Зажигание дизельного топлива одиночной "горячей" металлической частицей

Д-р физ.-мат. наук, профессор Томского политехнического университета

Г. В. Кузнецов

йт

Ассистент

Томского политехнического университета

А.В.Захаревич

Канд. техн. наук, старший преподаватель Томского политехнического университета

В. И. Максимов

УДК 536.468

ЗАЖИГАНИЕ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА

ОДИНОЧНОЙ "ГОРЯЧЕЙ" МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ЧАСТИЦЕЙ

Излагаются методика и результаты экспериментального исследования закономерностей зажигания дизельного топлива "горячей" одиночной стальной частицей. Выявлена зависимость времени задержки зажигания этого пожароопасного вещества от начальной температуры частицы. Описан механизм взаимодействия одиночной нагретой частицы с жидким топливом.

Введение

Дизельное топливо является одной из широко использующихся пожароопасных жидкостей. При этом до настоящего времени недостаточно проработаны научно-технические вопросы, связанные с проблемой воспламенения этого топлива при хранении, перегрузке и использовании. В частности, не установлены предельные условия его зажигания одиночными нагретыми до высоких температур частицами. Такие режимы зажигания возможны на практике достаточно редко, но именно они являются причиной большинства пожаров, связанных с дизельным топливом.

Целью данной работы является экспериментальное исследование процесса зажигания дизельного топлива одиночной нагретой до высоких температур стальной частицей.

Методика эксперимента

Для проведения эксперимента с данной пожароопасной жидкостью использовались экспериментальная установка и методика, описанные в публикации [1]. Частица — источник зажигания — представляла собой стальной диск диаметром d, равным 610-3 м, и высотой Н от 310-3 до 910-3 м. Высота и диаметр диска выбирались и зависели от количества жидкости таким образом, чтобы можно было варьировать площадью поверхности контакта частицы с топливом. Металлическая частица при падении в вертикальный сосуд (Н = 410-2 м, d = 510-2 м) с дизельным топливом находилась в

твердом состоянии и не деформировалась. Эксперименты проводились в одинаковых и хорошо воспроизводимых условиях. Опыты выполнялись при температуре 26°С и относительной влажности 50%. Для повышения достоверности измерений опыты проводились 3-5 раз подряд в одинаковых условиях. Нагрев диска до заданной температуры осуществлялся в нагревательной печи, обеспечивающей стабильную температуру рабочего объема (до 1523 К) в течение продолжительного времени. Нагретая частица падала с фиксированной высоты 0,15 м в пожароопасную жидкость. Момент соприкосновения "горячей" стальной частицы с поверхностью дизельного топлива, находящегося в вертикальном стеклянном цилиндрическом сосуде, фиксировался датчиком воспламенения и цифровой видеокамерой. Время задержки зажигания т3 определялось от момента контакта частицы с поверхностью пожароопасного вещества до момента появления пламени. Интервал между этими двумя моментами также фиксировался видеокамерой. Погрешность измерения начальной температуры частицы, оцениваемая по методике [2], не превышала 1-3%.

Результаты экспериментальных исследований

На рис. 1 и 2 представлены результаты экспериментов, иллюстрирующие закономерности процесса зажигания дизельного топлива одиночной нагретой до высоких температур частицей. Эксперимен-

Рис. 1. Экспериментальная зависимость времени задержки зажигания т3 дизельного топлива от начальной температуры частицы Тч: 1 — к = 3 10-3 м; 2 — к = 5 10-3 м

0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02

0 1200

1

/

Л

2J

1250 1300 1350 1400

1450 Тч, К

Рис. 2. Экспериментальная зависимость времени задержки зажигания т3 дизельного топлива от начальной температуры частицы Тч: 1 — к = 710-3 м; 2 — к = 9 10-3 м

ты показали устоичивыи характер воспламенения исследовавшейся пожароопасной жидкости. После возникновения возгорания наблюдалось устойчивое горение топлива. Также необходимо отметить меньшие по сравнению, например, с керосином значения т3 дизельного топлива. Времена задержки последнего не превышали во всех проведенных экспериментах 0,16 с. Для керосина эта величина составляет не менее 0,2 с.

Кривые на рис. 1 построены в результате аппроксимации экспериментальных данных. Некоторый разброс значений т3 при Тч = const связан с условиями входа частицы в дизельное топливо. Большие частицы входят в жидкость практически идеально во всех экспериментах. Маленькие же при ударе о поверхность топлива иногда отклоняются от траектории входа под прямым углом к поверхности. Чем больше масса частицы, тем более устойчиво она входит в жидкость — дизельное топливо. Наибольший разброс экспериментальных данных наблюдается у частицы диаметром 610-3 м и высотой 310-3 м. При Тч > 1400 K разброс экспериментальных значений т3 уменьшается. Это иллюстрирует стабильное зажигание топлива вне зависимости от размера частицы. Кривые зависи-

Рис. 3. Кадры видеограммы опытов с зажиганием (а), отсутствием зажигания (б) и стабильным горением (в) дизельного топлива при к = 5 10-3 м: 1 — дизельное топливо; 2 — металлическая частица; 3 — стеклянный вертикальный сосуд; 4 — пары дизельного топлива; 5 — пламя

мостей т3 (?) построены до значений температур, при которых происходило воспламенение. При меньших температурах воспламенение не зафиксировано. Например, при диаметре частицы-диска 610-3 м и высоте 310-3 м при Тч < 1313 К воспламенение отсутствует.

При увеличении высоты частицы-диска (при постоянном диаметре) пороговое значение Тч снижается (см. рис. 1 и 2), т.е. рост теплосодержания частицы приводит к уменьшению времени задержки воспламенения. На основании этих результатов можно сделать вывод о том, что зажигание определяется площадью поверхности контакта с пожароопасной жидкостью.

На рис. 3, а показан момент зажигания дизельного топлива стальной частицей. Оно происходит

ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2008 ТОМ 17 №4

29

вблизи поверхности дизельного топлива (у поверхности контакта с "горячей" стальной частицей). На рис. 3, б представлен результат опыта при относительно низкой Тч (< 1293 К). В этом случае воспламенение не произошло. Хорошо видно, что значительная часть сосуда, в котором находилось топливо, заполнена парами этой жидкости. При достигнутой температуре энергии, аккумулированной в частице, оказывается достаточно только для генерирования большого объема паров. Но температура паров недостаточна для воспламенения их смеси с воздухом. Полученные результаты показывают, что, скорее всего, зажигание дизельного топлива мелкими частицами, образующимися, например, при раздувании костров, невозможно. Температура таких частиц не превышает 1100 К. Устойчивое горение дизельного топлива после воспламенения при достаточно высокой температуре (Тч > 1293 К) представлено на рис. 3, в.

Следует отметить, что механизмы воспламенения дизельного топлива и бензина существенно различаются. В описываемых экспериментах частица погружалась в жидкость до дна сосуда. Так как высота слоя топлива была меньше высоты частицы, то последняя зажигала жидкость, находясь в ней. Воспламенение же бензина в аналогичных условиях всегда происходит в паровой фазе до поверхности жидкости, т.е. частица не достигает поверхности испарения бензина. Данное различие, вероятно, обусловлено особенностями процессов фазовых переходов этих двух жидкостей. Скорость испарения бензина существенно выше, а теплота фазового перехода ниже по сравнению с дизельным топливом. Поэтому при одинаковых условиях нагрева паров бензина образуется больше, соответственно их концентрация в воздухе над поверхностью испарения существенно выше по сравнению с дизельным топливом при прочих равных условиях.

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что бензин является существенно более опасной в пожарном отношении жидкостью, так как его воспламенение может происходить и при пролете нагретой частицы над поверхностью испарения. Дизельное же топливо при малом времени задержки зажигания воспламеняется только при погружении частицы в приповерхностный слой.

Анализ полученных данных показывает, что воспламенение дизельного топлива должно происходить, например, практически при любых размерах частиц, образующихся в процессе сварки металлов на практике. Размеры этих частиц составляют обычно единицы миллиметров, но их температура существенно выше той, которая характеризовала состояние частиц в представленных экспериментах, поэтому проведение сварочных работ в непосредственной близости даже от мелких луж дизельного топлива недопустимо.

Заключение

На основании результатов проведенных экспериментальных исследований можно сделать вывод об устойчивом зажигании дизельного топлива одиночной нагретой до температур более 1320 К частицей. Воспламенение паров топлива происходит над верхней гранью частицы. Механизм воспламенения дизельного топлива существенно отличается от механизма зажигания бензина. Полученные данные позволяют также сделать вывод о высокой пожарной опасности сварочных работ в помещениях, использующихся для хранения, перегрузки или переработки дизельного топлива.

***

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 06-08-00366).

ЛИТЕРАТУРА

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

2. Полежаев, Ю. В. Тепловая защита / Ю. В. Полежаев, Ф. Б. Юревич. — М.: Энергия, 1976.

Поступила в редакцию 22.04.08.