18. Причины образования гомотермального слоя в горящих жидкостях

После воспламенения температура поверхностного слоя жидкости быстро повышается и достигает максимального значения. Следует отметить, что для однокомпонентных (индивидуальных) жидкостей это значение немного ниже температуры кипения, так как часть тепла, поступающего к поверхности жидкости, тратится на парообразование. Чем выше теп- лота парообразования, тем больше это различие. Распределение температуры жидкости по глубине резервуара носит различный характер. В некоторых жидкостях по мере удаления от поверхности температура плавно понижается. В других – формируется слой, практически равномерно прогретый до температуры, близкой к температуре кипения. Этот слой называется гомотермическим. Он может образовываться как в индивидуальных, так и в поликомпонентных жидкостях (то есть в жидкостях сложного состава). Такие распределения температуры принято называть распределением первого и второго рода соответственно.

Природа гомотермического слоя до конца не ясна. Достоверно известно следующее. В верхнем и нижнем слоях горящей жидкости действуют конвективные потоки. Причем в верхнем слое они значительно более интенсивные, чем в нижнем. В результате этого происходит перемешивание жидкости и выравнивание ее температуры по толщине слоя. Гомотермический слой имеет предельную толщину, т. е. его нижняя граница может не достигать дна резервуара. Причем предельная толщина возрастает с увеличением диаметра резервуара. Чем ниже теплопроводность стенок, тем медленнее растет толщина гомотермического слоя. При охлаждении борта резервуара рост толщины гомотермического слоя замедляется, а в лабораторных условиях может прекратиться совсем. Гомотермический слой значительной толщины возникает в жидкостях с температурой кипения (начала кипения жидкостей сложного состава) не более 100 °С.

На основании экспериментальных данных, как собственных, так и по- лученных другими исследователями, В. И. Блинов и В. Н. Худяков предположили, что в механизме образования и роста гомотермического слоя ведущую роль играет стенка резервуара. Вначале, по истечении нескольких минут горения, температура стенки резервуара оказывается везде выше температуры жидкости (рис. 3.10). После того как стенка достаточно прогреется, на ней начинается кипение жидкости. Пузырьки пара поднимаются вверх и вызывают интенсивное движение в верхнем слое горящей жидкости. Эти потоки перемешивают соответствующий слой и выравнивают его температуру – происходит за- рождение гомотермического слоя. Нагретый слой жидкости ускоряет прогрев стенки, на соответствую- щей ее части начинается кипение, ведущее, в свою очередь, к росту толщины гомотермического слоя. Перемещение границы гомотермического слоя приводит к нагреванию следующей части стенки резервуара – процесс повторяется. Было высказано также предположение, что в поликомпонентных жидкостях (в частности, в нефти) плотность гомотермического слоя выше, чем плотность исходной жидкости, из-за выгорания легких фракций. В результате этого гомотермический слой как бы продавливается через жидкость, находящуюся ниже. Однако прямые измерения плотности нефти при горении в резервуаре показали, что это не так. Средняя плотность жидкости, находящейся в гомотермическом слое, ниже исходной

Таким образом, в настоящее время не существует единого общепризнанного механизма формирования гомотермического слоя при горении жидкостей в резервуарах. Одни исследователи отдают предпочтение процессам кипения жидкости у нагретой стенки, другие – конвекции, возникающей за счет разности плотностей в верхнем слое. Очевидно, в реально- сти имеют место оба этих процесса. Влияние каждого из них на образование и рост гомотермического слоя, по-видимому, определяется природой жидкости и размерами резервуара.