Обеспечение пожарной безопасности воздуховодов вентиляционных систем с горючими отложениями Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

2/2009_М|ВУТНИК

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ВОЗДУХОВОДОВ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СИСТЕМ С ГОРЮЧИМИ ОТЛОЖЕНИЯМИ

П.А. Шмурнов

МГСУ

Работа посвящена исследованию процессов образования и самовозгорания отложений горючих веществ в вентиляционных системах воздуховодов местных отсосов и разработке мероприятий, направленных на предотвращение возгорания и распространения пожара в этих системах.

Основной причиной пожаров в воздуховодах является наличие в них горючих отложений и создание условий самопроизвольного возникновения процессов горения.

В связи с этим, актуальной является задача разработки способов обеспечения пожарной безопасности воздуховодов систем местных отсосов, на этапах их проектирования и эксплуатации.

Целями работы является:

- обоснование условий пожаробезопасной эксплуатации систем вытяжной вентиляции в промышленных и гражданских строительных объектах;

- совершенствование расчетных и экспериментальных методов определения условий теплового самовозгорания отложений;

= разработка методов оценки пожаровзрывоопасности местных отсосов и мер по предупреждению загораний и пожаров в них.

В работе проведен анализ современного состояния исследований самовозгорания отложений в системах вентиляции, характеристикам систем вентиляции местных отсосов и их пожарной опасности, а также профилактики возгораний и распространения пожара в системах местных отсосов.

Пожарная опасность местных отсосов определяется следующими данными:

= режимами работы технологического и вентиляционного оборудования;

= показателями пожарной опасности отложений, продуктами термической и термоокислительной деструкции веществ и материалов, их конденсации;

= кинетическими и теплофизическими параметрами процесса самовозгорания отложений;

= критическими параметрами (толщина слоя отложения, период индукции достижения предельного по толщине слоя отложений, температура, при которой возможно воспламенение отложений, образование взрывоопасных концентраций в вентиляционных каналах, по которым при наличии источника зажигания возможно распространение пламени газо,- паро,- пылевоздушных смесей), характеризующими условия самовозгорания отложений в местных отсосах.

Процесс образования отложений может быть представлен уравнениями:

KдF(Cf-CJ (1)

f = KpF(Cw-Сф) (2)

где: dG - количество вещества, достигшего поверхности за время dt; Кд - константа скорости поверхностных реакций; Cf, Cw, Сф - концентрация горючего компонента в

ВЕСТНИК МГСУ

2/2009

парогазовой смеси, в расплаве и на поверхности твёрдого слоя; Кр - константа скорости поверхностных реакций; Б - поверхность, на которой происходит образование отложений.

Движущей силой процесса образования самовозгорающихся отложений является разность концентраций Cf - Сф. Тогда уравнение процесса образования отложений принимает вид:

ао

! (К+Кр)^ - еф)'

(3)

аг

где: Кд+Кр=К - общий коэффициент переноса массы горючего компонента из потока к стенке.

Получено уравнение для определения скорости массы отложений:

ао

л

Ррб

г , 1 1

ехр — (---)

Я Т Т

(4)

где: Рр- коэффициент массоотдачи, отнесённый к градиенту парциальных давлений; Р^ равновесное давление пара при температуре Тс в ядре потока; Тс и Т« - температура ядра потока и поверхности конденсации.

Процесс, характеризущий температурное поле твёрдой фазы при кристаллизации расплавов:

а*(х,г) = а 52г*(х,г) (1 > 0; 0 < х < 5)

(5)

51 °т 5х2

где: г*(х,г) - температура твёрдого тела в точке с координатами в момент времени г; аоТ - коэффициент температуропроводности слоя; о - толщина слоя, образовавшегося за время г.

Граничные условия имеют вид:

при X = 0 г* (0,г) = с (г) = г*«; (6)

при х = о г* (5 ,г) = г*пл, (7)

где: г*пл- температура плавления, г*« - температура стенки.

Процесс образования отложений лимитируется стадией доставки вещества отложений к стенке. Поэтому в рассматриваемом процессе определяющим является значение толщины образующегося слоя отложений:

5 =Х.

аР (У

-г* )

пл /

_1_

а 2

(8)

где: г*с - температура окружающей среды; а2 - коэффициент теплоотдачи от стенки воздуховода в окружающую среду.

Условие, при котором возможно образование критического слоя отложений, выражается неравенством:

>5

кр

(9)

Тогда условие обеспечения пожарной безопасности воздуховода определяется следующим образом:

5„ =

Тщ, - Тс »1(Тс - Т«)

1_

а,

К

1092 4 < Тс ехр(-—■ -12,5)

(10)

Выполнение условия (10) является необходимым, но недостаточным для предотвращения образования критического слоя отложений. Необходимо предусматривать

2/2009

ВЕСТНИК _МГСУ

конструктивные меры по предупреждению накапливания отложении путем своевременного отвода жидкой фазы.

Исследование процесса самовозгорания выполнено по методике, рекомендуемой стандартом ГОСТ 12.1.044-89. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Показатели и методы их определения). В результате получены зависимости времени самовозгорания от толщины отложения в воздуховоде и длительности процесса:

^ С = 1,339 + 0,451 ^ S (11)

^ 4 = 2,429 - 0,354 ^ т , (12)

Значения температур самовозгорания образцов исследуемого материала различного размера и формы принимаются за величину критической температуры процесса и используются для расчета параметров кинетики термоокисления в соответствии с принятой методикой. Найденные параметры процесса (энергия активации Е и пре-дэкспонент ) удовлетворяют всем экспериментальным величинам, подставлен-X

ным в критическое условие Франк-Каменецкого

8,„

бРК Е

X ЯТ2

Е

~ Яр

(13)

В итоге определены следующие кинетические параметры процесса термоокисле- Р = 49004™ / Ок0/ ^ = 1,525-108, ния отложении ^ Дж/моль, ^ (м К)/кг.

Методика расчета условий теплового самовозгорания отложений внутри реальных по размерам и условиям эксплуатации воздуховодов местных отсосов учитывает температуру самовозгорания, слоя отложений и период индукции в этих воздуховодах.

Рассматривая отложение толщиной Ъ на стенках воздуховода диаметром Б, в котором со скоростью V движется газопаровоздушная среда с температурой Тг получим значение критической толщины отложения, при котором возможно самовозгорание. Температура окружающего воздуха обозначена Т0.

Величина критерия Био на холодной стенке определяется по формуле:

^(Ы). ьх А+40х031л.

х Ъ 0 2Х

Би =

0,54 • 4

где

Ъх =

Т0

Б1Г

(14)

(15)

- Б1Г -г Б1Х + Б1Г

Теплообмен на горячей стенке характеризуется следующей зависимостью:

2 • Б1Г • Б1Г + Б1Г + Б1Г

Б1, =1 0,018 ■

V ■ Р

V

К р

+ 4аТ1

к

2Я

(16)

Критическая величина параметра Франк-Каменецкого 3 в этом случае рассчитывается по формуле:

1

2 • а

(

Б1, ■ Б1

Где 0О =

2 • Б1 Е

■ Б1 + Б1 + Б1

х г х

|б>0 + 21п[2(а + д/а(а -1))}2

ЯТ

{Тг - Т)

-0,65 в0

а = 1 + 2,28 е

Критическая толщина отложения определяется следующим образом:

(17)

(18) (19)

г е

0,8

2

ВЕСТНИК 2/2009

Е_

2х„КТг

Ь = 2

ХЯТг28е Б(Зк0Р

(20)

ВЫВОДЫ

1. Выполнен анализ пожарной опасности вентиляционных систем, предназначенных для удаления горючих газов, паров и пылей из технологического оборудования.

2. Предложен новый метод расчета кинетических параметров процесса термоокисления веществ применительно к условиям самовозгорания отложений на внутренних поверхностях воздуховодов вентиляционных систем.

3. К рассматриваемым условиям адаптирована методика определения критических условий самовозгорания, устанавливающих пожарную опасность воздуховодов: температуры среды в воздуховоде, толщины отложений на стенках, а также периода индукции.

4. Выявлены тенденции и показано слабое влияние на условия самовозгорания отложений в воздуховоде диаметра поперечного сечения трубы и скорости движения потока в ней.

5. Основным лимитирующим фактором самовозгорания отложений следует считать процесс накопления осаждающихся слоев до критической толщины.

6. Обоснована методика обеспечения пожарной безопасности систем воздуховодов с горючими отложениями на этапе их проектирования и эксплуатации на строительных объектах различного назначения.

Статья представлена Редакционным советом «Вестника МГСУ».