Расчет основных параметров горения и тушения пожара газового фонтана

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Департамент координации деятельности организации в сфере сельскохозяйственных наук

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Волгоградский государственный аграрный университет»

Кафедра «Пожарная и техносферная безопасность»

Дисциплина «Физико-химические основы развития и тушения пожаров»

Курсовая работа

На тему: «Расчет основных параметров горения и тушения пожара газового фонтана»

Выполнил: студент группы ЭМФзс ПБ214

Вирясова Мария

Проверил: Источкина М.В

Волгоград 2023 г.



Содержание

Введение

1.Дебит газового фонтана и режим истечения газовой струи

2. Теплота пожара - тепловыделение в зоне горения

3. Время воспламенения растительных материалов (древесины) под влиянием тепловых потоков

4. Изменение интенсивности лучистого потока в зависимости от расстояния до устья скважины и определить безопасность расстояния

5. Адиабатическая температура потухания

6. Удельный расход воды на тушение фонтана

7. Минимальный секундный расход воды

8. Коэффициент использования воды

9. Результаты расчёта представляем в виде итоговой таблицы

10. Выводы

Библиографический список

горение вода дебит



Введение

Горение используется человеком на протяжении более миллиона лет и является одной из древнейших технологий. В настоящее время около 90% всей энергии, потребляемой нашей цивилизацией (получение топлива и т.д.), обеспечивается процессами горения. Но неконтролируемый процесс горения (пожар) обладает огромной разрушающей силой и приводит к катастрофическим последствиям.

Пожары - самые распространенные чрезвычайные происшествия., сложный комплекс физических и химических процессов, среди которых основным является процесс горения. Как правило, на пожарах горение является диффузионным, т. е. скорость химической реакции зависит от скорости притока воздуха извне, а также от скорости удаления образующихся газообразных продуктов. Данный процесс называется газообменом. По характеру газообмена пожары делятся на открытые и внутренние. Первые протекают на открытом пространстве, вторые - в помещениях.

Пожары сопровождаются потреблением кислорода из воздуха, образованием продуктов горения, в том числе и токсичных поступлений их в атмосферу, использованием воды для целей пожаротушения, распространением водяных паров и отработанной воды с растворенными в них токсичными продуктами на обширную территорию. В основе большинства из указанных процессов лежат физико-химические закономерности, поэтому является необходимым рассмотрение фундаментальных концепций, связанных с вопросами химии горения.

В данной дисциплине «Физико-химические основы развития и тушения пожаров» является изучение физических и химических процессов и явлений, происходящих при возникновении или прекращении горения на пожаре. Знание основных закономерностей протекания горения позволит эффективно решить конкретные профилактические задачи тушения пожаров.

Так, например стальные конструкции зданий не горят и не распространяют огонь, но при 15-20 минутном воздействии огня они теряют несущую способность. Поэтому необходимо знать опасные свойства различных строительных материалов, оценивать поведение конструкций при пожаре.

В ряде практически важных случаев предлагаемые концепции о механизмах прекращения процессов горения на пожаре доведены до численных расчётов основанных параметров процесса тушения: удельных расходов огнетушащих средств, интенсивностей их подачи, требуемого запаса огнетушащих средств на тушение того или иного вида пожара.

Так же встречается такое понятие как фонтан. Фонтан представляет собой струю газа или жидкости, под давлением истекающую в окружающую среду. Фонтаны возникают в результате аварий при бурении и эксплуатации скважин на газовых и нефтяных месторождениях, при авариях в газовых хранилищах, локальном разрушении

технологических трубопроводов. При появлении источника зажигания

(механическая искра, разряд статического электричества и т. д.) фонтан

воспламеняется, возникает пожар. Наибольшая вероятность воспламенения у фонтана природного газа. Основным его компонентом является метан. По статистике в пожар переходит около 40 % аварий на газовых и нефтяных месторождениях. Такие пожары отличаются большими масштабами, сложностью ликвидации, наносят огромный экономический и экологический ущерб.

Физико-химический процесс горения состоит в том, что происходит взаимодействие горючего вещества с окислителем, в результате чего выделяется тепловое излучение, свет и тепловая энергия с превращением горючей смеси в продукты сгорания.

Целью курсовой работы является развитие навыка использовать теоретические знания, которые мы получили при изучении дисциплины « Физико-химические основы развития и тушения пожаров» при проведении расчёта параметров развития и тушения пожаров.



1. Дебит газового фонтана и режим истечения газовой струи

Определяем дебит газового фонтана млн/м 3 сут. , он может быть рассчитан по высоте факела пламени.

Vg - дебет

Vg = 0,0025 Н2Ф , м3 /сутки [1]

где: НФ - высота фонтана.

Vg = 0,0025*212 = 0,0025*441=1,1020 млн.м3 /сутки

Режим истечения газовой струи может быть определён сравнением эффективной скоростью истечения ,со скоростью звука.

м/с [2]

где: V-секундный расход газа,

d-диаметр устья скважины.

2)Теплота пожара - тепловыделение в зоне горения.

Теплота пожара - тепловыделения в зоне горения в единицу времени (кВт).

q n = QH (1-hx )*V [3]

где: QH - низшая теплота сгорания смеси газов, кДж/м3 ;

hx - химический недожог;

V- секундный расход газа (м3/с).

Низшая теплота сгорания рассчитывается по уравнению :

[4]

где: QHi - низшая теплота сгорания i-го горючего компонента, кДж/м3;

- содержание i-го горючего компонента смеси, % об.

Низшая теплота сгорания смесей газов каждого горючего компонента рассчитывается исходя из закона Гесса.

(кДж/моль) [5]

Низшая теплота сгорания каждого горючего компонента:

где: -теплота образования итого вещества;

ni - количество молей.

Уравнение реакции:

Метан



Пропан

Сероводород

Сероуглерод

Метан

QHCH4 = CO2 +2H2O - CH4 = 396,9*1+242,2*2-75*1 = 806,3 кДж/моль

Пропан

QHCH4 = 3O2+4H2O+C3H8 = 3*396,9+4*242,2-109,4=1190,7+968,8-109,4=2050,1 кДж/моль

Сероводород

QHCH4 = SO2+H2O-H2S = 296,9+242,2-201,1=338 кДж/моль

Сероуглерод

QHCH4 = CO2+2SO2-CS2 = 396,9+2*296,9-115,3 = 396,9+593,8-115,3 = 875,4 кДж/моль

Низшая теплота сгорания смеси газов:

Удельная теплота сгорания равна количеству теплоты выделяющеюся при сгорании одного метра кубического газообразного вещества до образования высших оксидов.

[6]

где: 24,45 л. - это объём одного моля газа, при 298К (24,45 л - занимает один моль газа при температуре 274 К)

Метан

Пропан

Сероводород

Сероуглерод

3) Время воспламенения растительных материалов (древесины) под влиянием тепловых потоков.

Рассчитывается по уравнению:

[7]

где: - время воспламенения в секундах,

qл -интенсивность (мощность) лучистого теплового потока кВт/м2.

Данное уравнение справедливо при условии, что qл -больше 8 кВт/м2.



4) Изменение интенсивности лучистого потока в зависимости от расстояния до устья скважины и определить безопасность расстояния. При расчёте мощности лучистого теплового потока в зависимости от расстояния до устья скважины рассматривается следующая схема:

СХЕМА

Рисунок 1. Модель для расчёта мощности измерений пламени

Поверхность пламени фонтана(1). Изменяется точкой расположения над устьем, на 1/2 высоты факела и излучающей тепловую энергию в единицы времени такую же, как факел.

, кВт [8]

где: hл - теплопотери излучением пламени,

hх - это химический недожог ( доли от низшей теплоты сгорания).

Теплопотери излучением газового фонтана могут быть определены по уравнению

[9]

где: М- средняя молекулярная масса газовой смеси, кг/(моль).

Коэффициент общих теплопотери будет равен:

h0 = hx +hл [10]

где: h0 - общее теплопотери при горении газового фонтана, представляющие собой доли от низшей теплоты сгорания QсН .

Определение молекулярной массы фонтанирующего газа, состоящего из нескольких компонентов, можно провести по соотношению:

[11]

где: Мi - молекулярная масса i-го компонента, кг /(кмоль),

- содержание i-го компонента в смеси, % об.

Это излучение воспринимается поверхностью шара

,м2 [12]

С возрастанием радиуса шара интенсивности, излучение снижается, так как возрастает поверхность, воспринимающее это излучение. Согласно рис.1 и известной теореме Пифагора, для расчёта мощности теплового потока, поступающего на поверхность земли. В уравнении 12 проведена замена R на её составляющие.



[13]

Таким образом, мощность лучистого теплового потока от пламени на различных расстояниях от устья скважины может быть рассчитана по уравнению:

[14]

Для определения границы искомых зон и времени воспламенения древесины от излучения пламени рекомендуется по формулам (1;2) провести расчёты и представить их виде

M(CH4) = 16,04 г/моль

M(C3H8) = 44,1 г/моль

M(N2S) = 34,08 г/моль

M(CS2) = 76,1 г/моль

Тогда

qn = 36836,655314*(1-0,12)*12,7546=36836,655314*0,88*12,7546= 413456,387

h0 = 0,253+0,12=0,373

Qл = hл*qn(1- hx)*V = 0,253*413456,387*(1-0,12)*12,7546 = 1174085,546

кВт/м2 [15]

0.кВт/м2

1. кВт/м2

2. кВт/м2

3. кВт/м2

4. кВт/м2

5. кВт/м2

6. кВт/м2

7. кВт/м2

8. кВт/м2

9. кВт/м2

10. кВт/м2

11. кВт/м2

12. кВт/м2

c

1. с

2. с

3. с

4. с

5.с

6. с

7. с

8.с

9. с

10. с

11. с

12. с

13. с

L,м	0м	1м	2м	3м	4м	5м	6м	7м	8м	9м	10м	11м	12м
q,сек	35,829	35,482	34,575	33,125	31,288	29,206	27,01	24,805	22,669	20,654	18,788	12,955	11,783
кВт/м	0,0002183	0,000224	0,0002396	0,0002678	0,0003106	0,000372	0,0004552	0,000568	0,0007179	0,0009145	0,00117	0,003075	0,003935

1. Зависимость мощности потока от расстояния, до устья скважины.

2. Зависимость времени воспламенения от расстояния, до устья скважины.

5. Адиабатическая температура потухания.

За адиабатическую температуру потухания можно принять минимально возможную температуру горения, например: температура горения на нижнем концентрационном пределе распространённым пламени (НКПР).

Порядок расчёта:

Определим НКПР() для индивидуальных горючих компонентов в газовой смеси, например по Апромаксиционной формуле:

,% [16]

где: n - число молей кислорода, необходимое для полного сгорания одного моля горючего вещества, находят из уравнения реакции горения.

a и b - константы, имеющие определённые значения для НКПР, в зависимости от значения n.

a = 8,684

b = 4,679

Метан

Пропан

Сероводород

Сероуглерод



Нижний концентрационный предел распространения пламени всей смеси.

, % [17]

где: Mi - для компонента смеси,

- НКПР для индивидуального горючего компонента в газовой смеси.

Доля компонента смеси определяется по формуле:

[18]

где: Vi - количество вещества компонента смеси,

Vсм - количество вещества каждого компонента.

Количество вещества каждого компонента

[19]

Метан

Пропан

Сероводород

Сероуглерод

Количество вещества всей смеси:

Метан

Пропан



Сероводород

Сероуглерод

%

Для нахождения коэффициента избытка воздуха на КНПР для данной смеси газов рассчитывали теоретический объём воздуха.

[20]

где: - сумма произведений стехиометрических коэффициентов реакции горения каждого компонента горючей смеси,

Vi - на % содержание этого компонента,

- в смеси,

- процентное содержание кислорода в газовой смеси.

Метан

Пропан

Сероводород

Сероуглерод

[21]

[22]

Для расчёта адиабатической температуры потухания методом последовательных приближений из уравнений химической реакции горения определим объём и состав продуктов горения.

Определим объём и число молей продуктов горения, образовавшихся при сгорании исходной смеси, содержащую:

CH4, - 75 % ,

C3H8 - 10 % ,

H2S - 5 % ,

CS2 - 10 %.

Используя приведённые выше химические уравнения реакции их горения.

Суммарный объём горения с учётом избытка воздуха составит:

[23]

Рассчитывается теплосодержание продуктов горения:

[24]

кДж/м3

Определяем первую приближённую температуру ориентируясь на азот количество, которого в продуктах наибольшее.

Q=2854,6875+3947,7678+15228,8392+686,3839+18415,991=41133,6694

Q3 - 1000

Q3 = 2315,6249+3187,9464+12478,0803+15076,3035 = 33619,339

Q2 - 1100

Q2 = 2582,8124+3567,8571+13873,3928+623,8839+16746,1473 = 37394,093

1100 - 1085 = 15

6) Удельный расход воды на тушение фонтана

Для расчёта теоретического ( минимального) расчёта воды на тушение теплосодержания продуктов горения при температуре потухания:

[25]

где: Н - теплосодержание i-го продукта горения (CO2; H2O; N2) при температуре потухания.

1000/1100

Q = (1,05*50,255)+(1,85*39,29)+(0,25*51,14)+(8,93*31,825) =

= 52,767+72,686+12,785+284,197 = 422,435 кДж/моль

Qпот = (1,05*2243,526)+(1,85*1754,017)+(0,25*1420,756)+(8,93*2283,035) =

= 2355,702+3244,931+355,189+20387,502= 26343,324 кДж/моль

Расчёт количества тепла необходимо для отвода зоны пламени для снижения температуры горения до температуры потухания:

[26]

где QH - низшая теплота горения газовой смеси. - теплосодержание продукта температуры потухания.

- теплосодержание продуктов горения при температуре потухания.

Qотв = 36836,655-26343,324 = 10493,331 кДж/м

Минимальный удельный расход воды рассчитывается по соотношению:

кДж [27]

где Qох - охлаждающий эффект воды.

Очевидно, что охлаждающий эффект воды при её нагреве от начальной температуры до температуры потухания, может быть определён по соотношению:

Qох = C(Tкип-То) +Qисп+Сn(Тпот-Ткип)

где Ткип = 100C, То - начальная равна 20 С

С - теплоёмкость воды (4,2 кДж/кг*К)

Сn - теплоёмкость водяного пары (2,52 кДж/кг)

Qисп - скрытая теплота парообразования воды (2260 кДж/кг)

ох =4,2*(100-20)+2260+2,52*(1085,226-100) = 4,2*80+2260+2,52*985,226 =

= 336+2260+2482,769 = 5078,769 кДж/кг

кДж

7) Минимальный секундный расход воды.

[28]

где Vmin - секундный расход газа

- минимальный удельный расход воды

Vmin = 2,066*12,754 = 26,349

По данным рассчитывается удельный расход воды:

л/м3 [29]

где Vф - фактический секундный расход воды на тушение газового фонтана

V - секундный расход газа

л/м3

8) Коэффициент использования воды.

Определить коэффициент использования огнетушащего средства при тушении газового фонта.

[32]

где - минимальный удельный расход воды.

9. Результаты расчёта представляем в виде итоговой таблицы

Дебит, млн. м /сут.	Теплота пожара,кВт	Границы зоны теплового воздействия пожара,м	Удельный расход воды,л/м	Коэффициент использования огнетушащего вещества
		Мощность теплового потока
1,102	36836,655	0	6	11	расчет	фактич
		35,829	27,010	12,955	2,066	3,9203	0,527



10. Выводы

1.В результате проведенных расчётах определены параметры горения газового фонтана мощность фонтана 1,1020 млн.м3/сут. И действительную температру его горения 1085,226

2. Прекращение горения любого вещества достигается путём физического или химического воздействия на реакцию горения, в результате чего происходит уменьшение количества выделяющегося тепла, снижение температуры горения и в конечном счете прекращение реакции.



Библиографический список

1. Абдурагимов И.М, Говоров В.Ю, Макаров В.Е. «Физико-химические основы развития и тушения пожаров». РИО ВИПТШ МВД СССР, М.,1980 г.

2. Андросов А.С., Салеев Е.П. Примеры и задачи по курсу «Теория горения и взрывы». -М.,2008 г.

3. Бобков С.А., Бабурин А.В., Комраков П.В. Примеры и задачи по курсу «Физико-химические основы развития и тушения пожаров», М.,2010 г.

4. Физико-химические основы развития и тушения пожаров:учеб. пособие / Г.А. Тихановская, Е.А. Фокичева. - Вологда: ВоГТУ, 2012. - 109 с.

5. Высшая инженерная пожарно-техническая школа МВД СССР «Физико-химические основы развития и тушения пожаров». И.М. Абдурагимов,

В.Ю. Говоров, В.Е. Макаров. 1980 г.

Размещено на Allbest.ru

...