Лучистого теплового
Парниковый эффект. Состояние и состав атмосферы определяют во многом процессы лучистого теплообмена между Солнцем и Землей. В тепловом балансе Земли теплота солнечной радиации является определяющей, поскольку на ее долю приходится основная часть поглощаемой биосферой теплоты, что следует из теплового баланса биосферы:
Данные об интегральных коэффициентах облученности проводятся в литературе в форме диаграмм и таблиц. С помощью диаграммы на рис. 2.26 можно определить значения Fj ;2 для лучистого теплообмена между двумя параллельными прямоугольными пластинами. Диаграмма, изображенная на рис. 2.27, может быть использована для расчета теплообмена между пластинами, расположенными перпендикулярно друг
другу. Как и коэффициент облученности Ф, величина F является аддитивной и может использоваться для определения интегральных коэффициентов облученности в более сложных ситуациях (рис. 2.28). Более подробно использование этих величин в задачах анализа лучистого теплообмена при пожарах рассмотрено в работе [368].
Таким образом, выражение (5.18) может быть использовано для расчета скорости горения, которая будет меняться обратно пропорционально размеру капли. Эти выражения нельзя использовать для вычисления скорости горения капель в аэрозоли и в составе распыленных брызг, из-за существенного вклада лучистого теплообмена.
Эти результаты были получены на экспериментальной установке, аналогичной той, что показана на рис. 6.16. Полученные результаты легко можно объяснить, если вспомнить, что вынужденный конвективный поток снижает концентрацию летучих продуктов, а следовательно, требует более высокой температуры поверхности для образования смеси, которая будет обладать температурой выше нижнего предела воспламенения при наличии источника зажигания. С одной стороны, для того чтобы произошло самовозгорание в результате лучистого теплообмена, летучие продукты, исходящие из поверхности, должны обладать достаточно высокой температурой для образования горючей смеси, которая в свою очередь имела бы температуру выше температуры самовозгорания, когда она перемешивается с ненагретым воздухом. А, с другой стороны, при конвективном нагреве воздух уже обладает высокой температурой, и летучие продукты не нуждаются в более высокой температуре.
вниз по наклонной поверхности (б < 0°) указанное выше обстоятельство не повлияет на скорость распространения пламени. При в > 18°, это обстоятельство существенно сказывается на скорости распространения пламени [255]. По мере того, как пламя и раскаленные продукты сгорания путем конвективного и лучистого теплообмена будут подвергать предварительному нагреву свежее горючее,вклад указанного выше обстоятельства будет возрастать при увеличении ориентации в направлении вертикального распространения пламени вверх (в = +90°). Таким образом, в то время, как при распространении пламени вертикально вниз (-90°) достигается почти мгновенно медленная скорость распространения пламени, при распространении пламени вертикально вверх (+90°) скорость распространения быстро нарастает до квазистационарных значений. Это наблюдалось для вертикальных пластин РММА [284] и для свободно подведенных полос ткани [255], [385]. Авторы работы [255] наблюдали, как вслед за зажиганием нижнего края наступал короткий период времени ламинарного режима горения, который быстро переходил в турбулентный режим по мере увеличения размера пламени. В экспериментах, проведенных этими авторами, было установлено, что для полос материи длиной 1,5 м (при максимальной ширине 0,6 м), скорость распространения пламени зависит от длины зоны пиролиза, т. е. зоны, из которой в окружающую среду поступают летучие продукты. Скорость поступления летучих продуктов определяет высоту пламени [385]. Этой скоростью определяется степень предварительного прогрева неохваченной еще горением ткани. В свою очередь от степени прогревания зависит то, как быстро температура свежего горючего будет доведена-до температуры воспламенения. В работе [255] показано, что Vp ~ 1Д, где Vp — скорость распространения пламени в вертикальном направлении, 1р - длина зоны пиролиза (рис. 7.7), а п -постоянная величина, принимающая значение около 0,5. В этой работе разработана элементарная математическая модель для описания процесса распространения пламени. Информация о теплообмене вблизи фронта пламени была получена экспериментально с помощью сочетания плоских газовых горелок, предназначенных для оплавления металлических поверхностей, и теплопроводящих пластин с водяным охлаждением. Из модели, представленной в работе [255], следует, что развитие пожара зависит только от суммарного теплообмена вблизи фронта пламени. Этот теплообмен лимитируется уровнем турбулентности пламени и временем выгорания материи. Если материал плотнее, то время его выгорания будет большим (т. е. 1р будет бо'льшим). Кроме того, при распространении пламени вверх ожидается более высокая скорость распространения. Это следует из того, что распространение пламени вверх по полубесконечному твердому телу никогда не может достигнуть стационарного режима. В работе [10] было отмечено, что развитие такого пожара можно аппроксимировать экспоненциальной зависимостью (разд. 7.4).
превышают 400°С в спокойном воздухе [280], хотя это будет зависеть от теплоизоляции, которая обеспечивается массой полипеноуретана. Уровень этих температур существенно ниже температур, связанных с тлением целлюлозных материалов (> 600°С), что вероятно является одной из причин, продолжающегося тления большинства упругих поли-пеноуретанов (если вообще тление возникает) при наличии поддерживающего теплового потока (например, в качестве источника может оказаться тлеющее матерчатое покрытие). В работе [280] предполагается, что механизм проникания тления в эти пеноматериалы может частично реализоваться за счет лучистого теплообмена через открытую ячеистую структуру.
Почти все горючие вещества, образующие углистый остаток, включая уголь, антрацит и т. д., претерпевают пламенное горение, но при этом не улетучиваются, а углистый остаток медленно сгорает, даже после прекращения пламенного горения. В случае древесины (разд. 5.2.2) с углистым остатком связана существенная доля от суммарной теплоты сгорания материала, примерно около 30 %. Однако, в общем случае, тление будет продолжаться лишь при условии, что тепло будет сохраняться в области реакционной поверхности. Если горящие поверхности массы тлеющего углистого остатка окажутся отг крытыми при снижении лучистого теплообмена, то интенсивность лучистого и конвективного теплоотвода превысит интенсивность тепловыделения, вследствие чего горящие поверхности охладятся, и оставшийся огонь сам по себе погаснет.
Возгорание рядом находящегося предмета будет зависеть от расстояния его от уже загоревшегося предмета. Он может располагаться достаточно близко и иметь подходящую для непосредственного воздействия пламени конфигурацию (разд. 4.3.3), но если это невозможно, то пожар может перекинуться на соседний предмет только за счет срабатывания механизма лучистого теплообмена. Этот вопрос был первоначально рассмотрен в работе [383], автор которой показал, что лучистый тепловой поток, порожденный огнем, охватившим обычное обитое кресло, может вызвать возгорание хлопчатобумажной материи на расстоянии 0,15 м, в то время как горящий гардероб может вызвать возгорание такой же материи на расстоянии 1,2 м. Как указывают авторы работы [290] на основании серии полномасштабных испытаний, огонь не перебросится от изолированного обитого кресла к соседнему, если они будут удалены друг от друга на расстояние более 30 см. Однако это слишком обобщающее утверждение, так как процесс распространения пожара должен определяться как свойствами горящего предмета, так и свойствами предмета, на который может перекинуться огонь. В работе [125] ив более поздней работе [27] делается попытка построить после распределения лучистого потока вокруг предметов горящей мебели, начиная от сложенных стульев и кончая складскими шкафами. Было установлено ^№ в этом не -было ничего неожиданного), что лучистый тепловой поток, действующий на определенном расстоянии, зависит от интенсивности горения. Быстро горящие предметы могли обеспечивать значительные лучистые тепловые потоки на расстоянии до 1 м от передней кромки пламени. На рис. 9.11 представлено распределение лучистого теплового потока в окрестности больничной кушетки (плетеный каркас, материал кушетки — полипеноуретан, покрытый синтетическим материалом из полипропилена) в момент, когда горение достигло пикового состояния, в зависимости от расстояния от передней кромки и высоты над платформой, на которой размещалась кушетка. В принципе такого рода данные могут быть получены для всех видов мебели. Эти данные можно сравнить с возгораемостью материалов тех предметов, на которые может перекинуться пожар. Возможной формой такого сравнения может быть выражение теплового потока, необходимого для вынужденного зажигания за определенный промежуток времени (скажем, за 40 с). Хотя значение соответствующего теплового пото-
Воздействие теплового излучения зависит от лучеиспускательной интенсивности пламени и поглощательной способности тела. Рассмотрим сущность лучистого теплообмена, его баланс и основные характеристики. Баланс лучистого теплообмена можно записать следующим образом:
Исследования показывают, что с возникновением пожара немедленно под действием высокой температуры начинается процесс разрушения льдогрунтовых стен емкости. Емкости цилиндрического типа объемом 5—100 тыс. м3 с диаметром 20—50 м и стенками из замороженных пород толщиной 10—25 м разрушаются вследствие лучистого теплообмена и протаивания стенок. Тепловое излучение от факела к поверхности стен составляет 35 кВт/м2 при средней скорости выгорания сжиженного газа, равной 0,5 м/ч.
Сущность метода испытания состоит в определении параметров воспламеняемости материала при заданных стандартом уровнях воздействия на поверхность образца лучистого теплового потока и пламени от источника зажигания.
Испытание на воспламеняемость материалов проводят на установке, схема которой приведена на рис.3.5. Установка состоит из опорной станины, подвижной платформы, источника лучистого теплового потока (радиационная панель), системы зажигания, состоящей из вспомогательной стационарной газовой горелки, подвижной горелки с системой перемещения, а также вспомогательного оборудования.
В большинстве случаев пожары возникают в каком-либо одном месте, после чего пламя по горючим материалам и конструкциям зданий распространяется на соседние объекты и помещения. После образования в помещении первичного очага возгорания процесс развития пожара может пойти по одному из следующих сценариев: загоревшийся предмет сгорит полностью, и пожар прекратится, не распространившись на другие изделия из горючих материалов. Это имеет место, в частности, при условии, если первый загоревшийся предмет находится в изолированном положении, а теплового потока от зоны горения к соседним предметам недостаточно для их воспламенения. Процесс горения может так же прекратиться или существенным образом замедлиться по мере выгорания кислорода. Этот сценарий может быть реализован при плохой вентиляции помещения; при достаточном количестве горючего материала и притока свежего воздуха пожар может вырасти до размеров полного охвата пламенем всего помещения. Ориентировочно условием охвата пламенем всего помещения можно считать наличие в помещении плотности теплового потока, превышающего 20 кВт/м2. Причем, источниками лучистого теплового потока могут быть как сам факел горящего материала, так и раскаленные поверхности верхних частей помещения, пламена, охватившие потолок и раскаленные продукты сгорания, скопившиеся под потолком. Кроме того, на процесс и скорость полного охвата помещения пламенем могут оказывать влияние и другие факторы, например, термопластики могут плавиться и течь, создавая очаги горения жидких продуктов и способствуя распространению пламени на другие предметы; после наступления полного охвата помещения пламенем внешние поверхности возгораемых предметов в помещении, где возник пожар, будут охвачены огнем, интенсивность тепловыделений будет нарастать до максимума. В этот момент температуры внутри помещения могут достигать температур порядка 1100...1200 °С. Высокие температуры будут поддерживаться до тех пор, пока интенсивность образования воспламеняющихся летучих продуктов не начнет уменьшаться в результате истощения горючих веществ или за счет выгорания кислорода. В этот период за счет повышенных термических нагрузок могут происходить обрушения элементов здания. Начало разрушения отдельных конструкций здания, как правило, является началом переброски пожара в соседние пространства путем проникновения в них пламени или мощных тепловых потоков. Разрушение элементов здания (в первую очередь остекления) приводит к разгерметизации помещения и интенсивному проникновению к зоне горения свежих порций воздуха. На этом этапе часть горючих газов будет сгорать снаружи помещения в пламени, вырывающемся из окон; дальнейшее распро-: странение пожара на соседние здания происходит посредством тепло-
Плотность падающего лучистого теплового потока определяют по формуле
мен между двумя поверхностями, то выражение (2.54) должно быть проинтегрировано дважды, т. е. по поперхностям обоих тел AI и А2 (см. рис. 2.21). Величина лучистого теплового потока от поверхности 1 к поверхности 2 определяется соотношением
кого или теоретического уравнения), соотношение (2.4) остается в силе. Если температура пламени известна, то излучательную способность можно определить, используя значение средней эквивалентной длины луча (табл. 2.8), но для оценки лучистого теплового потока на расстоянии необходимо прежде вычислить коэффициент облученности. Он в общем случае рассчитывается, исходя из предположения, что пламя может быть приближенно представлено в виде простой геометрической формы, например прямоугольника, высота которого в 1,5—2 раза превышает диаметр слоя горючего материала (разд. 4.3.2). Для определения соответствующего коэффициента облученности могут быть использованы диаграммы на рис. 2.22 или табл. 2.6 (разд. 4.1.1). Такой тип модели использовался для расчета интенсивности теплового излучения в различных зонах нефтехимического завода при аварийных ситуациях (например, пожаре резервуара или аварийной вспышке) [342].
Рис. 4.24. Оценка лучистого теплового потока, принимаемого в точке Т, удаленной на расстоянии d от оси очага пожара диаметром Д Эквивалентный точечный источник находится в точке Р
Рис. 4.25. Влияние расстояния от оси горящего бака с бензином диаметром 1 0 м на интенсивность падающего лучистого теплового потока q?x (см. рис. 4.24) для двух расчетных схем 1 - при допущении, что пламя ведет себя как развитый вверх прямоугольник; 2 - при допущении, что источник излучения -точечный; 3- контур бака
Приведенные данные показывают, что лучистый поток, падающий на поверхность спирта, далеко не достаточен для поддержания потока летучих продуктов. Недостающая часть тепловой энергии должна доставляться конвекцией: этот вывод согласуется с наблюдениями о форме пламени (рис. 5.4). Спирт горит бледно-голубым пламенем, близким к поверхности, которое очевидно касается ее, как показано на рис. 5.4, а. При горении других горючих веществ непосредственно над жидкостью образуется различимая зона паров. Это очевидно для бензина, который при горении через некоторое время образует пламя той формы, которые приведены на рис. 5.4, г и 5.4, д. Можно предположить, что зона паров над углеводородными жидкими горючими веществами усиливает доставку тепла к поверхности излучением. Этим обстоятельством можно объяснить положительный разрыв между оценкой лучистого теплового потока и тепловым потоком, который требуется для восходящего потока летучих продуктов горения. Однако почему имеет место тот или иной уровень относительных значений этого разрыва, сказать пока трудно. Во всяком случае толщина зоны паров (определяемой значением х на рис. 5.4, в) составляет 50, 40-50 и 25-30 мм для бензина, моторного бензина и керосина соответственно. (Эти наблюдения следует сопоставить со структурными пламенами Корлетта, рис. 4.7 [98].)
вать небольшой образец твердого материала (площадью 0,007 м2) по мере выгорания горизонтально расположенного образца. Концентрация кислорода в окружающем воздухе, а также интенсивность внешнего лучистого теплового потока можно было регулировать. Это позволяло определить различные параметры, входящие в формулу для rh". Записав Qa через ее составляющие, а именно через Qp и Qg, которые относятся к тепловым потокам, поступающим к поверхности от пламени и от внешнего лучистого нагревателя можно получить следующее выражение
Рис. 5.15. Изменение скорости обугливания древесины в зависимости от лучистого теплового потока [ 89]
 Читайте далее:
 Ловильный инструмент
Лучистого теплового
Лабораторных установках
Лабораторного помещения
Лакокрасочной промышленности
Легирующих элементов
Ленинградская типография
Логические устройства
Ленточного конвейера
Летательных аппаратов
Ликвидацией последствий
Ликвидации аварийной
|
