logo
ПОФП учебник Кошмаров справленный

3.4. Методы расчета скорости выгорания горючих материалов и скорости тепловыделения

Скорость выгорания твёрдых и жидких материалов есть скорость поступления летучих веществ с поверхности горючих материалов (ГМ) в плазменную зону (в пламя). Следует отметить, что летучие вещества есть горючие газы, которые образуются в результате термического разложения твердых ГМ (этот процесс называют пиролизом) или в результате испарения жидких ГМ. Следовательно, скорость выгорания твёрдых и жидких материалов есть величина, равная расходу горючих газов, поток которых с поверхности ГМ возникает в результате процессов термического разложения или испарения. Скорость выгорания обозначается буквой , имеет размерность кг/с. Скорость выгорания на единицу поверхности воспламенившихся твёрдых и жидких ГМ называют массовой скоростью выгорания (иногда удельной массовой скоростью выгорания). Эту величину обозначают уд, её размерность кг/(м2•с).

Очевидно, что =удFr, где Fr - площадь поверхности ГМ, охваченной пламенем (В. Т. Монахов, 1963 г.).

Следует отметить, что и пиролиз, и испарение являются процессами, сопровождающимися затратами (поглощением) тепловой энергии. Энергетическими характеристиками этих процессов являются теплота испарения Qпиргм и теплота газификации (пиролиза) Qиспгж. Примеры: теплота испарения Qиспбензина=490 кДж/кг; Qспирта=1000 кДж/кг; теплота пиролиза Q пирдерева=1800 кДж/кг. Значения Qиспгж и Qпиргм зависят от природы горючего вещества, т.е. для разных веществ они различны.

Из сказанного следует, что величина массовой скорости выгорания, т.е. уд, зависит от природы ГМ. Это утверждение относится только к твёрдым и жидким ГМ. Если ГМ представляет собой газообразное вещество (метан, пропан и т.д.), поступающее в помещение из отверстий в стенках трубопроводов или аппаратов, то скорость выгорания этого газа равна его расходу из отверстий и не зависит от природы этого газа.

Массовая скорость выгорания  зависит не только от свойств горючего материала. Скорость выгорания вещества в помещении может отличаться от его скорости выгорания и тепловыделения на открытом пространстве. Возможны два предельных режима горения материала в помещении.

Первый режим выгорания горючих материалов характеризуется наличием достаточного количества кислорода (воздуха). При таком режиме

горение материала в помещении аналогично горению его на открытом воздухе. Режим пожара в этом случае называют пожаром, регулируемым нагрузкой (ПРН).

Второй предельно возможный режим выгорания горючего материала характеризуется тем, что кислорода в помещении мало и скорость тепловыделения лимитируется количеством поступающего извне кислорода (воздуха). Режим пожара в этом случае называют пожаром, регулируемым вентиляцией (ПРВ).

В реальных условиях в процессе развития пожара один режим выгорания может переходить в другой, т.е. вслед за ПРН наступает ПРВ и наоборот. Между ПРН и ПРВ имеют место промежуточные режимы.

Следует отметить, что скорость выгорания материала в определенной степени зависит от температуры газовой среды в помещении.

Скорость выгорания при ПРН вычисляется по формуле следующего

вида:

=*уд Fг (3.22)

где *уд - удельная скорость выгорания на открытом воздухе, кг/(с•м2);

Fr - площадь горения, м2.

Если горючим веществом является жидкость, площадь горения полагается равной площади ее зеркала.

Площадь горения ТГМ вычисляется на основе экспериментальных данных о линейной скорости распространения пламени. В частности, при круговом распространении используется следующая формула:

Fг=2л2, (3.23)

где - время, с; л - линейная скорость распространения пламени по поверхности пожарной нагрузки, м/с.

Формула (3.23) применима лишь до момента времени, вычисляемого

по формуле

(3.24)

где mF - масса ТГМ, приходящаяся на единицу поверхности пола.

После этого момента времени в центре круга окажется площадка, где горение прекратилось из-за отсутствия горючего материала. Тогда плошадь горения вычисляется по формуле

(3.25)

В случае, когда горючий материал расположен на прямоугольной площадке, а горение начинается в центре этой площадки, формулы (3.23) и (3.25) применимы лишь при условии

(3.26)

где lmin- меньшая сторона прямоугольника.

Если r превышает lmin, то из площади круга, равной r2, вычитаются площади соответствующих сегментов (рис. 3.1).

Входящие в формулы (3.22 - 3.23) величины *уд и л определяются в основном свойствами горючей нагрузки. Для многих видов горючей нагрузки уже имеются экспериментальные сведения об этих величинах.

При расчетах процесса выгорания твердых материалов принимается допущение о том, что при ПРН величина *уд остается неизменной вплоть до полного выгорания пожарной нагрузки. Однако в действительности может иметь место уменьшение скорости выгорания из-за образования на горящей поверхности материала слоя золы и угля [8].

Рис. 3.1. Схема кругового распространения пламени

по поверхности слоя горючего материала:

r1 - радиус зоны горения в момент 1; r2- радиус зоны горения

в момент 1 >2; l1, l2 - стороны прямоугольника

По мере развития пожара может наступить такой режим, когда количество кислорода O2, поступающего с наружным воздухом через проемы, становится равным количеству, необходимому для полного сгорания (окисления) летучих веществ, поступающих с поверхности ГМ. Весь поступающий кислород расходуется для окисления выделяющихся летучих веществ (продуктов пиролиза или испарения). При таком режиме скорость выгорания считают по формуле

(3.27)

где GВ - расход воздуха, поступающего в помещение через проемы, кг/с;

х1в - концентрация кислорода в поступающем воздухе; L - стехиометри-ческий коэффициент, т.е. количество кислорода, необходимое для сгорания 1 кг горючего материала.

Эта формула, строго говоря, позволяет определить количество прореагировавших в помещении продуктов пиролиза или испарения. Некоторая часть летучих веществ может догорать (сгорать) за проемами вне помещения.

Два режима, рассмотренные выше, являются предельными. В реальных условиях наблюдаются промежуточные режимы, приближающиеся в той или иной степени к одному из предельных. Формула, которая позволяет рассчитать скорость выгорания при любом режиме, имеет следующий вид:

(3.28)

где К - функция, зависящая от среднеобъемной концентрации кислорода в помещении. На рис. 3.2 представлено графическое изображение этой функции.

Рис. 3.2. Функция режима пожара:

x* - начало перехода от режима ПРН к режиму ПРВ; x**, - конец перехода от режима ПРН к режиму ПРВ; Ха - концентрация кислорода во внешней атмосфере

Когда концентрация кислорода снизится и достигнет значения х**, наступает режим ПРВ. При x = x. функция К должна удовлетворять следующим условиям:

а) К = 1;

б) (3.29)

При х<х** К = 0.

Всем этим условиям удовлетворяет совокупность функций следующего вида:

при z > 1 К = 1;

при 0<z<l K=zв.ев(1-z); (3.30)

при г < 0 К = 0,

где (3.31)

В заключение следует отметить, что продолжающиеся теоретические и экспериментальные исследования процессов выгорания ГМ рано или поздно приведут к более полному пониманию сложных взаимосвязанных процессов, определяющих пиролиз ТГМ и испарение ЖГМ при пожаре в помещениях.

Скорость тепловыделения Qпож есть тепло, выделяющееся в результате химических реакций в пламенной зоне за единицу времени.

Значение скорости тепловыделения определяют по формуле

(3.32)

где  - коэффициент полноты сгорания (<1); Qpн - теплота сгорания, Дж/кг. Значения теплоты сгорания зависят от природы ГМ (например, Qpн = 13,8 • 106 Дж/кг - для дерева; Qpн = 41,8 • 106 Дж/кг - для бензина).

Значение  вычисляется по эмпирическим формулам, полученным в результате исследований пожаров в помещениях.