Современные методы измерения высокоинтенсивных тепловых потоков



В статье рассмотрены физико-химические процессы и явления при горении; дана характеристика тепловых высокоинтенсивных потоков при пожарах; обоснованы современные методы измерения высокоинтенсивных тепловых потоков; описан датчик с водяным охлаждением для измерения теплового потока.

Ключевые слова: тепловой поток, пожарная безопасность, развитие пожара, противопожарная защита, пожарный риск.

Горение — сложный физико-химический процесс, при котором горючее вещество под воздействием высокой температуры превращается в продукты горения, реагируя с окислителем, в результате чего выделяется тепло и свет.

По этому характеру процесс горения можно отличить от других явлений. Например, даже если тепло и свет выделяются в результате сгорания электрической лампы, это нельзя отнести к процессу ее горения. Это потому, что здесь нет химического процесса, при котором горючее вещество вступает в реакцию с окислителем.

Кроме простых веществ, в кислороде также горят многие сложные вещества. Некоторые химические реакции протекают очень быстро. Такие реакции называются реакциями, протекающими через взрыв, или взрывами. Например, реакция взаимодействия кислорода с водородом дает взрыв. Реакция горения происходит не только в кислороде, но и в других газах.

Процесс горения в воздухе происходит значительно медленнее, чем при сгорании в чистом кислороде. Причина в том, что содержание кислорода в воздухе низкое (21 процент) и наличие азота (79 процентов) в качестве разбавителя кислорода в воздухе. По этой причине скорость процесса горения также снижается по мере уменьшения количества кислорода в среде сгорания 1.

В большинстве случаев процесс горения гомогенный. К неоднородному горению можно отнести сжигание антрацита (рис. 1), кокса, а в случае пожара — сжигание твердых углеродных отходов, оставшихся от разложения твердых горючих материалов, особенно древесины.

Рис. 1 Антрацит и его горение

Это связано с тем, что при таких условиях продукты пиролиза горят, а процесс горения происходит непосредственно на поверхности твердого вещества.

Как указывают Крутолапов А. С. и Чешко И. Д. 5, при тушении пожарные могут подвергаться воздействию опасных тепловых потоков значениями от 20 кВт/м ² и выше. Следует отметить, что при крупных пожарах в зонах, близких к очагу горения, температура окружающей среды может увеличиваться до 100–150 °С.

В моделях и конструкциях методов определения плотности высокоинтенсивных тепловых потоков ключевым элементом является приемник или, так называемый, датчик теплового потока (ДТП).

В литературе отсутствует единая классификация ДТП и универсальная конструкция для измерения тепловых потоков в нефтехимии и металлургии, энергетики и процессах горения, авиационной и космической техники.

Обоснованный выбор ДТП можно сделать после анализа характеристик реальных источников теплового потока и технических требований, обеспечивающие минимальные погрешности измерения.

Ошибки измерения можно учесть экспериментально, расчетным методом и расчетно-экспериментальным методом.

В теории представлено большое количество описание различных методов измерения и датчиков тепловых потоков. Впервые подробный обзор методов измерения тепловых потоков был приведен в монографии О. А. Геращенко 2. Калориметрический, жидкостно-энтальпийный, резистивный, электрометрический и метод вспомогательной стенки — наиболее распространенные методы измерения.

Калориметрический метод часто применяется при изучении лучистых тепловых потоков. Метод заключается в измерении теплоты, за определенное время аккумулированной на одной из поверхностей исследуемого объекта. Для проведения таких измерений применяются калориметры с постоянной температурой (внутри имеет место фазовый переход), и калориметры переменной температуры с изотермической оболочкой. К числу первых относятся калориметры с испаряющейся жидкостью и ледяные калориметры.

Жидкостно-энтальпийный метод. В основе метода лежит следующее физическое явление: воздействие теплового потока на омывающую изучаемую поверхность жидкость приводит к изменению ее энтальпии. Метод удобен для проведения измерений на стенках каналов или труб.

Электрометрический метод применяется, когда поверхностная плотность теплового потока создается электрическим обогревом. При прямом обогреве стенки канала с движущейся внутри канала жидкостью.

Резистивный метод базируется на изменении электросопротивления термочувствительного элемента при воздействии на него теплового потока. Метод нашел широкое применение в болометрах — приборах, предназначенных для исследования лучистого теплопереноса.

Термоэлектрические методы имеют различное конструктивное оформление. В методе толстостенной трубы вблизи внутренней и наружной поверхности стенки трубы размещаются термопары. С помощью термопар находят распределение температуры по длине трубы и определяют величины поверхностной плотности теплового потока, которые пропорциональны перепадам температур в стенке и ее теплопроводности.

Метод вспомогательной стенки основан на размещение на поверхности исследуемого тела специальных приборов — датчиков теплового потока (ДТП или тепломеров). При этом датчик располагают таким образом, чтобы вектор теплового потока был перпендикулярен рабочей поверхности датчика.

Как указывают Еналеев Р. Ш., Красина И. В., Гасилов В. С., Тучкова О. А. и Хайруллина Л. И., конструкции и методы условно принято разделять на две группы: калориметрические и радиометрические. В калориметрических методах экспериментально измеряемая температура фактически фиксирует приращение энтальпии датчика в процессе нагрева 4. Таким образом, калориметрия пригодна для измерения интегрального потока или средней облученности, но не дает информации о распределении ее во времени и пространстве. В радиометрических методах конструкция датчика и метод измерения позволяют по экспериментальным измерениям определять динамику изменения плотности теплового потока.

При калориметрических измерениях должны выполняться два условия: наличие малых приращений температуры (потеря тепла на конвекцию излучение пренебрежимо малы); контактирующая поверхность диска должна быть мала по отношению к массе приемника. Оба условия удовлетворяются при увеличении толщины диска. Однако при этом уменьшается чувствительность.

Развитие современной промышленности неразрывно связано с обеспечением прочности и огнестойкости эксплуатируемых конструкций. В связи с этим, исследование изменения характеристик различных материалов и конструкций в ответ на высокоинтенсивное воздействие тепловых потоков играет важную роль при проектировании и строительстве, а также при анализе и прогнозировании возможных последствий аварий, сопровождающихся высокоэнергетическим воздействием на окружающую среду.

По нашему мнению, оптимальным является SBG01 измеритель теплового потока. Датчик теплового потока с водяным охлаждением.

Рис. 2. SBG01 — это датчик с водяным охлаждением, который измеряет тепловой поток

Стандарты ISO называют его измерителем теплового потока. Представленный в 2008 году SBG01 быстро стал предпочтительным датчиком для огневых испытаний. SBG01 главным образом применяется для того, чтобы испытать реакцию к огню и огнестойкость. Он также используется в качестве калибровочного эталона для испытательного оборудования, например, при испытаниях на воспламеняемость и дымовую камеру. SBG01 соответствует требованиям наиболее распространенных стандартных методов испытаний ASTM и ISO.

Литература:

1. Бабраускас В. Справочник по зажиганию: принципы и приложения к технике пожарной безопасности, расследованию пожаров, управлению рисками и криминалистике. — Issaquah: Fire Science Publishers, 2003. — viii, 1116 с.
2. Геращенко О. А. Теоретические и прикладные вопросы теплометрии: дис. … д-ра техн. наук: 01.04.14 / Геращенко Олег Аркадьевич. — К.: ИТТФ АН УССР, 1969. — 170 с.
3. Декуша Л. В. Средства теплометрии на базе термоэлектрических преобразователей теплового потока: дис. докт. техн. наук: 05.11.04 / Декуша Леонид Васильевич. Львов, 2016. — 495 с
4. Еналеев Р. Ш., Красина И. В., Гасилов В. С., Тучкова О. А., Хайруллина Л. И. Измерение высокоинтенсивных тепловых потоков // Вестник Казанского технологического университета. 2013. № 15. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/izmerenie-vysokointensivnyh-teplovyh-potokov (дата обращения: 05.012.2022).
5. Крутолапов А. С., Чешко И. Д. Огнепреграждающие сеточные экраны для защиты технологического оборудования нефтегазопроводов// Вестник Санкт-Петербургского университета государственной противопожарной службы МЧС России. — 2014. — № 1. — С. 67–72.
6. Радиометр для измерения плотности высокоинтенсивных тепловых потоков и метод его калибровки / А. В. Шарков, В. А. Кораблев, А. С. Некрасов, Д. А. Минкин, С. В. Фадеева // С.-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, С.-Петербург, Россия Электронный ресурс https://naukarus.com/ (Дата обращения 05.012.2022).
7. Siegfried H., Karol B (2017). The effect of the heat flux on the self-ignition of oriented strand board, slovak university of technology in bratislava