CC BY
16
персонала фирмы // Система управления и информационные технологии: научно-технический журнал. Москва - Воронеж, 2006 №4(26). 7. Жуковская З.Д., Квасова Л.В., Фролов В.Н. Деятельность вуза по организации внутрифирменной системы повышения квалификации специалистов в контексте непрерывного профессионального образования // М.: Высшее образование в России, № 8, 2007.
ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАСЧЕТА КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ ПРЕДЕЛОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ В АДИАБАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
Лопанов А.Н., заведующий кафедрой, д.т.н., профессор,
Фанина Е.А., доцент, к.т.н.
Нестерова Н.В., профессор, д.т.н.
Белгородский государственный технологический университет
им. В.Г. Шухова, г. Белгород
Концентрационные пределы распространения пламени (КПРП) -важнейшие характеристики пожарной и взрывной опасности веществ, поэтому моделирование указанных параметров является актуальной задачей технологии пожаровзрывозащиты. Следует отметить, что методологические аспекты расчета КПРП проработаны не полностью и представлены, в основном, полуэмпирическими моделями [1-3].
Цель представленной работы - разработка феноменологической модели расчета КПРП в адиабатических условиях. Алгоритм моделирования позволит осуществлять прогноз пожарной и взрывной опасности сложных по составу горючих смесей с учетом тепловых потерь процессов горения, т.е. построить реальную модель распространения пламени.
Нами рассмотрена модель распространения пламени в адиабатических условиях. Предположим, в объеме сосуда возникает локальный участок с температурой, при которой происходит устойчивое распространение пламени по объему сосуда. Как правило, эта температура не должна быть ниже температуры потухания горючего вещества, равной для большинства углеводородов 1200-1500 К. Следовательно, в условиях устойчивого распространения пламени по объему на фронте пламени должна поддерживаться указанная температура.
Процедура расчета заключается в том, что на основе формальной схемы процесса горения определяют все компоненты - состав продуктов реакции и исходных веществ. Расчитывая адиабатическую температуру [4], количество выделяющейся теплоты, теплоемкости продуктов реакции составляют тепловой баланс процесса и проводят расчет КПРП. Алгоритм позволяет проводить расчет и в присутствии флегматизаторов различной природы.
1. Запишем формальную схему процесса горения углеводорода СтНп в присутствии инертного разбавителя Х, не участвующего в процессе горения в условиях избытка окислителя:
СтНп + (т+0,25п)02 + А(т+0,25п)Х = тС02 + 0,5пН20+ А(т+0,25п)Х.
Здесь т,п - количество атомов углерода, водорода в молекуле горючего вещества, X - инертный разбавитель (в частном случае это может быть азот); А - число молей инертного разбавителя, приходящего на 1 моль кислорода (для воздуха А=3,76).
2. Составим уравнение теплового баланса. При определении нижнего концентрационного предела распространения пламени уравнение теплового баланса (горючее вещество в недостатке) имеет следующий вид:
= [ атСс°2 + 0,5апСН2° + —--а(т + 0,25п + —^ + Сх — - Сх — 1.
АТ р р р 1 + А 1 + А р р 1 + А р 1 + А J
Здесь АН - низшая теплота сгорания углеводорода в соответствии с формальной схемой, АТ - разница между температурой потухания пламени и начальной температурой газовой смеси (~1200 К).
3. Из уравнения теплового баланса определим нижний концентрационный предел распространения пламени (об. %):
а =
( Сх-V р 1
+ А
+ С°
1 + А
)100
АНС
АТ
-тСср°2 - 0,5пСрН2° + (т + 0,25п +
^)С°* + Сх — 1 + А р р 1 + А
1
Анализируя уравнение, отметим, что в случае применения флегматизатора с теплоемкостью, близкой к теплоемкости окислителя, нижний концентрационный предел распространения пламени практически не зависит от концентрации флегматизатора:
х ° 100 ■ СО
СХ «С°2; а- р
^ - тСс°2 - 0,5пСН2° + (т + 0,25п + 1)С°2
Ат р р р
Для расчета верхнего концентрационного предела распространения пламени формальная схема процесса отображается следующим образом:
СтНп+(0,5т+0,25п)°2+А (0,5т+0,25п)Х=тС°+0,5пН2°+А (0,5т+0,25п)Х.
Предполагаем, что при недостатке окислителя процесс горения сопровождается образованием оксида углерода (II). Запишем уравнение теплового баланса и проведем расчет верхнего концентрационного предела распространения пламени по формуле:
а
= [ 1"
СС-Нп (1 + Л)(0,5т + 0,25п)
АН АТ
]-100.
-шСср° -0,5пСН° -Л(0,5т + 0,25п)Ср + (1 + Л)(0,5т + 0,25п)С
-гН,0
Так как теплоемкости кислорода и азота близки (34, 32 Дж/мольград при 7=1500 К), то значения НКПР отличаются незначительно как для кислорода, так и для смеси кислорода с азотом - воздуха, табл.
Таблица
Расчеты КПРП в адиабатических условиях
Вещество Расчетные значения КПВ,%(об.). Кислород/воздух Экспериментальные значения КПВ, % (об.). Кислород/воздух
Нижний Верхний Нижний Верхний
Метан 5,3/5,3 66/20 5,1/5,28 61/14,1
Этан 2,3/2,4 69/19 3,0/2,9 66/15
Пропан 1,8/1,9 59/11 2,3/2,3 55/9,4
н-Бутан 1,4/1,5 53/10 1,8/1,8 49,/9,1
н-Пентан 1,1/1,2 48/8,5 1,47/1,47 45/7,7
Расхождение расчета и эксперимента может быть вызвано несколькими причинами. Во-первых, расчет проведен для адиабадических условий при отсутствии тепловых потерь в системе. Во-вторых, в формальной схеме процесса не учтены все продукты реакции. Вероятно, что при недостатке окислителя в системе происходит образование не только оксида углерода (II), а также образуется оксид углерода (IV), что не учитывается в формальной схеме течения реакции.
Применяя различные методы моделирования, используя термодинамические свойства горючего вещества и окислителя, нами создана достаточно точная адекватная модель автоматизированного расчета концентрационных пределов распространения пламени.
Список литературы
1. Марков В. Ф., Маскаева Л. И., Миронов М. П., Пазникова С. Н. Физико-химические основы развития и тушения пожаров. Учебное пособие для курсантов, студентов и слушателей образовательных учреждений МЧС России /под Ред. В.Ф. Маркова. Екатеринбург: УрО РАН. - 2009. - 274 с.
2. Теребнев В. В., Артемьев Н. С. Корольченко В. А. и др. Противопожарная защита и тушение пожаров. Промышленные здания и сооружения. Уч. пособие. Кн.2. М.: Пожнаука. - 2006. - 202 с.
3. Лопанов А.Н. Физико-химические основы теории горения и взрыва: учебное пособие / А.Н. Лопанов. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2012. - 149 с.
4. Лопанов А.Н., Фанина Е.А. Методологические аспекты расчета адиабатической температуры критических процессов // Вектор науки ТГУ. -№ 3 (17). - 2011. - С.25-27.
