Расчетный состав продуктов горения

Компонент	Содержание компонента в 1 м3 смеси, м3	Объём продуктов горения, м3/м3
смеси		СО2	Н2О	N2
С3Н8	0,6	0,6 3	0,64	0,6-5-3,76
С4Н10	0,4	0,4 4	0,45	0,4-6,5-3,76
Итого	1	3,4	4,4	21,06

Теоретический объём продуктов горения У_пг° равен

У_пг° = 3,4 + 4,4 + 21,06 = 28,86 м³/м³.

Нижний концентрационный предел распространения пламени для смеси газов определяется по формуле Ле Шателье:

где ц_г- - мольная доля /-го горючего; фщ - НКПР i -го горючего, % (^об.). Коэффициент избытка воздуха на НКПР равен

Избыток воздуха A V составит:

Низшая теплота сгорания смеси газов

Среднее теплосодержание продуктов горения газовой смеси составит:

Так как большую часть объема продуктов горения составляет азот, температура смеси должна быть около 1400 °С (при данной температуре теплосодержание азота равно 2010 кДж/м). Выбираем 1400 °С в качестве первого приближения. По табл. 2 прил. 3 находим:

при Ti = 1400 °С

Q₁ = 201021,06 + 32103,4 + 25604,4 + 204021,2 = 107919,8 кДж/м³; при Т2 = 1300 °С

Q₂ = 186021,06 + 2980 3,4 + 2350 4,4 + 1880 21,28 = 99650 кДж/м³.

Методом линейной интерполя ц ии определяем адиабатическую температуру потухания:

Пример 3.

Рассчитать теоретический удельный расход воды, л/м², при тушении газового фонтана (метан) дебитом 3 млн м /сут, если адиабатическая температура горения газа - 2010 °С, адиабатическая температура потухания - 990 °С. Удельная теплоемкость воды 4,2 кДж/(кгК); водяного пара - 2,2 кДж/(кгК); теплота парообразования воды - 2260 кДж/кг.

Решение.

Для случая тушения газа теоретический удельный расход воды составит:

Для оценки Q^ необходимо определить объём продуктов горения метана. Составляем уравнение химической реакции горения:

Используя табл. 2 прил. 3, определяем теплосодержание продуктов

о

горения при температурах, близких к температуре горения Т_г (2000 С) и

о

температуре потухания Т_пот (1000 С), и заносим эти данные в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Теплосодержание зоны горения

№	Продукты горения		Теплосодержание зоны горения, кДж/м3
п/п	Состав	Объём, м3/м3	при 2000 °С (~ Тг)	при 1000 °С (~ Тпот)
1	СО2	1	4850	2210
2	Н2О	2	3930	1720
3	N2	2 ■ 3,76	2980	1400

По формуле (4.1), исходя из данных табл. 4.2, находим требуемый теплоотвод:

0^треб = 1(4850 - 2210) + 2 (3930 - 1720) + 23,76 (2980 - 1400) =

= 8941 кДж/м³.

По формуле (4.13) определяем охлаждающий эффект воды при объемном тушении:

0_охл = 4,2(100 - 20) + 2260 + 2,2(990 - 100) = 4554 кДж/л. Теоретический удельный расход воды составит:

Пример 4.

Определить критическую интенсивность подачи тонкораспыленной воды при тушении керосина «по поверхности», если керосин имеет следующие характеристики: удельная теплоемкость - 2,1 кДж/(кгК), удельная теплота парообразования - 2200 кДж/кг, удельная массовая скорость выго - рания - 0,048 кг/(м •с), температура кипения - 190 °С, температура вспышки - 53 °С.

Решение.

Согласно формулам (4.9) и (4.20):

Пример 5.

Найти фактическую интенсивность подачи и удельный расход воды, если на тушение пожара площадью 40 м было подано 2 ручных ствола с расходом g _Gтв = 3,5 л/с, время тушения 8 мин.

Решение.

Суммарный секундный расход воды составляет:

Фактическая интенсивность подачи равна

Удельный расход воды за все время тушения составил:

Пример 6.

Рассчитать требуемый секундный расход воды и количество ручных

стволов на тушение пожара площадью 120 м², если требуемая для тушения

2

интенсивность подачи составляет 0,1 л/(м -с).

Решение.

Требуемый секундный расход определяется по формуле

При подаче стволов с расходом g _ств = 7 л/с требуемое их количество Ы_ств составит:

При подаче стволов с расходом g^ = 3,5 л/с

Пример 7.

Найти теоретический коэффициент использования огнетушащего по - рошка при тушении пламени над поверхностью ТГМ на площади 7 м², если пожар был потушен за 10 с двумя ручными огнетушителями с расходом 0,45 кг/с порошка каждый. Количество тепла, которое требуется отвести от зоны горения, составляет 1200 кВт/м. Охлаждающий эффект порошка 1500 кДж/кг.

Решение.

Коэффициент использования огнетушащего вещества определяется из соотношения теоретического и фактического удельного расхода:

Теоретический удельный расход можно определить по формуле

Фактический удельный расход составит:

Коэффициент использования составляет:

Пример 8.

Найти коэффициент использования воды, если для тушения пожара на площади 50 м² было подано 2 ручных ствола с расходом 3,5 л/с каждый. Время тушения 16 мин.

Решение.

Фактический удельный расход воды составляет:

Минимальный удельный расход

Коэффициент использования равен

Пример 9. Сравнить эффективность двух способов тушения пожара № 1 и № 2 в жилом помещении по следующим результатам.

	№ 1	№ 2
Площадь пожара.......................	....20	20
Огнетушащие вещества..........	....Порошок+водопенный раствор	Вода
Средства тушения.................... Время тушения, включая	....Переносные огнетушители	Ручные стволы
разработку, проливку, с...........	....292	300
Затраты огнетушащих веществ...	...16 кг порошка+35 л раствора	2200 л

Решение.

Для сравнительной оценки эффективности разных способов и средств тушения используется показатель П_эт (4.42):

Удельные расходы огнетушащих веществ равны:

при способе тушения № 1 - д_уд = (16 + 35)/20 = 51/20 = 2,55 кг/м²; при способе тушения № 2 - д_уд = 2200/20 = 110 кг/м².

Интенсивности подачи огнетушащих веществ равны:

при способе тушения № 1 - J = 51/(20-292) = 0,0087 кг/(м²с); при способе тушения № 2 - J = 2200/(20300) = 0,37 кг/(м²с).

Вывод. Способ тушения № 1 более эффективен, чем способ № 2.

Пример 10.

Сравнить эффективность тушения поверхности горящей древесины водой и жидким азотом при одинаковой интенсивности подачи J = 0,2 кг/(м²-с), если время свободного горения т _гор = 600 с, минимальное время охлаждения прогретого слоя т _мин = 20 с, массовая удельная скорость выгорания _v м^д = 0,0065 кг/(м-с), внешний падающий тепловой поток ц_вн = 30 кВт/м². Удельную теплоту пиролиза принять равной 2790 кДж/кг, низшую теплоту сгорания - 13800 кДж/кг.

Решение.

При одинаковой интенсивности подачи сравнить эффективность тушения можно по значению теоретического времени прекращения горения. Для расчета т _т по формуле (4.18) необходимо определить параметры горения материала д _конв (см. формулу (4.13)) и     (см. формулу (4.12)):

д конв = У м^уд С р (Т пов - Т пир) = 0,0065-3,7(700 - 200) = 12,0 кВт/м²;

£ _пир = 0,06Qh = 0,06 13800 = 828 кДж/кг;

Q зап = [Чвн - v_M^ya(L - £ экз) - д конв К ор = [30 - 0,0065(2790 - 828) - 12] 600 =

= 3148,2 кДж/м²

При заданной интенсивности подачи теоретическое время тушения водой составит:

Теоретическое время тушения жидким азотом равно

Пример 11.

Рассчитать теоретическую интенсивность подачи и требуемый секундный расход огнетушащего порошка марки «Пирант-А» при тушении поверхности кабельной изоляции из полиэтилена на площади 14 м. Время

свободного горения 8 мин. Массовая удельная скорость выгорания равна 0,01 кг/(м -с). Коэффициент поверхности горения К_п = 12,5. Температура поверхности 600 °С, температура воспламенения полиэтилена - 300 °С. Плотность расплава полиэтилена 760 кг/м, теплопроводность 0,21 кВт/(м-К). Охлаждающий эффект данного порошка 1770 кДж/кг.

Решение.

Для прекращения горения изоляции требуется понизить температуру ее поверхности с Т_пов до температуры воспламенения Т_впл. Так как порошковое облако практически мгновенно ликвидирует собственное пламя и экранирует внешнее излучение, можно считать, что интенсивность теплоотвода д^треб’ должна быть равна тепловому потоку д_зап, кВт/м², аккумулируемому расплавленным слоем изоляции:

На практике интенсивность подачи определяется в расчете на приведенную массовую скорость выгорания, поэтому приведенную массовую скорость выгорания следует перевести в удельную: у_м^пр = у_м^удК_п. По формуле (4.7) находим

 

Принимая, что суммарный удельный теплоотвод порошком составляет 1770 кДж/кг, получаем требуемую расчетную интенсивность подачи:

Утр = Я^треб/0охл = 800/1770 = 0,45 кг/(м²-с).

Требуемый секундный расход порошка составит:

£_тр= Угрб'п = 0,45^14 = 6,3 кг/с.

Пример 12.

Рассчитать теоретическую оптимальную интенсивность подачи и удельный расход воды для тушения поверхности горящей древесины, если массовая удельная скорость выгорания у_м^уд = 0,0085 кг/(м²-с), внешний падающий тепловой поток ц_вн = 40 кВт/м, время свободного горения 600 с. Удельную теплоту пиролиза L принять равной 2800 кДж/кг, низшую теплоту сгорания - 14200 кДж/кг. Теоретический охлаждающий эффект воды - 2600 кДж/кг.

Решение.

Для прекращения горения древесины требуется понизить температуру ее поверхности с Т_пов до температуры начала активного пиролиза Т_пир. Оптимальная интенсивность подачи /_опт, л/(м²с), рассчитывается по формуле (4.20):

₂

Значение в_зап кДж/м, находится по выражению (4.12) с использованием формулы (4.13):

Qзап                                           [^вн ^v M ^(L " L_3K3)   ^конв] ^тгор?

L_3V3 = 0,06 Qh;

^коив                                                    ^vm ^ср^(Тпов ^{— Т}пир)-

Подставив исходные данные, получим:

Я_конв - 0,0085-3,7(700-200) - 15,7 кВт/м²;

Ь_экз - 0,06 14200 - 852 кДж/кг; в_зап - [40 - 0,0085(2800-852) - 15,7] 600 - 4645 кДж/м².

Отсюда оптимальная интенсивность подачи

Удельный расход огнетушащего вещества равен интенсивности по - дачи, умноженной на т_т. Время тушения т_т находим по формуле (4.18):

Определяем удельный расход воды (в расчете на площадь горения) при оптимальной интенсивности подачи:

д_уд = 0,052 69» 3,6 л/м².

Пример 13.

Определить теоретическое время тушения и удельный расход воды, подаваемой с интенсивностью 0,2 л/(м²с) для тушения штабеля древесины при следующих исходных данных.

Коэффициент поверхности К_п - 5. Время свободного горения 5 мин. Внешний тепловой поток к горящей поверхности 50 кВт/м². Приведенная массовая скорость выгорания 0,014 кг/(м²-с). Температурный интервал пиролиза древесины 200-700 °С, время охлаждения прогретого слоя t₀ - 20 с.

Решение.

1. При определении теоретического времени тушения параметры подачи огнетушащего вещества и горения материала задаются в расчете на 1 м площади поверхности горения. Поэтому приведенную массовую скорость выгорания следует перевести в удельную, а интенсивность подачи воды привести к площади поверхности горения, разделив их значения на К _п:

у _м^уд = у _м^пр /К п = 0,014/5 = 0,0028 кг/(м²-с);

J = 0,2/5 = 0,04 л/(м²-с).

2. Запас тепла, аккумулированный прогретым слоем за время свободного горения, равен (формула (4.7))

Q зап = Vм^уд (Т пов - Т пир) т_ГО р = 0,0028-1,47 (700 - 200) 300 = 617,4 кДж/м².

3. Теоретический охлаждающий эффект воды при тушении «по по - верхности» Q^ = 2600 кДж/л (формула (4.14)). Время тушения при данной интенсивности подачи равно (формула (4.12))

Теоретический удельный расход в расчете на 1 м² площади пожара равен

Чуд⁰ = J^K = 0,04-32-5 = 6,4 л/м².

Пример 14.

Определить критическую и оптимальную интенсивности подачи раствора пенообразователя по результатам опыта. Пена подавалась в течение 30 с двумя ГПС-200. Площадь pезеpвуаpа 30 м². Толщина слоя пены после тушения составила 0,3 м.

Решение.

1. Находим интенсивность подачи раствора:

J = gn/Sp = 2-2/30 = 0,12 л/(м²-с),

где g - производительность пеногенератора по раствору, л/с; n - число пеногенераторов; S_p - площадь резервуара, м².

2. Принимая К_пены = 100, определяем интенсивность накопления пены:

3. Находим критическую интенсивность подачи: J^ = 0,12 - 0,10 = 0,02 л/(м²-с).

4. Строим график д_уд = f(J). Поскольку из практики известно, что 7_опт = = (2-3)7^, задаем следующие значения J: 0,03; 0,04; 0,05; 0,06; 0,07 и 0,08 л/(с-м). Принимаем B = 1 с. По формуле (4.26) получаем следующие значения ц_уд и для удобства заносим их в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Результаты расчета

7, л/(м2-с)	0,03	0,04	0,05	0,06	0,07	0,08
qуд, л/м	0,15	0,12	0,115	0,12	0,13	0,14

По результатам расчета строим график зависимости удельного расхода раствора пенообразователя от интенсивности подачи (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Зависимость удельного расхода от интенсивности подачи

Ответ: критическая интенсивность подачи равна 0,02 л/(м² с), оптимальная - 0,05 л/(м²с).

Пример 15.

Определить теоретически необходимую интенсивность подачи тонкораспыленной воды для тушения пламени ацетона. Приведенная массовая скорость выгорания составляет 0,047 кг/(м -с); низшая теплота сгорания - 31403,1 кДж/кг; коэффициент полноты сгорания - 0,85; температура потухания ацетона - 950 °С.

Решение.

₂

1. Определяем интенсивность тепловыделения с 1 м площади горения, кВт/м², кДж/(м-с):

q\ = b v'_M Q = 0,85 • 0,047 • 31403,1 = 1254,55 кВт/м².

2. Определяем охлаждающий эффект воды при объемном тушении (формула (4.13)):

0_охл = 4,2(100 - 20) + 2260 + 2,2(950 - 100) = 4466 кДж/л.

3. Принимаем коэффициент излучения f = 0,3, коэффициент к = 0,28 (см. формулу (4.41)) и по формуле (4.36) находим теоретическую интенсивность подачи воды:

Пример 16.

Рассчитать теоретическое время тушения пожара газовым огнетушащим составом в помещении объемом 125 м³, когда оно практически герметично и в случае открытия одного проема размерами: высота - 1,6 м, ширина - 1,3 м. Огнетушащая концентрация газа - 36,0 % (об.), плотность - 1,4 кг/м³, секундный расход - 0,4 кг/с. Температура пожара в момент начала тушения 120 °С. Плотность продуктов горения при 120 °С составляет 0,86 кг/м³. Температура воздуха 20 °С.

Решение.

Время тушения нейтральным газом (то есть время достижения огнетушащей концентрации) в помещении заданного объема можно определить по формуле (4.21):

3

где v_roc - расход ГОС, м /с; v_nr - расход продуктов горения через проем, м³/с; У_пом - объем помещения, м³; а_огн - огнетушащая концентрация газа, выраженная в объемных долях.

Для первого случая расход продуктов горения можно принять равным нулю. Тогда формула (4.21) принимает вид

Секундный расход нейтрального газа должен быть выражен в м³/с:

Тогда расчетное время тушения составит:

Для второго случая, когда осуществляется газообмен через открытый проем, необходимо учитывать потери огнетушащего газа вместе с выходящими продуктами горения. Расход продуктов горения определяется по формуле (4.22):

где ц - коэффициент сопротивления проема (ц» 0,65); Н_пр - высота проема, м; h₀ - высота плоскости равных давлений, м; р_пг - плотность продуктов горения, кг/м; р_в - плотность воздуха, кг/м; S^ - площадь проема, м; S₁ - площадь приточной части проема, м² (Si = B_Hph₀, где В_пр - ширина проема, м).

Высота плоскости равных давлений h₀ находится по формуле

Плотность воздуха при 20 °С равна 1,2 кг/м³. Тогда

Расход продуктов горения равен:

Расчетное время тушения при наличии открытого проема равно:

Контрольные задачи

1. Найти фактическую интенсивность подачи воды, если на тушение пожара площадью 200 м² было подано 2 ствола с расходом 3,6 л/с каждый и 2 ствола с расходом 7,2 л/с.

2. Рассчитать суммарный удельный расход воды, если пожар площадью 400 м² был потушен двумя стволами с расходом 7 л/с каждый и двумя стволами с расходом 20 л/с каждый. Время тушения составило 120 мин.

3. Рассчитать секундный расход воды, требуемый для тушения пожара в складском помещении размерами 36x24м при времени свободного развития (до подачи первого ствола) 10, 15, 25, 30 и 35 мин. Линейная скорость распространения пожара 1 м/мин. Пожар возник в углу. Требуемая интенсивность подачи 0,1 л/(м •с).

4. Для прекращения горения твердого горючего материала от 1 м его поверхности необходимо отвести 4000 кДж тепла в течение 2 мин. Определить требуемые удельный расход и интенсивность подачи воды, если коэффициент ее использования равен 0,1.

5. Определить площадь тушения водяного ствола с расходом 3,6 л/с, если требуемая интенсивность подачи 0,12 л/(м²-с).

6. Определить теоретически необходимую интенсивность подачи тонкораспыленной воды для тушения пламени бутилового спирта. Приведенная массовая скорость выгорания составляет 0,0135 кг/(м -с); низшая теплота сгорания - 36144,9 кДж/кг; коэффициент полноты сгорания - 0,85.

7. Определить коэффициент использования воды, если на тушение пожара площадью 200 м было введено 3 ствола РС-70 и 6 стволов РС-50. Время подачи воды составило 40 мин.

8. Определить кратность пены, если емкость объемом 10 л, заполненная доверху пеной из пеногенератора, имеет массу 0,825 кг. Масса пустой емкости равна 0,7 кг.

9. При тушении розлива ЛВЖ пеной можно обеспечить интенсивность подачи 0,065, 0,075 и 0,085 л/(м с). Время тушения составит 670, 630 и 580 с соответственно. Какая интенсивность подачи является предпочтительной?

10. Определить интенсивность разрушения пены, если толщина ее слоя в резервуаре после тушения составила 0,4 м. Площадь резервуара - 28 м, интенсивность подачи - 0,8 л/(м с), время подачи - 40 с, кратность пены - 100.

11. Определить критическую интенсивность подачи раствора пенообразователя, если толщина слоя пены в опытном резервуаре после тушения составила 0,4 м. Площадь резервуара - 28 м. Пена подавалась двумя ГПС- 200 в течение 40 с.

12. Рассчитать тол щ ину слоя пены на поверхности ГЖ в резервуаре

2

после тушения. Интенсивность подачи составляла 0,09 л/(м с), критическая интенсивность - 0,06 л/(м с), время тушения - 10 мин, кратность пены - 100.

13. Определить расход ГОС в кг/с, обеспечивающий прекращение горения в помещении за нормативное время подачи, равное 60 с. Объем по - мещения равен 80 м. В помещении имеется открытое вентиляционное отверстие размерами 0,4х0,4 м. Огнетушащее вещество - аргон, ф_огн = 39 %. Температура пожара в момент начала тушения равна 700 °С.

14. Определить критический размер проема, при котором невозможно тушение пожара в помещении газовым огнетушащим составом. В помещении имеется один открытый проем квадратного сечения, объем помещения 120 м³, нейтральный газ - азот, ф_огн = 34 %. Температура продуктов горения 600 °С. Расход ГОС на тушение составляет 1,5 кг/с.

Задание для самостоятельной работы

Найти теоретическую оптимальную интенсивность подачи, требуемый секундный расход огнетушащего вещества, удельный расход и количество стволов, необходимых для тушения пожара древесины на заданной площади. Способ тушения - по поверхности. Вариант задания выбирается по порядковому номеру учащегося в журнале группы (табл. 4.4 и 4.5).

Таблица 4.4

Исходные данные для самостоятельной работы

№ п/п		Массовая приведенная скорость выгорания <р, кг/(м2с)	Площадь пожара Sm м2	Коэффициент поверхности Кп	Низшая теплота сгорания 2н, кДж/кг	Удельная теплота пиролиза L, кДж/кг
1		0,0075	20	12	18500	2750
2		0,0080	12	10	18700	2780
3		0,0055	25	8	19000	2800
4		0,0060	10	6	19200	2820
5		0,0065	15	5	19500	2840
6		0,0070	8	10	19900	2720
7		0,0085	30	6	20000	2850
8		0,0080	14	12	20300	2880
9		0,0065	35	6	20800	2750
10		0,0060	6	8	21000	2780
11		0,0085	28	4	18500	2800
12		0,0070	15	7	18700	2820
13		0,0075	40	9	19000	2840
14		0,0080	12	12	19200	2720
№ п/п

Массовая

приведенная скорость выгорания <^р, кг/(м²- с)