Газообмен на внутреннем пожаре.

РЕЖИМЫ ПОЖАРОВ

Причиной газообмена при пожаре в помещении является разность давлений газовой среды внутри помещения и воздуха снаружи. При развившемся пожаре распределение давлений по высоте внутри и снаружи помещения, как правило, складывается так, что в верхней части давление газов больше, а в нижней части меньше атмосферного (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Распределение давлений при развившемся пожаре в помещении:

сплошная линия - эпюра давлений воздуха снаружи; пунктирная - эпюра давлений газовой среды внутри помещения

На некоторой высоте давление газов равно давлению воздуха. На этом уровне располагается условная горизонтальная плоскость, которая называется плоскостью равных давлений (ПРД) или нейтральной зоной. Расстояние от ПРД до пола считается высотой нейтральной зоны и обозначается /?_нз.

Рис. 2.2. Схема газообмена при пожаре в помещении

Через все отверстия, расположенные выше ПРД, из помещения удаляются газы, ниже ПРД - поступает воздух (рис. 2.2). При этом расход воздуха через проемы определяется высотой ПРД относительно нижней отметки проема - h°.

Основными параметрами газообмена являются:

требуемый расход воздуха О_в, кг/с, - расход воздуха, необходимый для полного сгорания материала с данной массовой скоростью:

где у_м^уд - удельная массовая скорость выгорания, кг/(м²с); £_п - площадь пожара, м²; У_в° - теоретический объём воздуха, необходимый для горения, м³/кг; р_в - плотность воздуха, кг/м³.

фактический расход воздуха О_в^ф, кг/с, - масса воздуха, поступающего в помещение при пожаре в единицу времени. При газообмене через один проем или несколько проемов, расположенных на одном уровне:

где ц - коэффициент сопротивления проёма (ц = 0,6 - 0,7); В - ширина проёма, м; h ° - высота ПРД относительно нижней отметки проема, м; g -

23

ускорение свободного падения, м/с; р_в - плотность воздуха, кг/м; р_пг - плотность продуктов горения, кг/м³.

коэффициент избытка воздуха на внутреннем пожаре - отношение фактического расхода воздуха к требуемому:

Коэффициент избытка воздуха определяет среднеобъемную концентрацию кислорода в продуктах горения j_O2 в данный момент времени. Во

время свободного развития пожара коэффициент избытка воздуха изменяется. Вначале, пока массовая скорость выгорания мала и О_в невелик, проемы практически не лимитируют приток воздуха в помещение. Коэффициент а в этом случае может составлять 40 и более. По мере увеличения массовой скорости выгорания возрастает О_в, а пропускная способность проемов уменьшается вследствие снижения h°. Коэффициент избытка воздуха уменьшается до некоторого минимального значения, затем остается посто - янным и при снижении у_м, вследствие выгорания материала, возрастает.

Соответственно изменяется и среднеобъемная концентрация кислорода в продуктах горения. Каждое горючее вещество имеет свое значение

^                                                                 _пр

предельной концентрации кислорода фО2, ниже которого гомогенное горение прекращается. Если в ходе уменьшения а концентрация кислорода в продуктах горения понизится до значения, предельного для данного горючего, пламенное горение прекратится. Если среднеобъемная температура при этом была ниже температуры воспламенения горючих веществ, находящихся в помещении (для твердых матер иалов ~ 300 ^oC), возможно само - затухание пожара. Если среднеобъемная температура была выше температуры воспламенения, постепенное прекращение пламенного горения вызовет уменьшение массовой скорости выгорания и, соответственно, требуемого расхода воздуха. В результате этого наступит момент, когда а и концентрация кислорода начнут возрастать. Когда концентрация кислорода в продуктах горения станет больше предельной, пламенное горение возобновится. В случае такого развития пожара, при вскрытии дополнительных проемов, существует опасность объемной вспышки.

Если ф_О2 > фО пожар будет продолжаться до полного прекращения

горения в результате тушения или выгорания горючего.

Коэффициент избытка воздуха связан с концентрацией кислорода со - отношением:

При газообмене через один проем или несколько проемов, располо - женных на одинаковом расстоянии от пола, величину h 0 рассчитывают по формуле

где Н_пр - высота проема, м; Т_п, Т_в - температура пожара и наружного воздуха соответственно, К.

График зависимости плотности продуктов горения от температуры

3

приведен в прил. 1. Плотность воздуха р_в, кг/м, и продуктов горения р_в, кг/м³, можно рассчитать по следующим формулам:

где Р и Т_ос - давление и температура окружающей среды, Па, К; M_nri - молярная масса i-го продукта горения; n_uci - коэффициенты в уравнении реак- ции горения перед i-ми продуктами горения.

При горении комбинированной горючей нагрузки, когда состав продуктов горения определить невозможно, оценить их плотность при заданной температуре можно по формуле, вытекающей из уравнения Менделеева - Клапейрона:

 

где Т_в и Т_п - температура воздуха и пожара соответственно, К.

При расчетах принимается Т_в = 293 К, соответственно р_в = 1,2 кг/м³.

Тогда

Если газообмен осуществляется через несколько проёмов, располо - женных на разных уровнях, вместо h ₀ в расчетные формулы подставляют средневзвешенную величину h₁ (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Схема газообмена через несколько проемов, расположенных на разных уровнях

Обозначим F_npi, F_{np 2}, F_{np 3} общую площадь каждого проема, а F ₁, F "₁, F "₁ - площади частей проемов, работающих на приток воздуха. Тогда общая площадь проемов, участвующих в газообмене, равна

При установившемся процессе газообмена общая площадь проемов, работающая на приток воздуха, приближенно равна

или

где d ₁, d ₂ и d ₃ - ширина соответствующего проема, м; а, b - нижние отметки проемов (см. рис. 2.3).

Из этого уравнения находим h₀, а затем (см. рис. 2.3) h ' ₁, h "₁ и к"' ₁:

где к' ₁, к"₁ и к" ' ₁ - расстояния от центров приточных частей проемов до плоскости равных давлений, м.

Значение к₁ берется как средневзвешенная величина

 

В зависимости от соотношения массовой скорости образования в помещении горючих газов в результате пиролиза или испарения горючего и скорости их сгорания в смеси с поступающим воздухом различают два режима внутреннего пожара. В тех случаях, когда приток воздуха достато - чен для достижения максимальной полноты сгорания, обусловленной видом горючего, массовая скорость сгорания горючих газов не зависит от расхода воздуха, поступающего в помещение. Такой режим получил название «пожар, регулируемый нагрузкой» (ПРН). В тех случаях, когда расход приточного воздуха не обеспечивает максимальную полноту сгорания, режим называется «пожар, регулируемый вентиляцией» (ПРВ).

Если при развитии пожара в режиме ПРН увеличить приток воздуха в помещение, то температура газовой среды понизится, так как наружный воздух является значительно более холодным. Вскрытие проемов, откачивание дыма при ПРН также приводит к снижению температуры пожара.

При длительном развитии пожара в режиме ПРВ в помещении накапливаются несгоревшие газы. Вскрытие проемов приводит к их разбавлению

воздухом, образованию и воспламенению горючей смеси - объемной вспышке.

При горении штабеля древесины режим пожара можно определить по параметру Ф:

где р_в - плотность воздуха, кг/м³; g - ускорение свободного падения, g = = 9,8 м/с²; Snp - площадь проема, м²; Н - высота проема, м; Snr - площадь поверхности горения, м².

Если Ф < 0,235 - пожар, регулируемый вентиляцией, Ф > 0,29 - по - жар, регулируемый нагрузкой. При 0,235 < Ф < 0,29 - комбинированный режим пожара, когда в помещении имеются одновременно участки, где приток воздуха обеспечивает режим ПРН (обычно вблизи проемов), и участки, на которых - режим ПРВ.

Табличные данные, необходимые для решения задач, приведены в приложениях 1 - 6.

Примеры решения задач

Пример 1.

Рассчитать требуемый расход воздуха при горении в помещении ацетона в емкости диаметром 1,5 м, если удельная массовая скорость выгорания 0,1 кг/(м²с). Температура окружающей среды 20 С, давление нормальное.

Р е ш е н и е.

Расчетная формула для определения требуемого расхода воздуха приводится к виду

Площадь резервуара составляет

Sh = pr² = 3,14(1,5/2)² = 1,766 м².

Для расчёта теоретического объёма воздуха необходимо воспользо- ваться методикой, изложенной в учебном пособии [1].

Плотность воздуха для данных условий составит

Требуемый расход воздуха равен

Пример 2.

Рассчитать фактический расход воздуха через дверной проём размером 1,5х2,5 м и определить положение плоскости равных давлений, если в помещении в резервуаре горит гептан. Среднеобъёмная температура внутри

о                                                                                                                             о

помещения составляет 65 С, температура окружающей среды - 20 С, дав - ление - нормальное.

Решение.

Фактический расход воздуха при газообмене через один проем рассчитывается по формуле (2.2):

Для нахождения плотности продуктов горения необходимо воспользоваться формулой (2.7), предварительно рассчитав мольную долю /-го продукта горения:

где а_пг/ - мольная доля /-го продукта горения; n - стехиометрический коэффициент;

 

 

Молярные массы диоксида углерода, воды и азота соответственно равны 44, 18 и 28 кг/кмоль.

С учётом найденных значений мольных долей, плотность смеси продуктов горения равна

Плотность воздуха рассчитывается по формуле (2.6):

„                                                               ₃ 101325   ^   , ₃

р_в = 3,47 -10 ³--------------------------------------------------- = 1,2 кг/м³.

273 + 20

Коэффициент сопротивления проема ц примем равным 0,65. Высоту плоскости равных давлений находим по формуле (2.5)

Подставляем найденные величины в формулу (2.2):

Пример 3. Определить площадь пожара S_H в помещении, при которой среднеобъёмная концентрация кислорода в продуктах горения достигнет 16 %. Фактический расход поступающего воздуха О_в^ф составляет 1,6 кг/с, удельная массовая скорость выгорания v ^уд равна 0,06 кг/(м²с), теоретический объём воздуха У_в° - 4,2 м³/кг, плотность воздуха р_в - 1,2 кг/м³.

Р е ш е н и е.

Концентрация кислорода в продуктах горения ф₀ определяет значение коэффициента избытка воздуха а при наличии газообмена помещения с окружающей средой:

Требуемый расход воздуха О_в рассчитывается по формуле (2.1):

Откуда формула расчёта площади пожара приобретает вид:

Коэффициент избытка воздуха связан с концентрацией кислорода формулой

Тогда площадь пожара равна

= 1,6/(4,2 0,06-4,2 1,2) = 1,26 м².

Контрольные задачи

1. Определить площадь пожара S_n в помещении, при которой в процессе его развития произойдёт переход в режим ПРВ, если газообмен осуществляется через один проём размером 1,5 х 1,5 м, коэффициент поверхности горючей нагрузки К_п = 4.

2. Определить высоту проёма, при которой пожар в помещении, достигнув площади 5 м², перейдёт в режим ПРВ. Газообмен осуществляется через один проём шириной 1 м, коэффициент поверхности горючей нагрузки К_п = 3.

3.  Оценить среднеобъёмную температуру газовой среды внутри по - мещения, если газообмен протекает через один дверной проём, высотой 2,2 м. Высота плоскости равных давлений 1,0 м, температура воздуха со - ставляет 25 °С.

4. Определить положение плоскости равных давлений относительно пола при пожаре в помещении, если температура наружного воздуха 10 °С, температура пожара 340 °С, высота оконного проёма равна 1,5 м, расстояние от пола до подоконника 0,9 м.

5. Определить среднеобъёмную концентрацию кислорода в продуктах горения, если фактический расход воздуха, поступающего в помещение, равен 1,4 кг/с, требуемый - 0,45 кг/с. ⁶

6. Определить, во сколько раз и в какую сторону изменилась температура пожара в помещении, если плоскость равных давлений опустилась с 1,7 до 1,2 м. Высота дверного проёма 2,2 м, температура окружающей среды 15 °С.

7. Оценить возможные последствия увеличения притока воздуха в по - мещение при горении нагрузки из твердых горючих материалов. Газообмен осуществляется через один проем размерами 0,5 х 1,5 м. Среднеобъемная температура пожара составляет 400 °С, площадь пожара к данному моменту времени достигла 2 м, удельная массовая скорость выгорания равна 0,014 кг/(м -с). Предельную концентрацию кислорода принять равной 15 % (об.), теоретический объем воздуха для данного горючего материала - 4,5 м /кг.

8. Рассчитать высоту нейтральной зоны, если установившийся газообмен осуществляется через два открытых проема. Размеры проемов и их расположение указаны на рис. 2.4.

Задание для самостоятельной работы

Определить, насколько и в какую сторону изменится один из параметров газообмена на внутреннем пожаре.

Вариант задания выбирается по порядковому номеру учащегося в журнале группы.

Требуется определить значение параметра, для которого в табл. 2.1 указано «найти». Для всех вариантов задания коэффициент сопротивления проема р принять равным 0,65.

Исходные данные для самостоятельной работы

№ п/п

в, м

Н, м

ho, м

р в, кг/м3

Т 1 ш °С

V пр кг/(м2-с)

V” в м3/кг

^п, м2

а

Ф O2, % (об.)

1

0,8

2,2

0,94

1,25