ПРОЦЕСС НАГРЕВАНИЯ ПАДАЮЩИМ ТЕПЛОВЫМ ПОТОКОМ РЕЗЕРВУАРОВ С ГОРЮЧЕЙ ЖИДКОСТЬЮ В УСЛОВИЯХ ПОЖАРА

Крупнотоннажное хранение углеводородов представляет высокую потенциальную опасность. Одним из наиболее серьезных сценариев является происшествие в виде пожара на территории резервуарного парка.

Так, в случае аварии в пригороде Мехико произошла серия взрывов, сопровождающихся пожаром, продолжавшимся до 20 часов. Взрывы резервуаров происходили из-за их перегрева вследствие пожара на соседних резервуарах или трубопроводах.

В некоторых случаях прогрев осуществлялся дистанционно излучением от пожара, а в некоторых случаях – прямым воздействием факела на поверхность заполненного резервуара. В результате из-за аварии погибло 644 человека, получили травмы более 7000 человек, около 200 тысяч человек остались без крова.

В данной работе предпринимается попытка рассмотреть последовательность развития теплового процесса под влиянием внешнего теплового потока на металлическую стенку резервуара, заполненного горючей жидкостью.

Тему можно считать актуальной, поскольку для того, чтобы определить, когда стенка сосуда при ее нагревании разрушится при наличии в сосуде жидкого горючего, необходимо знать критические параметры кипения.

Условно развитие процесса нагрева жидкости в резервуаре можно разбить на следующие этапы: свободная конвекция (без кипения), пузырьковый режим, переходный режим и пленочный режим.

При свободной конвекции под действием постоянного падающего теплового потока стальная стенка нагревается в процессе теплообмена до температуры:

                                                       Т=Т_н+Т_п                                                      (1)

Т – температура, до которой нагревается стальная стенка в процессе теплообмена;

Т_н – температура насыщения жидкости (кипения) при условиях внутри резервуара;

Т_п – величина перегрева поверхности резервуара над Т_н.

Тепловой баланс и решение уравнения прогрева стенки резервуара дают выражение для температуры стенки:

                                                                (2)

Т₀ – начальная температура стенки резервуара;

q_п – падающий внешний тепловой поток;

α_Σ – суммарный коэффициент теплоотдачи, учитывающий, как излучение, так и конвекцию в окружающий воздух;

C_p – теплоемкость стенки резервуара;

ρ – плотность стенки резервуара;

δ – толщина стенки резервуара;

t – время прогрева.

В сосуде формируются пузырьки воздуха, следствием чего является пузырьковый режим кипения. При пузырьковом кипении с повышением температуры стенки металла и температурного напора число пузырьков растет, кипение становится более интенсивным. Тепловой поток растет не беспредельно.

Следующий этап процесса прогрева происходит при пузырьковом кипении. При пузырьковом кипении теплообмен между стенкой и жидкостью интенсифицируется и коэффициент теплоотдачи в жидкость растет пропорционально  , и, таким образом, температура стенки растет до тех пор, пока падающий тепловой поток будет меньше суммы приходящего в жидкость теплового потока и уходящего теплового потока в воздух:

                                                                                  (3)

q_п – постоянное падающее излучение;

q₁ – тепловой поток, поглощаемый жидкостью;

q₂ – тепловой поток, уходящий в воздух.

При дальнейшем повышение температуры в резервуаре прекращается, когда падающий тепловой поток будет равен сумме приходящего в жидкость и уходящего теплового потока в воздух:

                                                                      (4)

Затем нагрев стенки резервуара в результате пузырькового кипения останавливается при достижении теплового потока в жидкость критического значения для пузырькового кипения:

                  (5)

q_кр.1. – критическое значение теплового потока для пузырькового кипения;

ρ_п – плотность паров жидкости;

ρ_ж – плотность горючей жидкости;

σ – коэффициент поверхностного натяжения горючей жидкости;

g – ускорение свободного падения;

Δh_исп. – теплота испарения горючей жидкости.

Если падающий тепловой поток

                                                                                                   (6)

то температура стенки начинает превышать критическое значение  и пузырьковое кипение сменяется пленочным кипением.

Около стенки пузырьки сливаются, образуя паровые полости. Такие участки выключаются из теплообмена, так как отвод теплоты к пару происходит менее интенсивно. Тепловой поток и коэффициент теплоотдачи в области переходного режима кипения снижаются.

Наконец, вся поверхность нагрева покрывается сплошной пленкой пара, оттесняющей жидкость от поверхности. С этого момента имеет место пленочный режим кипения.

В момент наступления пленочного кипения тепловая нагрузка, отводимая от поверхности, и соответственно количество образующегося пара имеют минимальные значения.

В результате наступает следующий этап прогрева стенки резервуара и жидкости внутри него. Коэффициент теплоотдачи в жидкость резко уменьшается из-за более низкой теплопроводности пара, и темп прогрева стенки увеличивается, а скорость теплоподвода в жидкость уменьшается. В результате повышения температуры стенки её несущая способность уменьшается и при одновременном повышении давления в резервуаре происходит разрыв сосуда и взрыв. Результаты расчетов для стального резервуара толщиной δ=3∙10^-3 м, наполненного октаном и додеканом выявили следующее. Время прогрева стенки до начала пузырькового кипения – t₁ (таблица 1).

Таблица 1.

Значения времени прогрева стенки до начала пузырькового кипения для октана и додекана при различных величинах падающих тепловых потоков.

Критическое значение падающего теплового потока для октана – q_кр=250 , для додекана - q_кр=180 .

Когда подводимая плотность теплового потока достигает значения q_кр, то при незначительном повышении q возникает избыток между количеством подводимой к поверхности теплоты и той максимальной тепловой нагрузкой q_кр, которая может быть отведена в кипящую жидкость. Этот избыток вызывает увеличение температуры поверхности, начинается нестационарный разогрев материала стенки. Развитие процесса приобретает кризисный характер. Кризисный переход обычно сопровождается расплавлением и разрушением поверхности нагрева.

Таким образом, во избежание этих явлений в резервуарных парках стенки свободных бортов горящих и соседних резервуаров охлаждают водой.

Список литературы:

1. Маршалл В.К. Основные опасности химических производств, М.: Мир, 1989. - 672 с.
2. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977. - 344 с.
3. Edwards D.K., Handbook of heat transfer fundamentals.