邻近罐壁热辐射分布实验

分类：化学论文发表 时间：2020-02-21 14:38 关注：(1)

　　油罐火灾蔓延的主要因素是油罐火热辐射，在着火罐火焰热辐射作用下，邻近罐极易被引燃，造成整个罐区大面积起火。为了研究邻近罐受热辐射后罐壁热辐射的分布规律，建立了油罐燃烧实验装置，开展了小尺寸油罐燃烧实验研究。实验结果表明：在火灾环境下，邻近罐正对着火罐方向的罐壁受辐射作用最大，热辐射从罐顶到罐底逐渐降低、从中心向两边呈轴对称降低；随着L/D（L为相邻两个油罐的距离，D为油罐的直径）增大，邻近罐热辐射下降。实验数据为火灾环境下邻近罐的热辐射研究提供了参考，对防止邻近罐被引燃，做好油罐区火灾爆炸事故的预防具有重大意义。

　　关键词：油罐；火灾；热辐射；邻近罐；分布规律

　　油罐一旦发生火灾，热辐射由着火罐向邻近罐蔓延，是导致油罐区大面积火灾连锁反应的主要原因[1-2]。因此，研究邻近罐热辐射分布规律是评估油罐火灾危险性的重要方法[3-6]。针对国内外油罐燃烧实验的不足[7-10]，开展了小尺寸油罐燃烧实验，获得了邻近罐壁热辐射分布规律，以期为邻近罐制定了合理的冷却措施，尤其是对热辐射较高的重点部位进行有效冷却[11-15]。由于小尺寸油罐燃烧实验得到的热辐射分布规律与大型油罐相似[16-18]，因此利用小尺寸实验装置研究油罐火灾发生过程以及火焰燃烧特性，可为研究大型油罐火灾特点提供参考[19-21]。

　　1实验装置

　　小尺寸油罐燃烧邻近油罐热辐射实验装置主要包括油盘、小尺寸油罐及数据采集装置（图1）。为节约实验成本，在尽可能不影响实验结果的基础上，采用相同材质、直径的油盘代替油罐作为着火罐、小尺寸油罐作为邻近罐。为研究不同直径着火罐对邻近罐热辐射的影响，实验设计制作了3种不同直径的圆形油盘作为着火罐：直径尺寸分别为0.4m、1.0m及1.8m，高度均为0.2m，壁厚均为3mm，其材质为普通铸铁。实验燃料为93#汽油。邻近油罐材质为SPV490Q钢，直径1.8m，高0.8m，壁厚为6mm。为了使油盘与邻近罐的高度保持一致，油盘置放于特制的铁架上，罐顶距离地面0.6m，与邻近罐顶高度一致（图1）。由于该实验模拟的是邻近罐受热辐射影响，主要是罐壁吸热，为了与大型油罐实际工况相接近，将罐内充装了液体。基于实验成本、安全性等因素，邻近罐内充装液体介质为自来水，其对实验结果影响较小。邻近油罐的罐内充装水的高度为0.6m。实验用的数据测量及采集系统由热通量传感器、数据采集仪、计算机及数据连接线等组成。其中，实验用的数据采集仪为福禄克2635A，是具有通用输入模块的便携式采集仪，可插入存储器卡存储实验数据。实验用热通量传感器量程为0~2W/cm2，其最大允许误差为2%。在邻近油罐的罐顶、罐底、正中间位置，分别布置3个热辐射传感器，用来测量罐壁辐射值Q1、Q2、Q3。热通量传感器布置方向为正对油盘的中心连线上（图2）。

　　2实验步骤及现象

　　2.1实验工况

　　将油盘里燃料点燃，油罐间距与油罐直径的比值L/D分别取0.6、1.0、1.5。选取9种实验工况（表1）开展小尺寸油罐燃烧实验，在不同L/D值、不同直径的油盘火作用下，可以测量邻近罐热辐射值的分布规律。

　　2.2实验步骤

　　小尺寸油罐燃烧对邻近罐罐壁热辐射实验主要分为以下4个步骤。（1）按照设定工况的间距布置油盘与小尺寸油罐，连接实验系统。油盘内加入油层厚度约1cm的93#汽油。相邻油罐内部充装水代替罐内油品，水面距离油罐顶部20cm。在测量好的探测点上，布置热辐射传感器，并与数据采集系统相连。为了确保试验过程安全，备有泡沫灭火器。（2）点燃油盘，使用数据采集仪记录各测量点热辐射值。在实验中，每个工况的燃烧过程持续6～7min，火焰形状呈圆柱体，燃烧过程中有大量浓烟产生。不同实验工况表明，着火油盘的火焰高度随着油盘直径的增大而增大：当油盘直径为0.4m时，其火焰高度约1.5m；当油盘直径为1.0m时，其火焰高度约2.5m；当油盘直径为1.8m时，其火焰高度约4m。（3）通过数据采集仪获得实验数据，采集仪具有20个测量通道，可以记录并储存40000个数据，可以同时记录通道号、测量值、燃烧时间、累加计数等。采集数据时间设置为每5s读取一次，并对采集到的数据进行整理并分析。（4）每个工况的实验结束后，将油盘残余燃料倒掉，洗刷后重新倒入燃料，按照实验工况调整与油罐间距，进行下一个工况实验，直至完成9种工况的实验。

　　3实验结果

　　（1）在直径为0.4m的油盘点火后，根据油罐探测点热辐射变化情况（图3）可见：直径为0.4m的油盘，燃烧后对邻近油罐的辐射随着L/D增大，油罐热辐射值随之降低。当L/D为0.6时，Q1热辐射平均值为10.4kW/m2；Q2、Q3热辐射值较低，这是由于油盘与邻近罐距离较近，由于罐壁的遮挡，导致处于火焰下方的热辐射值较低。随着L/D慢慢增大，Q2、Q3热辐射值开始增大；随着L/D持续增大，Q1热辐射值却出现下降的趋势。在3种不同的L/D工况下，热辐射最强位置均为罐顶部的Q1点，热辐射最弱位置为罐壁底部Q3点。可见，邻近罐壁热辐射沿罐顶到罐底呈下降趋势。（2）在直径为1.0m油盘点火后，根据油罐探测点热辐射变化情况（图4）可见：直径为1.0m的油盘着火的邻近罐壁热辐射分布规律与直径为0.4m油盘相似，即热辐射沿邻近罐罐顶到罐底呈下降趋势，Q1点值最大、Q3值最小。当L/D为0.6时，Q1热辐射平均值为8.6kW/m2，小于同等工况下直径为0.4m的油盘热辐射平均值。这表明尽管油盘直径越大热辐射作用越强，但由于油罐间距增大，邻近罐热辐射降低。由此表明，罐距对热辐射影响更加明显。（3）在直径为1.8m油盘点火后，根据油罐探测点热辐射值变化情况（图5）可见：直径为1.8m油盘的热辐射分布规律与上述其他两种尺寸油盘相似，即热辐射在邻近罐上的分布从罐顶到罐底呈下降趋势。当点火油盘直径不变时，油罐整体热辐射随着L/D增大而降低。当L/D不变时，油罐热辐射随着油盘直径减小而升高。其原因是：随着油盘直径增大，油盘与油罐间距也增大，罐壁接收的热辐射减小。

　　4结论

　　小尺寸油罐燃烧对邻近罐罐壁热辐射实验结果表明，邻近罐接收的热辐射沿罐顶到罐底逐渐下降，其分布规律受罐间距影响较大。小尺寸油罐燃烧对邻近罐的辐射虽远小于大型油罐的热辐射，但其辐射分布规律相同。小尺寸油罐燃烧对邻近罐罐壁热辐射实验研究弥补了中国小尺寸油罐冷却试验数据的不足。但由于受实验成本、实验场地限制，实验中油盘、油罐尺寸较小。在今后，应开展大尺寸油罐燃烧实验，进一步研究其热辐射分布特点，为邻近罐的冷却提供更加有效的技术支持。

　　作者：郭欣 康习锋 单位：中国人民警察大学消防指挥系

　　推荐阅读：