Испарение в неподвижную среду

Испарение горючей жидкости в неподвижную среду происходит вследствие молекулярной диффузии. Предположим, что в системе горючая жидкость-пар давление и температура не изменяются, а рассеивания паров за границы поверхности испарения не происходит. Схема распределения паров над поверхностью горючей жидкости для этого случая приведена на рис. 2.1. Непосредственно над поверхностью горючей жидкости концентрация паров равна насыщенной j_s , а в любой произвольной точке на расстоянии h от поверхности жидкости – j.

Массу испарившейся горючей жидкости можно найти по формуле

m_и=j_срρ_п F h₀, (2.8)

где m_и – масса жидкости, испарившейся в неподвижную среду, кг; j_ср – средняя концентрация паров над поверхностью испарения об. доли, определяемая из выражения j_ср = j_s / (n + 1) (здесь j_s – насыщенная концентрация паров; n – показатель, характеризующий закон распределения концентрации паров над поверхностью жидкости); ρ_п – плотность паров, кг/м³; F – поверхность испарения, м²; h₀ – расстояние от поверхности испарения до плоскости а–а, где концентрация паров равна нулю, м.

Величина h₀ зависит от продолжительности испарения:

h₀ , (2.9)

где D – коэффициент диффузии, м²/с; τ – продолжительность испарения, с.

Установлено, что для большинства жидкостей п ≈ 2. Тогда

; и . (2.10)

Текущая концентрация на расстоянии h от поверхности испарения может быть найдена из выражения

. (2.11)

Наличие и вид зоны ВОК зависят от соотношения j_s , j_н и j_в . Здесь возможны три случая:

1) j_s < j_н ; 2) j_н j_s j_в ; 3) j_s > j_в .

В первом случае насыщенная концентрация паров над поверхностью испарения жидкости не превышает НКПР и взрывоопасная паровоздушная смесь не образуется (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Распределение концентрации паров над поверхностью горючей жидкости
в момент времени τ при выполнении начального условия j_s < j_н

Во втором случае зона ВОК примыкает непосредственно к поверхности испаряющейся жидкости и простирается вверх до места, где j = j_н (рис. 2.3). В этом случае зона ВОК непрерывно увеличивается во времени, но нижняя ее граница не «отрывается» от поверхности жидкости.

Рис. 2.3. Распределение концентрации паров над поверхностью горючей жидкости
в момент времени τ при выполнении начального условия j_н ≤ j_s ≤ j_в

В третьем случае зона ВОК находится на определенном расстоянии от поверхности жидкости h_в и простирается вверх до места, где j = j_н
(рис. 2.4). В этом случае зона ВОК и ее размеры по вертикали также непрерывно увеличиваются во времени.

Рис. 2.4. Распределение концентрации паров над поверхностью горючей жидкости
в момент времени τ при выполнении начального условия j_s > j_в

Из выражений (2.10) определим расстояния от поверхности жидкости до мест, где концентрация паров равна j_н и j_в:

; (2.12)

. (2.13)

Тогда образовавшиеся зоны ВОК будут иметь следующие характеристики:

– для второго случая:

; (2.14)

; (2.15)

– для третьего случая:

; (2.16)

. (2.17)

Из графиков, представленных на рис. 2.3 и 2.4, и формул (2.15) и (2.17) видно, что не все пары участвуют в образовании зон ВОК, а только их часть. Доля участия паров в образовании зоны ВОК (Z) представляет собой отношение массы паров, участвующих в образовании зоны ВОК, ко всей массе испарившейся жидкости.

После несложных преобразований для второго случая имеем:

, (2.18)

а для третьего случая –

. (2.19)

Параметры зоны ВОК при испарении жидкости в неподвижную среду зависят от физико-химических свойств жидкости, ее температуры, продолжительности и площади испарения.