Расчет основных параметров горения и тушения пожара газового фонтана

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ

 

Академия Государственной  противопожарной службы

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Физико-химические основы

развития и тушения пожаров»

 

 

«Расчет основных параметров горения и тушения пожара газового фонтана»

 

 

                                                                        Выполнил: Слушатель

3Акурса

           Насибуллин Н.Ф.

Номер зачетной книжки 11088

 

 

 

                                             

          Проверил:  ___________

 

 

Москва 2013 г.

1.  Исходные  данные

 

Задание: компактный газовый фонтан состава (табл. 1), истекающий через устье диаметром d_y (табл. 2), имеет высоту факела пламени Н (табл. 2).

Химический недожог в зоне горения составляет h_Х от низшей теплоты сгорания (табл. 3). Тушение пожара осуществляется одним из двух способов (табл. 4).

№ таблицы
1	2		3	4
	Верт.	Гор.
3	3	7	5	2

 

Таблица 1

Состав газового фонтана

№№ п/п	Компонент	Содержание компонента, % об. по 3 варианту
1	Метан	70
2	Этан	20
3	Пропан	–
4	Сероводород	–
5	Сероуглерод	4
6	Азот	–
7	Диоксид углерода	2
8	Кислород	4

 

Таблица 2

Параметры газового фонтана

№ варианта	Диаметр устьевого оборудования, мм	Вариант: 7
		Высота факела пламени, м
3	150	28

Таблица 3

Вариант	Химический недожог (в долях от низшей  теплоты сгорания)
5	0,07

Таблица 4

Вариант	Способ тушения газового фонтана
2	Водяные струи из лафетных стволов

 

Рассчитать:

1. Дебит газового фонтана D (млн. м³/сутки).
2. Адиабатную температуру горения, °С.
3. Действительную температуру горения, °С.

4. Изменение интенсивности лучистого теплового потока в зависимости от расстояния до устья скважины q_Л, кВт/м². Определение безопасного расстояния h_d, м.

5. Адиабатическую температуру потухания Т_П, °С.
6. Минимальный секундный расход воды, V, л/с.
7. Удельный расход воды на тушение фонтана, V_УД, л/м³.

8. Коэффициент использования воды, К_И.

 

Решение:

1. Дебит газового фонтана D рассчитываем по высоте факела пламени по формуле:

                                                   

                                                 (1)

где  D – дебит газового фонтана, млн. м³/сутки,

        Н_Ф – высота факела пламени, м.

По (1) с учетом числовых значений имеем:

 млн. м³/сутки.

 

2. Режим истечения газовой струи  определяем сравнением эффективной  скорости истечения со скоростью  звука (V₀). Эффективную скорость истечения определяем по формуле:

                                                   (2)

где  V – секундный расход газа, м³/с;

        d – диаметр устья скважины, м.

Так как  м³/с; то по (2) с учетом d = 0,150 м имеем:                                     м/с.

Эта скорость больше скорости звука V_B = 430 м/с.

 

3. Расчет адиабатической ( ) и действительной ( ) температур горения производим методом последовательных приближений с учетом состава газового газового фонтана.

Адиабатическую температуру горения  находим при условии отсутствия теплопотерь (h = 0) для стехиометрической смеси горючего с воздухом, т.е. при a = 1.

Запишем уравнение горения компонентов  смеси в воздухе:

– для метана:             CH₄ + 2O₂ + 2×3,76N₂ = CO₂ + 2H₂O + 2×3,76N₂             (3)

– для этана:     C₂H₆ + 3,5O₂ + 3,5∙3,76N₂ = 2CO₂ + 3H₂O + 3,5∙3,76N₂           (4)

– для сероуглерода:        СS₂ + 3O₂ + 3×3,76N₂ = CO₂ + 2SO₂ + 3×3,76N₂.       (5)

Объем продуктов горения  составляет:

– для реакции (3):

– для реакции (4):

– для реакции (5):   

Низшую теплоту сгорания компонентов  и смеси рассчитаем по закону Гесса, взяв значения теплоты образования веществ по справочникам:

– для реакции (3):

– для реакции (4):

– для реакции (5):

Так  как  теплопотери  отсутствуют, то все выделившееся тепло  идет на нагревание продуктов горения. Зная объемное содержание компонентов  в смеси и учитывая, что все  компоненты газы, рассчитаем их соотношение  в смеси: j_СН4 = 0,70; j_С2Н6 = 0,20; j_СS2 = 0,04.

 Среднее теплосодержание   продуктов горения будет составлять:

 

Воспользовавшись зависимостью теплосодержания газов от температуры, можно установить, какой температуре соответствует такое теплосодержание. Лучше всего это сделать, ориентируясь на азот, так как его больше всего в продуктах горения. Из справочных данных видно, что при  температуре 2200^oС теплосодержание азота 74,1 кДж/моль. Уточним, сколько потребовалось бы тепла, чтобы нагреть продукты горения до такой температуры.

При Т₁ = 2200 ^oС:

                             

                          (6)

подставляя численные значения теплосодержаний этих газов получим:

Q₁ = 120,8×1,16+118,5×0,08+98,8×2+74,1×8,35 » 839,943 кДж.

Но это меньше, чем выделилось тепла в результате реакции горения:

Q₁ = 839,943 < Q_н = 930,59 кДж/моль.

Поэтому можно сказать, что температура горения больше, чем 2200^oС.

Определим, сколько тепла потребуется  для нагревания продуктов горения  до 2300 ^oС.

При Т₂ = 2300 ^oС

Q₂ = 126,9×1,16+124,2×0,08+104,2×2+77,8×8,35 = 1071,006 кДж.

Имеем Q₂ > Q_н, значит Т_г < 2300 ^oС.

Следовательно, температура горения имеет значение между 2200^oС и 2300^oС.  Уточним эту температуру линейной интерполяцией между двумя этими ближайшими значениями:

°С » »2240°С.

Таким образом, искомая  адиабатическая температура: = 2240°С.

 

При расчете действительной температуры  горения учитываются потери тепла  в результате  химического недожога в зоне горения, когда образуются продукты неполного горения (СО, С, С_n, и др.) и потерь тепла излучением факела пламени:

                                                                                

,                                                                      (7)

где  h₀ – общие теплопотери при горении факела  пламени (доли  от  низшей  теплоты сгорания);

         h_Х – химический  недожог;

          h_П – теплопотери излучением  пламени.

Величина  химического  недожога  задана  по  условию  и  h_Х = 0,15.  Теплопотери излучением  пламени газового  фонтана определим по  формуле:

                                                                                                                                               (8)

где  М – молекулярная масса  фонтанирующего  газа, которую  определяем  по  формуле:

                                                      

                                                 (9)

где  M_i – молекулярная масса i-го составляющего компонента газового фонтана;

          j_i – доля  i-го компонента.

С учетом числовых значений и полагая, что М(СН₄) = 16; М(С₂H₆) = 30;  M(СS₂) = 76; М(СО₂) = 44 и М(О₂) = 32, по (9) получим:

Далее по (8) и (7) имеем:

Тогда потери тепла составят:

 кДж/моль.

Фактическое количество выделившегося  тепла:

 кДж/моль.

Среднее теплосодержание  продуктов  горения при этом будет составлять:

Далее, снова воспользуемся  зависимостью теплосодержания газов  от температуры, установим, какой температуре соответствует такое теплосодержание. Делаем это, ориентируясь на азот, так как его больше всего в продуктах горения. Из справочных данных видно, что при температуре 1500^oС теплосодержание азота 48,8 кДж/моль. Уточним, сколько потребовалось бы тепла, чтобы нагреть продукты горения до такой температуры.

При Т₁ = 1500 ^oС подставляя численные значения теплосодержаний этих газов получим:

Q₁ = 78,6×0,96+78,4×0,07+62,3×1,99+48,8×7,614 = 576,4842 кДж.

Но это больше, чем выделилось тепла в результате реакции горения:

Q₁ > Q_Ф = 491,313 кДж/моль.

Поэтому можно сказать, что температура горения меньше, чем 1500^oС.

При Т₂ = 1400 ^oС подставляя численные значения теплосодержаний этих газов получим:

Q₂ = 72,7×0,96+72,8×0,07+57,4×1,99+45,3×7,614 = 534,0282 кДж.

Но это больше, чем выделилось тепла в результате реакции горения:

Q₂ > Q_Ф = 491,313 кДж/моль.

Поэтому можно сказать, что температура горения меньше, чем 1400^oС.

При Т₃ = 1300 ^oС подставляя численные значения теплосодержаний этих газов получим:

Q₃ = 66,8×0,96+67,2×0,07+52,6×1,99+41,7×7,614 = 491,0098 кДж.

Q₃ уже несколько меньше, чем Q_н, из этого можно сделать вывод, что температура горения имеет значение около 1300^oС. Разница незначительная, поэтому считаем, что искомая  действительная  температура горения: Т_Г = 1300°С.

 

4. Изменение интенсивности лучистого теплового потока в зависимости от расстояния до устья скважины q_Л, кВт/м² определяем из соотношения:

                                                    

                                               (10)

где  V – секундный расход газа, м³/с;

        R – расстояние от половины высоты факела пламени газового фонтана до поверхности земли, м.

При этом R определяем по формуле:

                                                  

                                                (11)

Из (10) с учетом (11) получим:

                                                

                                           (12)

По уравнению (11) строится график зависимости q_Л = f(L). С учетом числовых значений имеем:

                                   

                     (13)