по
Меню журнала
> Архив номеров > Рубрики > О журнале > Авторы > О журнале > Требования к статьям > Редсовет > Порядок рецензирования статей > Политика издания > Ретракция статей > Этические принципы > Политика открытого доступа > Оплата за публикации в открытом доступе > Публикация за 72 часа: что это? > Политика авторских прав и лицензий > Политика цифрового хранения публикации > Политика идентификации статей > Политика проверки на плагиат
Журналы индексируются
Реквизиты журнала

Публикация за 72 часа - теперь это реальность!
При необходимости издательство предоставляет авторам услугу сверхсрочной полноценной публикации. Уже через 72 часа статья появляется в числе опубликованных на сайте издательства с DOI и номерами страниц.
По первому требованию предоставляем все подтверждающие публикацию документы!
ГЛАВНАЯ > Вернуться к содержанию
Вопросы безопасности
Правильная ссылка на статью:

Тушение диффузионного пламени метана в воздухе при одновременной подаче газовых огнетушащих агентов в горючее и окислитель
Шебеко Алексей Юрьевич

кандидат технических наук

начальник отдела, ФГБУ Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны МЧС России (ФГБУ ВНИИПО МЧС России)

143903, Россия, Московская область, г. Балашиха, ул. Микрорайон Вниипо, 12

Shebeko Alexey Yurevich

PhD in Technical Science

head of the department at All-Russian Research Institute for Fire Protection

143903, Russia, Moskovskaya oblast', g. Balashikha, ul. Mikroraion Vniipo, 12

yn_shebeko.@mail.ru

Аннотация.

Предметом исследования являются газовые огнетушащие составы и их действие на факела метана при их одновременной подаче в горючее и окислитель. Автор подробно анализирует состояние проблемы определения огнетушащих концентраций газовых огнетушащих составов. В отличие от других исследований автор рассматривает случай подачи огнетушащего газа одновременно в поток горючего и окислителя. Используется как химически инертный газ (азот), так и газ, обладающий ингибирующим действием (трифторметан). Результаты экспериментов сравниваются с расчетными данными, полученными с использованием обычного и модифицированного правила Ле-Шателье. Найдено, что модифицированное правило Ле-Шателье достаточно точно описывает экспериментальные данные. Основной метод исследования – проведение экспериментов на лабораторной установке с использованием метана как горючего газа и азота и трифторметана как огнетушащих газов. Кроме того, проводятся расчеты огнетушащих концентраций по стандартному и модифицированному правилу Ле-Шателье. Новизна исследования заключается, во-первых, в получении новых экспериментальных данных по тушению факелов метана при подаче указанных огнетушащих газов одновременно в потоки горючего и окислителя и, во-вторых, апробация для данного случая стандартного и модифицированного правила Ле-Шателье для расчета огнетушащих концентраций. Показана применимость модифицированного правила Ле-Шателье для расчета огнетушащих концентраций.

Ключевые слова: лабораторный стенд, трифторметан, азот, подача огнетушащего газа, огнетушащий газ, тушение факела метана, химически инертный газ, правило Ле-Шателье, огнетушащие концентрации, ингибитор

DOI:

10.25136/2409-7543.2019.1.28552

Дата направления в редакцию:

21-01-2019


Дата рецензирования:

30-12-2018


Дата публикации:

22-01-2019


Abstract.

The subject of the research is the gas extinguishing agents and their effect on the methane flame during simultaneous supply of extinguishing agent into gasoline and oxidant. Shebeko analyzes the problem of defining the extinguishing concentrations in gas extinguishing agencts. Unlike other researchers, the author of this article analyzes the case when extinguishing gas is supplied into the gasolien and oxidant flames simultaneously. Both the chemically intert gas (azote) and gas with inhibiting effect (trifluoromethane) are used. The results of the experiment are compared to esimated data obtained by using the standard and modified Le-Chatelier rule. It has been discovered that the modified Le-Chatelier rule quite accurately describes experimental data. The main research method is the laboratory experiment that used methane as combustion gas and azote or trifluoromethane as extinguishing gas. Moreover, the article also presents the results of calculation of extinguishing concentrations based on the standard and modified Le-Chatelier rule. The novelty of the research is caused, firstly, by the fact that the researcher obtains new experimental data on extinguishing methane flame during simultaneous supply of extinguishing agents into gasoline and oxidant, and secondly, by the fact that the researcher applies the standard and modified Le-Chatelier rule to calculate extinguishing concentrations. The author of the article demonstrates applicability of the modified Le-chatelier rule to calcuate extinguishing concentrations. 

Keywords:

supply of the extinguishing gas, methane, trifluoromethane, laboratory set-up, chemically inert gas, Le-Chatelier rule, extigushing of methane jet flame, inhibitor, extinguishing concentrations, extinguishing gas

Введение

Образование аварийных газовых факелов является одним из основных факторов, определяющих уровень пожарной опасности предприятий нефтегазовой отрасли. Такие факела при воздействии на технологическое оборудование, содержащее сжиженные углеводородные газы, легковоспламеняющиеся и горючие жидкости могут вызвать каскадное развитие пожара с катастрофическими последствиями. Тушение таких факелов может проводиться при подаче огнетушащего газа как в окислитель (воздух), так и в поток горючего газа. Для оценки возможности такого комбинированного тушения необходимо знать закономерности стабилизации указанных факелов, а также особенности их тушения газовыми составами. Решению этой задачи посвящена настоящая работа.

Изучение характеристик диффузионного горения газов до сих пор привлекает внимание многих исследователей. Основы теории гашения диффузионного пламени изложены в работах [1,2]. Показано, что прекращение горения в газовом диффузионном факеле наступает тогда, когда из-за подачи огнетушащего вещества скорость химической реакции во фронте пламени, локализованном в контуре стехиометрического состава, становится недостаточной для химического превращения при заданных скоростях горючего и окислителя. При этом флегматизатор может подаваться как с окислителем, так и с горючим.

Количество работ, посвященных определению минимальных огнетушащих концентраций (предельных концентраций флегматизатора при подаче в окислитель) весьма велико (см., например, [3-9]).

Описаны в литературе также исследования, посвященные тушению диффузионных факелов путем подачи флегматизатора вместе с горючим (см. например, [10-16]). Отмечено [17], что ингибиторы практически одинаково эффективны при их введении как с окислителем, так и с топливом при учете их полного потока во фронт пламени. В работе [18] сформулировано эмпирическое правило Ле-Шателье для огнетушащих концентраций агентов, подаваемых как с горючим, так и с окислителем. Наблюдаемые заметные отклонения экспериментальных данных от этого правила авторы [18] объясняют диффузионными эффектами.

Из приведенного выше краткого анализа опубликованных исследований следует, что работы по изучению предельных условий гашения газовых диффузионных факелов при одновременной подаче флегматизатора в потоки горючего и окислителя весьма немногочисленны. В связи с вышеизложенным настоящая работа посвящена экспериментальному определению огнетушащих концентраций газовых средств объемного тушения факела метана при их одновременной подаче в горючее и окислитель как с точки зрения определения условий пожаробезопасного сброса горючих газов из технологического оборудования в аварийных условиях, так и с точки зрения совершенствования метода определения минимальных огнетушащих концентраций.

Результаты определения предельных концентраций огнетушащих газов по отношению к диффузионному пламени метана

Эксперименты выполнены по описанной в работе [19] методике. Для сравнения приведены результаты расчета по обычному [18] и модифицированному правилу Ле-Шателье, описанному в работе [19].

Опыты по определению огнетушащих концентраций при подаче флегматизатора одновременно в горючее и окислитель проводились на экспериментальной установке «Диффузия», схема которой приведена на рисунке 1.

Описание: Новый рисунок

Рисунок 1 - Схема экспериментальной установки «Диффузия»:

1 , 2 , 13 , 14 – вентили; 3 , 4 , 15 , 16 – электропневмовентили; 5 , 6 , 17 , 18 – ротаметры; 7 – вход вытяжной вентиляционной системы; 8 – реакционный цилиндр; 9 – горелка Бунзена; 10 – электроды зажигания; 11 – компрессор; 12 – буферная емкость.

Эксперименты по определению огнетушащих концентраций флегматизатора при его одновременной подаче в горючее и окислитель проводились следующим образом. Получение горючей смеси заданного состава (горючей газ с флегматизатором при различном объемном содержании флегматизатора) осуществлялось посредством подачи водорода и флегматизатора через электропневмоклапаны (3 , 4 ) и ротаметры (5 , 6 ) в общую газовую магистраль. Для грубой регулировки расходов газов использовались вентили (1 , 2 ). Для точной регулировки расходов газов использовались винты точной регулировки, установленные на ротаметрах. Длина общей газовой магистрали составляла не менее 20 калибров горелки, что обеспечивало необходимое качество перемешивания газов. Общая газовая магистраль соединялась с горелкой.

Использованные в работе ротаметры имели градуировочную характеристику по рабочему газу в виде воздуха.

При использовании ротаметров для газов, отличных от воздуха по плотности, с целью более близкого приближения к действительной величине расхода измеряемого газа были проведены пересчеты градуировочных характеристик ротаметров по формуле:

(1)

где – расход измеряемого газа в рабочих условиях, м3/ч; – расход воздуха при градуировке, м3/ч; – плотность воздуха, кг/м3; – плотность исследуемого газа, кг/м3. В силу того, что эксперименты проводились в помещении при комнатной температуре, а давление в газовых магистралях практически равно атмосферному, так как скорости истечения составляют несколько десятков см/c, то плотности газов ρ1, ρ2 можно принять равными соответствующим плотностям при нормальных условиях. В условиях проведения экспериментов − отношение плотностей равно отношению молекулярных масс . С использованием этой корреляции рассчитывались расходы флегматизатора и горючего газа для получения необходимого соотношения между горючим газом и флегматизатором в горючей среде, воздухом и флегматизатором в окислительной среде.

Аналогичным образом осуществлялось получение окислительной среды заданного состава (смесь флегматизатора с воздухом при заданной концентрации флегматизатора). Выход газовой магистрали с окислительной средой располагался в непосредственной близости от горелки (расстояние между осями горелки и магистрали с окислительной средой составляло 4 см). Для исключения влияния внешнего окислителя (кислорода воздуха) на результаты экспериментов горелка помещалась в реакционный стеклянный цилиндр (8 ) диаметром 10 см и высотой 40 см. Для получения равномерного потока окислительной среды вокруг горелки над выходом магистрали с окислительной средой располагалась засыпка из стеклянных шариков высотой 4 см, диаметр шариков 8 мм. Горючая смесь зажигалась с помощью электрической искры, возникающей в результате разряда между электродами зажигания (10 ). Продукты горения удалялись из помещения с помощью вытяжной вентиляционной системы (7 ). Внутренний диаметр горелки составлял 10 мм. Во время опытов поддерживали постоянные объемные расходы составов горючее – флегматизатор и воздух – флегматизатор, при этом варьировали соотношения горючее/флегматизатор и воздух/флегматизатор. Гашение пламени регистрировали с помощью веб- камеры.

На рис.2,3 видно, что полученные в эксперименте зависимости существенно нелинейны, т.е. правило Ле-Шателье в виде, сформулированном в работе [18], не выполняется. Это правило в формулировке работы [18] имеет вид:

, (2)

где − объемные расходы азота, подаваемого с окислителем и горючим соответственно; − объемные расходы окислителя и горючего.

Рисунок 2 – Зависимость предельной концентрации азота, подаваемого с воздухом, от его содержания в смеси с метаном. 1 – эксперимент; 2 – расчет по методике [19]; 3 – расчет по классическому правилу Ле-Шателье.

Расчет предельных концентраций флегматизатора, выполненный по методике [19] (кривые 2 на рисунках 2,3), качественно, а для фторированных агентов и количественно описывает зависимости предельной концентрации флегматизатора, подаваемого с воздухом (), от его содержания в смеси с горючимт (). При этом расчетные величины для достаточно близки к экспериментальным, оставаясь несколько выше их. Причиной этого может служить участие агентов в химических превращениях во фронте пламени с дополнительным тепловыделением. Подобное участие было обнаружено ранее (см., например, работы [20,21]).

Рисунок 3 – Зависимость предельной концентрации трифторметана, подаваемого с воздухом, от его содержания в смеси с метаном. 1 – эксперимент; 2 – расчет по методике [19]; 3 – расчет по классическому правилу Ле-Шателье.

И лишь в работе [14] экспериментально обнаружено, что некоторые из фторированных агентов увеличивают скорость тепловыделения во фронте диффузионного пламени пропана в воздухе. В связи с этим превышение экспериментально определенных значений расчетных величин связано, вероятно, с эффектом дополнительного тепловыделения из-за наличия во фронте пламени фторированного агента (трифторметана).

ВЫВОДЫ

Таким образом, в настоящей работе проведено экспериментальное исследование тушения факелов метана газовыми огнетушащими средствами при подаче химически инертного газа (азота) и фторированного ингибитора (трифторметана) одновременно в поток горючего и окислителя. Найдено, что зависимость концентраций флегматизатора, подаваемого в поток окислителя, от концентрации флегматизатора, подаваемого в поток горючего, существенно нелинейна. Дана качественная интерпретация полученных результатов, основанная на представлениях об активном участии фторированных агентов в процессах горения. Полученные данные могут служить основой для разработки новых эффективных систем пожаротушения на предприятиях нефтегазового комплекса.

Библиография
1.
Математическая теория горения и взрыва / Я.Б.Зельдович, Г.И.Баренблатт, В.Б.Либрович, Г.М.Махвиладзе. − М.: Наука, 1980. − 478 с.
2.
Вильямс Ф.А. Теория горения. – М.: Наука, 1968. – 478 с.
3.
Tucker D.M., Drysdale D.D., Rasbash D.Y. The extinction of diffusion flames burning in various oxygen concentration by inert gases and bromotrifluoroethane // Combustion and Flame. 1981. V. 41, № 3. P. 293−300.
4.
Creitz E.C. Extinction of fires by halogenated compounds – a suggested mechanism // Fire Technology. 1972. V. 8, № 2. P. 131−136.
5.
Lenig P.G. Inflammability of jets of hydrogen and inert gas // Industrial Engineering Chemistry. 1920. V. 12, № 10. P. 1098−1100.
6.
Simmons R.F., Wolfhard H.G. Some limiting oxygen concentrations for diffusion flames in air diluted with nitrogen // Combustion and Flame. 1957. V. 1, № 2. P. 155−161.
7.
Kent J.H., F.A. Williams F.A. Extinction of laminar diffusion flames for liquid fuels // 15th Symposium (International) on Combustion. − Pittsburgh: The Combustion Institute, 1974. − P. 315−325.
8.
Франк-Каменецкий, Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике.– М.: Наука, 1987. – 491 с.
9.
Hamins A. Extinction of nonpremixed flames with halogenated fire suppressants // Combustion and Flame. 1994. V. 99, № 2. P. 221–230.
10.
Голиневич Г.Е. Естественная стабилизация и срыв оторванного турбулентного диффузионного газового факела // Физика горения и взрыва. 1991. Т.27,№ 5. С. 76−81.
11.
Kalghatgi G.T. Blow-out stability of gaseous jet diffusion flames. Part I. In still air // Combustion Science and Technology. 1981. V. 26, № 5/6. P. 233–239.
12.
Kalghatgi G.T. Blow-out stability of gaseous jet diffusion flames. Part II. Effect of cross wind // Combustion Science and Technology. 1981. V. 26, № 5/6. P. 241–244.
13.
Карпов В.Л. Пожарная опасность аварийных выбросов горючих газов: дис. ... докт. техн. наук: 05.26.03: защищена 30.09.2004.– Москва, 2004. – 331 с.
14.
Карпов В.Л. Пожаробезопасность регламентных и аварийных выбросов горючих газов. Часть 1. Предельные условия устойчивого горения и тушения диффузионных факелов в неподвижной атмосфере // Пожаровзрывобезопасность. 1998. № 3. С. 36–43.
15.
Карпов, В.Л. Пожаробезопасность регламентных и аварийных выбросов горючих газов. Часть 2. Предельные условия устойчивого горения и тушения диффузионных факелов в подвижной атмосфере // Пожаровзрывобезопасность. 1998. № 4. С. 40–47.
16.
Vranos V., Taback E.D., Shipman C.W. An experimental study of the stability of hydrogen-air diffusion flames // Combustion and Flame. 1968. V. 12, № 3. P. 253 – 260.
17.
Махаринский Л.Е. Экспериментальное исследование влияния некоторых ингибиторов на диффузионное пламя пропана // Химическая физика. 1983. Т.2, № 5. С. 693-697.
18.
Chen R., Axelbaum R.L. Scalar dissipation rate at extinction and the effects of oxygen – enriched combustion // Combustion and Flame. 2005. V. 142, № 1. P. 62–71.
19.
Предельные концентрации флегматизаторов при их одновременной подаче с горючим и окислителем для гашения диффузионного факела / В.В.Азатян, Ю.Н.Шебеко, А.Ю.Шебеко, В.Ю.Навценя // Пожарная безопасность. 2008. №1. С.54-60.
20.
Grosshandler W.L., Gmurchzuk G.W., D.L. Lowe D.L. Suppression effectiveness of extinguishing agents under highly dynamic conditions // Proceedings of the 4th International Symposium: Fire Safety Science. – Ottawa: IAFSS, 1995. – Р. 925–936.
21.
Shebeko Yu. N. The influence of fluorinated hydrocarbons on the combustion of gaseous mixtures in a closed vessel // Combustion and Flame. 2000. V. 121, № 3. Р. 542–547
22.
Holmstedt G., Andersson P., Andersson J. Investigation of scale effects of halon and alternatives regarding flame extinguishing, inerting concentration and thermal decomposition products // Proceedings of the 4th International Symposium: Fire Safety Science. – Ottawa: IAFSS, 1995. – Р. 853–864.
References (transliterated)
1.
Matematicheskaya teoriya goreniya i vzryva / Ya.B.Zel'dovich, G.I.Barenblatt, V.B.Librovich, G.M.Makhviladze. − M.: Nauka, 1980. − 478 s.
2.
Vil'yams F.A. Teoriya goreniya. – M.: Nauka, 1968. – 478 s.
3.
Tucker D.M., Drysdale D.D., Rasbash D.Y. The extinction of diffusion flames burning in various oxygen concentration by inert gases and bromotrifluoroethane // Combustion and Flame. 1981. V. 41, № 3. P. 293−300.
4.
Creitz E.C. Extinction of fires by halogenated compounds – a suggested mechanism // Fire Technology. 1972. V. 8, № 2. P. 131−136.
5.
Lenig P.G. Inflammability of jets of hydrogen and inert gas // Industrial Engineering Chemistry. 1920. V. 12, № 10. P. 1098−1100.
6.
Simmons R.F., Wolfhard H.G. Some limiting oxygen concentrations for diffusion flames in air diluted with nitrogen // Combustion and Flame. 1957. V. 1, № 2. P. 155−161.
7.
Kent J.H., F.A. Williams F.A. Extinction of laminar diffusion flames for liquid fuels // 15th Symposium (International) on Combustion. − Pittsburgh: The Combustion Institute, 1974. − P. 315−325.
8.
Frank-Kamenetskii, D.A. Diffuziya i teploperedacha v khimicheskoi kinetike.– M.: Nauka, 1987. – 491 s.
9.
Hamins A. Extinction of nonpremixed flames with halogenated fire suppressants // Combustion and Flame. 1994. V. 99, № 2. P. 221–230.
10.
Golinevich G.E. Estestvennaya stabilizatsiya i sryv otorvannogo turbulentnogo diffuzionnogo gazovogo fakela // Fizika goreniya i vzryva. 1991. T.27,№ 5. S. 76−81.
11.
Kalghatgi G.T. Blow-out stability of gaseous jet diffusion flames. Part I. In still air // Combustion Science and Technology. 1981. V. 26, № 5/6. P. 233–239.
12.
Kalghatgi G.T. Blow-out stability of gaseous jet diffusion flames. Part II. Effect of cross wind // Combustion Science and Technology. 1981. V. 26, № 5/6. P. 241–244.
13.
Karpov V.L. Pozharnaya opasnost' avariinykh vybrosov goryuchikh gazov: dis. ... dokt. tekhn. nauk: 05.26.03: zashchishchena 30.09.2004.– Moskva, 2004. – 331 s.
14.
Karpov V.L. Pozharobezopasnost' reglamentnykh i avariinykh vybrosov goryuchikh gazov. Chast' 1. Predel'nye usloviya ustoichivogo goreniya i tusheniya diffuzionnykh fakelov v nepodvizhnoi atmosfere // Pozharovzryvobezopasnost'. 1998. № 3. S. 36–43.
15.
Karpov, V.L. Pozharobezopasnost' reglamentnykh i avariinykh vybrosov goryuchikh gazov. Chast' 2. Predel'nye usloviya ustoichivogo goreniya i tusheniya diffuzionnykh fakelov v podvizhnoi atmosfere // Pozharovzryvobezopasnost'. 1998. № 4. S. 40–47.
16.
Vranos V., Taback E.D., Shipman C.W. An experimental study of the stability of hydrogen-air diffusion flames // Combustion and Flame. 1968. V. 12, № 3. P. 253 – 260.
17.
Makharinskii L.E. Eksperimental'noe issledovanie vliyaniya nekotorykh ingibitorov na diffuzionnoe plamya propana // Khimicheskaya fizika. 1983. T.2, № 5. S. 693-697.
18.
Chen R., Axelbaum R.L. Scalar dissipation rate at extinction and the effects of oxygen – enriched combustion // Combustion and Flame. 2005. V. 142, № 1. P. 62–71.
19.
Predel'nye kontsentratsii flegmatizatorov pri ikh odnovremennoi podache s goryuchim i okislitelem dlya gasheniya diffuzionnogo fakela / V.V.Azatyan, Yu.N.Shebeko, A.Yu.Shebeko, V.Yu.Navtsenya // Pozharnaya bezopasnost'. 2008. №1. S.54-60.
20.
Grosshandler W.L., Gmurchzuk G.W., D.L. Lowe D.L. Suppression effectiveness of extinguishing agents under highly dynamic conditions // Proceedings of the 4th International Symposium: Fire Safety Science. – Ottawa: IAFSS, 1995. – R. 925–936.
21.
Shebeko Yu. N. The influence of fluorinated hydrocarbons on the combustion of gaseous mixtures in a closed vessel // Combustion and Flame. 2000. V. 121, № 3. R. 542–547
22.
Holmstedt G., Andersson P., Andersson J. Investigation of scale effects of halon and alternatives regarding flame extinguishing, inerting concentration and thermal decomposition products // Proceedings of the 4th International Symposium: Fire Safety Science. – Ottawa: IAFSS, 1995. – R. 853–864.
Ссылка на эту статью

Просто выделите и скопируйте ссылку на эту статью в буфер обмена. Вы можете также попробовать найти похожие статьи


Другие сайты издательства:
Официальный сайт издательства NotaBene / Aurora Group s.r.o.
Сайт исторического журнала "History Illustrated"