Во время горения часть тепла, поступающего из пламени, расходуется на нагревание жидкости. Естественно, что верхний слой горящей жидкости нагревается до более высокой температуры, чем нижележащие слои. Температура верхнего слоя жидкости с течением времени повышается, причем наиболее быстрое изменение температуры наблюдается в начальный период (рис. 5.1).

По истечении начального периода времени (10 мин) в слое жидкости устанавливается мало изменяющееся во времени распределение температуры. Характер распреде

ления температуры зависит от рода жидкости и условий горения. При горении сложных по составу жидкостей – нефти и продуктов ее переработки – температура на поверхности равна средней температуре кипения, определяемой по кривой разгонки топлива. Температура на поверхности горящего автобензина лежит в пределах 90 –         110 ⁰С, керосина – 170 – 220 ⁰С, дизельного топлива – 230 – 240 ⁰С, солярового масла  280 – 340 ⁰С, нефти 130 – 350 ⁰С.

То обстоятельство, что температура на поверхности сложных по составу жидкостей всегда выше температуры начала выкипания, объясняется изменением фракционного состава во время горения. Опыты показывают, что температура не одинакова во всех точках поверхности горящей жидкости. Вблизи стенок резервуара температура выше, чем в центре. Неравномерность распределения температуры на поверхности жидкости связана с влиянием стенок резервуара, температура которых всегда выше температуры верхнего слоя горящей жидкости, а также с неравномерным притоком тепла от пламени. Около стенок резервуара пламя расположено ближе к поверхности, чем к ее центральной части.

Распределение температуры в глубину не одинаково для различных жидкостей. Распределение температуры в глубину для керосина и бензина в зависимости от расстояния от поверхности жидкости показано на  рис. 5.2.

Рис. 5.2. Распределение температуры в глубину для керосина и бензина

в зависимости от расстояния от поверхности

Если температура в керосине плавно и постепенно снижается по мере удаления от поверхности (первый тип распределения температур), то в бензине имеется слой опре

деленной толщины, температура которого одинакова во всех точках и резко падает за его нижней границей (второй тип распределения температур). Установлено, что плавное понижение температуры свойственно таким жидкостям, как керосин, соляровое масло, дизельное топливо, трансформаторное масло и др. второй тип распределения температур прогретого слоя наблюдается при горении нефти, бензина, мазута.

при горении нефти, бензина, мазута толщина прогретого слоя увеличивается со скоростью, зависящей от диаметра резервуара, скорости ветра, расстояния поверхности жидкости от кромки резервуара и др. Формирование прогретого слоя начинается приблизительно через 10 мин после воспламенения жидкости. толщина прогретого слоя увеличивается только до некоторого значения, которое зависит от диаметра резервуара, скорости ветра и др.

При горении жидкости температура стенки резервуара всегда выше температуры жидкости. Разность температур между стенкой и жидкостью обусловлена тем, что         к стенке непосредственно прилегает пламя. Температура стенки неодинакова по        окружности резервуара, она зависит от скорости ветра, который отклоняет пламя,       поэтому температура наветренной части стенки всегда отличается от температуры     подветренной части. В результате разности температур между стенкой и жидкостью возникают конвективные течения, интенсивность которых определяется не только        перепадом температур, но и физическими свойствами жидкости. Так, в бензине, тем-пература начала выкипания которого низка, возникшие конвективные потоки зна-чительно усиливаются, что обусловлено кипением слоя жидкости около стенки. В     керосине и дизельном топливе интенсивность конвективных потоков много меньше, так как температура начала кипения этих веществ высока, и кипение около стенки не возникает.

Таким образом, процесс образования прогретого слоя представляется следующим. Во время горения нагревается стенка резервуара и прилегающая к ней жидкость. Если температура стенки выше температуры начала кипения жидкости, то жидкость закипает. Кипение усиливает конвективные потоки, поэтому тепло переносится в глубь жидкости. Это в свою очередь вызывает прогрев той части стенки резервуара, которая прилегает к нижней границе прогретого слоя. На этой части стенки тоже начинается кипение, которое ведет к дальнейшему увеличению прогретого слоя и т.д. Этот процесс продолжается до тех пор, пока потери тепла через стенки резервуара в окружающую среду не станут превышать подвод тепла со стороны пламени. После этого процесс прогревания прекращается. Так формируется прогретый слой при горении нефти, бензина и других жидкостей, имеющих низкую температуру начала кипения.

Необходимо учесть, что процесс прогревания нефти связан с содержанием в ней воды. Если в нефти много воды, то она может прогреваться даже в том случае, когда температура начала кипения ее сравнительно высока. Это объясняется тем, что вода резко снижает температуру кипения нефти. Вода, находящаяся в слое нефти, прилегающем к стенке резервуара, при определенных условиях закипает, что и способствует возникновению конвективных потоков. Аналогичные явления наблюдаются при горении влажного мазута. На процесс прогревания мазута помимо влаги значительное влияние оказывает образование на поверхности коксового остатка, опускающегося    затем вниз.

Вскипание и выбросы в процессе горения жидкостей представляют большую опасность, так как внезапно выброшенная горящая жидкость может покрыть большую площадь вблизи очага горения вместе с находящимися на ней людьми, строениями и

пожарной техникой. Известны случаи, когда десятки тонн нефти выбрасывались на расстояние несколько десятков метров от очага горения. Однако выброс, имеющий характер сильного взрыва, — явление редкое. Чаще бывает более или менее спокойное переливание нефти через борт резервуара, так называемое вскипание жидкости. Установлено, что выбросов и вскипания не происходит при горении таких продуктов переработки нефти, как керосин, дизельное топливо, бензин. Возможно, что явление вскипания и выброса тесно связано с наличием воды, которая всегда содержится в том или ином количестве в самой нефти и на дне резервуара. Исследования показали, что выброс и вскипание обусловлены особым характером прогревания сырой нефти и влажного мазута и возникающим при этом процессом кипения перегретой воды.

Как известно, под кипением понимают процесс парообразования, происходящий в объеме жидкости. Для кипения характерно образование большого количества пузырьков пара, зарождающихся в основном на стенках сосуда и на дне его. Пузырьки зарождаются на центрах парообразования, которые представляют собой инородные вкрапления в жидкости – пылинки, пузырьки газа (воздуха) и т.д. Если жидкость не содержит примесей, центры парообразования распределяются в основном на стенках сосуда, где всегда вблизи шероховатостей и в порах имеются мельчайшие пузырьки газа. При нагревании происходит испарение внутрь этих пузырьков, поэтому давление пара внутри пузырька непрерывно увеличивается и при некоторой температуре становится равным внешнему давлению. В этот момент пузырек пара отделяется и всплывает, на его месте возникает следующий. Таким образом, для возникновения кипения необходимо, чтобы в жидкости либо на стенках сосуда имелись центры парообразования. Если центры парообразования удалить (этого можно достичь тщательной очисткой жидкости, а также механической и химической обработкой поверхности стенок сосуда), то кипение не возникает, даже если жидкость будет нагрета выше температуры кипения. Так, воду, тщательно освобожденную от воздуха, можно нагреть, не вызывая кипения, почти до 200 ⁰С. Жидкость в таком состоянии называется перегретой. Такое состояние не является устойчивым. Достаточно лишь внести в перегретую жидкость небольшое количество какой-либо механической примеси, как произойдет бурное закипание, которое при некоторых условиях имеет взрывной характер.

Внезапное закипание перегретой жидкости может произойти и без внесения примесей. Зародыши паровой фазы могут возникнуть внутри самой жидкости, если она перегрета достаточно сильно. В этом случае закипание носит взрывной характер. Аналогичное явление наблюдается при горении сырых нефтей и нефтепродуктов, способных к выбросу и вскипанию. Температура прогретого слоя нефти может повыситься до    300 ⁰С.  По истечении некоторого времени прогретый слой нефти достигает подстилающего слоя воды, вызывая ее нагрев. Если на поверхности раздела нефть – вода, а также внутри самой воды не окажется достаточного количества центров парообразования, вода может нагреться до температуры значительно выше температуры кипения. Перегрев будет продолжаться до тех пор, пока внутри слоя воды не возникнут самопроизвольные зародыши паровой фазы. В этот момент произойдет закипание воды с выделением большого количества водяного пара, который выбросит находящуюся над водой горящую нефть.

Из сказанного следует, что выброс горящей жидкости может произойти, если под слоем жидкости находится вода, жидкость при горении прогревается в глубину с обра

зованием прогретого слоя, достигающего слой воды, а температура слоя выше температуры кипения воды.

Отсутствие одного из этих условий исключает возможность выброса. Первое условие на практике связано с хранением нефти и нефтепродуктов, два других условия определяются свойствами самой жидкости. В связи с этим выбросы наблюдаются при горении только нефти и мазута и не наблюдаются при горении таких нефтепродуктов, как керосин, дизельное топливо и др. Нефть и мазут прогреваются вглубь весьма интенсивно, и температура прогретого слоя при этом почти всегда выше 100 ⁰С. Керосин, дизельное топливо при горении прогреваются медленно и не образуют прогретого слоя одинаковой температуры. Бензин прогревается тоже быстро, как нефть и мазут, но температура прогретого слоя ниже температуры кипения воды. Поэтому выброс при горении бензина маловероятен. Если же в резервуаре с горящей нефтью нет подстилающего слоя воды (вода содержится в самой нефти в эмульгированном состоянии), то в начальный период горения вода более или менее равномерно будет распределена в массе нефти. При нагревании, вследствие уменьшения вязкости верхнего слоя нефти, капли воды опускаются в глубь слоя жидкости и постепенно накапливаются там, где вязкость нефти сравнительно велика. Одновременно с этим капли воды нагреваются и при достижении определенной температуры (степени нагрева) закипают. Пары воды сильно вспенивают нефть, которая переливается через борт резервуара, т.е. происходит вскипание нефти (точнее вскипание воды, содержащейся в нефти).

Промежуток времени от начала горения до наступления выброса определяется скоростью прогревания нефти и практически равно времени, в течение которого прогретый слой нефти достигает подстилающего слоя воды. Чтобы рассчитать это время, необходимо знать толщину слоя нефти и скорость ее прогревания. В большинстве случаев нужды в таком расчете нет, так как выброс можно легко предупредить, удалив подстилающий слой воды. Рассчитать время наступления выброса, хотя бы приблизительно, необходимо лишь в том случае, когда слив воды невозможен.

Характерными признаками начала выброса являются возникновение вибрации стенок резервуара, сопровождаемое шумом, и возрастание размеров факела пламени. Вскипание возникает гораздо раньше выброса, т.е. тогда, когда еще нет каких-либо определенных данных, дающих возможность точно предсказать момент наступления вскипания. Вскипание зависит от сорта и влажности нефти, высоты свободного борта и т.д. Опыты показывают, что нефть, содержащая 1 % воды, вскипает через 45 – 60 мин от начала горения. Если при этом уровень нефти в резервуарах высок, вскипание с переливанием нефти через борт может периодически повторяться.

Основным признаком начала вскипания является увеличение размеров факела пламени. В некоторых случаях перед началом вскипания возникает сильный шипящий шум. Необходимо также иметь в виду, что вскипание может начаться при подаче на поверхность горящей жидкости воды или пены. В связи с тем, что эффективных мер предупреждения вскипания пока нет, большое значение приобретает оперативность при тушении горящих нефтей в резервуарах.

Вопросы для самоконтроля

1. Каким является процесс испарения жидкости: экзотермическим или эндотермическим?

2. Какую температуру жидкости называют нижним температурным пределом воспламенения (НТПВ)?

3. Какую температуру называют верхним температурным пределом воспламенения (ВТПВ)?

4. Какую температуру вещества называют температурой вспышки?

5. Как классифицируются жидкости по температуре вспышки?

6. Какую скорость горения жидкости называют массовой скоростью?

7. Какую скорость горения жидкости называют линейной?

8. Чем опасны вскипания и выбросы в процессе горения жидкостей?