Всего на сайте:
282 тыс. 988 статей

Главная | Охрана труда, БЖД

Примеры и задачи по курсу «Физико-химические основы развития и тушения пожара»  Просмотрен 127

Бобков С. А., Бабурин А. В., Комраков П. В.

Примеры и задачи по курсу «Физико-химические основы развития и тушения пожара»: Учеб. пособие. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2010. - 98 с.

 

Учебное пособие предназначено для курсантов, слушателей и адъюнктов образовательных учреждений МЧС России пожарно-технического профиля.

© Академия Г осударственной противопожарной

службы МЧС России, 2010 © Бобков С.А., Бабурин А.В.,

Комраков П.В., 2010

 

Глава 1

ПАРАМЕТРЫ ПОЖАРОВ

Для решения практических задач пожарной безопасности необходимо знать параметры, описывающие комплекс процессов, составляющих такое сложное явление, как пожар.

Суммарная масса горючих веществ и материалов, приходящихся на 1 м площади их размещения S, называется удельной горючей нагрузкой ргн, кг/м2, и определяется по формуле

где mt - масса i-го горючего материала, кг; S - площадь размещения, м2.

Площадью размещения называется площадь участка, выделенного ограждающими конструкциями или противопожарными разрывами, на котором находятся горючие вещества и материалы. Если горючие вещества и материалы находятся в помещении, не разделенном преградами с нормируемым пределом огнестойкости или проходами (проездами), ширина которых меньше требуемых, площадь размещения равна площади пола.

Все горючие вещества и материалы, находящиеся на объекте, являются потенциальными источниками энергии, которые при пожаре выделяют тепло. Поэтому при характеристике степени пожарной опасности объектов используется удельная пожарная нагрузка £гн, МДж/м , - количество тепла, выделяемое горючей нагрузкой при полном сгорании:

где 0Ш- - низшая теплота сгорания i-го горючего вещества или материала, кДж/кг.

Продолжительность (время) пожара тп - время с момента возникновения горения до полного его прекращения, мин, ч.

Время свободного развития пожара - время с момента возникновения горения до начала подачи огнетушащего вещества в очаг пожара, мин, ч.

Площадь пожара Sn - площадь проекции зоны горения на горизонтальную плоскость.

Площадь поверхности горения Snr - характеризует реальную площадь горючего, которая участвует в горении, т. е. выделяет горючие газы

при пиролизе или испарении, а также взаимодействует с окислителем в гетерогенном режиме.

Коэффициент поверхности горения Кп - отношение площади по - верхности горения к площади пожара:

Линейная скорость распространения пожара ул - путь, который на данном объекте проходит фронт пламени в единицу времени, м/мин.

Величина ул определяет площадь пожара на данный момент. Она зависит от вида горючего, характеристик пожарной нагрузки, вида пожара и других факторов.

Массовая скорость выгорания абсолютная ^бс - масса горючего ве

щества, сгорающая в единицу времени.

Удельная массовая скорость выгорания У1уд - масса горючего вещества или материала, выгорающая в единицу времени с единицы площади по - жара:

Приведенная массовая скорость выгорания ум - масса горючего вещества или материала, выгорающая в единицу времени с единицы площади поверхности горения:

Теплота пожара q№ кВт, - количество тепла, выделяющееся в зоне горения в единицу времени:

где в - коэффициент полноты сгорания (0,75 - 0,9).

Температура пожара. Температурой внутреннего пожара считается среднеобъёмная температура газовой среды в помещении, температурой открытого пожара - максимальная температура пламени.

Основными параметрами пожара газового фонтана являются: дебит D - расход газа, выраженный в млн м3 газа в сутки:

где Нф - высота газового (нефтяного) фонтана, м;

коэффициент излучения факела f:

где М- средняя молярная масса компонентов горючей смеси, равная

где Mf - молярная масса f-го компонента горючей смеси; af - доля f-го компонента в смеси;

плотность потока излучения из центра факела фонтана W, кВт/м :

где R - расстояние от центра фонтана, м; qa - интенсивность излучения, кВт; vr - расход газа, м3/с;

интенсивность излучения дл, кВт:

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

Примеры решения задач

Пример 1.

Определить абсолютную массовую скорость выгорания материала при площади пожара 10 и 20 м2, если табличное значение приведенной массовой скорости выгорания равно 0,014 кг/(м2-с).

Решение.

Удельная массовая скорость выгорания гмуд, как следует из определения, это абсолютная массовая скорость выгорания, приведенная к единице площади пожара SH. Таким образом:

При Sn = 10 м2 - гмабс = 0,014 ■ 10 = 0,14 кг/с. При Sn = 20 м2 - гмабс = 0,014 ■ 20 = 0,28 кг/с.

Пример 2.

Определить теплоту пожара при горении материала, имеющего низшую теплоту сгорания 14000 кДж/кг, если табличное значение удельной

22 массовой скорости выгорания равно 0,02 кг/(м с), площадь пожара 10 м ,

коэффициент полноты сгорания - 0,8.

Решение.

Теплота пожара рассчитывается по формуле (1.6). С учетом формулы (1.4) получим

Пример 3.

Рассчитать приведенную массовую скорость выгорания штабеля, сложенного из деревянных брусьев, если за 15 мин пожара его масса уменьшилась на 15 %. Штабель состоит из пяти рядов, в каждом ряду размещаются десять брусьев. Размеры бруса - 0,1х0,1х2 м. Плотность древесины р составляет 450 кг/м . Определить коэффициент поверхности данного штабеля.

Решение.

Приведенная массовая скорость выгорания рассчитывается по формуле (1.5).

Изменение массы штабеля за время горения определим по формуле

где п - доля выгоревшей массы штабеля; V- объём одного бруса, м3; к - количество брусьев в одном ряду; n - количество рядов в штабеле. Подставив численные значения, получим

В конструкции штабеля имеются скрытые и открытые поверхности (рис.

1.1).

Рис. 1.1. Схема укладки штабеля

Скрытая поверхность штабеля состоит из граней брусьев, находящихся в нижнем ряду и соприкасающихся с поверхностью земли, а также участков брусьев, соприкасающихся друг с другом. Суммарную площадь скрытой поверхности ^скр находим по формуле

где к - количество брусьев в одном ряду; п - количество рядов в штабеле.

Открытая поверхность (поверхность горения Snr ) рассчитывается как разность общей поверхности всех брусьев ^общ и скрытой поверхности брусьев в штабеле:

где общая поверхность штабеля - это сумма площадей всех граней одного бруса, умноженная на количество всех брусьев в штабеле к п:

Площадь скрытой поверхности штабеля

Площадь поверхности горения штабеля S^ равна

Приведенная массовая скорость выгорания

Площадь пожара SH составляет:

Коэффициент поверхности горения штабеля определяем по формуле (1.3):

Пример 4.

На сколько опустится уровень мазута за 28 мин горения в резервуаре.

Плотность мазута составляет 940 кг/м , приведенная массовая скорость

выгорания равна 0,035 кг/(м2-с).

Решение.

Обозначим изменение уровня жидкости - Ah, время горения - т, удельную массовую скорость выгорания - умуд, плотность жидкости - р.

Объем выгоревшей жидкости V равен произведению площади зеркала жидкости S на Ah ( рис. 1.2). Значение Vтакже можно выразить через массу выгоревшего вещества m и плотность р:

Тогда

В свою очередь,

 

Откуда находим:

Пример 5.

Определить величину удельной горючей и удельной пожарной нагрузки в помещении площадью 12 м2. Пол в помещении выложен деревянным паркетом толщиной h = 2 см. Плотность древесины р, из которой изготовлен паркет, составляет 450 кг/м . В помещении имеется следующая мебель: деревянные шкаф массой 80 кг; стол - 30 кг; два стула по 7 кг каждый; диван массой 95 кг, состоящий из 70 % древесины, 20 % пенопо - лиуретана и 10 % кожи. Низшая теплота сгорания древесины составляет 16,5 МДж/кг, пенополиуретана - 24,52, кожи - 21,52 МДж/кг.

Решение.

Расчет проводится по формулам (1.1) и (1.2):

Масса всех горючих материалов складывается из массы паркета, шкафа, стульев и массы горючих материалов, из которых собрана мебель. Массу паркета mn^ определяем по формуле

m = pV,

где V - объём паркета

V = Sh h = 12 ■ 0,02 = 0,24 м3,

следовательно,

mn^ = 0,24 ■ 450 = 108 кг.

Массы древесины, пенополиуретана (ППУ) и кожи, из которых сделан диван, соответственно равны:

mдpев = 0,7 ■ 95 = 66,5 кг;

тппу = 0,20 ■ 95 = 19 кг; ткожи = 0,10 ■ 95 = 9,5 кг. Удельная горючая нагрузка ргн равна

Удельная пожарная нагрузка

Пример 6.

Определить уровень нижней границы гомотермического слоя h при горении нефти в резервуаре. Начальный уровень жидкости Н = 10 м, время горения т = 40 мин. Плотность данной нефти р = 750 кг/м , удельная массовая скорость выгорания тмуд = 0,045 кг/( м2с), скорость нарастания гомо -

термического слоя угтс= 7 10-4 м/с.

Решение.

Глубина, на которую опустится нижняя граница гомотермического слоя за время горения, складывается из толщины выгоревшего слоя нефти АН, м, и толщины самого слоя 8гтс, м ( рис. 1.3).

Тогда

h = Н - (АН + 5гтс);

АН = ттл;

 

Линейная скорость выгорания ил равна

«л = ^муд/р = 0,045/750 = 6 10-5 м/с.

Получаем

Пример 7.

Рассчитать параметры пожара компактного газового фонтана: дебит D, теплоту пожара qn, коэффициент излучения пламени в окружающую среду f Определить расстояние L (см. рис. 1.3), на котором плотность теплового потока равна 4 и 14 кВт/м . Состав газа: 85 % метана, 9 % этана,

3 % пропана, 2 % азота и 1 % бутана. Высота факела Нф - 35 м, высота скважины 1 м, внутренний диаметр трубы 102 мм. Низшая теплота сгорания метана 802 кДж/моль, этана - 1576 кДж/моль, пропана - 2044 кДж/моль, бутана - 2657 кДж/моль.

Решение.

Дебит фонтана рассчитывается по формуле (1.7):

Теплота пожара дп, кВт, определяется по формуле (1.6):

Для газовых фонтанов коэффициент в ~ 1, скорость сгорания равна секундному расходу газа vr.

Соответственно значение QH следует подстав - лять в кДж/м3, т. е.

Низшая теплота сгорания смеси газов определяется по формуле

где QH - низшая теплота сгорания i-го горючего компонента; а( - доля ,-го компонента в смеси.

Подставив значения QHi каждого горючего компонента в формулу, получим

Секундный расход газа:

Теплота пожара данного фонтана

Коэффициент излучения представляет собой долю теплоты сгорания, теряемую в виде лучистой энергии в окружающую среду. Для углеводородных горючих он находится по формуле (1.8):

Средняя молярная масса горючих компонентов смеси равна (см. формулу (1.9))

Коэффициент излучения равен

При расчете расстояния L принимается, что источником излучения пламени фонтана является точка, расположенная в его геометрическом центре, - т.е. на высоте Нф/2 от устья скважины (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Схема для расчета плотности теплового потока

Тогда плотность потока излучения W через сферу радиусом R, исходя из формулы (1.11), равна

откуда расстояние R, на котором плотность лучистого теплового потока равна заданному значению дзад, определяется выражением

Расстояние R2 для дзад = 14 кВт/м :

2

Расстояние Ri для дзад = 4 кВт/м :

Очевидно, что соответствующее расстояние от скважины на уровне земли L (см. рис. 1.4) равно

2

Расстояние L1 для дзад = 4 кВт/м :

2

Расстояние L1 для дзад = 14 кВт/м :

Контрольные задачи

1. Найти массу сгоревшей древесины при пожаре штабеля, сложенного из брёвен в 5 рядов.

В каждом ряду семь бревен (рис. 1.5). Плотность древесины составляет 500 кг/м , приведенная массовая скорость выгорания - 0,012 кг/(м -с). Пожар длился 8 мин, средний диаметр брёвен - 15 см, длина каждого бревна составляет - 1,5 м.

2. За какое время горения уровень жидкости в резервуаре опустится на 3,4 см, если удельная массовая скорость выгорания горючей жидкости равна 0,02 кг/(м2-с), плотность жидкости 850 кг/м3.

3. Найти линейную скорость выгорания керосина в резервуаре, если плотность керосина 780 кг/м3, удельная массовая скорость выгорания со - ставляет 0,048 кг/(м -с).

4. Определить величину удельной горючей и удельной пожарной нагрузки в помещении склада площадью 20 м2. Пол в помещении выложен деревянными досками толщиной 4 см. Поверх половых досок настелен линолеум толщиной 3 мм. Плотность линолеума - 2000 кг/м3.

На деревянных стеллажах (суммарная масса стеллажей - 180 кг) хранятся изделия из следующих материалов: кожи - 120 кг, ткани - 80 кг, бумаги - 50 кг, резины - 160 кг. Плотность древесины составляет 450 кг/м . Низшая теплота сгорания древесины - 16,5 МДж/кг; линолеума 33,52; кожи - 24,52; ткани - 13,4; бумаги - 14,5 и резины - 33,52 МДж/кг.

5. Определить количество тепла, которое выделится на внутреннем

2

пожаре за 20 мин, если площадь поверхности горения составляет 250 м , средний коэффициент поверхности равен 5, приведённая массовая скорость выгорания - 0,008 кг/(м с), низшая теплота сгорания горючего со - ставляет 25 МДж/кг, коэффициент полноты сгорания - 0,8.

6. В помещении площадью 50 м сложен горючий материал в форме куба. Ребро куба а = 4 м, плотность материала р = 500 кг/м , низшая теплота сгорания Qh = 20000 кДж/кг, коэффициент полноты сгорания в = 0,7. Рассчитать удельную пожарную нагрузку помещения и коэффициент поверхности. Определить параметры пожара: массовую скорость выгорания абсолютную, удельную и приведённую; теплоту пожара, если за 120 мин горения масса материала уменьшилась на 10 %.

7. Определить время возникновения горения в торговом зале книжного магазина по следующим исходным данным. Пожар ликвидирован в 10 ч 00 мин. Площадь пожара равна площади помещения - 200 м . Масса горючего до пожара 35000 кг. Средняя степень выгорания 50 %. Среднее значение удельной массовой скорости выгорания за время горения и тушения принять равным половине табличного значения, которое равно 0,438 кг/(м2с).

8. Рассчитать параметры пожара компактного газового фонтана: дебит D, теплоту пожара qH, коэффициент излучения пламени в окружающую среду f Определить расстояние L, на котором плотность теплового потока равна 10 и 20 кВт/м . Состав газа: 80 % метана, 12 % сероводорода, 3 % пропана, 2 % азота и 3 % сероуглерода. Высота факела Нф - 50 м, высота скважины - 1 м, внутренний диаметр трубы - 95 мм.

Рассчитать один из параметров открытого пожара штабеля древесины.

Вариант задания выбирается по порядковому номеру учащегося в журнале группы. Исходные данные, необходимые для расчета, приведены в табл. 1.1 и 1.2. Требуется определить параметр, для которого в табл. 1.2 указано «найти».

Предыдущая статья:Примерная программа воспитания Следующая статья:Параметры штабеля
page speed (0.0137 sec, direct)