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 Qзап, определяется по формуле (2.2).
Горение 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 oС, что является достаточным для зажигания горючих газовых смесей.
|
|
|
Удельный запас тепла Qзап, накопленный в углистом слое твердого материала за время свободного горения, равен
, кДж/м2, (2.5)
где qзап – тепловой поток, аккумулируемый пиролизующимся слоем, кВт/м2;
τгор – время свободного горения, с.
Значение qзап, , определяется из уравнения теплового баланса горения:
кВт/м2 (2.6)
где qвн – внешний лучистый тепловой поток, падающий на поверхность, кВт/м2;
vмпр – приведенная массовая скорость выгорания, кг/( м2∙с);
L – теплота, затрачиваемая на пиролиз (газификацию) материала, кДж/кг;
Lэкз – экзотермический эффект вторичных реакций пиролиза, кДж/кг;
qконв – конвективный тепловой поток, исходящий от поверхности, кВт/м2.
Откуда
, кДж/м2 (2.7)
Величина qконв, , определяется теплосодержанием газообразных продуктов пиролиза:
кВт/м2 (2.8)
где ср – средняя удельная теплоемкость газов в интервале температур Тпов –Тпир, ср ≈ 3,7 кДж/(кг∙К);
Тпов – температура поверхности при горении, Тпов ≈ 700 ºС;
Тпир – температура пиролиза, Тпир ≈ 200 ºС.
|
|
|
Теплота пиролиза L зависит от вида горючего материала. Экзотермический эффект вторичных реакций пиролиза Lэкз присутствует при горении древесины и содержащих ее композиционных материалов. В расчетах Lэкз приближенно можно принимать равным 6 % от низшей теплоты сгорания.
(2,9)
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 некоторого 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 подается 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:
|
|
|
Qотв ≥ Qтреб = Qпов + Qзап, (2.10)
где Qотв – тепло, отводимое огнетушащим веществом от 1 м2 поверхности, кДж/м2;
Qпов – тепло, поступающее к поверхности, кДж/м2;
Qзап – удельное теплосодержание прогретого слоя, кДж/м2.
Здесь
, кДж/м2 (2.11)
где qлуч – плотность суммарного теплового потока, падающего от собственного пламени и внешних источников излучения, кВт/м2;
τт – время тушения, с.
Если подаваемое огнетушащее вещество поступает к поверхности без потерь и полностью реализует свою охлаждающую способность, количество тепла, отбираемое за время τт от 1 м2 поверхности горения Qотв, будет равно
, кДж/м2 (2.12)
где J – интенсивность подачи, л/(м2·с) или кг/(м2∙с);
τт – время подачи огнетушащего вещества, с.
Отсюда теоретическое, минимально возможное, время тушения по механизму отвода тепла от поверхности τт, с, равно
, с (2.13)
При J = qвн/Qохл, т. е. когда подача огнетушащего вещества на поверхность компенсирует только внешние тепловые потоки,
|
|
|
τт →∞. Такая интенсивность подачи является критической Jкр.
При J → ∞ время тушения τт → 0. Однако минимальное время прекращения горения не может быть меньше времени охлаждения всего прогретого слоя τ0. 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
(2.14)
Охлаждающий эффект огнетушащего вещества зависит от его агрегатного состояния, теплоты фазового перехода, теплоемкости, способа тушения.
Умножив обе части формулы (2.16) на J, получим выражение для удельного расхода
, с (2.15)
Оптимальная интенсивность подачи, при которой обеспечивается минимальный удельный расход огнетушащего вещества (см. рис. 6), находится дифференцированием уравнения (4.19) по J, л/(м2·с). Приравняв первую производную dqуд/dJ к нулю, получим выражение для оптимальной интенсивности подачи
, л/(м2·с) (2.16)
Следует помнить, что значения qуд и Jопт , получаемые по формуле (2.14) и (2.15) относятся к площади поверхности горения Sпг, для определения секундного расхода ( g, л\с) и минимального запаса воды, требуемых для тушения данной площади пожара Sп, их необходимо умножить на коэффициент поверхности
Удельный расход
л/·м2 (2.17)
Секундный расход
, л/с (2.18)
Необходимое число стволов
(2.19)
Дата добавления: 2020-11-15; просмотров: 385; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!