или воды, введенной в резервуар в процессе тушения пожара, зависит от тепловых потерь в окружающую среду через боковую поверхность резервуара [1,2].
Начальная линейная скорость прогревания нефтепродукта в процессе горения, а также массовая скорость его выгорания могут быть определены из справочной литературы и по экспериментальным данным, а размер резервуара, уровень горючего и подтоварной воды — из технической документации (РД, ГОСТов).
Для установления времени выброса необходимо определиться с площадью поверхности резервуара, охлаждаемой водой.
На рисунке представлена схема резервуара с нефтью, в котором формируется гомотермический слой.
© Корольченко Д. А., Шароварников А. Ф., 2014
Тепловой поток от факела пламени расходуется в основном на испарение нефти и формирование потока горючих паров в зону горения. Рассеивание
ет
— основные направления тепловых потоков
тепла боковой поверхностью металлического резервуара пропорционально изменению толщины гомо-термического слоя Н. Тепло, расходуемое на испарение нефти, определяется произведением массовой скорости выгорания и теплоты сгорания:
бт = «6с + ип^о рСж (Тп - Т0) +
+ а^б (Тп - То) + а2^о (Тп - То), (1)
где бт — поток тепла от факела пламени к поверхности жидкости в резервуаре, Дж/с; т — массовая скорость выгорания горючей жидкости (ГЖ), кг/с; бс — теплота сгорания, Дж/кг; ип — скорость прогрева жидкости, м/с;
— площадь поверхности ГЖ в резервуаре, м2; р — плотность ГЖ, кг/м3; Сж — теплоемкость ГЖ, ДжДкг-К); Тп — температура поверхности ГЖ при горении, К;
То — начальная температура ГЖ, равная температуре окружающей среды, К; а1, а2 — коэффициент теплопередачи соответственно через стенку резервуара и от гомотер-мического слоя в глубь ГЖ, Дж/(м2-с-К); Еб — площадь боковой поверхности ГТС, м2. Массовую скорость выгорания т выражаем через удельную ит (кг/(м2-с)), а площадь боковой поверхности ГТС — через его толщину Н (м):
т ит ^о;
^б = 2лЯН,
(2) (3)
где Я — радиус резервуара, м.
Переменную величину ип выразим в явном виде:
ип = йН/йх.
(4)
В уравнении (1) перенесем постоянные во времени члены в его левую часть, обозначив
ЛТ = Тп- То. (5)
Подставив выражения (2)-(5) в уравнение (1), получим:
бт - итРоЯс - а2Ро(Тп - То) =
йН
= р Сж ЛТ йН + 2л Я а1 НЛТ. (6)
йх
Обозначив левую часть через q, получим исходное дифференциальное уравнение, описывающее изменение толщины слоя во времени:
йН
р Сж ЛТ — = q - 2лЯа1 НЛТ; (7)
йх
йН
= q
йх
(8)
где а = ^о р Сж ЛТ; Ь = 2лЯа1ЛТ
Решением уравнения (8) при начальных условиях х = 0, Н = 0 является соотношение
а, q х = — 1п
(9)
Ь q - ЬН Введем обозначение:
х 0 = а/Ь =р еЯ/ (2а). (10)
Выведем величину Н из уравнения (9):
Н = Т {1 - е ^ ^. (11)
При х — да значение Н становится максимальным:
Н = Нт = а/Ь, (12)
где Нт — максимально возможная толщина гомо-термического слоя, м.
Найдем производную йН/йх:
-Г йН 1= и = -х (Ь/а) {йх ] = и п = а .
(13)
При х —^ 0
ип = и = q/a, (14)
где и0 — начальная скорость прогрева жидкости, м/с.
Из соотношения (14) получим формулу для расчета q:
q = аи0. (15)
Дробь под логарифмом в формуле (9) разделим на Ь, предварительно заменив q на аи0 из (15), и получим:
х = х«1п^ "х 01п НТ-Н • <16
где Нт = х 0и0 = и0 а = Т ; (17)
ЬЬ
х0 — время начала прогрева жидкости, ч. Аналогично упростим формулу (11):
Н = Нт ( 1 - е-т (Ь/а)! .
(18)
Формулы (16) и (18) описывают динамику изменения толщины гомотермического слоя и могут быть использованы для прогнозирования времени выброса нефтепродукта при длительном пожаре. Применимость соотношения (16) ограничивается условием Нт >> Нг, т. е. максимально возможная толщина гомотермического слоя должна быть существенно больше толщины слоя горючего в резервуаре.
Численные значения коэффициента теплоотдачи а1 на границе стенка резервуара - воздух можно определить из критериального соотношения для свободной турбулизованной конвекции воздуха около нагретой стенки [3]:
Ш = 0,1(0г-Рг)1/3, (19)
где № — число Нуссельта;
Ог — критерий Грасгофа; Рг — критерий Прандтля. Для нашего случая Рг = 0,75 [3], откуда
1 = 0,09Х (р/у )1/3,
(20)
где X — коэффициент теплопроводности теплоносителя, Вт/ (мК);
Р — коэффициент температурного расширения, К-1;
у—кинематический коэффициент вязкости, м/с. При охлаждении поверхности резервуара водой коэффициент теплоотдачи а1 может быть найден по соотношению
Ш2 = 0,25Аг1/3, (21)
где Аг — число Архимеда.
Это соотношение учитывает режим пленочного испарения воды при контакте с нагретой поверхностью резервуара:
X
а1 = 0,25-2-уп
1/3
(22)
где Хп — коэффициент теплопроводности пленки, Вт/(м-К);
уп — кинематический коэффициент вязкости пленки, м2/с;
g — ускорение свободного падения, м/с2. Если охлаждение ведется с небольшим расходом воды, то среднее значение а может быть уменьшено пропорционально площади орошаемой поверхности. Например, если орошается только половина боковой поверхности, то среднее значение а составит:
10 + 730
а =
2
= 370 Вт/(м-с).
При интенсивном охлаждении водой скорость формирования гомотермического слоя резко снижается с ростом его толщины. Максимальная толщина гомотермического слоя определяется соотношением количества уходящего тепла через стенки резервуара, которое увеличивается по мере прогревания жидкости, к величине теплового потока от факела пламени к поверхности горения.
Если максимальная толщина гомотермического слоя меньше расстояния от поверхности до водного слоя, расположенного на дне резервуара, то время, через которое гомотермический слой достигнет воды, будет определяться не только скоростью прогревания, но и скоростью выгорания.
Выведем расчетное соотношение для случая, когда максимальная толщина гомотермического слоя меньше, чем толщина слоя горючей жидкости, т. е. кт < кг (расчет кт ведется по формуле (17)).
В общем случае нижняя граница гомотермического слоя будет определяться как прогреванием ГЖ, так и понижением уровня жидкости в результа-
те ее выгорания. Если за точку отсчета взять положение уровня жидкости до горения, то координату нижней границы гомотермического слоя 2 (м) можно определить по соотношению
г = и1х + ип т,
где и1 — линейная скорость выгорания, м/с. Выразим ип в явном виде:
-т (а/Ь)
г = и1 т + -Ч 1 - е Ь
(23)
(24)
Если 2 >> кт, то величиной е т(а/Ь) можно пренебречь. Тогда получаем выражение
г = и1 т + — = к. 1Ь
(25)
Учитывая, что д = аП0,а также зная значения а и Ь, получим уравнение для определения времени от начала прогрева жидкости до выброса ГЖ, если
кт << кг:
т=
к г и0 рЛ = к Т -т 0и0
и1 и1 2а и,
(26)
Для определения времени до выброса нефтепродукта используются два соотношения: • при кт >> кг или т0и0 >> кг
т 0и 0
т = т 0 1п
т 0и0 - к г
(27)
(28)
где т0 = рСж Л/(2а);
• при кт << кг
т = (к г - кт (29)
Из полученных соотношений можно сделать вывод, что на время выброса нефтепродукта при пожаре в резервуаре влияют скорость прогрева жидкости, ее линейная скорость выгорания, начальный уровень горючего в резервуаре и толщина гомотер-мического слоя.
Для определения толщины гомотермического слоя к заданному моменту времени можно использовать два варианта формул:
• при кт >> кг
к = т0(1- е-т/т0); (30)
• при кт << кг
г = и1т + и0 т0. (31)
Соответственно, расстояние до водного слоя 5 в основании резервуара к заданному моменту времени (при кт << кг) определяется по формуле
5 = к - г = к- (^1т + и т0). (32)
Определим время до момента выброса нефтепродукта (бензина) при пожаре частично охлаждаемого водой резервуара, подставив в формулу (27)
следующие параметры [4]: Я = 26 м, р = 700 кг/м3, Сж = 2103 ДжДкг-К), начальный уровень горючего в резервуаре Нг = 9,5 м, толщина слоя воды под горючей жидкостью 0,5 м, скорость выгорания бензина и1 = 0,4 м/ч, скорость прогревания в начальный момент времени и0 = 1,8Т0-4 м/с, коэффициент теплоотдачи в условиях свободного горения а1 = 10 ВтДм-К), а2 = 730 ВтДм-К).
Для выбора расчетного соотношения найдем Нт:
х02 = 700-2-103 13/(2-730) = 12,5-103 с;
кт2= 12,5-103-1,8-10-4 = 2,2 м.
Следовательно, hm << hT, поэтому для расчета воспользуемся формулой (29):
Т 2 =
ht - hm = 9,5 - 0,5 = 9,0 = 225 ч.
0,4 0,4
Таким образом, в рассматриваемых условиях пожара выброс нефтепродукта произойдет через 22,5 ч, поэтому пожар необходимо локализовать и ликвидировать в первые сутки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. БлиновВ. И.,ХудяковГ. Н. Диффузионное горение жидкостей.—М.: АН СССР, 1961.—208 с.
2. Блинов В. И., Худяков Г. Н., Петров И. И., Реутт В. Ч. О движении жидкости в резервуаре при перемешивании ее струей воздуха // Механизм тушения пламени нефтепродуктов в резервуарах. — М. : Изд. Минкоммунхоза РСФСР, 1958. — С. 7-22.
3. Мак-Адамс В. X. Теплопередача / Пер. с англ. — Л.-М., 1936. — 440 с.
4. Корольченко А. Я., Корольченко Д. А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения :справочник.В2ч.—2-еизд.,перераб. идоп.—М.: Пожнаука, 2004.—Ч. 1.—713 с.
Материал поступил в редакцию 25 декабря 2013 г.
PARAMETER DETERMINATION OF THE TIME OF OIL EMISSION IN A BURNING TANK
KOROL'CHENKO D. A., Candidate of Technical Sciences, Head of Department of Complex Safety in Construction, Moscow State University of Civil Engineering (Yaroslavskoye Shosse, 26, Moscow, 129337, Russian Federation; e-mail address: ICA_kbs@mgsu.ru)
SHAROVARNIKOV A. F., Doctor of Technical Sciences, Professor of Department of Complex Safety in Construction, Moscow State University of Civil Engineering (Yaroslavskoye Shosse, 26, Moscow, 129337, Russian Federation; e-mail address: ICA_kbs@mgsu.ru)
: English
ABSTRACT
The current article demonstrates that the physical nature of oil emission during the fire in oil tanks depends on bottom water overheating in the tank or on the surface of internal floating roof. Here it is also explained that the oil homotermal layer warmed-up to the boiling point reaches the level of bottom water or the water added into the tank to extinguish the fire, and the time of this leveling depends on thermal losses through the tank side surfaceout to the environment. According to the findings of the study the emission time depends on the cooled area of the tank surface. If water-cooling is intensive, the formation rate of the homotermal layer drastically decreases in the wake of its increasing thickness. The ratios concluded to determine the time of oil emission in the burning tank showing that it is influenced by warming-up rate of liquid, its peripheral combustion rate, initial fuel level in the tank and the thickness of the homotermal layer. As a result, there were derived two formulas to describe the thickness dynamics of of the homotermal layer which may be used to predict the time of oil emission at prolonged heating.
Keywords: fire; tank; time of oil emission; homotermal layer of oil; level of bottom water.
REFERENCES
1. Blinov V. I., Khudyakov G. N. Diffuzionnoye goreniye zhidkostey [Diffusion burning of liquids]. Moscow, Russian Academy of Sciences Publ., 1961. 208 p.
2. Blinov V. I., Khudyakov G. N., Petrov 1.1., Reutt V. Ch. O dvizhenii zhidkosti vrezervuare pripereme-shivanii yeye struyey vozdukha [On the fluid motion in the tank while stirring her by jet air]. Mekhanizm tusheniya plameni nefteproduktov v rezervuarakh [The mechanism of flame extinguishing of oil products in the tanks]. Moscow, Ministry of Housing and Communal Services of RSFSR Publ., 1958, pp. 7-22.
3. McAdams W. H. Heat transmission. New York, McGraw-Hill, 1933. (Russ. ed.: Mak-Adams W. Kh. Teploperedacha. Leningrad-Moscow, 1936. 440 p.).
4. Korol'chenko A. Ya., Korol'chenko D. A. Pozharovzryvoopasnost veshchestv i materialov i sredstva ikh tusheniya: spravochnik v 2 ch. [Fire and explosion hazard of substances and materials and their means of extinguishing: handbook in two parts]. Moscow, Pozhnauka Publ., 2004. Part I, 713 p.
Издательство «П0ЖНАУКА»
Представляет книгу
ОГНЕТУШИТЕЛИ. УСТРОЙСТВО. ВЫБОР. ПРИМЕНЕНИЕ
Д. А. Корольченко, В. Ю. Громовой
В учебном пособии приведены классификация огнетушителей и конструкции основных их типов, средства тушения, используемые для зарядки огнетушителей, виды огнетушителей и правила их применения для ликвидации загораний различных веществ, рекомендации по расчету необходимого количества огнетушителей для разных объектов, по их размещению, хранению и техническому обслуживанию.
Рекомендации, содержащиеся в книге, разработаны на основе современных нормативных документов, регламентирующих конструкцию, условия применения, правила эксплуатации и технического обслуживания огнетушителей.
Учебное пособие рассчитано на широкий круг читателей: инженерно-технических работников предприятий и организаций, ответственных за оснащение объектов огнетушителями, поддержание их в работоспособном состоянии и своевременную перезарядку; преподавателей курсов пожарно-технического минимума и дисциплины "Основы безопасности жизнедеятельности" в средних и высших учебных заведениях; частных лиц, выбирающих огнетушитель для обеспечения безопасности квартиры, дачи или автомобиля.
121352, г. Москва, а/я 43; тел./факс: (495) 228-09-03; e-mail: mail@firepress.ru; www.firepress.ru
