Прекращение горения твердых горючих материалов

Гомогенное (пламенное) горение твердых горючих материалов (ТГМ) обусловлено образованием горючих газов в результате термического разложения вещества - пиролиза.

Для гомогенного горения необходимо, чтобы скорость выделения газообразных продуктов пиролиза и приток воздуха были достаточны для образования над поверхностью материала горючей смеси, т. е. смеси, в которой концентрация горючего газа не ниже НКПР.

Непрерывное поступление горючих паров и газов в зону горения поддерживается интенсивным тепловым потоком к поверхности ТГМ от собственного пламени и внешних источников.

Пиролиз некоторых ТГМ начинается после плавления и протекает в тонком поверхностном слое. Как правило, это линейные несшитые полимеры (полиметилметакрилат, полиэтилен, полистирол и другие термопласты). Такие материалы, подобно жидкости, выгорают без остатка. Удельное количество тепла, аккумулируемое в прогретом слое плавящихся материалов Q ^ n, определяется по формуле (4.7).

Г орение ряда ТГМ сопровождается образованием углистого слоя. Это древесина, древеснонаполненные пластмассы, материалы на основе целлюлозы, сшитые полимерные материалы - реактопласты. Для них характерны два вида горения - гомогенное (пламенное) и гетерогенное (тление). Их соотношение зависит от интенсивности тепло- и газообмена у поверхности горения. В процессе горения углистый слой аккумулирует значительное количество тепла. Температура его поверхности достигает 600 - 700 °С, что является достаточным для зажигания горючих газовых смесей.

Удельный запас тепла Q^n, кДж/м², накопленный в углистом слое твердого материала за время свободного горения, равен

где q _{3 an} - тепловой поток, аккумулируемый пиролизующимся слоем, кВт/м; т_гор - время свободного горения, с.

Значение q^, кВт/м², определяется из уравнения теплового баланса горения:

где q_m - внешний лучистый тепловой поток, падающий на поверхность, кВт/м²; у_м^уд - удельная массовая скорость выгорания, кг/(м²-с); L - теплота, затрачиваемая на пиролиз (газификацию) материала, кДж/кг; L^ - экзо - термический эффект вторичных реакций пиролиза, кДж/кг; q^^ - конвективный тепловой поток, исходящий от поверхности, кВт/м².

Откуда

₂

Величина q^^, кВт/м, определяется теплосодержанием газообразных продуктов пиролиза:

где с_р - средняя удельная теплоемкость газов в интервале температур Т_пов - Т_пир, с_р ~ 3,7 кДж/(кг-К); Т_пов - температура поверхности при горении, Т_пов»» 700 °С; Т_пир - температура пиролиза, Т_пир ~ 200 °С.

Теплота пиролиза L зависит от вида горючего материала (см. прил. 5). Экзотермический эффект вторичных реакций пиролиза L^ присутствует при горении древесины и содержащих ее композиционных материалов. В расчетах L^ приближенно можно принимать равным 6 % от низшей теплоты сгорания.

В результате для ТГМ снижение температуры горения до температуры потухания без охлаждения прогретого слоя является условием тушения необходимым, но недостаточным, поскольку прогретый слой конденсированной фазы (твердого вещества или расплава) способен в течение некото - рого времени поставлять нагретые продукты разложения и испарения в зону горения и являться источником их воспламенения. Поэтому при их тушении рассматривают еще одно достаточное условие - снижение температуры прогретого слоя до температуры начала пиролиза или плавления.

Наиболее эффективным способом тушения ТГМ любого типа является принудительное охлаждение непосредственно поверхности горения. Время прекращения горения определяется интенсивностью теплоотвода от поверхности и термическим сопротивлением прогретого слоя.

Условие тушения ТГМ выполняется, если огнетушащее вещество по - дается на поверхность горения с такой интенсивностью, что за время тушения отбирает тепло, поступающее к поверхности, а также тепло, запасенное в прогретом слое за время горения:

2

где 0_отв - тепло, отводимое огнетушащим веществом от 1 м поверхности,

2 2 кДж/м; 0_пов - тепло, поступающее к поверхности, кДж/м; 0_зап - удельное

теплосодержание прогретого слоя, кДж/м².

Здесь

где д_луч - плотность суммарного теплового потока, падающего от собственного пламени и внешних источников излучения, кВт/м²; т_т - время тушения, с.

Если подаваемое огнетушащее вещество поступает к поверхности без потерь и полностью реализует свою охлаждающую способность, количество тепла, отбираемое за время т_т от 1 м² поверхности горения 0_отв, будет равно

22

где J - интенсивность подачи, л/(м с) или кг/(м •с); т_т - время подачи огнетушащего вещества, с.

Отсюда теоретическое, минимально возможное, время тушения по механизму отвода тепла от поверхности т_т, с, равно

При J = q_BJQ_oxa, т. е. когда подача огнетушащего вещества на поверхность компенсирует только внешние тепловые потоки, т_т ^ ю. Такая интенсивность подачи является критической J^.

При J ^ ю время тушения т_т ^ 0. Однако минимальное время прекращения горения не может быть меньше времени охлаждения всего прогретого слоя т₀. Это физическое время определяется термическим сопротивлением материала. Например, при охлаждении древесины водой оно составляет примерно 20 с.

Таким образом, теоретическое время прекращения горения при тушении по поверхности определяется по формуле

Охлаждающий эффект огнетушащего вещества зависит от его агрегатного состояния, теплоты фазового перехода, теплоемкости, способа тушения.

Умножив обе части формулы (4.18) на J, получим выражение для удельного расхода:

Оптимальная интенсивность подачи, при которой обеспечивается минимальный удельный расход огнетушащего вещества (см. рис. 4.1), находится дифференцированием уравнения (4.19) по J, л/(м с). Приравняв первую производную dq^/dJ к нулю, получим выражение для оптимальной интенсивности подачи:

Огнетушащие вещества

В настоящее время все огнетушащие вещества принято разделять на группы:

вода и водные растворы; пены;

газовые огнетушащие составы; порошковые огнетушащие составы; аэрозолеобразующие огнетушащие составы.

Вода и водные растворы являются огнетушащими веществами преимущественно охлаждающего действия. С помощью воды прекращение горения достигают, охлаждая как зону горения, так и горящий материал. Кроме того, водяной пар оказывает дополнительное разбавляющее действие. В результате температура пламени достигает температуры потухания.

Водные растворы содержат различные добавки, снижающие поверхностное натяжение (пенообразователи, смачиватели), уменьшающие или, наоборот, увеличивающие вязкость воды и др. Содержание этих веществ в рабочих растворах, как правило, не превышает 4 % и их влияние на тепло - физические свойства воды можно не учитывать.

Значения основных теплофизических параметров воды, используемые при расчетах, приведены ниже:

температура кипения Т_кип = 100 °С; плотность р = 1000 кг/м;

удельная теплоемкость с = 4,19 кДж/(кгК) в интервале 0-100 °С; теплота парообразования r = 2260 кДж/кг;

средняя удельная теплоёмкость водяного пара - с_р^пара = 2,30 кДж/(кг-К) в интервале 100-900 °С.

Теоретический охлаждающий эффект воды 0_охл, кДж/л:

при объёмном тушении

при тушении по поверхности

о

где Т_пот - температура потухания, С.

°

При тушении по поверхности водой, имеющей Т₀ = 20 С,                             =

= 4,20(100 - 20) + 2260 = 2596 кДж/л. В расчетах принимается Q^ = 2600 кДж/л.

Разбавляющий эффект воды заключается в том, что при полном ее испарении из 1 л образуется 1720 л пара, который является огнетушащим веществом.

Пены относятся к веществам преимущественно изолирующего действия. Соотношение изолирующей и охлаждающей способности пен зависит от их кратности, а также от природы поверхностно-активного вещества, на основе которого получен пенообразователь. Кратность К_пены - отношение объема пены к объему ее жидкой фазы. По этому показателю пены делятся на низкократные - К = 4 - 20, среднекратные - К = 21 - 200 и высокократные - К более 200. Системы с кратностью менее 4 относятся к пеноэмульсиям. При прочих равных условиях, чем выше кратность пены, тем больше изолирующая способность и меньше охлаждающая.

При тушении пеной твердых горючих материалов главным является процесс охлаждения. При этом слой пены, нанесенный на поверхность горючего материала, экранирует внешний лучистый тепловой поток, который падает от непотушенных участков, соседних горящих поверхностей и т. п. Постепенно разрушаясь, пена выделяет раствор пенообразователя, который пропитывает горючий материал и понижает его температуру. Поскольку раствор пенообразователя имеет меньшее поверхностное натяжение, чем вода, он обладает большей впитывающей способностью.

Процесс прекращения горения жидкости пеной можно условно разделить на две стадии: растекание пены по зеркалу жидкости и накапливание изолирующего слоя. На обеих стадиях происходит разрушение пены под действием различных факторов. Накопление пены на поверхности горючего может начаться, если интенсивность ее подачи больше интенсивности разрушения. Необходимо помнить, что интенсивность подачи J всегда задается в л/(м -с) по пенообразующему раствору. Интенсивность подачи, при которой количество подаваемой пены равно количеству разрушаемой, называется критической J ^.

Очевидно, что объем слоя пены, накопленного за время тушения, равен разности объемов пены, поданной и разрушенной. Соответственно интенсивность накопления пены J ^ равна J - J^. Отсюда критическая интенсивность подачи раствора равна

Если известен объем пены К_нак, накопленный за время тушения, величину J ^ можно вычислить по формуле

где H - толщина накопленного слоя пены, м; S_p - площадь зеркала жидко-

₂

сти (резервуара), м; t - время подачи пены, с; К_пены - кратность пены; ко-

3

эффициент 10 необходим для перевода кубических метров в литры.

Оптимальной является интенсивность подачи J_onT, при которой удельный расход ^_уд раствора пенообразователя минимален. Зависимость времени тушения пеной от интенсивности подачи раствора может быть описана уравнением общего вида:

где B - коэффициент, зависящий от вида пенообразователя и параметров пены, имеющий размерность времени.

Так как д_уд = Jr^ можно записать:

Для определения J ^ строят график зависимости д_уд = f (J) и находят значение J, при котором ц_уд минимален. Коэффициент В можно принять равным 1, так как он не влияет на координаты минимума.

Характеристикой изолирующей способности пены является высота тушащего слоя Н_пены, м:

где J^ - критическая интенсивность подачи, л/(м -с); К_пены - кратность пены; 10^-3 - коэффициент перевода литров в кубические метры.

Газовые огнетушащие составы являются веществами преимущественно объемного действия. Они прекращают горение в газовой фазе. К этому классу огнетушащих веществ относятся нейтральные газы (диоксид углерода, азот, водяной пар, гелий, аргон) и химически-активные ингибиторы - хладоны. Их эффективность при тушении твердых горючих материалов, склонных к тлению, определяется теплоемкостью и способностью ингибировать горение на твердой поверхности.

При тушении пожаров в помещениях методом затопления пламенное горение прекращается, когда концентрация газового состава во всем объеме становится равной огнетушащей ф_огн. Материальный баланс процесса заполнения негерметичного помещения, в упрощенном виде, описывается следующим уравнением:

где у_гос - объемный расход газового огнетушащего состава, м³/с; у_пг - расход продуктов горения через проемы, щели и т.п., м³/с; К_пом - объем помещения, м³; а - текущее значение объемной доли газового состава, а = = ф/100; т - время, с.

Откуда после ряда преобразований получается зависимость времени тушения пламени в объеме помещения от расхода газового состава:

Здесь

где р - коэффициент сопротивления проема (р» 0,65); Н_пр - высота проема, м; h ₀ - высота плоскости равных давлений относительно нижней отметки проема, м; р_пг - плотность продуктов горения, кг/м³; р_в - плотность воздуха, кг/м³; S™ - площадь проема, м²; S₁ - площадь приточной части проема, м (Si = Bnph₀, где В_пр - ширина проема, м).

Из формулы (4.29) следует, что критический расход газового состава, при котором т_т ^ да, равен

Массовый секундный расход газа g = У_госр_гос, кг/с. Удельный расход газа д_уд, кг/м³, равен

Для прекращения гетерогенного горения необходимо дополнительно охлаждать поверхность материала до температуры, как минимум, начала пиролиза. На что требуется дополнительное количество газа. Поэтому огнетушащая концентрация газового состава задается больше, чем при тушении нетлеющих материалов.

Огнетушащие концентрации газовых составов, используемые при расчете автоматических установок пожаротушения, даны в прил. 6.

Наибольшей охлаждающей способностью обладают газовые огнетушащие составы, выбрасываемые из подающего устройства в жидком или твердом состоянии.

Диоксид углерода при повышении давления при температурах от +31 до -57 °С сжижается. Ниже -57 °С он переходит в твердое состояние (сухой лед). При обратном переходе в газообразное состояние из 1 кг жидкого диоксида углерода образуется примерно 500 л газа. Теплота парообразования жидкого СО₂ при 0 °С равна 235,1 кДж/кг.

Если выброс газообразного диоксида углерода происходит в режиме дросселирования, он переходит в твердое состояние и выбрасывается в виде хлопьев, похожих на снежные, с температурой -78,5 °С. В очаге пожара

они превращаются в газ, минуя жидкую фазу. Такое же превращение испытывает твердый гранулированный диоксид углерода.

Теплота сублимации твердого диоксида углерода 574,0 кДж/кг. Средняя удельная теплоемкость газообразного СО₂ в интервале 0-1000°С со - ставляет 1,99 кДж/(м³К) или 1,47кДж/(кгК).

Теоретический охлаждающий эффект диоксида углерода Q _охл, кДж/кг:

- твердого при объемном тушении:

где r = 574,0 кДж/кг; с_р = 1,47 кДж/(кгК); Т₀ = -78,5 °С; Т_пот - температура потухания, Т_пот = 900 - 1000 °С.

- твердого при охлаждении прогретого слоя жидкости:

где r = 574,0 кДж/кг; с_р = 1,0 кДж/(кгК); Т₀ = -78,5 °С; Т^ - температура кипения жидкости, °С.

- газообразного при объемном тушении:

где с_р = 1,47 кДж/(кг-К); Т₀ = -78,5 °С; Т_пот - температура потухания, Т_пот = = 900-1000 °С.

Азот сжижается при -196 °С. При обратном переходе 1 л жидкого азо- та, испаряясь и нагреваясь до 20 °С, образует 250 л газа. Удельная теплота парообразования жидкого азота при температуре кипения - 199 кДж/кг. Средняя удельная теплоемкость газообразного азота 1,05 кДж/(кгК) в интервале 0-100 °С.

Порошковые огнетушащие составы (ПОС) по основному назначению делятся на классы: АВС, ВС, ABCD и D. Порошковые составы классов АВС и АВСD являются огнетушащими веществами объемноповерхностного действия, ВС - преимущественно объемного, D - поверхностного действия (порошки целевого назначения, предназначены для тушения металлов, металлоорганических соединений). Все ПОС способны прекращать горение электроустановок, находящихся под напряжением до 1000 В.

ПОС класса АВС при нагреве до температуры порядка 120 °С начинают плавиться с поглощением тепла. Кроме того, на тлеющей поверхности они образуют вязкую полимерную пленку плава, затрудняющую доступ кислорода. Экспериментальный охлаждающий эффект Q^ порошков данного класса на основе диаммонийфосфата при нагреве до 600-800 °С

(что примерно соответствует температуре поверхности древесины при го - рении) составляет 1769-2000 кДж/кг. На практике показателем огнетушащей способности порошков класса АВС является удельный расход, кг/м², порошка на тушение модельного очага класса А (штабеля из брусков древесины).

ПОС класса ВС на горящей поверхности твердых материалов практически не удерживаются, изолирующего и охлаждающего действия не оказывают. Показателем огнетушащей способности порошков класса ВС является удельный расход, кг/м², порошка на тушение модельного очага класса В (противня с горючей жидкостью).

Аэрозолеобразующие огнетушащие составы (АОС) отно - сятся к веществам объемного действия. Они представляют собой твердо - топливные композиции. Огнетушащий состав образуется в результате их сжигания. Продуктом горения является сложная многокомпонентная смесь, состоящая из газовой фазы, включающей диоксид углерода, азота, и конденсированной фазы, состоящей из мельчайших, размером около 1 мкм, твердых частиц. Огнетушащая способность аэрозолей в несколько раз выше, чем у газовых огнетушащих составов - как нейтральных газов, так и хладонов. Она характеризуется величиной минимального тушащего удельного расхода, кг/м³.

Для расчета параметров тушения используют следующие основные формулы.

22

Интенсивность подачи J, л/(м -с), кг/(м -с):

где g _ов - секундный расход огнетушащего вещества, л/с, кг/с; S_H - площадь

2

пожара, м.

2                                                               2   3     3

Удельный расход ц_уд, л/м, кг/м, л/м, кг/м:

- при тушении по поверхности

- при объемном тушении

где К_пом - объем помещения, м³.

Теоретический удельный расход д_уд°, л/м³, л/м², кг/м², кг/м³:

^охл

где 0^треб - количество тепла, которое требуется отвести от зоны горения или поверхности материала для снижения температуры пламени до температуры потухания, кДж/м, кДж/м; 0_охл - охлаждающий эффект огнетушащего вещества, кДж/л, кДж/кг, кДж/м.

Теоретическая интенсивность подачи J ⁰ при тушении пламени над

2 2

поверхностью, л/(м •с), кг/(м •с):

где д_о^т_т^р_в^еб - удельная интенсивность теплоотвода от пламени, требуемая для его охлаждения до температуры потухания, кВт/м; 0_охл - охлаждающий эффект огнетушащего вещества, кДж/л, кДж/кг.

Требуемую интенсивность теплоотвода можно приближенно оценить по формуле

где f - коэффициент теплопотерь излучением; к - коэффициент снижения температуры пламени до температуры потухания; q п - приведенная тепло - та пожара, q^ = Рт_м^пр0_н, кВт/м².

Для жидкостей f ~ 0,3; к ~ 0,28. Для твердых материалов f ~ 0,4; к ~ ~ 0,22.

Показатель эффективности тушения П_эт:

Коэффициент использования огнетушащего вещества К_и: - теоретический

где qуд - теоретический удельный расход, л/м; q^ - фактический удельный расход, л/м²;

- практический

min                                        ~

где q_ya - минимальным при данной площади пожара удельный расход огнетушащего вещества, полученный при тушении реальных пожаров, л/м².

При тушении ординарных пожаров водой [4]:

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

Примеры решения задач

Пример 1.

Рассчитать температуру потухания метана в воздухе, если эффективная энергия активации химической реакции горения равна 160 кДж/моль.

Решение.

Для оценки температуры потухания по формуле (4.5) необходимо предварительно рассчитать адиабатическую температуру горения стехио - метрической смеси метана в воздухе по методике, изложенной в работах^; 2]:

Теоретический объём воздуха, необходимый для сгорания 1 кмоль метана, составит:

У_в° = 2 + 23,76 = 9,52 кмоль/кмоль.

Теоретический объём продуктов горения

Vj = 1 + 2 + 23,76 = 10,52 кмоль/кмоль.

Низшая теплота сгорания метана определяется по закону Гесса [1; 2]:

^Qh = V СО₂ Н СО2 + V Н₂О Н Н₂О ^- Н СН₄.

Значения Н_СО Н_{Н О}, Н_СН4 определяются из табл. 4 прил. 3.

Qh = 396,6 + 2242,2 - 75 = 806 кДж/моль.

Среднее теплосодержание продуктов горения составит:

Н_Ср = Qh /Ипг = 806 / 10,52 = 76,6 кДж/моль.

Так как в продуктах горения наибольшее содержание азота, в качестве первого приближения Т\ по табл. 2 прил. 3 выбираем температуру 2100 °С и рассчитываем их теплосодержание Q 1.

Для Т = 2100°С:

Qi = 114,71 + 93,4 2 + 70,47,52 = 830,9 кДж/моль.

Так как Q₁ > Q_H, находим теплосодержание продуктов горения при более низкой температуре - 2000 °С.

Для Т₂ = 2000 ^оС:

Так как Q₂ < Q₁, определяем адиабатическую температуру горения методом линейной интерполяции:

Температура потухания равна

Пример 2.

Рассчитать температуру потухания в воздухе пропан-бутановой смеси, если мольные доли пропана и бутана в смеси составляют 0,6 и 0,4 соответственно, НКПР пропана - 2,3 % (об.), бутана - 1,8 % (об.), низшая теплота сгорания пропана - 2044 кДж/моль, бутана - 2657 кДж/моль.

Решение.

Для определения температуры потухания следует рассчитать объём воздуха, необходимого для горения пропан-бутановой смеси и объём продуктов горения, по методике, рассмотренной в учебном пособии [2]:

Теоретический объём воздуха составит:

где фгг - содержание i -го горючего газа в смеси, % (об.); n_i - коэффициент при кислороде в уравнении реакции; ф₀ - содержание кислорода с составе

смеси, % (об.).

Для удобства расчёта теоретического объёма продуктов горения со - ставим табл. 4.1.