Экспериментальное исследование влияния начальной температуры распыленной воды на интенсивность ее испарения при движении через пламя

Р. С. ВОЛКОВ, ассистент кафедры автоматизации теплоэнергетических процессов Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета

Г. В. КУЗНЕЦОВ, д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической и промышленной теплотехники Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета

УДК 536.4

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НАЧАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ РАСПЫЛЕННОЙ ВОДЫ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ЕЕ ИСПАРЕНИЯ ПРИ ДВИЖЕНИИ ЧЕРЕЗ ПЛАМЯ

Выполнено экспериментальное исследование влияния начальной температуры распыленной воды на интенсивность ее испарения при движении через пламя. С использованием измерительной системы диагностики двухфазных парожидкостных потоков PIV установлены значения интегральных параметров испарения воды при варьировании размеров капель и их начальной температуры в типичных для практики диапазонах. Показано, что при предварительном подогреве воды можно обеспечить условия для ее полного испарения в зоне горения даже для достаточно крупных капель.

Ключевые слова: распыленная вода; капли; продукты сгорания; пламя; температура; испарение.

Введение

В последние годы активно обсуждаются вопросы повышения эффективности современных технологий пожаротушения. Для их решения предлагаются как новые способы подачи тушащих составов в зону пламени [1-5], так и новые ингибиторы горения (задерживающие, смачивающие, изолирующие и пр.) [6-8]. Результаты численных [9-18] и экспериментальных [19, 20] исследований показали, что для эффективного использования типичного и широко распространенного тушащего вещества — воды для локализации пламени и ликвидации очагов возгораний целесообразно распылять ее специальным образом. Установлено [9-20], что при изменении основных параметров распыления (размеры, скорость и траектории движения совокупности капель) в зоне пламени можно реализовать условия для полного испарения воды без традиционных для современных систем больших избытков тушащего средства (даже такой подход зачастую не обеспечивает ликвидацию очагов возгораний). Рассматривались пламена высотой от 1 до 15 м [9-20]. Как следствие, результаты исследований, приведенные в [9-20], можно распространять не только на офис© Волков Р. С., Кузнецов Г. В., Стрижах П. А., 2014

ные системы пожаротушения, но и на системы сбрасывания «водяных снарядов» авиацией в зоны лесных пожаров.

В экспериментах, описанных в [19, 20], основными параметрами, определяющими полноту испарения воды в зоне пламени, являлись характерные размеры капель. Для офисных помещений с высотой этажа до 3 м были сформулированы рекомендации по распылению воды для достижения размеров капель от 70 до 200 мкм [19,20]. В реальной практике не всегда возможно добиться такой дисперсности капель тушащей жидкости. К тому же полная замена распылителей в рамках даже одного этажа типичного офисного здания представляет собой достаточно затратную процедуру. Целесообразно выделить несколько параметров, изменяя которые можно повысить интенсивность испарения воды в зоне пламени (и, как следствие, эффективность ее использования [19, 20]). Одним из таких параметров, очевидно, можно считать начальную температуру тушащей жидкости. Представляет интерес анализ влияния начальной температуры воды с параметрами распыления, принятыми в [19, 20], на интегральные характеристики ее испарения при движении через зону пламени.

Цель настоящей работы — экспериментальное исследование влияния начальной температуры распыленной воды на интенсивность ее испарения в процессе движения через пламя фиксированных размеров.

Экспериментальная установка и методы исследований

При проведении экспериментов аналогично [19, 20] использовалась высокоскоростная измерительная система диагностики двухфазных паро-жидкостных потоков (рис. 1), работающая на базе метода Particle Image Velocimetry (PIV) [21-23]. Основными элементами экспериментальной установки (см. рис. 1) являются: кросскорреляционная видеокамера с форматом изображения 2048x2048 пикселей, кадровой частотой не менее 1,5 Гц, минимальной задержкой между двумя последовательными кадрами не более 5 мкс; двойной импульсный твердотельный лазер с активной сферой "алюмоит-триевый гранат" и добавками неодима, имеющий длину волны 532 нм, энергию в импульсе не менее 70 мДж, длительность импульса не более 12 нс, частоту повторений не более 15 Гц; синхронизирующий процессор с дискретизацией сигналов не более 10 нс, поддерживающий режимы внешнего и внутреннего запуска.

Аналогично [19, 20] в качестве рабочей жидкости в опытах применялась вода с примесью (0,5 %) специальных "трассирующих" частиц — нанопо-рошка диоксида титана для повышения качества видеограмм, получаемых с кросскорреляционной камеры. В качестве интегральных параметров исследуемого процесса движения распыленной воды через пламя фиксированных размеров приняты ско-

рость движения, размеры и концентрация капель жидкости в рабочей области.

В отличие от условий экспериментов [19,20] распыляемая вода предварительно нагревалась до заданной температуры Тк с помощью нагревательной системы [24-26]. Температура Тк варьировалась от 293 до 323 К. Выбор такого диапазона обусловлен несколькими причинами. Температура воды, сбрасываемой с помощью авиации в зону горения или подаваемой распылительными системами пожаротушения в офисных помещениях, как правило, составляет 285-295 К [27-29] (Тк = 293 К выбрана в качестве нижнего предельного значения). При нагреве воды до 320-325 К в подводящих трубах распылительных систем парообразование будет протекать умеренно (Тк = 323 К выбрана в качестве верхнего предельного значения). При более высоких температурах интенсивность фазового перехода достаточно велика. Как следствие, в распылительные системы будет поступать сложная двухфазная неоднородная смесь со слабо контролируемыми параметрами. К тому же для нагрева резервуаров с водой, используемой при тушении пожаров как в офисных системах, так и на воздушных судах, до температур более 325 К потребуется достаточно много энергии.

Аналогично [19, 20] цикл опытов включал две серии экспериментов. В первой серии фиксировались видеокадры потока распыленной рабочей жидкости на входе в цилиндрический канал 13 (высота 1 м, диаметр 0,3 м). Во второй серии регистрировались изображения капель после прохождения ими зоны пламени, т. е. на выходе из канала 13. Для формирования устойчивого пламени использовалось типичное жидкое топливо — керосин, которое

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для видеорегистрации капель до (а) и после (б) прохождения ими зоны пламени: 1 — ПК; 2 — синхронизатор персонального компьютера (ПК), кросскорреляционной камеры и лазера; 3 — генератор лазерного излучения; 4—двойной твердотельный импульсный лазер; 5 — кросскорреляционная камера; 6 — световой "нож"; 7—емкость с рабочей жидкостью; 8 — рабочая жидкость; 9 — распылитель; 10 — штатив; 11 — капли рабочей жидкости; 12 — канал движения охлаждающей жидкости лазера; 13 — цилиндр из жаростойкого светопрозрачного материала; 14 — полый цилиндр, во внутреннее пространство которого залита горючая жидкость; 15 — термопары

заливалось в основание полого цилиндра 14 экспериментальной установки (см. рис. 1).

Каждая серия эксперимента предусматривала несколько этапов:

• емкость 7 (см. рис. 1) заполнялась рабочей жидкостью 8 (Н20 — 99,5 %, ТЮ2 — 0,5 %);

• к выходу емкости 7 подключался распылитель 9, который настраивался в зависимости от требуемых параметров распыления жидкости;

• емкость 7 с распылителем 9 устанавливались на штативе 10 на 0,5 м выше верхней грани цилиндра 13 (что обусловлено необходимостью защиты распылителя 9 от плавления при воздействии выходящих из цилиндрического канала 13 высокотемпературных продуктов сгорания);

• высота фотоштатива кросскорреляционной камеры 5, а также высота установки лазера 4 выбирались таким образом, чтобы оптическая ось камеры и плоскость светового "ножа" 6 лазера пересекались под углом 90°, а точка их пересечения находилась в рабочей области;

• проводилась калибровка кросскорреляционной камеры 5 (с определением масштабного коэффициента на персональном компьютере 1), а также настройка "перетяжки" светового "ножа" 6 лазера 4;

• подложка 14 заполнялась небольшим количеством жидкого горючего вещества (около 250 мл), которое затем поджигалось;

• по истечении 5 мин (время, необходимое для прогрева внутренней полости цилиндра 13 до (1070+30) К) на ПК 1 запускалось специализированное программное обеспечение, включался распылитель 9 и проводилась процедура регистрации видеограмм в выбранной рабочей области;

• по полученным в ходе съемки видеокадрам строились поля скоростей "трассирующих" частиц распыленной жидкости и вычислялись значения характерных размеров капель в рабочей области (до и после прохождения ими зоны пламени).

При обработке видеокадров с применением метода цифровой трассерной визуализации Р1У [21-23] строились поля скоростей "трассирующих" частиц и определялись скорости движения отдельных капель. Измерение мгновенного поля скорости в заданном сечении основано на измерении перемещения частиц примеси, находящихся в плоскости сечения, за фиксированный интервал времени [21-23].

Измерительной областью потока считалась плоскость "светового ножа" лазера (см. рис. 1). Частицы в измерительной плоскости потока многократно освещались. Образы частиц регистрировались на циф-

ровую камеру. Последующая обработка изображений позволяла рассчитать смещения частиц за время между вспышками источника света и построить поля скоростей "трассирующих" частиц [21-23].

При обработке видеограмм рассчитывался масштабный коэффициент S (мм/пикс), который для исследуемой рабочей области (на входе и выходе канала с пламенем) составлял 0,0043 мм/пикс. При обработке видеограмма разбивалась на расчетные области размером 32x32 пикс, для каждой из которых рассчитывалась корреляционная функция. Максимум корреляционной функции соответствовал наиболее вероятному сдвигу частиц в рабочей области [21-23]. При этом в общем случае предполагалось, что скорость потока в элементарной области неизменна и у всех частиц одинаковые перемещения, т. е. у корреляционной функции существует один наиболее ярко выделенный максимум на фоне возможных шумов.

Одновременно с нахождением максимума корреляционной функции для уменьшения числа случайных корреляций, связанных с эффектом "потери пары", применялось наложенное "top-hat" окно [18], что позволило уменьшить вклад в корреляционную функцию частиц, находящихся близко к границам расчетной области видеокадра.

В потоке распыленной жидкости размеры капель изменялись в диапазоне 0,09 < R < 0,37 мм. Размеры капель в расчетных областях видеограмм (до и после прохождения зоны пламени) определялись по следующей методике. Выбиралась видеограмма (пара кадров кросскорреляционной камеры). По первому видеокадру для выбранной произвольно капли жидкости определялись ее максимальные размеры (в пикселях) в горизонтальном (Dx1) и вертикальном (Dy1) направлениях, после чего проводилось их усреднение: D1 = (Dx1 + Dy1)/2. Те же процедуры выполнялись для второго видеоизображения из пары кадров (D2 = (Dx2 + Dy2)/2) с последующим усреднением размера капли: Dp = (D1 + D2)/2. Затем при известном (заданном) масштабном коэффициенте S осуществлялся расчет характерного размера Dd (мм) (Dd = DpS) и соответствующих значений средних условных радиусов капель Rm.

Температура продуктов сгорания в цилиндрическом канале 13 контролировалась хромель-алю-мелевыми, а начальная температура распыляемой воды — хромель-копелевыми термопарами 15. Использовалась методика термопарных измерений [30]. Погрешности определения размеров капель согласно методикам [31, 32] составляли 0,001 мм. Погрешности измерения скоростей капель не превышали 2 % [21-23].

Результаты эксперимента и их обсуждение

При проведении серии экспериментов в соответствии с описанной выше методикой регистрировались видеоизображения совокупности капель распыленной воды на входе и выходе из рабочего канала (зоны пламени). На рис. 2 приведены типичные видеограммы и поля скоростей "трассирующих" частиц при начальной температуре потока распыленной жидкости Тк = 293 К.

По аналогии с [19, 20] при обработке видеограмм в рабочей области капли распыленной жидкости были разделены по начальным размерам на несколько групп: 1 — при 0,09 < Я < 0,16 мм, 2 —при 0,16<Я < 0,23 мм, 3 — при 0,23 <Я <0,30 мм, 4 — при 0,30 < Я < 0,37 мм. Для каждой из этих групп определялись средние значения доли испарившейся жидкости (для чего введен параметр ЛЯ (%), характеризующий изменение размеров капель при движении через пламя (ЛЯ = (Яы - ЯоШ)/Яп-100)), скорости движения V и концентрации водяных капель а в рабочей области (на входе и выходе из зоны горения).

Из рис. 2,6 видно, что концентрация капель жидкости на выходе из зоны пламени существенно меняется относительно концентрации на входе (рис. 2,а). Малые капли (0,09 < Я < 0,16 мм) практически полностью испаряются (как следствие, скорости их движения V близки к нулю). Средних капель (0,16 < Я < 0,30 мм) испаряется 30-40 % (значения V уменьшаются на 35-40 % по сравнению со скоростью движения на входе в канал с пламенем), больших (0,30 < Я < 0,37 мм) —15-20 % (скорости их движения снижаются на 12-17 %). Установленные закономерности хорошо коррелируют с результатами экспериментов [19, 20].

На рис. 3 представлены зависимости параметра ЛЯ от усредненного характерного размера капель распыленного потока Ят при варьировании начальной температуры жидкости от 293 до 323 К. Из рис. 3 видно, что с повышением Тк значения параметра ЛЯ существенно увеличиваются (возрастает интенсивность парообразования в зоне пламени). Важно также отметить, что при увеличении Тк кривые 1-4 несколько сближаются (см. рис. 3). Эта особенность показывает, что с повышением начальной температуры жидкости интегральные характеристики ее испарения меняются достаточно умеренно при варьировании параметров распыления.

Получены также зависимости параметра ЛЯ для выделенных групп капель от начальной температуры распыленной жидкости (рис. 4). Следует отметить более существенное влияние температуры Тк на интенсивность испарения малых капель (Ят < 0,16 мм). Это особенно хорошо видно по наклону кривой 1

м/с 1,16800 1,12300 1,07800 1,03300 0,98850 0,94350 0,89860 0,85370 0,80870 0,76380 0,71890 0,67390 0,62900 0,58410 0,53920 0,49420 0,44930 0,40440 0,35940 0,31450 0,26960 0,22460 0,17970 0,13480 0,08986 0,04493 0

Рис. 2. Видеограммы и поля скоростей капель распыленной жидкости на входе (а) и выходе (6) из зоны пламени при

ДД,%

0,30 Я , мм

Рис. 3. Зависимости параметра ЛЯ от начального размера капель при температуре Тш: 1 — 293 К; 2 — 303 К; 3 — 313 К; 4 — 323 К

Тк = 293 К

ЛЯ, %

90

80

70

60

50

40

30

20 290

295

300

305 310

315

320 Т„, К

Рис. 4. Зависимости параметра ЛЯ от начальной температуры распыленной жидкости для выделенных групп капель: 1 — 0,09 < Я < 0,16 мм; 2 — 0,16 < Я < 0,23 мм; 3 — 0,23 < Я < 0,30 мм; 4 — 0,30 < Я < 0,37 мм

(см. рис. 4). Установленную закономерность можно объяснить, используя теоретические следствия [33]. В процессе испарения жидкости определяющую роль [33] играет время прогрева ее приповерхностного слоя до температур, при которых реализуются условия интенсивного парообразования. Вследствие эндотермического фазового перехода температура вблизи поверхности жидкости снижается. Для предварительно нагретых капель воды (особенно для малых — Ят < 0,16 мм) это снижение температуры невелико. Для относительно крупных капель (Ят > 0,3 мм) в зависимости от значения Т, уменьшение температуры играет важную роль (несмотря на высокие температуры внешней среды (пламени) — до 1170 К). Поэтому при Ят < 0,16 мм доля испарившейся жидкости существенно (в несколько раз) меняется при повышении Т, на 10 К (кривая 1 на рис. 4).

Для приведенных на рис. 3 и 4 зависимостей получены аппроксимационные выражения, которые можно использовать при прогностической оценке доли испарившейся жидкости в зоне пламени при различных начальных значениях ее температуры и параметрах распыления:

• ЛЯ = 7,22Ят1'Ш при 0,09 < Ят < 0,34 мм,

Т„ = 293 К;

• ЛЯ = 16,47Ят0,896 при 0,14 < Ят < 0,34 мм, Т, = 303 К;

• ЛЯ = 21,53Я Т„, = 313 К;

-0,969

при 0,21 < Ят < 0,34 мм,

• ЛЯ = 27,75ЯМ0,985 при 0,27 < Ят < 0,34 мм,

Т„, = 323 К;

• ЛЯ = 10-51 Т,,21'293 при 0,09 < Ят < 0,16 мм,

293 < Т, < 323 К;

• ЛЯ = 0,032Т, - 16,432т, + 2055,12

при 0,16 < Ят < 0,23 мм, 293 < Т, < 323 К;

• ЛЯ = -0,004Т, + 5,119т, - 1094,21

при 0,23 < Ят< 0,30 мм, 293 < Т, < 323 К;

• ЛЯ = -0,002Т,2 + 3,067т, - 708,58

при 0,30 < Ят < 0,37 мм, 293 < Т, < 323 К.

Полученные при проведении численных исследований результаты (см. рис. 3 и 4) показывают, что заданной доли испарившейся жидкости в зоне горения можно достичь как за счет измельчения капель, так и путем их предварительного нагрева. При варьировании параметров Т, и Ят в указанных выше диапазонах можно обеспечить требуемую концентрацию капель а в зоне пламени (от 0 до 100 %) и снизить скорость их движения в области горения V (от начальной до 0 м/с).

Таким образом, можно рекомендовать при отсутствии возможности измельчения капель тушащего средства, например, офисной системой распыления до рекомендованных в [19, 20] десятков микрометров (для воды) организовать предварительный подогрев тушащей жидкости. Предварительные оценки показывают, что при наличии в зданиях типичных систем горячего водоснабжения и отопления реализовать нагрев тушащих составов в соответствующих емкостях до рассматриваемых значений Т не представляет большой сложности. Для воздушных судов (самолетов и вертолетов), применяемых для тушения лесных пожаров, очевидно, целесообразно использовать для подогрева сбрасываемых жидкостных "снарядов" энергию тепловыделяющих элементов двигательной системы.

Заключение

В результате экспериментальных исследований установлено, что при предварительном нагреве воды, распыляемой в зоне горения, до 323 К можно существенно повысить интенсивность ее испарения (и, как следствие, эффективность ее использования [19, 20]). Выявлены значения Т,, при которых параметр ЛЯ, характеризующий полноту испарения воды, достигает максимальных значений и для достаточно крупных капель (Я > 200 мкм). Сформулированные аппроксимационные выражения ЛЯ = /(Я) для нескольких типичных температур Т, позволяют вычислить основные параметры распыления воды для локализации пламен с различными параметрами.

***

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ (№ 13-08-90703).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. СоковиковВ. В., Тугое А. Н., Гришин В. В., Камышев В. Н. Автоматическое водяное пожаротушение с применением тонкораспыленной воды на электростанциях // Энергетик. — 2008. — № 6.

— С. 37-38.

2. Копылов Н. П., Чибисов А. Л., Душкин А. Л., Кудрявцев Е. А. Изучение закономерностей тушения тонкораспыленной водой модельных очагов пожара // Пожарная безопасность. — 2008. —№ 4.

— С. 45-58.

3. Корольченко Д. А., Громовой В. Ю., Ворогушин О. О. Применение тонкораспыленной воды для тушения пожаров в высотных зданиях // Пожаровзрывобезопасность. — 2011. — Т. 20, № 9. — С. 54-57.

4. Андрюшкин А. Ю., Пелех М. Т. Эффективность пожаротушения тонкораспыленной водой // Проблемы управления рисками в техносфере. — 2012. — Т. 21, № 1. — С. 64-69.

5. Ковалев А. Н., Журавлева Л. А. Перспективные направления тушения низовых лесных и степных пожаров // Научная жизнь. — 2012. —№4. — С. 153-157.

6. Богданова В. В., Кобец О. И. Исследования огнезащитной эффективности составов на основе аммонийных фосфатов двух- и трехвалентных металлов в зависимости от условий получения // Вестник БГУ. Сер. 2. — 2009. — № 1. — С. 34-39.

7. Богданова В. В., Кобец О. И., Людко А. А., Кирлица В. П. Оптимизация огнезащитно-огнету-шащих свойств состава для предотвращения и локализации пожаров в природном комплексе методом математического планирования эксперимента // Вестник КИИ МЧС РБ. — 2012. — Т. 15, № 1. —С. 32-39.

8. БогдановаВ. В., Кобец О. И., Людко А. А. Разработка синтетических составов комплексного действия для огнезащиты и тушения природных горючих материалов // Чрезвычайные ситуации: предупреждение, ликвидация. — 2012. — Т. 31, № 1. — С. 53-61.

9. Андреев Г. Г., Глушков Д. О., Панин В. Ф., Стрижак П. А. Тепломассоперенос при взаимодействии диспергированного флегматизатора горения с высокотемпературными продуктами сгорания // Бутлеровские сообщения. — 2012. — Т. 31, № 8. — С. 86-94.

10. Глушков Д. О., Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Численное исследование тепломассопереноса при движении "тандема" капель воды в высокотемпературной газовой среде // Тепловые процессы в технике. — 2012. — Т. 4, № 12. — С. 531-538.

11. Волков Р. С., Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Численная оценка оптимальных размеров капель воды в условиях ее распыления средствами пожаротушения в помещениях // Пожаровзрывобезопасность. — 2012. — Т. 21, № 5. — С. 74-78.

12. СтрижакП. А. Численное исследование условий испарения совокупности капель воды при движении в высокотемпературной газовой среде // Пожаровзрывобезопасность. — 2012. — Т. 21, № 8. —С. 26-31.

13. Волков Р. С., Высокоморная О. В., Стрижак П. А. Численное исследование условий взаимодействия диспергированного флегматизатора горения с высокотемпературными продуктами сгорания // Безопасность труда в промышленности. — 2012. — № 10. — С. 74-79.

14. Стрижак П. А. Численный анализ процесса испарения капли, движущейся в струе воды через высокоскоростные продукты сгорания // Пожаровзрывобезопасность. — 2012. — Т. 21, № 9. — С. 17-23.

15. Высокоморная О. В., Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Тепломассоперенос при движении капель воды в высокотемпературной газовой среде // Инженерно-физический журнал. — 2013. — Т. 86, № 1. —С. 59-65.

16. Жданова А. О., Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Влияние распределения капель воды в "водяном снаряде" на температуру в его следе // Пожаровзрывобезопасность. — 2013. — Т. 22, № 2. — С. 9-17.

17. Кузнецов Г. В., СтрижакП. А. Влияние формы капли воды на результаты математического моделирования ее испарения при движении через высокотемпературные продукты сгорания // Тепловые процессы в технике. — 2013. — Т. 5, № 6. — С. 254-261.

18. Стрижак П. А. Численный анализ диффузионно-конвективных процессов тепломассопереноса при движении капель воды через высокотемпературные продукты сгорания // Пожаровзрыво-безопасность. — 2013. — Т. 22, № 7. — С. 11-21.

19. Волков Р. С., Кузнецов Г. В., СтрижакП. А. О некоторых физических закономерностях испарения распыленной воды при движении через высокотемпературные продукты сгорания // Известия Томского политехнического университета. — 2013. — Т. 322, № 6. — С. 45-52.

20. Волков Р. С., Высокомерная О. В., Кузнецов Г. В., СтрижакП. А. Экспериментальное исследование закономерностей испарения тонкораспыленной воды при движении через высокотемпературные продукты сгорания // Бутлеровские сообщения. — 2013. — Т. 35, № 9. — С. 38-46.

21. Keane R. D., Adrian R. /.Theory of cross-correlation analysis of PIV images // Applied Scientific Research. — 1992. — Vol. 49. — P. 191-215.

22. Westerweel /.Fundamentals of digital particle image velocimetry // Measurement Science and Technology. — 1997. — Vol. 8. — P. 1379-1392.

23. Foucaut J.M., Stanislas M. Some considerations on the accuracy and frequency response of some derivative filters applied to particle image velocimetry vector fields // Measurement Science and Technology. — 2002. — Vol. 13.—P. 1058-1071.

24. Кузнецов Г. В., Захаревич А. В., Максимов В. И. Зажигание жидкого пожароопасного вещества одиночной "горячей" металлической частицей // Известия вузов. Физика. —2007. —№ 9/2. — С. 90-95.

25. Кузнецов Г. В., Захаревич А. В., Максимов В. И. Зажигание дизельного топлива одиночной "горячей" металлической частицей // Пожаровзрывобезопасность. — 2008. — Т. 17, №4. — С. 28-30.

26. Кузнецов Г. В., Захаревич А. В., Максимов В. И. О механизме зажигания бензина одиночной нагретой до высоких температур металлической частицей // Пожаровзрывобезопасность. — 2008. — Т. 17, №5. — С. 39-42.

27. Щетинский Е. А. Тушение лесных пожаров. — М. : ВНИИЛМ, 2002. — 104 с.

28. Кузнецов Г. В., Барановский Н. В. Прогноз возникновения лесных пожаров и их экологических последствий. — Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2009. — 301 с.

29. Баратов А. Н. Горение - Пожар - Взрыв - Безопасность. — М. : ФГУП ВНИИПО МЧС России, 2003. —364 с.

30. Полежаев Ю. В., Юрьевич Ф. Б. Тепловая защита. — М. : Энергия, 1976. — 391 с.

31. ШенкХ. Теория инженерного эксперимента. — М. : Мир, 1972. — 381 с.

32. ЗайдельА. Н. Элементарные оценки ошибок измерений / Академия наук СССР. — 3-е изд., испр. и доп. — Л. : Наука, 1968. — 96 с.

33. Zakharevich A. V., Strizhak P. A. Analyzing the characteristic times of physical-chemical processes running at ignition of a liquid condensed substance under local heating // Journal of Engineering Thermophysics. — 2013. — Vol. 22, No. 2. — P. 157-168.

Материал поступил в редакцию 23 сентября 2013 г.

= English

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF INITIAL TEMPERATURE FOR SPRAYED WATER INFLUENCE ON THE EVAPORATION INTENSITY AT THE MOVING THROUGH FLAME

VOLKOV R. S., Assistant of Automation Thermal and Power Processes Department, Institute of Power Engineering of National Research Tomsk Polytechnic University

KUZNETSOV G. V., Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Head of Theoretical and Industrial Heat Engineering Department, Institute of Power Engineering of National Research Tomsk Polytechnic University

STRIZHAK P. A., Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor of Automation Thermal and Power Processes Department, Institute of Power Engineering of National Research Tomsk Polytechnic University

ABSTRACT

The article presents scheme, technique and results of experimental investigation of initial temperature for sprayed water influence on the evaporation intensity at movement through the flame with fixed height. The modern high-speed measuring system of two-phase vapor-liquid streams diagnostics

on the basis of Particle Image Velocimetry (PIV) method is used for the recording and processing of video frames. It is established that the measurement errors of liquid droplet sizes are no more than

0.001.mm, speed of the combustion products and water drops — 2 %.

Video frames and the velocities fields of the sprayed liquid drops groups (water with "tracing" of the titan dioxide nanopowder particles) on an inlet and outlet of a high-temperature combustion products zone are provided. Limit changes of the drops sizes and speeds at movement through a flame are established. Essential influence of the sprayed liquid initial temperature on completeness of its evaporation at moving through the flame with fixed height is shown.

The approximating expressions allowing to determine the optimal parameters of liquid dispersion at the flames localization for different initial temperatures are formulated.

Keywords: sprayed water; drops; combustion products; flame; temperature; evaporation.

REFERENCES

1. Sokovikov V. V., Tugov A. N., Grishin V. V., Kamyshev V. N. Avtomaticheskoye vodyanoye pozharo-tusheniye s primeneniyem tonkoraspylennoy vody na elektrostantsiyakh [Automatic water fire extinguishing with using of sprayed water at power plants]. Energetic — Power Engineer, 2008, no. 6, pp. 37-38.

2. Kopylov N. P., Chibisov A. L., Dushkin A. L. Izucheniye zakonomernostey tusheniya tonkoraspylennoy vodoy modelnykh ochagov pozhara [Studying of suppression regularities by sprayed water of model fire seats]. Pozharnaya bezopasnost — Fire Safety, 2008, no. 4, pp. 45-58.

3. Korol'chenko D. A., Gromovoy V. Yu., Vorogushin O. O. Primeneniye tonkoraspylennoy vody dlya tusheniya pozharov v vysotnykh zdaniyakh [Fire extinguishing in tall buildings by using water mist systems]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2011, vol. 20, no. 9, pp. 54-57.

4. Andryushkin A. Yu., PelekhM. T. Effektivnostpozharotusheniya tonkoraspylennoy vodoy [Efficiency of the stewing fire by sprayed water]. Problemy upravleniya riskami v tekhnosfere — Problems of Technosphere Risk Management, 2012, vol. 21, no. 1, pp. 64-69.

5. Kovalev A. N., Zhuravleva L. A. Perspektivnyye napravleniya tusheniya nizovykh lesnykh i stepnykh pozharov [Perspective directions of the ground forest and steppe fires firefighting]. Nauchnayazhizn — Scientific Life, 2012, no. 4, pp. 153-157.

6. BogdanovaV. V., Kobets O. I. Issledovaniyaognezashchitnoy effektivnosti sostavovnaosnove ammo-niynykh fosfatov dvukh- i trekhvalentnykh metallov v zavisimosti ot usloviy polucheniya [Researches of the structures fireproof efficiency on the basis of ammonium phosphates of two- and trivalent metals depending on receiving conditions]. VestnikBGU — Bulletin ofBelarusian State University, series 2, 2009, no. 1,pp. 34-39.

7. Bogdanova V. V., Kobets O. I., Lyudko A. A., Kirlitsa V. P. Optimizatsiyaognezashchitno-ognetusha-shchikh svoystv sostava dlya predotvrashcheniya i lokalizatsii pozharov v prirodnom komplekse me-todom matematicheskogo planirovaniya eksperimenta [Optimization of structure fireproof and extinguishing properties for prevention and localization of fires in a natural complex by the method of mathematical experiment planning]. Vestnik KIIMCHS RB — Herald of Institute for Command Engineers of the Ministry for Emergency Situations of the Republic of Belarus, 2012, vol. 15, no. 1, pp. 32-39.

8. Bogdanova V. V., Kobets O. I., Lyudko A. A. Razrabotka sinteticheskikh sostavov kompleksnogo dey-stviya dlya ognezashchity i tusheniya prirodnykh goryuchikh materialov [Development of complex action synthetic structures for fire protection and suppression of natural combustible materials]. Chrez-vychaynyye situatsii: preduprezhdeniye, likvidatsiya — Emergency Situations: Prevention, Elimination, 2012, vol. 31, no. 1, pp. 53-61.

9. Andreev G. G., Glushkov D. O., Panin V. F., Strizhak P. A. Teplomassoperenos pri vzaimodeystvii dis-pergirovannogo flegmatizatora goreniya s vysokotemperaturnymi produktami sgoraniya [Heat and mass transfer in the interaction of the dispersed burning phlegmatizer with high-temperature combustion products]. Butlerovskiye soobshcheniya — Butlerov Communications, 2012, vol. 31, no. 8, pp. 86-94.

10. Glushkov D. O., Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Chislennoye issledovaniye teplomassoperenosa pri dvizhenii "tandema" kapel vody v vysokotemperaturnoy gazovoy srede [Numerical research of heat-and-mass transfer at movement of water drops "tandem" in the high temperature gas mixture]. Teplo-vyyeprotsessy v tekhnike — Thermal Processes in Engineering, 2012, vol. 4, no. 12, pp. 531-538.

11. VolkovR. S., KuznetsovG. V., StrizhakP. A. Chislennayaotsenkaoptimalnykhrazmerovkapelvodyv usloviyakh yeye raspyleniya sredstvami pozharotusheniya v pomeshcheniyakh [Numerical estimation of optimum sizes for water drops at the conditions of its dispersion by firefighting devices at placements]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2012, vol. 21, no. 5, pp. 74-78.

12. Strizhak P. A. Chislennoye issledovaniye usloviy ispareniya sovokupnosti kapel vody pri dvizhenii v vysokotemperaturnoy gazovoy srede [Numerical investigation of evaporation conditions for set of water drops at the moving after high temperature gas mixture]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2012, vol. 21, no. 8, pp. 26-31.

13. Volkov R. S., Vysokomornaya O. V., Strizhak P. A. Chislennoye issledovaniye usloviy vzaimodey-stviya dispergirovannogo flegmatizatora goreniya s vysokotemperaturnymi produktami sgoraniya [Numerical investigation of interaction conditions of the dispersed burning phlegmatizator with high temperature combustion products]. Bezopasnost truda v promyshlennosti—Safety of Work in Industry, 2012, no. 10, pp. 74-79.

14. Strizhak P. A. Chislennyy analiz protsessa ispareniya kapli, dvizhushcheysya v struye vody cherez vysokoskorostnyye produkty sgoraniya [Numerical analysis of evaporation process for droplet moving at the water jet through high temperature combustion products]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2012, vol. 21, no. 9, pp. 17-23.

15. Vysokomornaya O. V., Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Teplomassoperenos pri dvizhenii kapel vody v vysokotemperaturnoy gazovoy srede [Heat-and-mass transfer at water drops movement in the high-temperature gas mixture]. Inzhenerno-fizicheskiy zhurnal — Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2013, vol. 86, no. 1, pp. 59-65.

16. Zhdanova A. O., Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Vliyaniye raspredeleniya kapel vody v "vodyanom snaryade" na temperaturu v yego slede [Influence of water droplets distribution in the "water shell" on temperature in follow movement]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2013, vol. 22, no. 2, pp. 9-17.

17. Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Vliyaniye formy kapli vody na rezultaty matematicheskogo modeliro-vaniya yeye ispareniya pri dvizhenii cherez vysokotemperaturnyye produkty sgoraniya [Influence of a water drop form on a mathematical modeling results of its evaporation at movement through high-temperature combustion products]. Teplovyye protsessy v tekhnike — Thermal Processes in Engineering, 2013, no. 6, pp. 254-261.

18. Strizhak P. A. Chislennyy analiz diffuzionno-konvektivnykh protsessov teplomassoperenosa pri dvizhenii kapel vody cherez vysokotemperaturnyye produkty sgoraniya [The numerical analysis of diffusive and convective heat-and-mass transfer processes for water drops at movement through high-temperature combustion products]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2013, vol. 22, no. 7, pp. 11-21.

19. Volkov R. S., Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. O nekotorykh fizicheskikh zakonomernostyakh ispareniya raspylennoy vody pri dvizhenii cherez vysokotemperaturnyye produkty sgoraniya [About some physical evaporation regularities of the sprayed water at movement through high-temperature combustion products]. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta — Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, 2013, vol. 322, no 6, pp. 45-52.

20. Volkov R. S., Vysokomornaya O. V., Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Eksperimentalnoye issledova-niye zakonomernostey ispareniya tonkoraspylennoy vody pri dvizhenii cherez vysokotemperaturnyye produkty sgoraniya [Experimental research of evaporation regularities for pulverized water moving through high-temperature combustion products]. Butlerovskiye soobshcheniya — Butlerov Communications, 2013, vol. 35, no. 9, pp. 38-46.

21. Keane R. D., Adrian R. J. Theory of cross-correlation analysis of PIV images. Applied Scientific Research, 1992, vol. 49, pp. 191-215.

22. Westerweel J. Fundamentals of digital particle image velocimetry. Measurement Science and Technology, 1997, vol. 8, pp. 1379-1392.

23. Foucaut J. M., Stanislas M. Some considerations on the accuracy and frequency response of some derivative filters applied to particle image velocimetry vector fields. Measurement Science and Technology, 2002, vol. 13, pp. 1058-1071.

24. Kuznetsov G. V., Zakharevich A. V., Maksimov V. I. Zazhiganiye zhidkogo pozharoopasnogo ve-shchestva odinochnoy "goryachey" metallicheskoy chastitsey [Ignition of liquid fire-dangerous substance by a single "hot" metal particle]. Izvestiya vuzov. Fizika — News of Higher Education Institutions. Physics, 2007, no. 9/2, pp. 90-95.

25. Kuznetsov G. V., Zakharevich A. V., Maksimov V. I. Zazhiganiye dizelnogo topliva odinochnoy "go-ryachey" metallicheskoy chastitsey [Ignition of diesel fuel by a single "hot" metal particle]. Pozharo-vzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2008, vol. 17, no. 4, pp. 28-30.

26. Kuznetsov G. V., Zakharevich A. V., Maksimov V. I. Omekhanizmezazhiganiyabenzina odinochnoy nagretoy do vysokikh temperatur metallicheskoy chastitsey [About the mechanism of gasoline ignition by the single metal particle heated to high temperatures]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2008, vol. 17, no. 5, pp. 39-42.

27. Shchetinskiy Ye. A. Tusheniye lesnykhpozharov [Suppression of forest fires]. Moscow, Russian Research Institute for Silviculture and Mechanization of Forestry (VNIILM) Publ., 2002. 104 p.

28. Kuznetsov G. V., Baranovskiy N. V. Prognoz vozniknoveniya lesnykh pozharov i ikh ekologicheskikh posledstviy [Forecast of forest fires emergence and their ecological consequences]. Novosibirsk, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences Publ., 2009. 301 p.

29. BaratovA.N. Goreniye-Pozhar- Vzryv-Bezopasnost[Burning-Fire-Explosion-Safety]. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection of Emercom of Russia Publ., 2003. 364 p.

30. Polezhaev Yu. V., Yuryevich F. B. Teplovaya zashchita [Thermal protection]. Moscow, Energiya Publ., 1976. 391 p.

31. Shenk Kh. Teoriya inzhenernogo eksperimenta [Theory of engineering experiment]. Moscow, Mir Publ., 1972. 381 p.

32. Zaydel A. N. Elementarnyye otsenki oshibokizmereniy [Simple estimates of measurement errors]. The Academy of Sciences of the USSR. Leningrad, Nauka Publ., 1968. 96 p.

33. Zakharevich A. V., Strizhak P. A. Analyzing the characteristic times of physical-chemical processes running at ignition of a liquid condensed substance under local heating. Journal of Engineering Thermo-physics, 2013, vol. 22, no. 2, pp. 157-168.

Издательство «П0ЖНАУКА»

Представляет книгу

А. Я. Корольченко, Д. 0. Загорский КАТЕГ0РИР0ВАНИЕ ПОМЕЩЕНИЙ И ЗДАНИЙ ПО ВЗРЫВ0П0ЖАРН0Й И ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ. - М.: Пожнаука, 2010.-118 с.

В учебном пособии изложены принципы категорирования помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности, содержащиеся в современных нормативных документах. На примерах конкретных помещений рассмотрено использование требований нормативных документов к установлению категорий. Показана возможность изменения категорий помещений путем изменения технологии или внедрения инженерных мероприятий по снижению уровня взрывопожароопасности и повышению надежности технологического оборудования и процессов.

Пособие рассчитано на студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям "Пожарная безопасность", "Безопасность технологических процессов и производств", "Безопасность жизнедеятельности в техносфере", студентов строительных вузов и факультетов, обучающихся по специальности "Промышленное и гражданское строительство", сотрудников научно-исследовательских, проектных организаций и нормативно-технических служб, ответственных за обеспечение пожарной безопасности.

121352, г. Москва, а/я 43; тел./факс: (495) 228-09-03; e-mail: mail@firepress.ru