Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор работ по низовым лесным пожарам 9
1.1.О низовых лесных пожарах 9
1.2. Базы данных для математических моделей 16
1.3. Методы определения коэффициентов влагопереноса 19
1.4. Обзор работ по зажиганию и горению торфа 36
1.5. Выбор параметров процесса и определение критериев подобия 38
1.6. Объект исследования 40
2. Описание экспериментальных установок и методик определения параметров 42
2.1. Методика определения потенциала влагопереноса, удельного коэффициента влагоемкости и влагопроводности 42
2.2. Ботанический состав торфа 50
2.3. Определение теплофизических, термокинетических и гидродинамических характеристик торфа 58
2.4. Испарение свободной и связаной влаги 62
2.5. Характеристики зажигания и горения 65
2.6. Уравнение переноса влаги в ЛГМ 68
3. Экспериментальное исследование процессов массообмена в ЛГМ 78
3.1. Результаты определения потенциала влагопереноса, коэффициентов удельной влагопроводности и влагоемкости ЛГМ 78
3.2. Исследования массообмена в ЛГМ для различных типов влаги 83
3.3. Экспериментальное исследование сушки и пиролиза ЛГМ в присутствии потока воздуха 91
3.4. Сравнительный анализ методик определения характеристик массообмена 95
3.5. Способ и полезная модель для определения пожароопасности ЛГМ.. 99
4. Экспериментальное исследование процессов тепломассообмена, зажигания и горения торфа 105
4.1. Результаты определения потенциала влагопереноса, коэффициентов удельной влагоемкости и влагопроводности торфа 105
4.2. Теплофизические, термокинетические и гидродинамические характеристики торфа различного ботанического состава 112
4.3. Определение термокинетических констант сушки и пиролиза торфа 115
4.4. Гидродинамические характеристики торфа 119
4.5. Результаты экспериментальных исследований процессов зажигания и горения торфа 120
Выводы 126
Список использованной литераруры 128
- Базы данных для математических моделей
- Ботанический состав торфа
- Исследования массообмена в ЛГМ для различных типов влаги
- Теплофизические, термокинетические и гидродинамические характеристики торфа различного ботанического состава
Введение к работе
Сегодня, в век технического прогресса, развития науки и технологий в мире происходит множество различного рода аварий и катастроф, часто связанных с гибелью людей, разрушением материальных ценностей, с возникновением серьезных нарушений экологии и. т. д.
Все более актуальной становиться тема чрезвычайных ситуаций природного характера. Число наводнений, землетрясений, извержений вулканов увеличивается с каждым годом. К чрезвычайным ситуациям природного характера относятся лесные и торфяные пожары. Российская Федерация славится своими лесами, она - один из крупнейших во всем мире экспортер древесины. Но в последнее время общая площадь лесов несоизмеримо сокращается. И одна из причин такого сокращения - лесные и торфяные пожары. В настоящее время ежегодно возникает множество лесных пожаров, увеличиваются и катастрофические вспышки лесных и торфяных пожаров. Вред, который они приносят человечеству, огромен, особенно если учитывать не только прямой, но и косвенный ущерб. В первой половине двадцатого столетия на территории России было 46 типов леса, из них до наших дней сохранилось только 25. Причем, некоторые из них лишь в виде небольших островов и им грозит уничтожение [1].
Поэтому актуальность решаемых в данной работе задач определяется проблемой охраны окружающей среды, прогнозом пожарной опасности лесов и торфяников.
Пожар легче предупредить, чем потушить.
Процесс горения может происходить только при наличии и определенном соотношении трех элементов: свободного кислорода, горючего материала и источника тепла. Поскольку кислород присутствует повсеместно в атмосферном воздухе, а горючие материалы в виде всевозможных органических соединений в природе распространены довольно широко, то не достающей частью для горения могут служить только источники тепла. Тепло необходимо для подготовки горючего материала к горению, то есть для его высушивания и нагревания до температуры горения. Источником тепла в процессе горения служит обычно сама зона, где протекает реакция. Если теплом, которое выделится при сгорании какой-то порции горючего, будет подготовлена к горению точно такая же новая порция горючего, то зона горения остается стабильной. Если же каждая вновь подготовленная порция горючего больше прежней, то размеры зоны горения возрастают. Именно такое явление наблюдается при пожарах [1,2].
Первичным источником тепла для возникновения в лесу пожара чаще всего бывает открытый огонь, возникающий по вине человека, а также огонь, возникающий при разрядах молний.
Целью диссертационной работы является:
1. Выяснить механизм испарения свободной и связанных влаги из лесных горючих материалов (ЛГМ).
2. С помощью понятия потенциала влагопереноса найти характеристики тепломассообмена ЛГМ и торфа и сравнить их с характеристиками, полученными по классическим методикам.
3. Определить теплофизические характеристики торфа (коэффициенты теплопроводности и коэффициента удельной теплоемкости) в зависимости от температуры и влагосодержания.
4. Исследовать экспериментально процессы зажигания и горения торфа и лесных горючих материалов в лабораторных условиях.
Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:
1. Обзор публикаций и создание экспериментальных установок для моделирования зажигания и горения торфа и лесных горючих материалов в лабораторных условиях.
2. Проведение экспериментальных исследований, выбор и определение критериев подобия. 3. Выяснение механизма зажигания и горения торфа, определение коэффициентов влагоемкости, влагопроводности и массообмена лесных горючих материалов.
Научная новизна заключается в следующем:
1. Получены значения коэффициентов тепломассообмена для ЛГМ и торфа.
2. Экспериментально найдены теплофизические характеристики торфа.
3. Найдены критические условия зажигания торфа.
4. Исследован процесс поверхностного и глубинного горения торфа.
5. Предложен способ определения критического влагосодержания ЛГМ.
6. Разработана и изготовлена модель устройства для нахождения критического влагосодержания ЛГМ.
Достоверность результатов подтверждается применением различных методик для нахождения одних и тех же физических параметров задач, сравнением экспериментальных данных автора с данными Шубина Г.С, Жуковской В.И., Синицына СП., Абалтусова В.Е., Борисова А.А, Лыкова А.В., Лободы Е.Л, статистической обработкой результатов измерений.
Практическая значимость работы: полученные результаты помещены в базу данных для теоретических моделей процессов массообмена, зажигания и горения ЛГМ и торфа, разработана и изготовлена модель устройства для определения пожароопасности хвойного лесного массива.
На защиту выносятся:
1. Конструкции и установки по исследованию процессов тепломассообмена, зажигания и горения торфа в лабораторных условиях.
2. Результаты экспериментальных исследований по определению характеристик тепломассообмена, зажигания и горения торфа.
Основные результаты исследований, представленных в диссертации, апробировались на международных и региональных конференциях, в том числе на Международной конференции "Лесные и степные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия" (Иркутск, 2005), Международной конференции "Пятые Окуневские чтения" (Санкт-Петербург, 2006), Международной конференции "Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии" (Иркутск, 2007), Международной конференции "Математическое моделирование опасных природных явлений и катастроф" (Томск, 2008), Международной конференции ENVIROMIS 2008 (Томск, 2008).
По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 3 статьи в центральной печати в журналах, рекомендованных ВАК, получен патент на полезную модель: Устройство для определения пожароопасности хвойного лесного массива // Заяв. 2008115323, Приоритет 18.04.2008, Зарегистрировано 10.10.2008. Бюл. № 28.
Работа выполнена на кафедре физической и вычислительной механики механико-математического факультета Томского государственного университета.
Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов и списка литературы.
В первом разделе дается краткий обзор по проблеме тепломасообмена лесных горючих материалов и торфа и осуществляется выбор критериев подобия.
Во втором разделе дается описание экспериментальных установок и методик определения характеристик тепломассообмена, зажигания и горения. В подразделе 2.1 описан ботанический состав торфа. В подразделе 2.2 даются методики определения потенциала влагопереноса, коэффициентов влагоемкости и влагопроводности. В подразделе 2.3 описываются экспериментальные установки для определения теплофизических, термокинетических и гидродинамических характеристик торфа. В подразделе 2.4 описывается методика исследования процессов испарения свободной и связанной влаги. В подразделе 2.5 даются методы определения характеристик зажигания и горения торфа.
В третьем разделе приводятся результаты экспериментальных исследований процессов массообмена в ЛГМ. В подразделе 3.1 даются результаты определния потенциала влагопереноса, коэффициентов удельной влагопроводности и влагоемкости ЛГМ. В подразделе 3.2 исследуется массообмен в ЛГМ для различных типов влаги. В подразделе 3.3 описывается экспериментальное исследование сушки и пиролиза ЛГМ. В подразделе 3.4 дается сравнительный анализ методик определения характеристик массообмена. В подразделе 3.5 представлены способ и полезная модель для определения пожароопасности ЛГМ.
В четвертом разделе экспериментально исследуются процессы тепломассообмена, зажигания и горения торфа. В подразделе 4.1 даются результаты определения потенциала влагопереноса, удельной влагоемкости и влагопроводности торфа. В подразделе 4.2 определяются теплофизические, термокинетические и гидродинамические характеристики торфа различного ботанического состава. В подразделе 4.3 даются результаты экспериментального исследования процессов зажигания и горения торфа.
В выводах сформулированы основные научные результаты, полученные в настоящей диссертационной работе.
Работа выполнена при финансовой поддержке Программы Федерального Агентства по Образованию шифр гранта «П 042242»; грантов ЕЗН № 1.4.02; РФФИ 05-01-00201а; «Университеты России» № 3.01.396; программы ФАО (проект Минобразования) № 37805; гранта РФФИ - Обь.
Базы данных для математических моделей
Лесные горючие материалы. Много работ посвящено классификации растительных горючих материалов, в том числе [1,7,8,13,83]. В таблице 1.1 представлена классификация слоев растительных горючих материалов по их плотности. Примечание. Большая амплитуда в скорости распространения горения может быть обусловлена значительными различиями в режиме погодных условий, запасе и состоянии горючих материалов, характере рельефа и т. д.
База данных общей математической модели лесных пожаров. База данных, описанная ниже, построена на основе работы [1], данные которой получены проф. A.M. Гришиным из литературных источников и в результате экспедиций и экспериментальных исследований, выполненных в разное время на кафедре физической и вычислительной механики Томского государственного университета. Слой ЛГМ - пористая среда с относительно однородной структурой. В [1] лесной массив рассматривается как многоярусная среда. Самый нижний ярус (нулевой) - ярус мхов, лишайников с включениями из опавших хвоинок и тонких веточек. Высота его варьируется в пределах 0,01 0,15 м, плотность в абсолютно сухом состоянии рс = 20 кг/м3, запас ЛГМ m3 = 3,0 кг/м2, теплотворная способность q = 19446 кДж/кг, влагосодержание W = 8%.
Первый ярус леса - травы. Плотность в абсолютно сухом состоянии в этом слое рс = 0,8 кг/м3, запас ЛГМ в первом ярусе m3 = 1,6 кг/м2, теплотворная способность q = 17808 кДж/кг, влагосодержание W = 80%. ЛГМ состоит из так называемого опада, содержащего отмершие, но не потерявшие свою структуру веточки, хвоинки, листву [1]. Коэффициенты влагопереноса и особенности их экспериментального определения. Процессы тепло - и массопереноса тесно взаимосвязаны [84]. В обоих случаях применимы понятия равновесного и неравновесного, стационарного и нестационарного состояний. Характеры протекания процессов определяются граничными и начальными условиями, а также свойствами рассматриваемой системы. Поэтому вполне правомерно применение к массопереносу тех методов и той системы понятий, которые с успехом используются в явлениях переноса тепла. Основной закон переноса тепла имеет вид: q=-A,VT, где q - плотность потока тепла, Вт/м ; % - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); VT - градиент температуры - потенциала переноса тепла, К/м. Связь между коэффициентами теплопереноса устанавливается формулой а=Х/(ср0), где а - коэффициент температуропроводности, м2/с; с- удельная теплоемкость, Дж/(кг-К); р0- плотность сухого материала, кг/м3. Аналогично в теорию массопереноса вводятся [85, 86] понятия потенциала массопереноса 0, удельной массоемкости ст, коэффициентов массопроводности Ат и потенциалопроводности (диффузии) ат. Основной закон массопереноса записывается в виде: J = - mV0, (1.1) а связь между коэффициентами: am= m/(CmPo).
В наиболее общем виде термодинамический потенциал влагопереноса является функцией от химического потенциала влаги, температуры и потенциалов гравитационного, электрического, магнитного полей. В таком случае градиент его однозначно и исчерпывающе определяет величину потока влаги согласно формуле (1.1) не только в однородных, но и в неоднородных и в многослойных средах. В настоящее время нет прямого способа измерения не только общего термодинамического потенциала влагопереноса, но и химического потенциала влаги. Поэтому предложены и практически применяются несколько экспериментальных шкал потенциала влагопереноса, каждая из которых имеет определенную глубину физического отражения процесса и соответствующую область использования.
Так, А.В. Лыковым [85,87] построена шкала потенциала влагопереноса, основанная на измерении равновесных влагосодержаний исследуемого и эталонного (фильтровальной бумаги) материалов в изотермических условиях. Для каждого материала при заданной температуре этот потенциал является однозначной функцией его влагосодержания 0(W). Значения 0, определенные при W=const, но при различных температурах, несколько различаются, поэтому принято считать экспериментальный потенциал функцией влагосодержания и температуры 0(W,T). Здесь и в дальнейшем влияния гравитационного и электромагнитного полей не учитываются.
Следует отметить, что формулы (1.4) и (1.5) применимы только в случае однородных материалов, в которых существует однозначная зависимость 0(W,T). В многослойных же средах, имеющих скачки влаго содержания на поверхностях соприкосновения материалов, их использование возможно лишь в пределах каждого отдельного слоя с дополнительными условиями на границах соприкосновения влажностных полей. Вот здесь-то и возникает основная пока еще полностью не решенная проблема.
В.Н. Богословским предложена шкала потенциала влажности 0 , основанная на экспериментальном определении поля равновесного влагосодержания в изолированном образце эталонного материала (фильтровальной бумаги) при неизотермических условиях [88, 89]. Принципиальное отличие шкалы 0 от шкалы изотермического потенциала 0 заключается в возможности учета процесса термовлагопроводности, т. е. основной закон переноса влаги принимает вид: r-Uve . (1.6)
Формула (1.6) применима в однородных и многослойных средах, как при изотермических, так и при неизотермических условиях влагопереноса, но для практического использования ее для каждого материала необходимо располагать экспериментально установленной зависимостью 0 (W,T). Аналогично, как и в предыдущем случае, формулу (1.6) путем преобразования можно привести к (1.4). Получаемые при этом коэффициенты ат и 8 идентичны. Коэффициенты А, сп1 и температурные зависимости потенциалов 0 и 0 отличаются, в связи, с чем термоградиентный коэффициент не приближенно, а точно рассчитывается по формуле 5=cm0 (575T)w.
Потенциал влагопереноса иногда уподобляют всасывающей силе почв, измеряя его тензиометрами с керамическими датчиками [90], и в этом случае появляется соответствующая система определения коэффициентов \п и ст. ЭТОТ метод применяется в сравнительно узком диапазоне - вблизи области влагонасыщения материала.
Используя для расчета значений д. изотермы сорбции водяных паров [87,91], вычисляют удельную изотермическую влагоемкость материала, температурный коэффициент химического потенциала и термоградиентный коэффициент.
Полагая, что в области гигроскопичности перенос влаги осуществляется в основном в виде пара, т. е. пренебрегая потоком жидкой фазы, за потенциал влагопереноса принимают парциальное давление водяного пара р в порах материала [92,93]: j pVp, (1.8) где Ащр - коэффициент паропроницаемости, кг/(м-с-Па).
Формулой (1.8) пользуются как при изотермических, так и при неизотермических условиях влагопереноса, применяя в расчетах изотермы равновесного влагосодержания материала. Следует отметить, что уравнения (1.7) и (1.8) также можно привести к (1.4), как и в случае других потенциалов влагопереноса.
Все вышеизложенное - краткое описание наиболее распространенных способов представления основного закона влагопереноса, в которых плотность потока влаги определяют через градиенты экспериментальных потенциалов А.В. Лыкова, В.Н. Богословского, С.С. Корчунова, химического потенциала, парциального давления водяного пара, температуры и влагосодержания материала.
В литературных источниках могут встречаться и другие подходы. Например, при теоретическом анализе переноса влаги в капиллярно-пористых и коллоидных телах потоки влаги рассчитывают через градиенты капиллярного и осмотического потенциалов [84, 94], однако в конечном итоге и эти механизмы переноса влаги сводятся к обычным уравнениям термовлагопроводности (1.4) и (1.5).
Ботанический состав торфа
Отбор образцов с ненарушенной и нарушенной структурой из залежи производился с помощью специального оборудования для ручного бурения и портативных пробоотборников. На физико-технические анализы (ботанический состав, степень разложения, влажность, зольность) пробы торфа нарушенной структуры из залежи отбираются обычно пробоотборником торфоразведочного бура типа ТБГ-1 конструкции ПГО Торфгеология. Бур ТБГ-1 (рисунок 2.6) представляет собой сборно-разъемную трубчатую металлическую конструкцию, состоящую из пробоотборника, зонда, бурильных труб и ручки. Пробоотборник состоит из двух полуцилиндров 1 и 2, один из которых имеет боковые крылья для фиксации в залежи, в другой, соединенный с бурильными трубами,- острую режущую кромку. Однако данный бур не позволяет отбирать пробы торфа из сильнообводненных залежей.
Пробы торфа отбирались, начиная от поверхности, последовательно погружая пробоотборник на глубину 0,5; 1,0; 1,5 м и т.д. На физико-технические анализы пробы отбирались послойно через 0,25 м, для чего содержимое полуметрового челнока делят на две равные части и упаковывают как две пробы в отдельные полиэтиленовые пакеты или другую герметичную тару. Масса пробы (согласно ГОСТ 17644-83. Торф. Методы отбора проб из залежей и обработки их для лабораторных испытаний) должна быть не менее 0,4 кг [114,115].
Отбор проб с ненарушенной структурой для определения плотности и проведения деформационных, компрессионных и фильтрационных испытаний производят пробоотборником типа ТБО (рисунок 2.7), но с усовершенствованной конструкцией. Пробоотборник состоит из двух полуцилиндров 1 и 2 длиной 1,5 м с режущими кромками, покрытых с внутренней стороны слоем материала с высоким антиадгезионными свойствами, двух рукояток, обрезающего ножа с рычагом, шарнирно закрепленных направляющих и запирающей скобы. Пробоотборник такой конструкции не деформирует отбираемый образец при заглублении в залежь вследствие нанесения на внутреннюю поверхность антиадгезионного покрытия 3 и замены обрезного ножа (лепесткового клапана) обрезающим ножом с рычагом, установленным в вырезе стенки одного из полуцилиндров заподлицо с возможностью поворота.
Обрезающий нож составляет единое целое с полуцилиндром при заглублении пробоотборника в залежь. Шарнирное закрепление направляющих позволяет открывать пробоотборник, не сдвигая полуцилиндры относительно друг друга, и исключить сдвиговую деформацию извлеченной из залежи пробы торфа ненарушенной структуры [114].
Взятые образцы торфа в природных условиях имели большую влажность. Торф является сложной системой, состоящей из 3-х фаз: сухого вещества, воды и газов. В силу незначительной массы газообразной фазы ее из общего весового баланса составляющих торфа исключали. Соотношение между твердыми и жидкими компонентами определялось по содержанию воды в торфе. Свободная вода удалялась из торфа под действием гравитационных сил, для удаления связанной воды образцы торфа подвергались термостатированию.
Сущность метода заключается в определении при помощи микроскопа количественного соотношения в процентах остатков растений-торфообразователей, слагающих растительное волокно в пробе, освобожденной от гумуса. По ботаническому составу при помощи «ключа» определяют тип, группу и вид торфа.
Используются следующие аппаратура, материалы, реактивы и растворы: микроскоп с увеличением свыше 56х, плитка электрическая или горелка газовая, пробоотборник по ГОСТ 10650-72 или ложка, пипетка 2-го класса точности, пинцет, иглы препаровальные, чаша фарфоровая диаметром 100-150 мм по ГОСТ 25336-82, ступка фарфоровая с пестиком, сетка асбестовая, сито диаметром 100-250 мм с сеткой № 025К по ГОСТ 6613-86, стекла предметные размером 60x90 мм, масло иммерсионное, груша резиновая, кислота соляная по ГОСТ 3118-77, раствор с массовой долей 10 %, кислота серная техническая по ГОСТ 2184-77, раствор с массовой долей 5 %, натрия гидроокись по ГОСТ 4328-77, натрий едкий технический по ГОСТ 2263-79 или калия гидрат окиси технический по ГОСТ 9285-78, растворы с массовой долей 5 и 10 %, метиловая синь или чернила фиолетовые (синие).
От пробы берут для анализа 50-100 см3 торфа и разравнивают его на пластиковом или полиэтиленовом листе слоем 3-5 мм. Из подготовленного слоя проотборником или ложкой набирают в точках, равномерно расположенных по площади, порцию торфа объемом около 5 см , помещают на сито и промывают ее струей воды до тех пор, пока вода под ситом станет прозрачной. Промытое волокно маленькими порциями пинцетом переносят на предметное стекло, распределяют иглами тонкими прозрачным слоем. Подготовки пробы с влагой менее 65 %. От каждой пробы для анализа готовят препарат на трех предметных стеклах. Если волокно имеет характерную желто-коричневую окраску, то на него при помощи пипетки капают раствором серной кислоты с массовой долей 5 % до исчезновения окраски. Затем пипеткой добавляют воду и разравнивают препарат иглами до получения тонкого прозрачного слоя. При анализе сфагновых мхов часть промытой пробы для препарата предварительно окрашивают метиловой синью или чернилами. При анализе древесных и травяных остатков для большего просветления добавляют пипеткой несколько капель раствора гидроокиси натрия или калия с массовой долей 10 %. Проведение испытания. Предметное стекло с приготовленным препаратом кладут на столик микроскопа и рассматривают при увеличении 56- 140х. При анализе пыльцы растений, анатомического строения остатков древесины и сфагновых мхов пользуются увеличением 400х и более. При этом применяют стандартные предметные и покровные стекла, а также иммерсионное масло, которое наносят на покровное стекло. Ботанический состав торфа устанавливают путем определения количественного соотношения между растительными остатками. Волокно растений-торфообразователей, видимое под микроскопом, по занимаемой в поле зрения площади принимают за 100 %. При анализе путем перемещения предметного стекла на каждом препарате просматривают до десяти полей зрения. Обработка результатов. По каждому полю зрения записывают название встречающихся растений и ставят против них процент занимаемой площади с округлением до 5 %. Если остатки растений встречаются в количестве менее 5 %, то их отмечают знаком «ед» - единично. Для каждого растения-торфообразователя определяют среднее арифметическое по всем полям зрения одного образца с округлением до 5 %. Принадлежность растительных остатков к определенному виду растения устанавливают по Атласу растительных остатков в торфах. Абсолютное допускаемое расхождение между определениями ботанического состава, проводимыми разными исполнителями в одной пробе, не должно превышать 5 % по растениям-торфообразователям, определяющим вид торфа. После определения ботанического состава при помощи «ключа» находят тип, группу и вид исследуемого образца торфа по Классификациям видов торфа и торфяных залежей. В таблице 2.1 и 2.2 представлены характеристики ботанического состава различных образцов торфа.
Исследования массообмена в ЛГМ для различных типов влаги
Свободная влага бывает капельная (располагается в виде капель на поверхности ЛГМ) и пленочная (пленка на внешней поверхности ЛГМ). Связанная влага в хвое состоит из капиллярной, адсорбционной и осмотической. В данном подразделе исследуется закономерности испарения связанной и свободной влаги для хвои кедра, сосны и ели [131]. Приближенно форму капли воды на поверхности подложки можно считать шаровым сегментом, объем которого рассчитывается по формуле [130] уЛт±(Ь2-Згг). (3.2) На рисунке 3.4 для сравнения показаны фотографии капель на шлире для г = 4-Ю"3 и г = 20-Ю"3 м, подтверждающие их полусферическую форму. Для несмачивающихся и гидрофобных поверхностей такое приближение недопустимо, так как поверхность капли достаточно сложна и описывается формулой Адамса — Бешфорта [125] (см подраздел 2.4) _ nz fBV 2 sin в") 2+prfr" 7rJ- (3-3) где p=b2pdg/a, x=ZS, b=PO, z=0]Z (рисунок 2.9), о-коэффициент поверхностного натяжения между жидкостью и газом. Результаты расчета объема капель по формулам (3.2) и (3.3) отличаются для капель с D=(1+10)-10"3M не более чем на 1%. Рисунок 3.4 - Фотография капель на шлире при г = 4-10"3 и г = 20-10"3 м Различие в массе капель, определенной по формуле md = pdV и непосредственным взвешиванием, составляло не более 4 %. Исследование связанной с ЛГМ влаги проводилось на типичных элементах хвойных пород - хвое сосны, кедра и ели. На рисунке 3.5 показаны некоторые характеристики процесса испарения капель как функции времени, при этом кривые 1, 2 и 3 получены для капель с диаметром D0 = 10-10"3, 6-Ю"3, 4-Ю"3 м соответственно [139]. so 40 D/Dn а 0 0 \ 2 \ l\ 0.8 0,7 ЗІ 0,6 1 і І і і ....і і. 20 40 80 t ,МІШ Мів V\Sk 6 0.8 0.6 0.4 \ 2 \ 1 \ 0,2 з\till ...І 1 1 1 1 t .MIIH m/m (pvMO4 кг/(м«с) 0 20 40 60 30 tMfra 0 20 40 60 80 t MMH Рисунок 3.5 - Зависимость диаметра (а), высоты (б), массы (в) и скорости испарения (г) капли воды на шероховатой поверхности от времени Шероховатость поверхности была минимальной (RZ=0,036-10"6M). Сплошные линии на рисунке 3.5 представляют собой аппроксимацию экспериментальных точек В-сплайнами. Из рисунка 3.5 видно, что безразмерные высота и масса всех капель уменьшаются по линейному закону. Различные закономерности испарения капель (рисунки 3.5 а и г) свидетельствуют о влиянии шероховатости поверхности на скорость испарения жидкости. Так, для сферических капель силы поверхностного натяжения имеют один коэффициент а, а для капли на поверхности таких коэффициентов три (см. рисунок 2.9 в подразделе 2.4). 1,0 0,8 0,6 0,4 0.2 0,0 V \ Ч1 N . "Ч —і 1 1 1 1 1 1—і 1 1 г 10 20 30 40 50 60 С, МИН Рисунок 3.6 - Зависимость убыли безразмерной массы мелких капель воды от времени при D0=4-10 м Рисунок 3.6 иллюстрирует влияние шероховатости поверхности подложки Rz на убыль безразмерной массы мелких капель для Do=4-10" м, а кривые 1-3 относятся к результатам, полученным для Rz = (0,036; 0,484; 3,7)-10-6 м соответственно. Для мелких капель испарение происходит более интенсивно при меньшей шероховатости поверхности подложки. Для крупных капель влияние шероховатости поверхности менее ярко выражено, и результаты измерений находятся в доверительных интервалах. Увеличение поверхности подложки из-за ее шероховатости приводит к "прилипанию" большего числа молекул жидкости к подложке, o"2i возрастает, скорость испарения при этом уменьшается из-за сокращения числа молекул, имеющих энергию, достаточную для преодоления поверхности раздела фаз жидкость-пар. Для крупных капель эффект "прилипания" жидкости за счет шероховатости сказывается в меньшей степени из-за относительно меньшей поверхности и большей высоты капли h. По этой же причине скорость испарения больших капель в начальные моменты не зависит от времени, а силы поверхностного натяжения между жидкостью и стенкой препятствуют уменьшению начального диаметра капли D0.
Некоторый разброс данных обусловлен разными условиями проведения экспериментов [135, 136], а также использованием различных методик обработки результатов измерений [137]. В заключение отметим, что представляет интерес исследование совместного испарения свободной и связанной воды на примере капли воды, расположенной на отдельной хвоинке. На рисунке 3.8 показаны зависимости убыли безразмерной массы капли на влажной и сухой хвоинках ели (кривые 1, 2), кедра (кривые 3, 4) и сосны (кривые 5, 6). Из рисунка 3.8 видно, что сухая хвоя не впитывает влагу из капли, и поэтому кривые 2, 4 и 6 расположены выше, чем кривые 1, 3 и 5. Взвешивание сухих хвоинок после проведения экспериментов подтвердило отсутствие влагообмена между сухой хвоей и каплей. Наиболее сильное различие в скорости испарения капли наблюдается для хвои сосны, влагосодержание которой минимально и равно W = 0,35 % (кривые 5 и 6).
Хвоя ЛГМ является сложным биологическим объектом, представляющим собой пористое тело, состоящее из клеток, влаговодов и устьиц, через которые происходит испарение связанной влаги [138]. Визуальный осмотр и микрофотографии при двадцатикратном увеличении показывают, что у сухой хвои устьица полностью атрофированы (фотографии сечений хвои даны в работе [138]), поэтому влагообмен между каплей и хвоей, высушенной при Т = 373 К, отсутствует. Для влажной хвои устьица открыты, влага из капли поступает через поверхность вовнутрь хвоинки, и скорость испарения капель, расположенных на влажной хвое, выше, чем на сухой [139].
Теплофизические, термокинетические и гидродинамические характеристики торфа различного ботанического состава
На рисунках 4.7, 4.8 представлены зависимости ср и X торфа от температуры при его различных влагосодержаниях. Кривые 1-3 на рисунках 4.7, 4.8 отвечают значениям влагосодержания 0; 0,05 и 0,43 соответственно. Плотности образцов составляли р = (223-K761)Kr/MJ[118].
Обращает на себя внимание факт немонотонной зависимости ср и X от температуры. Однако условия эксплуатации приборов ИТ- -400 и ИТ-ср-400 не позволяют проводить измерения теплофизических свойств образцов при наличии их термического разложения, поэтому результаты, полученные при температурах Т 373 К, при которых начинается процесс пиролиза торфа, не заслуживают доверия.
Следует отметить, что при температурах Т 473 К процесс пиролиза — разложения исходного органического вещества на летучие горючие вещества и коксик - практически завершался, и в кюветах с исследуемыми образцами оставался коксовый остаток в виде серого порошка.
Немонотонность зависимостей ср и X от температуры можно объяснить многокомпонентностью состава торфа и соответственно разными скоростями нагрева его составных компонентов. Суммарные коэффициенты теплоемкости и теплопроводности торфа можно выразить через объемные долиф, [14,21,143].
О сильной немонотонной зависимости коэффициентов теплопереноса торфа от влагосодержания, плотности и состава говорится также в работе [144]. Так, для низинного торфа значение коэффициента теплопроводности X изменяется в пределах 0,1+1,1 Вт/(м-К) при изменении влагосодержания в диапазоне 0,3 +5,1. При возрастании влагосодержания коэффициент удельной теплоемкости торфа возрастает, а теплопроводности убывает, что объясняется более высоким значением удельной теплоемкости ср и более низким значением теплопроводности X воды Ср = 4180 Дж/(кг-К), X = 0,597 Дж/(м-К). (4.4) В результате проведения полного двухфакторного эксперимента, в ходе которого варьировались влагосодержание (0 W 0,43), и температура (298 К Т 373 К), получены следующие аппроксимационные формулы: cp=(765,0-1577,8W)exp[(0,64-10-3+0,0175W)T], (4.5) A, = (0,585-0,495W + 0,987W2)0,2 (4.6) с погрешностями аппроксимации 5 ср 9,7 %, 5 Х 0,6 %. Следует отметить, что авторы работы [144] приводят значения тепло физических характеристик торфа (Х= 1,672 Вт/м-К), а « 10" м7с (ср=1286 Дж/(кг-К)) при температуре Т = 20 С, которые близки к значениям, полученным в данной работе.
Термическое разложение торфа (так называемый пиролиз) - стадия, предшествующая зажиганию этого топлива. Для математического моделирования этого процесса необходима информация о термокинетических константах сушки и пиролиза торфа (предэкспоненциального множителя К2 и аналога энергии активации Е) в предположении аррениусовской зависимости скорости сушки и пиролиза от температуры Т.
Экспериментальные данные по эффективным термокинетическим константам пиролиза торфа для одностадийной схемы реакции носят весьма противоречивый характер [144]. Для линейного нагрева торфа (0,25 + 120 град/мин) Е = 9292 кДж/моль, К2= 35 с"1; в инертной среде и изотермических условиях Е = 50996 кДж/моль, К2= 8,83 с"1; для аэровзвеси частиц в инертной среде Е = 9260 кДж/моль, К2 = 80 с"1. Такое различие в значениях термокинетических констант авторы работы [144] объясняют условностью описания процесса с помощью простейшей эффективной одностадийной кинетической схемы.
Все опыты повторялись 3-5 раз, после чего рассчитывались их среднеарифметические значения и доверительные интервалы с доверительной вероятностью 0,95. Для устранения систематической погрешности, связанной с нарушением процесса термостатирования образцов торфа при их выемке из сушильного шкафа и взвешивании на весах, сушке подвергалось одновременно три образца, два из которых взвешивались в различные моменты времени через 5, 10, 20 и т.д. минут, а третий - в начале и в конце сушки. Систематическая погрешность при этом не превышала 4,3 %.
Изменение массы образцов торфа с течением времени при температуре Т 373 К будет характеризовать процесс испарения свободной и механически и физически связанной влаги, т.е. процесс сушки торфа, а при Т 373 К - процесс пиролиза торфа.
Анализ результатов, представленных на рисунке 4.9, свидетельствует о сильной зависимости убыли массы образцов торфа от начального влагосодержания W и плотности р для процесса пиролиза (кривая 3), Т = 403К. Так, при одинаковом влагосодержании увеличение плотности торфа в 2 раза приводит к более интенсивному пиролизу (кривые 1, 2), а увеличение влагосодержания в 3 раза - к более интенсивным сушке и пиролизу (кривые 1, 3). Унос свободной и связанной влаги при сушке происходит быстрее при меньшей плотности торфа (кривые 4, 5). Однако низкая зольность торфа может существенно менять скорость сушки (кривые 4, 6), что свидетельствует о сложности процессов массообмена в торфе и его зависимости от структуры материала и ботанического состава.
Здесь nil и ніг - текущие массы исходных мокрых образцов и сухих продуктов пиролиза соответственно. Следует отметить, что из физических соображений ПІ2ІІ = тік, так как пиролиз происходит после высушивания образцов торфа. При записи этих уравнений в согласии с [14] считалось, что парциальное давление паров воды мало по сравнению с давлением насыщенного пара, а движущей силой процесса сушки является разность nij - m10} в то время как для пиролиза движущей силой процесса является т2 - т20. Надо сказать, что при сушке торфа в нормальных условиях, когда его температура значительно меньше температуры горения, движущей силой процесса является разность между давлением насыщенного пара и парциальным давлением паров воды.
Видно, что для сухого торфа (опыты 1, 2, 3, 7; W=0-K),07) увеличение плотности образцов торфа приводит к увеличению коэффициента фильтрации К, причем эта зависимость близка к линейной. Торф большей плотности имеет меньшие диаметры пор (это подтверждено визуальными наблюдениями поверхности с помощью микроскопа типа АУ-12), с чем и связано ухудшение фильтрации воздуха через поры торфа.
Для образцов торфа примерно одинаковой плотности р = (539 + 693) кг/м увеличение влагосодержания W от 0 до 1,5 ухудшает фильтрационные процессы, при этом коэффициент фильтрации воздуха возрастает в несколько раз (опыты 2, 3, 6, 7, 8). Визуальный осмотр влажных и сухих образцов торфа показал, что влага закупоривает мелкие поры, препятствуя прохождению через них воздуха.
Полученные результаты по тепло физическим, термокинетическим и гидродинамическим характеристикам торфа различного ботанического состава вошли в базу данных для математического моделирования процессов тления и горения.
Наличие влаги в торфе приводит к увеличению Q (опыты 8 - 12) в связи с появлением дополнительных затрат энергии на испарение влаги. Обращает на себя внимание факт уменьшения Q при наличии небольшого количества влаги (опыты 6, 9). Небольшое количество влаги обеспечивает более благоприятные условия для прогрева образцов торфа за счет передачи тепла вглубь образца посредством кондукции [148].
Сравнение приведенных в таблице 4.11 результатов свидетельствует о сильной зависимости минимальной энергии зажигания от влагосодержания и ботанического состава торфа. Значения Q отличаются на порядок, что связано с повышенным влагосодержанием образцов торфа в Бакчарском месторождении. Сосново-пушицевый и сфагновый мочажинный верховые торфы имеют наибольшие минимальные энергии зажигания, несмотря на различную степень разложения и глубину отбора образцов, что можно объяснить наличием в составе растительных остатков пушицы и сфагнума узколистного и балтийского (опыты 4, 8). Лучше всего зажигаются образцы торфа фускума и сосново-сфагнового верхового (опыты 3, 7).
