Материал: Математическое и имитационное моделирование проблемно-ориентированных информационных технологий. Проскурин Д.К., Сысоев Д.В

Скачать

Заказать новую работу

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

ВЫПУСК № 3 (21), 2020

ISSN 2618-7167

УДК 536.4: 54:630*935.4

ВЫЗЫВАЮЩЕЕ ЛЕСНЫЕ ПОЖАРЫ ТЕПЛОВОЕ САМОВОЗГОРАНИЕ НАПОЧВЕННОГО ПОКРОВА ИЗ РАЗЛАГАЮЩЕГОСЯ ОПАДА

А.М. Зайцев, А.В. Звягинцева, С.А. Сазонова

Воронежский государственный технический университет

Аннотация: рассмотрены теплофизические и химические аспекты возникновения самовозгорания органических материалов природного происхождения. Обоснована вероятность возникновения химического процесса самовозгорания и дальнейшего горения лесного опада, в частности хвои. Показано определение критической температуры, достижение которой способно привести к открытому горению лесного опада и дальнейшему ландшафтному или лесному пожару. Представлены значения температуры самонагревания и самовозгорания некоторых материалов, близких по теплофизическим характеристикам к лесному опаду

Ключевые слова: теплофизические характеристики, химический процесс самовозгорания, органические природные материалы, критическая температура, ландшафтный и лесной пожар

THERMAL SELF-COMBUSTION OF THE SOIL COVER FROM DECOMPOSING

DESTROY THAT CAUSES FOREST FIRES

A.M. Zaitsev, A.V. Zvyaginceva, S.A. Sazonova

Voronezh state technical University

Abstract: thermophysical and chemical aspects of the occurrence of spontaneous combustion of organic materials of natural origin are considered. The probability of the occurrence of a chemical process of spontaneous combustion and further combustion of forest litter, in particular needles, has been substantiated. Determination of the critical temperature is shown, the achievement of which can lead to open burning of forest litter and further landscape or forest fire. The values of the temperature of self-heating and spontaneous combustion of some materials are presented, which are close in thermophysical characteristics to forest litter

Keywords: thermophysical characteristics, chemical process of spontaneous combustion, organic natural materials, critical temperature, landscape and forest fire

Ущерб6 от пожаров в нашей стране, как

мер, сено согласно справочным данным,

и в других развитых странах, составляет

представляет собой легко воспламеняющею-

примерно 1 % ВВП. Значительные потери

ся высохшую траву плотностью 70 кг/м3 и

наносят лесные и ландшафтные пожары.

влажностью 7,3 %. Сено склонно к микро-

Возникновение лесных и ландшафтных по-

биологическому самовозгоранию, темпера-

жаров, как правило, связывают с антропо-

тура самонагревания составляет 70 ºС; тем-

генными причинами, такими как небрежное

пература тления составляет 204 ºС, а темпе-

обращение с огнем, весенними палами или

ратура самовоспламенения 333 ºС. Повы-

умышленными поджогами. Такие природные

шенная влажность способствует активизации

явления как грозовая активность (в том чис-

жизнедеятельности бактерий и повышению

ле и «сухие грозы») и самовозгорание орга-

тепловыделения. При влажности 14 % жиз-

нических материалов растительного проис-

недеятельность бактерий замедлена, при 17

хождения, склонных к микробиологическому

% она увеличивается в 40 раз, а при 20,4 % в

самонагреванию и самовозгоранию. Напри-

250 раз.

 

 

Таким образом, если содержание влаги

 

 

© Зайцев А.М., Звягинцева А.В., Сазонова С.А., 2020

превышает предельное значение (20 %), то

25

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬНЫХ, СОЦИАЛЬНЫХ И ЭКОНОМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

существует повышенная вероятность самовозгорания. В [1-5] отмечается, что микробиологическое самонагревание сена при повышенной влажности может начаться через 2-3 дня после укладки и может сохраниться в течение нескольких месяцев.

В природных условиях образования скоплений органических материалов различного происхождения и определенной толщины (торфа, лесного опада, сухой травы, опилок и других компонентов) также может привести к микробиологического самовозгоранию, или теплового самовозгорания на примере скопления горных выработок (террикона) рис. 1, на рис. 2 самовозгорание торфа.

Влага и тепло способствуют размножению микроорганизмов. Вследствие плохой теплопроводности растительных материалов выделяющаяся при гниении теплота идет в основном на разогрев этого материала, температура его повышается и может достичь 70 0С. При этом микроорганизмы погибают, но процесс повышения температуры в растительных материалах не заканчивается.

Некоторые органические соединения обугливаются уже при 70 0С. Образующийся при этом пористый уголь имеет свойство поглощать (адсорбировать) пары и газы. Поглощение (адсорбция) сопровождается выделением тепла, и в случае малой теплоотдачи уголь нагревается до начала процесса окисления. В результате этого температура растительных материалов повышается и достигает 200 0С. При 200 0С начинает разлагаться клетчатка, входящая в состав растительных материалов, что ведет к дальнейшему обугливанию и дальнейшей интенсификации окисления. В результате этого температура поднимается до возникновения горения. В практике были случаи самовозгорания древесных опилок при большом их скоплении.

На склад льда осенью была завезена смесь буковых и сосновых опилок. Опилки были сложены в кучи высотой 2,5–3 м. Через 2–3 дня, после того как выпал снег и покрыл опилки, они загорелись в нескольких местах. Причиной самовозгорания явилась жизнедеятельность микроорганизмов. Аналогичная ситуация произошла в лесу под Воронежем в начале зимы, после выпадения снега. На рис. 3 и рис. 4 представлены фотографии возникновения самовозгорания лесного опада (хвои), при прохождении лесника по тер-

ритории леса, в результате снятия снежного покрова и доступа кислорода, загорелась лесная подстилка.

Рис. 1. Самовозгорание террикона

Рис. 2. Самовозгорание торфа под слоем почвы

Рис. 3. Обнаружение возникновения самовозгорания лесного опада (хвои)

Представим, что в слое подстилки определѐнной толщины происходит процесс самонагревания и подъем температуры за счет экзотермической реакции. При окислении и разложении органического вещества происходит выделение энергии в результате экзотермической реакции (где избыток энергии при образовании новых связей выделяется в виде тепла), из-за чего в подстилке повышается температура – вплоть до температуры самовозгорания.

26

ВЫПУСК № 3 (21), 2020

ISSN 2618-7167

Рис. 4. Очаг самовозгорания лесного опада

На рис. 5 представлены возможные варианты нагрева подстилки до определенной температуры [6]. При весьма умеренной скорости реакции (кр. 1) в материале не происходит существенных изменений, и температура не достигает температуры ускорения реакции самонагревания. В этом случае при определенных условиях материал может вернуться в первоначальное состояние.

Такая картина будет наблюдаться до тех пор, пока не будет достигнута некоторая начальная температура самонагревания tсн, при которой начнутся экзотермические превращения в материале (разложение, окисление), ведущие к самонагреванию материала (рис. 6, кр. 2), в процессе которого возможны две ситуации [6-10]:

1.Интенсивность самонагревания невелика, и материал после «исчерпания» способных окисляться компонентов охладится до первоначальной температуры (кр. 2);

2.В результате самонагревания будет

достигнута температура самовозгорания tсв, начиная с которой произойдет спонтанный рост скорости реакции и температуры, что приводит к возникновению открытого горения (кр. 3). Эта температура называется критической температурой и определяется по уравнению (1) [6]:

где - критериальный параметр развития

очага самонагревания;

- коэффициент тем-

пературопроводности,

м2/с;

-

удельная

теплоемкость, ккал/(кг·град);

-

толщина

слоя подстилки,

м; -

концентрация кисло-

рода в воздухе,

соприкасающаяся

с веще-

ством; - тепловой эффект окисления, ккал/м3; - постоянная, град-1; - соответствующие этой температуре начальные значения скорости сорбции.

Рис. 5. Схема теплового самовозгорания

Рис. 6. Схема лесной подстилки с выпавшем снегом. 1 – грунт (супесь); 2 – сосновый опад, в котором происходит процесс самовозгорания; 3 – выпавший снег

При достижении определенной температуры и условий теплообмена с окружающей средой может произойти самовоспламенение лесной подстилки. Температурой самовоспламенения называется наименьшая температура вещества (или его оптимальной смеси с воздухом), при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, приводящее к возникновению пламенного горения [6]. В таблице представлены значения температуры самонагревания и самовозгорания некоторых материалов, близких по теплофизическим характеристикам к лесному опаду [6].

Зная величину температуры, при которой происходит самовозгорание материала, можно определить время от начала развития экзотермической реакции с выделением тепла, до возможного момента времени, при котором происходит самовозгорание исследуемого материала.

27

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬНЫХ, СОЦИАЛЬНЫХ И ЭКОНОМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Таблица 1 Значения температуры самонагревания и самовозгорания некоторых материалов,

близких по теплофизическим характеристикам к лесному опаду

 

Материал

 

tсн

 

tсвоз

 

 

Торф (фрезерный)

 

70

 

225

 

 

Уголь бурый

 

50-65

 

150-250

 

 

Сено (влажность 7,5 %)

 

70

 

204

 

 

Силос (зеленые части растений)

 

70

 

265

 

 

Хлопок

 

60

 

205

 

 

Опилки сосновые

 

80

 

230 (влажность 30-40%)

 

 

Таким образом, в результате проведен-

также использовались материалы следую-

ных исследований можно сделать вывод, что

щих исследований [11-20].

одной из важных причин возникновения по-

Библиографический список

жаров в лесах (особенно хвойных), является

 

 

 

 

самовозгорание лесной подстилки, протека-

1. Смирнов А.П. Лесные пожары – 2010:

ющей в двух стадиях самонагревания: одна

причины и следствия. / А.П. Смирнов // Безопас-

связана с жизнедеятельностью термофиль-

ность жизнедеятельности. – 2013. – №11. – C. 13-

16.

 

 

 

ных бактерий, а вторая является результатом

 

 

 

2. Горшков В.И. Самовозгорание веществ

начавшегося процесса саморазложения ве-

и материалов. -М.:ВНИИПО МЧС РФ, 2003. -

щества. Самонагревание скоплений лесной

446 с.

 

 

 

подстилки при температурах до 70-75 °С [11-

 

 

 

3.

Воронеж – климатические итоги осени /

12] происходит преимущественно в резуль-

Gismeteo – прогноз погоды [Электронный ре-

тате жизнедеятельности микроорганизмов, а

сурс]. – Электрон. катал. – 2016.

также окисления легко окисляющихся про-

4.

Дневник погоды в Воронеже за декабрь

дуктов их жизнедеятельности и восстанов-

2014 г. / Gismeteo – прогноз погоды [Электрон-

ленных веществ, которые накапливаются в

ный ресурс]. – Электрон. катал. – 2016.

 

анаэробных

условиях. При

температуре,

5. Лесники озадачены природным явлени-

превышающей 75 °С,

торф в

течение не-

ем: лесная подстилка горит под снегом/ ГТРК

"Воронеж" [Электронный

ресурс]. – Электрон.

скольких дней

превращается

в

полукокс

катал. – 2016.

 

 

 

 

(способ переработки твѐрдых топлив нагре-

 

 

 

 

6. Зайцев А.М. К вопросу возникновения

ванием без доступа воздуха до 500 - 550 °C),

лесных пожаров вследствие самовозгорания лес-

способный

энергично

взаимодействовать с

ной подстилки /

А.М. Зайцев, С.В. Губский //

кислородом

воздуха.

Поэтому

дальнейшее

Вестник Воронежского института ГПС МЧС

повышение температуры лесной подстилки

России. – 2016. № 4(21). – С. 22-29.

 

происходит

преимущественно

в

результате

7. Зайцев А.М. Метод расчета прогрева

его окисления кислородом и приводит к са-

многослойных конструкций путем приведения

мовозгоранию.

 

 

 

 

их к однослойной пластине на основе модифи-

Показано, что процесс самовозгорания,

цированного уравнения нестационарной тепло-

может произойти при определенных клима-

проводности Фурье /

А.М. Зайцев // Пожаро-

взрывобезопасность. – 2006. – Т. 15. -№ 3. – С.

тических условиях, при наличии сочетания

55-61.

 

 

 

 

таких факторов

как

толщина

подстилки,

 

 

 

 

8. Зайцев А.М. Метод расчета огнестойко-

влажность, температура и влажность грунта,

сти теплоизолированных

металлических

кон-

толщина и влажность свежевыпавшего опа-

струкций / А.М. Зайцев,

Г.Н. Крикунов,

А.И.

да, выполняющего роль теплозащиты, тол-

Яковлев // Известия высших учебных заведений.

щина свежевыпавшего снега, температура и

Строительство. – 1980. – № 2. – С. 20-23.

 

скорость воздуха, значение теплового потока

9. Зайцев А.М. Определение коэффициен-

от солнечного излучения. Толщину подстил-

та теплоотдачи в строительные конструкции при

ки (опада), в которой может произойти про-

стандартном пожаре / А.М. Зайцев, В.А. Болгов,

цесс самовозгорания,

можно будет опреде-

Д.С. Черных // Гелиогеофизические исследова-

лить расчѐтным путем, после проведения со-

ния. – 2014. – № 9(9). – С. 49-53.

 

10. Зайцев

А.

М.

Особенности

учета

ответствующих

исследований.

В работе

 

 

 

 

 

28

ВЫПУСК № 3 (21), 2020

 

 

ISSN 2618-7167

начальной стадии пожара при расчете прогрева

го научного центра Российской академии наук.

строительных конструкций / А.М. Зайцев, В.А.

2015. Т. 17. № 5. С. 276-282.

 

Болгов // Вестник Воронежского института ГПС

16. Яковлев Д.В., Звягинцева А.В. По-

МЧС России. – 2015. – № 2(15). – С. 7-14.

строение межотраслевой комплексной геоин-

11. Зайцев А.М. К расчету времени подо-

формационной системы Воронежской области //

грева стальных конструкций при пожарах до

Известия Самарского научного центра Россий-

критических температур / А.М. Зайцев, В.А. Бол-

ской академии наук. 2012. Т. 14. № 1-3. С. 923-

гов // Комплексные проблем техносферной без-

930.

 

 

опасности: материалы Международной научно-

17. Авдюшина А.Е., Звягинцева А.В. Ло-

практической конференции. – Воронеж, 2016. –

кализация объектов в автоматизированной си-

С. 195-201.

стеме видеонаблюдения //Информация и без-

12. Крикунов Г.Н. О критических разме-

опасность. 2011. Т. 14. № 4. С. 583-586.

рах скоплений самовозгорающихся материалов /

18. Долженкова В.В., Звягинцева А.В.

Г.Н. Крикунов, А.М. Зайцев // Известия высших

Перспективы

применение

ГИС технологий

учебных заведений. Горный журнал. – 1977. – №

FLOODMAP для прогнозирования риска затоп-

8. – С. 45-49.

ления на водных объектах Воронежской области

13. Звягинцева А.В. Математическая мо-

// Известия Самарского научного центра Россий-

дель поцесса управления водородной проницае-

ской академии наук. 2015. Т. 17. № 6. С. 70-81.

мостью металлов с внутренними нпряжениями с

19. Аржаных Ю.П., Долженкова В.В., Звя-

учетом образования и распада неподвижных

гинцева А.В. Прогнозирование гидрологической

комплексов /Известия Российской академии

обстановки в период половодья на водных объ-

наук. Серия физическая. 2020. Т. 84. № 9. С.

ектах воронежской области с применением гео-

1290-1292.

графических информационных систем // Гелио-

14. Звягинцева А.В., Сазонова С.А., Куль-

геофизические

исследования.

2014. № 9. С. 89-

нева В.В. Расчет образования ртутьсодержащих

98.

 

 

отходов и разработка мероприятий по охране и

20. Звягинцева, А.В.

Информационно-

рациональному использованию водных ресурсов

аналитический расчет и построение карт рассеи-

// Моделирование систем и процессов. 2019. Т.

вания загрязняющих веществ при стоянках же-

12. № 4. С. 30-36.

лезнодорожных цистерн с нефтепродуктами /

15. Звягинцева А.В., Тенькаева А.С., Моз-

А.В. Звягинцева, А.С. Самофалова., В.В. Кульне-

говой Н.В. Воздействие состава природной воды

ва // Моделирование систем и процессов. - 2020.

на коррозионную стойкость стали Х40 маги-

- Т. 13. - № 2. - С. 22-32.

 

стральных трубопроводов // Известия Самарско-

 

 

 

Информация об авторах

Зайцев Александр Михайлович - кандидат технических наук,

доцент кафедры техносферной и пожарной безопасности, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет (ВГТУ)» (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20 лет Октября, 84), e-mail: zaitsev856@yandex.ru

Звягинцева Алла Витальевна - кандидат технических наук, доцент кафедры химии и химической технологии материалов, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет (ВГТУ)» (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20 лет Октября, 84), e-mail: zvygincevaav@mail.ru

Сазонова Светлана Анатольевна - кандидат технических наук,

доцент кафедры техносферной и пожарной безопасности, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет (ВГТУ)» (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20 лет Октября, 84), e-mail: Sazonovappb@vgasu.vrn.ru

Information about the authors

Alexander M. Zaitsev, Ph. D. in Engineering, Associate Professor of the Department of Technosphere and Fire Safety, Federal State Budgetary

Educational Institution of Higher Education «Voronezh State Technical University» (84, 20 years of October Street, Voronezh, 394006, Russia), e-mail: zaitsev856@yandex.ru

Alla V. Zvyaginceva, Ph. D. in Engineering, Associate Professor of the Department of Chemistry and Chemical Technology of Materials, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Voronezh State Technical University» (84, 20 years of October Street, Voronezh, 394006, Russia), e-mail: zvygincevaav@mail.ru

Svetlana A. Sazonova, Ph. D. in Engineering, Associate Professor of the Department of Technosphere and Fire Safety, Federal State Budgetary

Educational Institution of Higher Education «Voronezh State Technical University» (84, 20 years of October Street, Voronezh, 394006, Russia), e-mail: Sazonovappb@vgasu.vrn.ru

29

Источник: https://studfile.net/preview/16566166/

Смотрите также:

Изложение содержания дела, по которому приняты судебные постановления
_1-тема-СтрМетал
_1966(~1
_files_materials_5053_prog.ntr
_Антонян Ю.М., Сексуальные преступления. Чикатило и другие
_РГР № 1 (2)