Физико-химические основы развития и тушения пожаров

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

по дисциплине «Физико-химические основы развития и тушения пожаров»

 

 

 

                                                  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

“Физико-химические основы развития и тушения пожаров ” - прикладная дисциплина, предметом изучения которой являются физические и химические процессы и явления, происходящие при возникновении, развитии и прекращении горения на пожаре. Знание основных закономерностей возникновения, протекания и прекращения горения позволяет эффективно решать конкретные задачи профилактики и тушения пожаров. Материал курса является основой при проведении пожарно-технических экспертиз.

Интерес к горению связан с постоянным желанием человека использовать энергию, выделяющуюся при этом процессе в  печах, топочных устройствах, реактивных двигателях, т. е. изучать явления  организованного горения. Особенно большие успехи были достигнуты при  исследовании явления горения в  двигателях внутреннего сгорания и  реактивных двигателях, взрывчатых веществах, составах и других энергосистемах.

Рост  объемов производства, а также  неуклонный рост числа пожаров повысил  интерес к проблемам неорганизованного  горения. Пожары стали рассматривать  как комплекс взаимосвязанных процессов  и явлений. Начались разработки новых  огнетушащих веществ, новых способов применения уже существующих.

Борьба  с пожарами, а значит и развитие науки о пожарах в целом, в  том числе и изучение процессов  горения на пожаре, стали очень  важной задачей современного общества. Слишком велик экономический  и моральный ущерб, наносимый  пожарами в современном мире.

Приступая к выполнению курсовой работы, необходимо представлять, что горение - основной процесс на пожаре. Знание сути явления, законов горения, механизмов и способов его прекращения необходимы для  успешной работы инженера пожарной безопасности в любой области его деятельности.

 

Содержание

Введение…………………………………………………………………………...3

Содержание………………………………………………………………………..4

I Теоретическая Часть

1. Стадии и фазы развития пожара в помещении…………………5
2. Тепловая теория прекращения горения……………………………...6
3. Инертные разбавители…………………………………………………10
4. Комбинированные и прочие средства  тушения………..…………....12

II Практическая часть

1. Методика расчёта

1. Методика расчёта безопасного расстояния для личного состава при тушении газового фонтана  этана………………………………………...........14
2. Методика расчёта массовой скорости выгорания гексанав резервуаре диаметром d=8м…………………………………………………………16

2.Расчётная часть

2.1 Расчёт  безопасного расстояния для личного  состава при тушении газового фонтана этана…….…………………………………...........................17

2.2 расчёт  массовой скорости выгорания  жидкости………………………18

Заключение………………………………………………………………………19

Список литературы………………………………………………………...……20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Стадии и фазы развития пожара в помещении.

 

 

Начальная стадия пожара, переход возгорания в пожар (фаза I). Рост зоны горения в первые 10 минут развития пожара. Физико-химический процесс развития горения внутри помещения. Методика применения первичных средств для тушения пожара. 

Стадия объемного  развития пожара (Фаза II). Развитие горения в помещении через 30-40 минут. Температурные процессы. Поведение горючих материалов в зоне пожара, конструкции здания. Эффективные средства пожаротушения, стационарные системы. Контроль и обслуживание систем пожаротушения.

Затухающая  стадия пожара (Фаза III). Процесс выгорания (горючей загрузки) горючих материалов. Особенности поведения строительных конструкций здания в условиях высоких температур пожара. Оценка прочности конструкций здания после пожара.

Предварительное планирование боевых действий членов добровольных противопожарных формирований по тушению пожара первичными средствами пожаротушения в помещении.

Определение резерва времени для работы со средствами пожаротушения.

Требования  ГОСТ 12.1.004-91. «Пожарная безопасность. Общие требования». 

Определение площади зоны риска (площади пожара). Выбор и определение необходимого количества средств пожаротушения.

Выбор и определение  необходимого количества пожарных кранов для тушения пожара.

Определение количества и порядка действий членов добровольных противопожарных формирований при тушении пожара.

Основные  факторы пожара, которые необходимо учитывать при расчете сил  и средств на пожаротушение;

- удельная  массовая скорость выгорания  и низкая теплота сгорания  некоторых веществ и материалов;

- дымообразующая  способность некоторых веществ  и материалов;

- удельный  выход токсичных газов при  горении некоторых веществ;

- удельный  расход кислорода и объем воздуха,  необходимого для сгорания 1 кг некоторых веществ или материалов;

- линейная  скорость распространения пламени  по поверхности некоторых материалов;

- интенсивность  подачи воды на тушение пожара.

Фактический расход воды на внутреннее пожаротушение.

Порядок использования огнетушителей и  подручных средств пожаротушения. Технические характеристики огнетушителей.

 

2.Тепловая теория  прекращения горения.

 

Согласно тепловой теории задача прекращения  пламенного горения сводится к снижению температуры в зоне химических реакций  до температуры потухания. Это достигается  нарушением теплового равновесия в  зоне горения в стоpону увеличения интенсивности процессов теплоотвода. Аналитически зависимость интенсивности  тепловыделения q⁺ в единице объема от вида горючего, состава горючей смеси и температуры описывается уравнением вида:

,                                      (4)

где Q_н - низшая теплота сгорания горючего; k₀ - предэкспоненциальный множитель; j_г и j_ок - концентрация горючего и окислителя соответственно; Е - энергия активации; R -универсальная газовая постоянная; Т - температура; n и m - порядки реакции по компонентам.

Интенсивность процесса теплоотвода  от фронта пламени в расчете на единицу объема зоны горения описывается  уравнением:

,                                   (5)

где a - коэффициент теплопередачи; x - степень черноты пламени; d - константа Стефана-Больцмана; S - площадь поверхности теплообмена; V -объем зоны горения.

Физико-химические способы воздействия на q⁺ и q^- вытекают из анализа этих уравнений. Действительно, среди тех параметров, которые определяют интенсивность тепловыделения (4), мы можем эффективно влиять на концентрации реагирующих веществ j_г и j_ок , k₀ и Е. Повлиять на интенсивность теплоотвода можно путем увеличения коэффициента теплопередачи, удельной поверхности теплообмена, а также степени черноты пламени (5). Такое весьма упрощенное представление о механизме тушения пламени позволяет проанализировать различные способы прекращения горения на пожаре и механизмы действия огнетушащих веществ.

 

Тепловая  теория прекращения горения.

Как известно, боевая работа на пожаре ведется, в  общем случае, сразу по нескольким направлениям: спасание людей, сохранение материальных ценностей, прекращение  горения. В рамках данной дисциплины рассматривается только одна составляющая тушения пожара - прекращение горения, общие принципы, пути и способы  достижения этой цели. Важность понимания  этих вопросов обусловлена тем, что  на пожаре основным процессом является процесс горения. Поэтому, с физической точки зрения, прекращение горения  во всех его видах означает ликвидацию пожара.

Обычно, при рассмотрении вопросов, связанных  с возникновением и прекращением горения используют понятие "классического  треугольника горения". Суть его  сводится к тому, что процесс горения  возникает и развивается когда  во времени и пространстве сходятся: горючее вещество, источник зажигания  и окислитель (рис. 1). Если разорвать  любую связь или исключить  один из элементов данной схемы горение  станет невозможным.

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Схема "классического треугольника горения".

Пламенное горение на пожаре является диффузионным. Т.е. газообразное горючее непрерывно поступает в зону горения, смешивается  с газообразным окислителем и  воспламеняется от источника зажигания. На пожаре таким непрерывно действующим  источником зажигания является само пламя. Следовательно, ликвидация факела пламени означает исключение из треугольника пожара одного угла - источника зажигания  и является условием необходимым  для прекращения горения. Однако выполнение только этого условия  не всегда достаточно для тушения  пожара. Так, при горении многих твердых  материалов (древесностружечных плит, древесины и т.д.) температура  поверхности составляет 60(Н700°С, что  вполне достаточно для зажигания  выделяющихся газообразных продуктов  пиролиза и в отсутствие пламени. В таких случаях достаточным  условием для тушения пожара является прекращение поступления горючих  газов в зону горения, т.е. ликвидация еще одного угла треугольника пожара - горючего вещества.

Наиболее  распространенной и наиболее научно обоснованной теорией прекращения  процессов горения является тепловая теория потухания пламени. Суть ее сводится к тому, что в результате нарушения  теплового равновесия в зоне химических реакций горения при определенных условиях самопроизвольное и непрерывное  протекание этих реакций становится не-

 

 

возможным и процесс горения прекращается. Это происходит тогда, когда температура  в зоне горения снижается до некоторого критического значения 7,кр=7,пл - AT. В  результате анализа параметров горения  предварительно неперемешанных газов  в зависимости от интенсивности  подачи горючих компонентов в  зону реакции Я.Б. Зельдович получил  максимально возможную величину снижения температуры пламени - АТт:

2 ад 

 

3RT

AT    *------- ^                                       (1)

ад       Е

где R - универсальная  газовая постоянная, 8,32 кДж/моль:

Гид - адиабатная температура пламени, ~ 2300 К:

Е - энергия  активации, Ш 126000 кДж/моль. Подставив  численные значения входящих величин, получим критическую температуру  пламени или теоретическую температуру  потухания:

Т      кТ    _J^Mи2300- 3• 8,32-529-104 кП50к

пот      ад        Е                      п6104

То есть адиабатная температура потухания  пламени составляет около 1000°С.

Действительная  температура пламени, даже при кинетическом горении, значительно меньше Тт вследствие потерь тепла из зоны горения излучением. В диффузионных пламенах, которые  наиболее часто встречаются в  условиях горения на пожаре, доля тепловых потерь на излучение значительно  больше. Во-первых, потому, что у диффузионных пламен выше светимость, из-за наличия  в них твердых частиц углерода (сажи), которые не успевают сгорать  до СО и С02 из-за недостатка кислорода. Во-вторых, диффузионные пламена имеют  более протяженную зону реакции  и, соот­ветственно, большую поверхность  излучения и меньшую интенсивность  тепловыделения в расчете на единицу  объема. Строго говоря, для диффузионных пламен тепловая теория потухания вообще несправедлива, так как

 

 

в этом случае скорость химических реакций в зоне горения зависит не только от температуры, но и от скорости диффузии горючих  компонентов в зону реакции. В-третьих, при диффузионном горении на величину тепловых потерь от факела пламени  существенно влияет конвективный теплообмен с окружающим пространством. В сумме  эти потери для диффузионных пламен составляют около 40%, от всего тепла, выделяющегося в зоне горения.

Тем не менее, тепловая теория потухания даже в  существенно упрощенном виде дает удобный  инструмент для физического обоснования  способов и средств прекращения  горения на пожаре.

Согласно  тепловой теории потухания задача прекращения  пламенного горения сводится к снижению температуры в зоне химических реакций  до температуры потухания. Это достигается  путем нарушения теплового равновесия в зоне протекания химических реакций  горения, т.е. нарушения баланса процессов  тепловыделения и теплоотвода.

Аналитически  зависимость интенсивности тепловыделения в единице объема (q+) от вида горючего, состава горючей смеси и температуры  описывается уравнением вида: