Организация деятельности пожарной охраны / Puchkov - Pozharnaya bezopasnost 2014

После инициирования процесса горения в объеме помещения скорость пламени примерно такая же, как и при чисто дефлаграционном (нормальном) горении в открытом пространстве. Дефлаграционное горение – реакция горения протекает в результате нагрева прилегающих к фронту пламени слоев холодной, непрореагировавшей ВС до температуры воспламенения вследствие теплопроводности. При этом скорость перемещения пламени г за счет теплового расширения продуктов сгорания можно определить по соотношению

где н – нормальная скорость пламени – скорость распространения пламени по отношению к несгоревшей смеси вдоль нормали к его фронту, м/с, является минимальной скоростью, с которой может распространяться пламя в конкретной среде, она зависит от состава ВС, но на ее величину оказывает также влияние начальное состояние среды (температура и давление);

р – степень теплового расширения продуктов горения (при постоянном давлении)

где 0,85 – коэффициент, учитывающий уменьшение теоретической температуры горения вр за счет потерь тепла излучением на нагрев ограждающих конструкций и соседних с горящим слоев ВС;

= – отношение числа молей продуктов горения m после реакции

горения к числу молей исходной смеси n до реакции горения;

вр – теоретическая температура горения (при постоянном давлении), К;0 – начальная температура, К.

Температура продуктов горения вр в месте воспламенения смеси при дефлаграционном горении может быть определена по величине степени расширения продуктов горения

При повышении давления при сгорании ВС в объеме помещения до начала вскрытия ПК (ЛСК) замкнутый объем начинает препятствовать свободному расширению продуктов горения, что приводит к их сжатию, а увеличение давления в замкнутом объеме до значения в приводит к росту температуры в месте воспламенения смеси от значения вр до значенияв (где в - температура горения смеси при постоянном объеме).

351

Степень сжатия продуктов горения ВС в замкнутом объеме характеризуется величиной , определяемой как

где в – давление (абсолютное), возникающее в полностью заполненном ВС замкнутом объеме после окончания процесса горения, Па,

0 – давление (абсолютное) в замкнутом объеме до начала горения ВС, Па. Используя приближенное соотношение, связывающее запас химической энергии смеси и приращение запаса физического тепла при сгорании

одного моля ВС,

получим зависимость для определения в через вр

где = р⁄ – показатель адиабаты, отношение удельной теплоемкости при = к удельной теплоемкости при = . Нужно отметить, что для двухатомных газов непрореагировавшей части ВС показатель адиабаты принимается равным = 1,4.

Тогда степень сжатия газа при горении смеси в замкнутом объеме может быть определена как

Для того чтобы определить требуемую площадь легкосбрасываемых (предохранительных) конструкций необходимо удалить из объема помещения избыточный объем газа, состоящий из непрореагировавшей смеси и продуктов горения, который образуется в результате взрывного горения взрывоопасной смеси в объеме помещения, то есть

где обр – избыточный объем продуктов сгорания, образующийся в ре-

зультате выгорания части взрывоопасной смеси за промежуток времени

, м3;

уд – объем газа (непрореагировавшая смесь и продукты горения), удаляемый из объема помещения за промежуток времени , м3.

Определим образующийся избыточный объем газов обр при взрывном горении взрывоопасной смеси (рис. 4.6.1).

352

Wпг

Sфр

Wсг

∆l

Рис. 4.6.1. Схема к определению обр

Предположим, что в какой-то момент времени при взрывном горении взрывоопасной смеси фронт пламени имел площадь поверхности величиной

где = н ,

н – нормальная скорость горения взрывоопасной смеси, м/с;– коэффициент интенсификации горения.

В результате выгорания объема непрореагировавшей смеси образуется объем продуктов сгорания, который будет в раз больше сгоревшего, то есть

гдe – степень сжатия газа при горении смеси в замкнутом объеме. Образующийся при этом избыточный объем продуктов сгорания бу-

дет равен

Определим удаляемый объем газа уд за единицу времени учитывая, что удаление газа из помещения должно происходить через вскрывающиеся ЛСК (ПК) при избыточном давлении, не превышающем допустимое, и что необходим учет закономерностей вскрытия легкосбрасываемых конструкций, тогда

Wуд Kвскр Sлск ист (4.6.12)

где вскр – ожидаемая относительная вскрывающаяся площадь ЛСК;лск – требуемая площадь легкосбрасываемых конструкций, м2;

ист – скорость истечения газа при допустимом давлении через вскрывшиеся отверстия в наружных ограждениях помещения, м/с.

353

Тогда, зная образующийся объем газа за промежуток времени и удаляемый объем газа за тот же промежуток времени, можно определить требуемую площадь легкосбрасываемых конструкций

Проанализируем входящие в это выражение величины.

н – нормальная скорость распространения пламени, м/с, зависит от вида смеси и концентрации горючего в ней (приводится в справочной литературе);

– степень сжатия газа при взрывном горении, зависит от вида смеси и концентрации горючего в ней (приводится в справочной литературе, либо может определяться расчетом по известной величине адиабатической температуры горения взрывоопасной смеси при постоянном давлении вр).

фр – площадь поверхности фронта пламени, м2.

Интенсивность выгорания при взрывном горении взрывоопасной смеси зависит от скорости горения ВС и площади поверхности фронта пламени.

При отсутствии на процесс горения внешних возмущений на каждой единице поверхности фронта пламени в единицу времени сгорает одно

ито же количество горючей смеси. С увеличением поверхности фронта пламени возрастает количество вещества, сгорающего в единицу времени. Из этого следует, что величина поверхности фронта пламени, а значит,

иего форма представляет собой один из главных факторов, определяющих интенсивность процесса горения.

При воспламенении ВС в геометрическом центре объема будут наблюдаться минимальные потери тепла теплоотводом от продуктов горения в стенки объема, а значит максимальными будут значения давления.

Фронт пламени, распространяющийся от источника воспламенения, расположенного в геометрическом центре объема, будет иметь форму сферической поверхности непрерывно увеличивающегося радиуса до момента касания стенок объема. После соприкосновения со стенками объема фронт пламени приобретает форму наружной поверхности шарового сегмента, ограниченного сечением ограждающих конструкций. По мере удаления от источника воспламенения и увеличения радиуса кривизны этого сегмента фронт пламени становится все более плоским (рис. 4.6.2) [31].

354

Рис. 4.6.2. Последовательные положения фронта пламени в замкнутом объеме, при инициировании горения в геометрическом центре объема:

1 – сферической формы; 2 – кубической формы

Такая схема распространения фронта пламени характерна при инициировании горения точечным источником зажигания в однородной неограниченной и невозмущенной среде. Она также наблюдается в начальный момент времени в помещениях, когда источник воспламенения находится не вблизи от строительных конструкций помещения [31].

Проанализируем изменение площади поверхности фронта пламени при взрывном горении взрывоопасной смеси в объеме произвольной формы от момента его инициирования в геометрическом центре объема до окончания процесса горения ВС на примере объема в виде параллелепипеда в предположении, что высота этого объема Н меньше ширины В

именьше длины L, то есть Н < В < L.

1этап. Фронт пламени с момента воспламенения до касания горизонтальных ограждающих конструкций (пола и потолка, так как Н < В, см. рис. 4.5.3) имеет вид сферической поверхности увеличивающегося ра-

диуса , пока ≤ 0,5. Площадь поверхности фронта пламени в виде сферы составит

355

Рис. 4.6.3. Распространение фронта пламени при Ri ≤ 0,5Н

2 этап. После касания горизонтальных ограждающих конструкций (пола и потолка, см. рис. 4.6.4) фронт пламени имеет вид шарового слоя, увеличивающегося радиуса , до момента касания боковых продольных стен, пока ≤ 0,5 , тогда площадь поверхности составит

Рис. 4.6.4. Распространение фронта пламени при ≤ 0,5

3 этап. От фронта пламени, имеющего вид шарового слоя, отсекаются два шаровых сегмента (с боков, см. рис. 4.6.5). Распространение пламени происходит до момента касания вершины угла, образованного про-

356

Ri-1/2B

Ri

Рис. 4.6.5. Распространение фронта пламени при ≤ 0,5√ 2 + 2

4 этап. Далее фронт пламени распространяется прямолинейно в две стороны вдоль длинной боковой стороны объема до момента касания стены, пока ≤ 0,5 (рис. 4.6.6). Площадь поверхности фронта пламени при этом составит

Ri

L B

Рис. 4.6.6. Распространение фронта пламени при ≤ 0,5

5 этап. Фронт пламени распространяется при условии ≤

0,5√ 2 + 2 (рис. 4.6.7), тогда площадь поверхности фронта пламени составит

357

, (4.6.18)

Ri-1/2L

Ri

L B

Рис. 4.6.8. Распространение фронта пламени при ≤ 0,5√ 2 + 2 + 2

358

Построим графики изменения площади поверхности фронта пламени от момента инициирования горения в геометрическом центре объема до окончания горения для объема 1000 м3 при различном соотношении сторон этого объема (рис. 4.6.9).

Рис 4.6.9. Изменение площади поверхности фронта пламени для объема 1000 м3: 1 – сферической; 2 – кубической формы

Анализ приведенных графиков позволяет сделать вывод, что максимальные значения площади поверхности фронта пламени наблюдаются при воспламенении ВС в геометрическом центре объема сферической формы в момент касания стенок шара, а для объемов вытянутой формы в момент касания фронтом пламени продольных стен помещения, если высота объема меньше ширины и меньше длины (Н < В ≤ L), или в момент касания перекрытия, если ширина объема меньше высоты и меньше длины

(В < Н ≤ L).

359

Максимальный расход продуктов горения ВС при прочих равных условиях будет наблюдаться в момент достижения максимального значения площади поверхности фронта пламени (3-й этап, рис. 4.4.9). Поэтому требуемая площадь ЛСК (ПК) должна рассчитываться на максимальный расход продуктов горения ВС при полной загазованности помещения смесью стехиометрической концентрации.

При известном объеме взрывоопасной смеси см площадь поверхности фронта пламени определяется исходя из этого объема с учетом объема продуктов горения, размеров и формы защищаемого помещения.

Определим предварительно, какой объем продуктов сгорания пг может образоваться при сгорании объема см в замкнутом объеме. Так как по уравнению состояния

Полученный объем продуктов сгорания пг сравним с максимально возможным объемом шара для данного помещения и определим площадь поверхности фронта пламени.

Тогда для 1-го этапа (рис. 4.4.67), когда распространение фронта пламени происходит по сферической поверхности при условии

где шара – максимальный объем шаровой поверхности, вписанной в куб, м3, при R = А/2, здесь А – наименьший размер помещения (например, высота, если высота меньше ширины помещения), тогда

Для определения площади сферической поверхности фронта пламени на данном этапе определим радиус этой поверхности из соотношения

тогда

360