Главная | Обратная связь

Температура пламени некоторых горючих веществ и теплотворных процессов

Горючее вещество	Температура пламени (тления или нагрева), 0С	Время горения, мин.
Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости		-
Древесина и пиломатериалы		-
Природные и сжиженные газы		-
Газовая сварка металла		-
Газовая резка металла		-
Тлеющая сигарета	420…460	26…30
Тлеющая спичка	620…640	0,33

 

Время излучения определяется временем существования факела и зависит от физико-химических свойств горящего вещества, его количества, условий горения и принятия мер по прекращению существования факела. При свободном горении время излучения равно:

t_изл= , с, (3.18)

где М – масса горящего вещества, кГ;

V_m – скорость выгорания горящего вещества, кг/(м²с);

F – площадь горения, м.

Теплообмен излучением в замкнутой системе (такой системой может быть, например, помещение), состоящей из источника зажигания (факела пламени) и облучаемой поверхности (горючей среды) произвольной формы, произвольно расположенными в пространстве при постоянстве лучистых потоков во времени и отсутствии поглощения излучения средой между ними описывается уравнением теплообмена, в соответствии с которым интенсивность облучения поверхности (среды) равна

, (3.19)

где 5,7 – коэффициент излучения абсолютно черного тела Вт/(м²К⁴),

‑ приведенная степень черноты системы факел пламени – горючая среда;

e_ф, e_с – степень черноты факела и среды: при горении дерева e_ф=0,7, нефтепродуктов e_ф=0,85. Значения e_с приводятся в справочниках и другой литературе по теплотехнике и теплопередаче [10, 14, 24, 25 37 и др.].

, ‑ средние по поверхности коэффициенты облученности факела на среду и среды на факел;

Т_ф Т_св – температуры факела и самовоспламенения среды, °К.

В условиях открытых систем для определения интенсивности облучения горючей среды чаще всего используют эмпирическую зависимость:

, (3.20)

где c - коэффициент, характеризующий источник излучения. При объемном источнике c=0.08, плоском – 0.02;

q_n=Q_nV_m – удельная теплота источника излучения, Вт/м²;

e_с – коэффициент поглощения излучения средой (воздухом), e_с=e^-kr (для расстояний r, имеющих практическое значение, e_с≈1).

Q_n - теплота сгорания горючего материала, Дж/кг. Теплота сгорания и скорость выгорания некоторых горючих материалов приведены в табл. 3.12.;

Д – характерный размер источника излучения (факела пламени). Определяется как корень квадратный из площади излучаемой поверхности источника Д= , где F=ab, если факел пламени может быть аппроксимирован цилиндром и F= ab, если он может быть аппроксимирован конусом; a и b соответственно горизонтальный и вертикальный размеры факела, м. При горении дома размер «а» принимается равным длине дома, «в» - высоте дома от поверхности земли до конька крыши. Штабеля пиленого леса – «а» - длине штабеля, «в» - (2…2,5) H_ш, где H_ш – высота штабеля [33]. Горючей жидкости, разлитой по поверхности земли или воды – «а» - диаметру пятна жидкости, «в» - (1,75…2,5)а [34]. Во всех случаях излучающая поверхность, обращенная к облучаемому объекту, рассматривается как прямоугольник. При горении нефтепродуктов в резервуарах со свободной поверхностью размер «а» принимается равным диаметру резервуара, «в» - 1,5·а при горении легковоспламеняющихся нефтепродуктов и «а» при горении горючих жидкостей. Излучающая поверхность представляется равнобедренным треугольником [34].

Действие искровых разрядов проявляется в контакте горючей среды с каналом разряда. Температура в канале молнии достигает 20000 ^оС, а время ее действия составляет около 100 мкс. Диаметр главного канала молнии может быть от 10 до 25 см. В общем случае длительность искрового разряда изменяется в широких пределах от 10^-6 до 10^-5 с. Энергия искрового разряда, возникающего в результате индукционного и электромагнитного воздействия атмосферного электричества, на производственное оборудование, может достигать 250 мДж и более, при заносе высокого потенциала 100 Дж и более. При увеличении мощности источника искровой разряд переходит в дуговой. При дуговых разрядах температура газа в канале дуги достигает 5000…6000 ^оC.

Электрические искры, образующиеся при коротком замыкании электропроводки, электросварке, плавлении электродов ламп накаливания, представляют собой капли расплавленного металла. Размер капель при коротком замыкании и плавлении нитей накаливания ламп достигает 3 мм, а при электросварке 5 мм. Температура капель зависит от вида металла и равна температуре его плавления. Методика расчета количества теплоты, которое источники зажигания способны отдать горючей среде, приведена в работе [30].

В соответствии с методикой количество теплоты, отдаваемое каплей горючему веществу, вычисляется по формуле:

Q=V_kr_kc_t(t_k-t_св), дж, (3.21)

где - объем капли, м³; d_k – диаметр капли, м; r_k – плотность металла, кг/м³; c_t – удельная теплоемкость металла при температуре 0,5 (t_k+t_св), Дж/(кг·^оС); t_св – температура воспламенения горючей среды, ^оС;

, температура капли в конце полета, ^оС;

С_n – удельная теплоемкость металла капли при температуре 0,5(t_k+t_П), ;

t_n – температура плавления металла, ^оС;

m_k=V_kr_k – масса капли, кГ;

Q_k=Q_н-(Q_кр+Q_охл) – тепловой запас капли в конце полета, Дж;

Q_н=m_k· ·t_n – количество теплоты в начале полета капли, Дж;

Q_кр=m_k·c_кр – количество теплоты, затраченное на кристаллизацию капли металла, Дж;

Q_охл=a·S_k· ·(t_n- ) – количество теплоты, затраченное на нагрев воздуха при полете капли, Дж;

С_tп – удельная теплоемкость металла при температуре t_п, Дж/(кг·^оС);

С_кр – удельная теплота кристаллизации металла капли, Дж/кг;

S_к=πd_k ²‑ площадь поверхности капли, м² ;

t_п – время полета капли до соприкосновения с горючим веществом, с;

t’_к=800 ^оС – первоначально принимаемая температура капли в конце полета;

‑ коэффициент теплоотдачи капли, Вт/(м²К);

l_в=22·10^-3 – коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м·К);

Nu=0,62·Re^0,5 – критерий Нуссельта;

‑ число Рейнольдса;

w_к ‑ средняя скорость полета капли при свободном падении,м/с; g=9,81м/с² ‑ ускорение свободного падения;

H – высота падения, м;

n=15,1·10^-6–коэффициент кинематической вязкости воздуха при температуре 20^оС, м²/с;

Если температура капли t_к отличается от первоначально принятой t’_к=800 ^оС на 5% и более, расчет Q_охл, Q_н и t_к повторяют, задавшись новым значением t_к.

Время передачи тепла горючему веществу определяется временем остывания капли и может быть найдено из соотношения:

t= ln( ), с, (3.22)

где m – коэффициент, характеризующий темп остывания, с^-1. Определяется экспериментально с использованием зависимости по результатам двух измерений превышения температуры капли n₁ и n₂ над температурой окружающей среды, соответствующих моментам времени t₁ и t₂ , или рассчитываемый по формуле:

,

где – коэффициент, определяемый отношением средней по поверхности F капли избыточной температуры n_F к средней по ее объему V температуры n_V;

a= - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²град);

Q – количество тепла, отдаваемое поверхностью F при изменении ее температуры от t_n до t в течение времени t;

С_v – объемная теплоемкость металла капли, Дж/(м³град);

n^/ и n^// - превышение температуры капли над температурой горючей среды в начале и в конце остывания.

При определенных условиях источниками зажигания могут стать искры статического электричества, энергия которых может быть определена по формуле:

Q_u=0,5·C·u² , Дж; (3.23)

где С – емкость системы заряженное тело-земля, Ф;

u - напряжение между заряженным телом и землей, в.

Разность потенциалов u измеряют электрометрами в реальных условиях производства.

Большую опасность как источник зажигания представляет «контактная» электризация людей, работающих с движущимися диэлектрическими материалами. При соприкосновении человека с заземленным предметом могут возникать искры с энергией от 2,5 до 7,5 мДж. Зависимость энергии электрического разряда с тела человека и от потенциала зарядов статического электричества показана на рис. 3.5. [30].

Искры могут возникать от удара и трения. Размеры искр от удара и трения, представляющие собой раскаленную до свечения частичку металла или камня, обычно не превышают 0,5 мм. Температура их находится в пределах температуры плавления металла. Температура искр, образующихся при соударении металлов, способных вступать в химическое взаимодействие друг с другом с выделением значительного количества тепла, может превышать температуру плавления и поэтому определяется экспериментально или расчетным путем.

Количетсво теплоты, отдаваемое искрой, имеющей температуру t_н, горючей среде при температуре самовозгорания (самовоспламенения) горючей среды t_св, вычисляется по формуле (3.21), а время остывания по формуле:

t= · ·r_u·с_u, с, (3.24)

где F₀ - критерий Фурье, определяемый как функция критерия Био и отношения температур Q_П= , где t_в – температура воздуха, ^оС;

d_u – диаметр искры, м;

r_u – плотность металла искры при температуре t_св, кг/м³;

с_u – теплоемкость металла искры при температуре t_св, Дж/(кг·°К).

Критерий Био вычисляют по формуле:

,

где a - коэффициент теплоотдачи, вычисляемый в данном случае по формуле a=188 ; Вт/(м²·°К);

, м/с - скорость полета искры, образующейся при ударе свободно падающего тела. При ударе о вращающееся тело ее вычисляют по формуле W_u=2pnR, где n – частота вращения тела, с^-1, а R – его радиус, м. При работе с ударным инструментом W_u принимают равной 16 м/с, а высекаемой обувью с металлическими набойками или гвоздями – 12 м/с;

l_н – коэффициент теплопроводности металла искры при температуре t_св, Вт/(м²×°К).

Зависимость F₀=f(Bi,Q_П) приведена на рис. 3.6. На графике r - расстояние от оси тела, генерирующего искру, R – радиус тела.

Пожарная опасность искр котельных, транспортных средств и т.п. в значительной мере определяется их размером и температурой. Искры пожароопасны при диаметре 2мм и температуре около 1000⁰С, диаметре 3 мм и температуре 800⁰С, диаметре 5 мм и температуре 600⁰С. Количество теплоты, имеющееся в искре в начале, вычисляют по формуле:

 

Q_u=m_u· ·t_u, Дж, (3.25)

где m_u – масса искры, кг;

С_tu – удельная теплоемкость материала искры при температуре, соответствующей по пожароопасности ее диаметру t_u, Дж/(кг·°К);

t_u - температура искры, °К.

 

Для определения времени остывания искры (частицы металла) используется зависимость (3.24.) При расчете диаметр искры принимают равным 3 мм, а скорость ее полета вычисляют по формуле:

 

W_u= , , (3.26)

где W_в – скорость ветра, м/с;

H – высота трубы, м.

Источником зажигания может стать провод, нагреваемый током короткого замыкания или током при перегрузке сети. Количество теплоты, которое при этом будет передано горючей среде, может быть вычислено с использованием зависимостей (3.21) и (3.22). При этом температура проводника, нагреваемого током короткого замыкания, вычисляется по формуле:

°С, (3.27)

где t_н и с_пр – начальная температура (^оС) и теплоемкость (Дж/(кг·°К)) проводника;

I_кз – ток короткого замыкания, А;

R – сопротивление проводника, Ом;

t_кз- время короткого замыкания, с

m_пр- масса проводника, кг.

Если температура проводника и время короткого замыкания превышают температуру самовоспламенения t_св и время, необходимое для нагрева горючей среды до температуры 0,8t_св, проводник является реальным источником зажигания этой горючей среды.

Температуру нагрева электропровода при перегрузке вычисляют по формуле

, ^оС (3.28)

где t_ср и t_н – температура среды и нормативная температура провода, ^оС;

I_ф и I_д- фактический и допустимый ток провода, А.

Лампы накаливания как источники зажигания представляют опасность при их разрушении с образованием искр и длительном контакте с горючей средой. Для расчёта передаваемой горючей среде энергии и времени её передачи лампами и другими нагретыми телами могут быть использованы формулы (3.21) и (3.22).

Температура нагрева колбы электрической лампы накаливания зависит от её мощности, размеров и расположения в пространстве. Зависимости максимальной температуры на колбе горизонтально расположенной лампы от её мощности и времени приведены на рис. 3.7.

Интенсивность теплового потока источников зажигания, воспламеняющих горючую среду при контакте с ней, определяется по формуле

, вт/м² , (3.29)

где Q – количество отдаваемого источником тепла, Дж;

F- площадь поверхности источника, м²; t- время передачи тепла, с.

 

Для капли металла она с учётом формулы (3.21) может быть представлена в виде

, вт/м² , (3.30)

а для искрового разряда и провода, по которому протекает ток короткого замыкания, если их представить в виде стержня с длиной, равной толщине горючего материала, через который они проходят, по формуле

, вт/м² , (3.31)

где d_к- диаметр канала разряда (провода), м;

r_t и C_t - плотность воздуха (провода), кг/м³ , и теплоёмкость воздуха (материала провода) при температуре 0,5(t_к +t_св), Дж/кг×град;

t_к и t_св- температура канала (провода) и самовозгорания горючего материала, ^оС.

В других случаях может быть использована формула

, вт/м² , (3.32)

где V_из(м³) и F_из(м²)- объем и площадь поверхности источника зажигания;

r_из(кг/м³) и C_t(Дж/(кг×град))- плотность и теплоёмкость источника зажигания;

t_из и t_св - соответственно температура источника зажигания и самовозгорания горючего материала, ^оС. Величина теплового импульса, передаваемого горючему материалу за время контакта t с ним

или .

Возможность возникновения пожара на ОЭ определяется не только наличием потенциальных источников зажигания, но и пожароопасностью имеющихся на нём горючих материалов, которая зависит от физико-химических свойств материалов и их агрегатного состояния.

Горение различных, в том числе и твёрдых материалов, происходит, как правило, в газовой фазе. Газы горят послойно от зоны горения до полного выгорания горючей смеси. Горение горючих жидкостей имеет место в тонком светящемся слое газов, в который с поверхности поступают горючие пары, а из воздуха диффундирует кислород. При горении твёрдых материалов газы образуются в результате их разложения (пиролиза) при нагреве или испарении (для плавящихся материалов).

Основными температурными показателями пожароопасности твёрдых материалов являются температуры самонагревания t_сн, самовозгорания t_св и окружающей среды t, при которой при благоприятных условиях аккумуляции тепла достигается температура самовозгорания. При достижении температуры t_сн в материале начинаются экзотермические физико-химические превращения и он начинает нагреваться. Температура t_сн зависит не только от свойств вещества, но и от условий, и поэтому не может являться константой. При достижении температуры самовозгорания t_св горение возникает обязательно, независимо от условий её достижения. Поэтому температура t_св является специфическим показателем, определяемым физико-химическими свойствами вещества и имеющим характер его константы. Возникновение горения при температуре t_св может носить характер самовоспламенения или тления. Температурным показателем пожароопасности горючих материалов является также температура воспламенения t_в. Температура t_в характеризует минимальную температуру, при которых интенсивность выделения газообразных горючих продуктов разложения достаточна для их зажигания внешним источником и поддержании самостоятельного горения вещества при его устранении. Температура t_в так же, как и температура t_сн, зависит не только от свойств вещества, но и от условий, при которых происходит нагревание, и поэтому также не является его физической константой. При достижении температуры t_в в процессе нагревания горючего вещества источником зажигания его воспламенение произойдёт лишь в том случае, если теплопоглощение превысит теплопотери, что возможно лишь при определённых условиях. Таким образом, наиболее фундаментальным температурным показателем пожароопасности горючего вещества является температура самовозгорания.

Самовозгорание некоторых веществ происходит самопроизвольно при определённой температуре окружающей среды.

Минимальную температуру среды, при которой происходит тепловое самовозгорание, вычисляют из выражения

, (3.33)

а время нагревания вещества до момента самовозгорания из выражения

, (3.34)

где t_с – температура окружающей среды, ^оС;

t_с - время нагрева, ч;

А_р, А_b, n_р, n_b - эмпирические константы;

S - удельная поверхность тел, 1/м.

где F- полная наружная поверхность тела, м²;

V- объём тела, м³;

ℓ, b, h - размеры тела вдоль соответствующей координатной оси, м.

Для прямоугольного параллелепипеда: ℓ - длина, b - ширина, h - высота; для цилиндра: ℓ = b = D_ц, h - высота; для шара: ℓ =b=h=D_ш и т.д.

Возникновение горения при воздействии внешних источников с температурой ниже t_св относится к явлению самовозгорания, а при воздействии источников с температурой, равной t_св и выше - явлению возгорания. Наиболее характерной отличительной особенностью возгорания является то, что горение в этом случае всегда начинается локально в месте действия внешнего источника зажигания. Дальнейшее развитие процесса горения зависит от скорости химического превращения горючей смеси и от скорости тепломассообмена между пламенем, ещё не сгоревшим горючим материалом и окружающей средой. Характеризуют этот процесс горючесть, т.е. способность распространять горение; скорость распространения пламени и скорость выгорания горючего вещества. По горючести материалы разделяют на три группы:

- негорючие (несгораемые), не способные гореть в воздухе нормального состава;

- трудногорючие (трудносгораемые), способные загораться под действием источника зажигания, но не способные самостоятельно гореть после его удаления;

- горючие (сгораемые) материалы, способные к самостоятельному горению в воздухе нормального состава.

Пожароопасные и теплофизические свойства некоторых веществ и материалов приведены в табл. 3.12.

Возможность возникновения пожара связана с потенциальным действием источников зажигания на горючие, а при определённых условиях и трудногорючие, вещества и материалы ОЭ, в число которых входят горючие вещества и материалы, используемые в производственном процессе, а также горючие материалы строительных конструкций зданий и сооружений. Количество горючих материалов на ОЭ определяется его производственными потребностями и огнестойкостью зданий и сооружений. Пожароопасные свойства применяемых в технологическом процессе веществ и материалов определяют пожаровзрывоопасность производства.

Огнестойкость зданий и сооружений кроме возгораемости материалов, из которых они построены, включает в себя понятие огнестойкости строительных конструкций. Под огнестойкостью строительных конструкций понимается их свойство сохранять несущую и ограждающую способность в условиях пожара. Под потерей несущей способности подразумевается обрушение строительных конструкций. Признаком потери ограждающей способности строительной конструкции при пожаре принято считать образование в конструкции сквозных трещин или отверстий, повышение температуры на её обогреваемой стороне в среднем более чем на 140 ^оС или в любой точке этой поверхности более чем на 180 ^оС по сравнению с первоначальной температурой или более чем на 220 ^оС независимо от первоначальной температуры. Для оценки огнестойкости пользуются понятием предела огнестойкости. Под понятием предела огнестойкости подразумевается время, по истечении которого конструкция теряет несущую или ограждающую способность. Измеряется предел огнестойкости в часах и минутах.

В соответствии со строительными нормами и правилами [35] здания и сооружения по степени огнестойкости делятся на пять степеней (I-V). Степень огнестойкости характеризуется горючестью материалов и пределом огнестойкости конструкций здания или сооружения (несущих стен, стен лестничных клеток, перекрытий, перегородок, заполнений между стенами, брандмауэров).

В зависимости от характера технологического процесса, пожароопасности используемого в нём сырья и полуфабрикатов, их

количества предприятия и помещения по пожаровзрывоопасности в соответствии с нормативным документом [36] делятся на пять категорий (А, Б, В, Г, Д).

К категории А (взрывоопасной) относятся предприятия (помещения), в которых имеются горючие газы, легковоспламеняющиеся жидкости (ЛВЖ) с температурой вспышки менее или равной 28 ^оС и материалы, способные взрываться и гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом в таком количестве, что расчётное избыточное давление в помещениях более 5 кПа. К таким предприятиям относятся нефтеперерабатывающие, химические предприятия, предприятия по производству искусственного топлива, взрывчатых веществ, склады и базы для их хранения и т.п. предприятия.

 

Табл. 3.12. Пожароопасные и теплофизические свойства некоторых горючих веществ и материалов!Ошибка в формуле	Массовая скорость выгорания, Vm, кг/(м2·с)		0,08		—	0,015	0,015	—	0,0112	0,0067	0,016	—	0,0067
Линейная скорость выгорания, Vл=Vm/ρ, 10-4 м/с		0,7…1,1		—	0,3	0,3	—	0,093	0,048… 0,052	0,136	—	0,84
Температура, оС	Самовоспла-менения, tсв									—
Воспламе-нения, tв									—
Теплота сгорания, QV, МДж/кг		13,4		21,5	18,4... 20,9	18,9..20,9	31,4..36,8	33,4	20,9	27,7	17,6	13,8
Коэффициент тепло-проводности, λ, вт/(м·град)		0,14		—	0,18	0,09	—	0,16	0,23...0,34	0,184	0,042	—
Удельная теплоемкость, С, кДж/(кг·град)		1,51		—	2,3	2,3	—	1,38	1,47...1,51	—	1,5	—
Плотность ρ, кг/м3		700…1150		—			1200...1500		1300...1400			—
Вещество или материал		Бумага		Дермантин	Древесина сосновая Вдоль волоокон	Поперек волокон	Каменный уголь	Резина	Текстолит	Органическое стекло	Хлопок, ветошь	Штапельное волокно

 

		0,017	—	0,24	—	0,0143	0,021...0,18	—	0,01...0,026	0,0472	—	—	—	—
		0,283	—	4,0	—	0,95… 3,58	2,1...14,3	—	2,38...3,3	0,6	—	—	—	—
		360…427						450...600	600...650		510…545	368…397
		238...				210…310	400...426		325...345	-20…+6	450....460	285...351
		20,3	29,5	15,7	17,35...20,9	31,0...42,0	20,0	14,2...18,0	20,0...30,0	28,7	21,0	—	17,6... 27,2	21,0
		0,12	0,17	0,17	0,06...0,15	0,05...0,038	0,04...0,052	0,23...0,38	0,029...0,041	0,15...0,17	0,038...0,047	0,27	0,16	0,047
		2,3	1,68	1,68	2,3	1,34	1,26	1,47	1,47	2,03	1,68	0,17... 1,68	1,38	1,68
					200...1000	40..150	100…125	1400...1800	40...80		40...100	1000...1400		1300…1500
		Фанера клееная	Рубероид	Толь	Плиты ДВП и ДСП	Пенополистирол	Пенопласт ПВХ	Линолеум ПВХ	Пенополиуретан	Ацетон	Пенопласт Резольно-формальдегидный	Битумы нефтяные, строительные и кровельные	Резиновый линолеум (релин)	Бумажно-слоистый пластик
	—	0,0058… 0,0066	0,0383	0,0483	—	0,03	0,035	0,020	0,0383	0,0383	0,28..2,0	0,0083… 0,0143	—
	—	0,58… 0,66	0,53…0,56	0,575...0,6	—	0,03	0,35...0,385	0,235...0,263	0,442	0,436	2,1…14,3	0,078...0,136	0,42...0,67
											550…580	405...475
			-36...+7	4...35	6…39	11...40	—	—	7…30	-15...12	270...290	295...365	—
	18,0	21,0	43,7	43,0	26,4	30,2	39,7	—	38,0	40,8	17,1..18,1	34,6… 40,8	20,0
	—	0,047	0,11...0,145	0,141...0,149	0,205...0,214	0,172...0,19	0,115...0,119	—	0,112...0,141	0,12..0,151	0,15...0,17	0,093...0,162	0,056
	—	1,68	1,42	2,09	2,43	2,3	—	—	1,63	0,96	1..2,13	1,34	0,84
	100…125		680...720	810...840			910…990	760...850			1350...1430	1050...1070	1200...1400
	Пенопласт «Минора»	Строительные материалы на основе эпоксидных олигомеров	Бензин	Керосин	Метиловый спирт	Этиловый спирт	Мазут	Нефть	Толуол	Бензол	Прессованные материалы из поливинилхлорида	Прессованные материалы из полистирола	Стеклопластики

К категории Б (взрыво и пожароопасной) относятся производства, в которых применяются горючие пыли или волокна, ЛВЖ с температурой вспышки более 28 ^оС, горючие жидкости в таком количестве, что могут образовываться взрывоопасные пылевоздушные или паровоздушные смеси, при воспламенении которых развивается расчётное избыточное давление взрыва в помещении более 3 кПа. Типичными представителями категории Б являются цехи и производства по приготовлению и транспортировке угольной пыли и древесной муки, мукомольные предприятия.

Категория В (пожароопасная) - это предприятия (помещения), в которых имеются горючие и трудногорючие жидкости, твёрдые горючие и трудногорючие вещества и материалы, вещества и материалы, способные при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом только гореть. По количеству горючих веществ и расстоянию между ними категория В делится на В1, В2, В3 и В4. К предприятиям категории В относятся практически все предприятия деревообрабатывающей промышленности и подавляющее количество текстильных предприятий.

К категории Г относятся производства, имеющие дело с негорючими веществами и материалами в горячем, раскалённом или расплавленном состоянии, процесс обработки которых сопровождается выделением лучистой теплоты, искр и пламени; а также с горючими газами, жидкостями или твёрдыми веществами, которые сжигаются или утилизируются. Эта категория включает в себя термические, кузнечные, литейные производства, котельные и т.п.

К категории Д относятся производства, связанные с негорючими веществами и материалами в холодном состоянии, т.е. все машиностроительные, приборостроительные и им подобные производства.

Достижение температуры самовоспламенения t_св, характеризующей начало горения горючего материала, происходит при передаче единице его поверхности в единицу времени определённого количества энергии, т.е. при определённой интенсивности теплового потока. Поэтому интенсивность теплового потока может быть выбрана в качестве критерия возгораемости горючих материалов, а её минимальное значение, при котором происходит возгорание пожароопасных материалов ОЭ в диапазоне возможного времени действия потенциальных источников зажигания, в качестве предела устойчивости объекта к их действию. Условия устойчивости при этом могут быть записаны в виде:

-- к действию излучающих источников в условиях замкнутых систем

, (3.35а)

- действию излучающих источников в условиях открытых систем

, (3.35б)

- к действию источников зажигания, находящихся в контакте с горючей средой,

, (3.35в)

где J_n = J_min - предел устойчивости ОЭ к действию источника зажигания.

Значения интенсивности теплового потока, при которых происходит возгорание горючих материалов, определяются экспериментально. Некоторые из них приведены в таблице 3.13.

Табл.3.13.

Минимальные интенсивности теплового потока и время, при которых происходит возгорание горючих материалов, квт/м²

Материал	Продолжительность действия, мин.
Древесина (сосна влажностью 12%)	18,8	16,9	13,9
Древесно-стружечная плита плотностью 417 кг/м3	13,9	11,9	8,3
Торф брикетный	31,5	24,4	13,2
Торф кусковой	16,6	14,35	9,8
Хлопок- волокно	11,0	9,7	7,5
Слоистый пластик	21,6	19,1	15,4
Стеклопластик	19,4	18,6	17,4
Пергамин	22,0	19,75	17,4
Резина	22,6	19,2	14,8
Уголь	-	35,0	35,0

 

При отсутствии справочных данных величину интенсивности теплового потока, при которой происходит возгорание горючего материала, можно определить с достаточной для практики точностью, исходя из следующих соображений. Количество тепла, необходимое для возгорания горючего материала, очевидно должно быть равно сумме количества тепла, расходуемого на его нагревание от начальной температуры t₀, до температуры самовозгорания t_св при отсутствии теплопотерь, и количества тепла, теряемого материалом за время нагревания вследствие теплообмена с окружающей средой. Для интенсивности теплового потока этот факт может быть записан в виде:

,

где J_н - интенсивность теплового потока при нагревании материала без теплопотерь, вт/(м²×град);

J_тп - интенсивность теплопотерь, вт/(м²×град);

- средняя температура горючего материала за время нагревания (теплоотдачи), ^оС;

С_t - теплоёмкость материала при температуре t_ср, Дж/(кг×град);

r - плотность материала, кг/м³;

d_т - толщина прогретого слоя материала, м;

t_н - время нагревания, с;

a - коэффициент теплоотдачи, вт/(м²×град). Величина коэффициента теплоотдачи предполагается постоянной в течение всего времени нагревания.

Коэффициент теплоотдачи может быть определён из условия достижения критического режима, характеризующегося равенством скоростей теплоприхода и теплопотерь, при котором происходит самовоспламенение, т.е. при

Отсюда

Подставив выражение для коэффициента "a" в выражение для "J" и произведя преобразования, получим формулу для расчёта интенсивности теплового потока, при которой происходит возгорание горючего материала.

, вт/м² , (3.36)

Формулы, существующие для расчёта глубины прогретого слоя d_т сложны, содержат большое количество не приводимых в справочниках и трудно поддающихся определению параметров и поэтому не пригодны для практических целей. В этой связи зависимость (3.36) может быть использована только для термических тонких материалов, т.е. материалов, толщина которых соизмерима с толщиной прогретого слоя (d_т= d_м). К их числу с определённой осторожностью можно отнести плёнки, плитки, плиты и т.п. материалы.

В ряде случаев определение интенсивности теплового потока вызывает затруднение в связи с отсутствием справочных данных и трудностью расчёта коэффициентов теплоотдачи a и темпа охлаждения m. К числу таких случаев относится, в частности, оценка действия на горючую среду источников зажигания, находящихся с ней в контакте.

При решении подобных задач в качестве критерия возгораемости горючей среды удобно использовать не интенсивность теплового потока, а тепловой импульс. Пределом устойчивости ОЭ в данном случае будет минимальная величина теплового импульса U_min=U_n, при котором происходит возгорание имеющихся на ОЭ горючих материалов.

Условие устойчивости при этом может быть записано в виде:

, кДж/м² (3.37)

где U_n- предел устойчивости ОЭ к действию данного источника зажигания.

При отсутствии данных по "J" и "U" и необходимости грубой экспресс- оценки в качестве предела устойчивости может быть выбрана минимальная температура самовоспламенения имеющихся на ОЭ горючих материалов t_свmin, а условие устойчивости представлено в виде:

t_{св min} > t_{из mах},

где t_{из mах} - температура самого высокотемпературного источника зажигания из всех источников зажигания, которые потенциально могут действовать на горючий материал с температурой самовоспламенения t_{св min} .

В качестве критерия возгораемости горючих материалов при действии на них светового излучения ядерного взрыва, имеющего для каждого боеприпаса определённую длительность, выбран световой импульс

U= J_с×t_с,

где J_с - интенсивность светового излучения, квт/м²;

- длительность свечения, с;

q- тротиловый эквивалент взрыва, кт.

Значения световых импульсов, при которых происходит возгорание горючих материалов, приведены в табл. 3.14.

Таблица 3.14 может быть использована для определения интенсивностей тепловых потоков, при которых происходит возгорание приведённых в ней материалов, при оценке действия других источников зажигания, если длительность их действия близка к длительности светового излучения ядерных взрывов.

За предел устойчивости ОЭ к действию светового излучения ядерного взрыва условно принимают минимальную величину светового импульса, при которой происходит возгорание его наиболее пожароопасного материала, а условие устойчивости записывают в виде

, (3.38)

где U_n - предел устойчивости ОЭ к действию светового излучения ядерного взрыва.

 

Табл. 3.14.

Световые импульсы, вызывающие возгорание материалов, кДж/м²

Материал	Мощность взрыва, кт
Древесина сосновая свежеструганная сухая
Доски, окрашенные в белый цвет
Доски, окрашенные в тёмный цвет
Кровля мягкая (толь, рубероид)
Стружка потемневшая сухая, солома, сено, бумага тёмная
Сухая потемневшая древесина, обтирочные материалы, сухие опавшие листья, сухая растительность
Шторы х/б серые, ткань грубая коричневая
Спецодежда новая из синей х/б ткани
Бумага белая		-
Резина		-
Брезент палаточный		-
Шерстяные обивочные материалы, ковры		-
Х/б ткань светлая (бязь)		-
Конвеерная прорезиненная ткань		-

 

Пример1.

Определить предел устойчивости ОЭ к действию светового излучения ядерного взрыва, если горючими материалами на нём являются рубероид, потемневшая древесина, бумага белая, хлопчатобумажная ткань, конвеерная прорезиненная ткань, брезент. Оценить также выполнение условия устойчивости при наземном взрыве мощностью 100 кт на расстоянии 50 км от объекта при хорошей прозрачности атмосферы (D=50 км).

Решение.

1. Пользуясь табл.3.13, определяем величины световых импульсов, при которых происходит возгорание горючих материалов ОЭ и его предел устойчивости:

- рубероид- 590 кДж/м²,

- потемневшая древесина 250 кДж/м²,

- белая бумага 330 кДж/м²,

- хлопчатобумажная ткань 330 кДж/м²,

- конвеерная прорезиненная ткань 500 кДж/м²,

- брезент 420 кДж/м².

В соответствии с определением предела устойчивости для данного ОЭ он равен V_п = 250 кДж/м² и определяется потемневшей древесиной.

2. Находим велечину светового импульса при наземном ядерном взрыве

3. Проверяем выполнение условия устойчивости

V_п = 250 кДж/м² > V = 127,4 кДж/м²,

т.е. условие устойчивости выполняется и возгорания горючих материалов на ОЭ не произойдет.

Пример2.

Оценить устойчивость ОЭ к действию источника зажигания, возникающего при возгорании в технологической ёмкости с открытой поверхностью растворителя на основе ацетона. Количество растворителя в ёмкости, используемого в течение рабочей смены в цехах, М=33 кг. Диаметр ёмкости d=1м. Размеры цехов: длина - l=20 м, ширина b= 7 м, высота h=7 м. В отделке цеха № 1 использованы древесно- волокнистые плиты, цеха № 2- слоистый пластик, цеха № 3- стеклопластик.

Решение.

1.Устанавливаем вид и максимально возможную длительность существования источника зажигания.

В соответствии с условиями задачи источник зажигания представляет собой факел пламени конусообразной формы высотой h_ф=1,5d [34]. Длительность его существования определяется продолжительностью выгорания растворителя со скоростью V= 0,0472 кг/м²×с (табл. 3.12) и может быть определена по формуле:

2. Пользуясь табл. 3.13, находим интенсивности тепловых потоков,. при которых происходит возгорание горючих материалов цехов, и по ним предел устойчивости ОЭ к действию источника зажигания:

- древесно-волокнистые плиты - 8,3 квт/м²,

- стеклопластик –17,4 квт/м²,

- слоистый пластик –15,4 квт/м².

Таким образом, устойчивость ОЭ определяется цехом № 1, в отделке которого использованы древесно-волокнистые плиты, и равен J_п=8,3 квт/м².

3. Находим интенсивность теплового потока, облучающего поверхность цеха №1.

Предварительно определяем:

Площадь факела пламени

Площадь поверхности цеха

F_п=2×(l×b+l×h+b×h)=2× (20×7+20×7+7×7)=658м².

Температура факела пламени Т_ф=1153 ^оК (табл. 3.11),

температура самовоспламенения ДВП Т_св= 618 ^оК (табл. 3.11).

Коэффициент черноты факела пламени e_ф=0,85 [37], облучаемой поверхности e_п=0,9 [14].

Приведённая степень черноты системы факел - поверхность цеха [14]

; .

С учётом полученных данных

4. Проверяем выполнение условия устойчивости:

J_п=8,3квт/м² >J=0,296квт/м², что свидетельствует об устойчивости цеха №1, а следовательно, и ОЭ к действию рассматриваемого источника зажигания.

Пример 3.

Оценить устойчивость ОЭ к действию источника зажигания, которым является капля расплавленного металла, образующаяся при коротком замыкании электропроводки. Капля может упасть на бумагу, поливинилхлоридный пластик, древесно-стружечные плиты, плитки из полистирола.

Толщина горючих материалов: бумаги - d=0,2×10^{-3 м; поливинилхлоридного пластика - 0,6}×10^{-3 м; древесно-стружечных плит - 1,6}×10^{-2 м; плиток из полистирола - 2}×10^{-3 м. Высота прокладки электропроводки} H=3м. Провода медные. Температура в помещениях t₀=20 ^оС.

Решение.

1. Пользуясь табл. 3.12 и справочником [14], находим необходимые для оценки исходные данные:

- источник зажигания: температура плавления меди t_п=1083 ^оС; теплоёмкость меди С_t=0,38+1,189×10^-4×t, кДж/(кг^.град); удельная теплота кристаллизации меди С_кр= 214 кДж/кг.

- теплофизические параметры горючих материалов (табл. 3.12):

Горючие материалы	теплоёмкость, С, кДж/(кг×град)	температура само-воспламенения, tСВ, оС	плотность, r, кг/м3
Бумага	1,51
ПВХ- пластик	1,0
ДСП	2,3
Полистирол. плитки	1,34

 

2. Рассчитываем величины тепловых импульсов, при которых происходит возгорание горючих материалов, и определяем предел устойчивости ОЭ. Горючие материалы считаем термически тонкими.

U_б=1,5×С×r×d×(t_св- t₀)= 1,5×1,51×700×0,2×10^-3×(360-20)=108 кДж/м²;

U_ПВХ=1,5×1×1350×0,6×10^-3×(550-20)=644 кДж/м²;

U_ДСП=1,5×2,3×200×1,6×10^-2×(345-20)=3588 кДж/м²;

U_ПС=1,5×1,34×1050×2×10^-3×(405-20)=1625 кДж/м²;

Предел устойчивости ОЭ к действию источника зажигания определяется бумагой и равен U_б=108 кДж/м².

3. Определяем величину теплового импульса, передаваемого каплей металла бумаге

Объём капли V_к=0,524 d_к³= 0,524(3×10^-3)³= 14,148×10^{-9 м3}.

Масса капли m_к= r_к×V_к= 8930×14,148×10^-9= 0,1263×10^{-3 кг.}

Количество теплоты в капле в начале полёта

Q_н= m_к×С_tп×t_п= 0,1263×10^-3(0,38 + 1,189×10^-4×1083)×1083= 69,6 Дж.

Количество теплоты, затраченное на кристаллизацию капли металла

Q_кр= m_к×С_кр= 0,1263×10^-3×214×10³= 27,0 Дж.

Средняя скорость полёта капли

Число Рейнольдса

Критерий Нуссельта N_u= 0,62×R_е^0,5 = 0,62×762,9 ^0,5 = 17,12.

Коэффициент теплоотдачи капли

Количество теплоты, затраченное на нагрев воздуха при полёте капли

Тепловой запас капли в конце полёта

Q_к=Q_н-(Q_кр + Q_охл)= 69,6 – (27,0 + 0,784) = 41,82 Дж.

Уточнённое значение температуры капли в конце полёта

Отклонение найденного значение t_к от принятого t_к^' = 800 ^оС:

Повторяем расчёт Q_охл,, Q_к и t_к.

Q_к = 69,6-(27,0 + 1,14) = 41,46 Дж.

Тепловой импульс, отдаваемый каплей бумаге

 

4. Проверяем выполнение условия устойчивости

U_п=108 кДж/м² < U=629 кДж/м², т.е. условие устойчивости не выполняется и ОЭ к действию этого источника зажигания устойчивостью не обладает.

Информация об устойчивости ОЭ к действию источников зажигания является важной, но не достаточной для ответа на вопрос о возможности пожара. Возможность возникновения или не возникновения пожара на ОЭ зависит не только от его устойчивости к действию источников зажигания, но и от ряда других факторов, которые объединяются понятием пожарная безопасность. Под пожарной безопасностью понимают состояние объекта, исключающее с определённой вероятностью возникновение пожара. Пожарная безопасность обеспечивается предотвращением пожаров и пожарной защитой. Предотвращение пожара кроме обеспечения устойчивости к действию источников зажигания достигается исключением их образования, исключением образования горючей среды, а также поддержанием параметров среды в пределах, исключающих горение.

В ходе исследования устойчивости поэтому изучаются вопросы применения и эксплуатации машин, механизмов и технологических установок ОЭ; их состояние; наличия и состояния молниезащиты зданий и сооружений; наличия условий самовозгорания горючих материалов; возможности нагрева машин, механизмов, веществ, материалов сверх допустимых температур, образования искр и др. При исследовании пожарной защиты изучают обеспеченность ОЭ средствами пожаротушения и пожарной техникой, автоматическими установками пожарной сигнализации и пожаротушения; их состояние; состояние путей эвакуации обеспеченность противопожарной документацией; пожарно-техническую подготовку персонала.

При детерминированной оценке устойчивости противопожарное состояние ОЭ в качественном отношении принято оценивать критерием К_пс [25], который представляют в виде:

К_пс= К₁ + К₂ + К₃ + К₄ + К₅ + К₆ – К₇, (3.39)

где К₁- критерий комплексной оценки показателей, характеризующих выполнение требований пожарной безопасности, предписанных органами Госпожнадзора, а также пожаротехническими комиссиями,

К₁ = 25 Р_по+ 8 Р_птк, (3.40)

где Р_по = n_в.по / n_п.по – показатель, характеризующий степень выполнения требований пожарной безопасности на объекте по предписанию Госпожнадзора,

Р_птк = n_в.птк / n_п.птк - показатель, характеризующий степень выполнения требований пожарной безопасности на объекте согласно актам пожаротехнических комиссий,

n_в.по и n_в.птк – число выполненных мероприятий соответственно Госпожнадзора и пожаротехнической комиссии,

n_п.по и n_п.птк – число предложенных к выполнению Госпожнадзором и пожаротехнической комиссией мероприятий,

Р_птк = 1, если на ОЭ пожаро-технической комиссии нет;

К₂= 9 Р_т + 5 Р_с + 10 Р_а.у + 2 Р_г + 2 Р_к, (3.41)

где Р_т = n_о.т / n_п.т – показатель, характеризующий обеспечение объекта автоматическими средствами пожаротушения,

n_о.т и n_п.т – соответственно площадь помещений (м²), оборудованных и подлежащих оборудованию автоматическими средствами пожаротушения согласно перечням зданий и сооружений, подлежащих оборудованию средствами автоматического пожаротушения и сигнализации,

Р_с = n_о.с / n_п.с – показатель, характеризующий обеспечение объекта автоматическими средствами пожарной сигнализации,

n_о.с / n_п.с – соответственно площадь помещений (м²), оборудованных и подлежащих оборудованию средствами автоматической пожарной сигнализации в соответствии с перечнем,

Р_а.у = n_раб.а.у / n_общ.а.у – показатель, характеризующий состояние средств автоматического пожаротушения и сигнализации,

n_раб.а.у и n_общ.а.у – соответственно число установок в рабочем состоянии и общее количество установок на объекте,

Р_г = n_раб.г / n_общ.г – показатель, характеризующий состояние пожарных гидрантов,

n_раб.г и n_общ.г – соответственно количество гидрантов в рабочем состоянии и их общее количество на объекте,

Р_к = n_раб.к / n_общ.к – показатель, характеризующий состояние внутренних пожарных кранов,

n_раб.к и n_общ.к – соответственно количество кранов в рабочем состоянии и их