Как найти температуру воздуха на горение

Выделяющееся
в зоне горения тепло расходуется на
нагревание продуктов горения, на нагрев
горючего вещества и окружающей среды.
Та температура, до которой в процессе
горения нагреваются продукты горения,
называется температурой
горения. В
технике и пожарном деле различают
теоретическую,
калориметрическую, адиабатическую
и действительную
температуру горения (табл.3.1).

Таблица
3.1. Условия определения температуры
горения

Температура горения	Условия определения
Q потерь		Учет диссоциации ПГ
Теоретическая	0	1	да
Калориметрическая	0	1	нет
Адиабатическая	0	1	нет
Действительная	0	1	нет

В
общем случае для вычисления температуры
горения используется следующая
зависимость:

Q_ПГ
= V_ПГ


Т_Г
, где
(3.6)

Q_ПГ
– теплота (теплосодержание) продуктов
горения, кДж/кг;

V_ПГ
– объем
продуктов горения, м³/кг;

–средняя
объемная теплоемкость смеси продуктов
горения в интервале температур от

Т₀
до Т_г,
кДж/м³К;

Т_Г
– температура горения, К.

При
расчете калориметрической температуры
горения исходят из того, что теплопотери
в окружающую среду отсутствуют, и в этом
случае низшая теплота сгорания горючего
вещества (Q_н)
равна теплосодержанию продуктов горения
(Q_ПГ),
т.е. энергии, необходимой для нагревания
продуктов горения от 0⁰С
до теоретической температуры горения.

В
реальных условиях температура горения
зависит не только от состава горючего
материала, но и от условий горения:
разбавления продуктов горения избыточным
воздухом (что учитывается коэффициентом
избытка воздуха ),
начальной температуры воздуха, полноты
сгорания исходного горючего материала
и наличия теплопотерь (коэффицент
теплопотерь ).

Q_потерь
= Q_{излучения}
+ Q_{недожог}
+ Q_{диссоциации
ПГ}
(3.7)

В
зависимости от рода учитываемых потерь
теплоты из зоны горения вычисляется та
или иная температура горения.

Расчет
температуры горения проводят по уравнению
энергетического баланса:

Q_н

(1 – )
= V_ПГ^пр

С_р

(Т_Г –
Т₀)
, где (3.8)

Q_н
– тепло, выделяемое в реакции горения,
кДж;

 – коэффициент
теплопотерь; Q_н

(1 – )=
Q_ПГ;

V_ПГ^пр
– объем продуктов полного горения с
учетом избытка воздуха, м³;

С_р
– средняя объемная теплоемкость
продуктов горения при постоянном
давлении,

кДж/м³К;

Т_Г
– температура горения, К;

Т₀
– начальная температура, К.

Из
уравнения (3.8) следует, что для расчета
температуры горения необходимо знать
теплоту горения, объем и теплоемкость
продуктов горения.

В
первом приближении температуру горения
можно рассчитать непосредственно из
уравнения (3.6), имея в виду, что средняя
теплоемкость газообразных продуктов
горения в интервале температур 1500 –
2500 К может быть принята равной

=
1,75 кДж/м³К.
Однако, теплоемкость зависит от
температуры, и поэтому для более точных
расчетов значения теплоемкостей берут
из таблиц (приложение 3 и 4), а подсчет
производят методом последовательных
приближений (методом итераций), каждый
раз определяя теплосодержание продуктов
горения при выбранной температуре.

Алгоритм
расчета температуры горения

1.
Рассчитать суммарный объем продуктов
горения и отдельно объем каждого
компонента продуктов горения.

V_ПГ^пр
= V(CO₂)
+ V(H₂O)
+ V(N₂)
+ V(SO₂)
+ V_возд

Расчет
объема продуктов горения выполняется
в зависимости от характера горючего
вещества (индивидуальное вещество,
смесь газов или вещество сложного
элементного состава). Методика расчета
приведена в примерах 2.8,
2.9,
и 2.10.

Для
индивидуальных веществ можно также
определять количество продуктов горения
в молях (коэффициенты в уравнении реакции
горения).

2. Рассчитать низшую
теплоту сгорания вещества.

Для
индивидуальных веществ расчет выполняется
по I
следствию закона Гесса (при наличии
табличных значений энтальпий образования).

По
формуле Д.И. Менделеева (3.3) расчет Q_н
может быть выполнен как для веществ с
известным элементным составом, так и
для индивидуальных веществ.

Для
газовых смесей Q_н
рассчитывается по формулам (3.4) и (3.5).

3.
Если по условию задачи есть теплопотери
(),
то рассчитывается количество тепла,
пошедшего на нагрев продуктов горения
Q_ПГ

Q_ПГ
= Q_н
(1 –
),
кДж/кг или кДж/м³
(3.9)

4.
Находим среднее теплосодержание
продуктов горения Q_ср

при
отсутствии теплопотерь ()

Q_ср
=
,
кДж/м³

(3.10)

при
наличии теплопотерь

Q_ср
=
,
кДж/м³

(3.11)

5.
По значению Q_ср
с помощью таблиц приложений 3 и 4
(“Теплосодержание газов при постоянном
давлении”), ориентируясь
на азот ,
приближенно определяем температуру
горения Т₁.

При
подборе температуры горения ориентируются
на азот, т.к. в большей степени продукты
горения состоят именно из азота. Однако,
поскольку теплосодержание углекислого
газа и паров воды выше, чем у азота, то
их присутствие в продуктах горения
несколько понижает температуру горения,
поэтому ее нужно принимать несколько
ниже (на 100-200⁰С),
чем по азоту.

6.
Рассчитываем теплосодержание продуктов
горения при выбранной температуре Т₁:

(3.12)

где

Q¹(CO₂),
Q¹(H₂O),
Q¹(N₂),
Q¹(SO₂),
Q¹(возд)
– табличные значения теплосодержания
газов

при
выбранной температуре Т₁.

7.
Сравниваем Q¹_ПГ
с Q_н
или Q_ПГ,
рассчитанных по п.2 или п.3.

Если
Q¹_ПГ
< Q_н
(Q_ПГ),
то выбираем
температуру
Т₂
> Т₁
на 100⁰С;

если
Q¹_ПГ
> Q_н
(Q_ПГ),
то выбираем
температуру
Т₂
< Т₁
на 100⁰С
.

8.
Повторяем расчет теплосодержания
продуктов горения при новой температуре
Т₂:

9.
Расчет проводим до получения неравенства:

Q¹_ПГ
< Q_н
(Q_ПГ)
< Q²_ПГ
, где

Q¹_ПГ
и
Q²_ПГ
– теплосодержание продуктов горения
при температурах Т₁
и Т₂,

отличающихся
на 100⁰С.

10.
Интерполяцией определяем температуру
горения Т_Г:

Т_Г
= Т₁
+

(3.13)

Если
потери тепла не учитывались, то получаем
адиабатическую температуру горения, а
если учитывались, то 
действительную температуру горения
вещества.

Расчет действительной температуры горения индивидуального вещества

Пример 3.4. Вычислить действительную температуру горения анилина С6Н5NH2, если потери тепла излучением составляют 20 %, а горение протекает с коэффициентом избытка воздуха 1,1.

1.
Составляем уравнение реакции горения
анилина:

С₆Н₅NH₂
+ 7,75(O₂
+ 3,76 N₂)
= 6 CO₂
+ 3,5 H₂O
+ 7,753,76
N₂
+ 0,5 N₂

По уравнению
реакции горения определяем число моль
продуктов горения и число моль избытка
воздуха:

n_в^теор
= 7,75 
4,76 = 36,89 моль

n_в
= n_в^теор
(
–1) = 36,89 (1,1 – 1) = 3,689 моль

n_пг^пр
= n(СО₂)+n(Н₂О)
n(N₂)+n(V_в)
= 6 + 3,5 + 7,753,76
+ 0,5 + 3,689 = 42,829 моль

2.
Теплота горения анилина по справочным
данным составляет

Q_гор
= 3484, кДж/моль = 3484000 Дж/моль

3.
По условию задачи теплопотери составляют
20 %, следовательно, 
= 0,2.

Q_ПГ
= 3484000
(1 – 0,2) = 2787200 Дж/моль

4.
Определяем среднее теплосодержание
продуктов горения:

Q_ср
=

65077,4 Дж

5.
По таблице приложения 3, ориентируясь
на азот, определяем Т₁
= 1800⁰С

6.
Рассчитываем теплосодержание продуктов
горения при 1800⁰С.

Q_ПГ¹⁸⁰⁰
= 96579,56
+ 77598,83,5
+ 59539,97,753,76
+ 660003,689
= 2859312,7 Дж

7.
Q_ПГ¹⁸⁰⁰
= 2859312,7 > Q_ПГ
= 2787200 ,
следовательно, выбираем Т₂
= 1700⁰С

8.
Рассчитываем теплосодержание продуктов
горения при 1700⁰С.

Q_ПГ¹⁷⁰⁰
= 90545,96
+ 72445,13,5
+ 55936,57,753,76
+ 56397,43,689=2662844,5
Дж

Q_ПГ¹⁷⁰⁰
= 2662844,5 < Q_ПГ
= 2787200,
следовательно температура горения
находится в интервале от 1700 до 1800⁰С.

9.
Рассчитываем температуру горения:

Т_Г
=1700 +
=
1763⁰С
= 2036 К

Расчет действительной температуры горения сложного вещества с известным элементным составом

Пример 3.5. Вычислить действительную температуру горения горючего сланца следующего состава: С – 35 %, Н – 5 %, О – 10 %, S – 4 %, N – 1 %, W – 15 %, зола – 30 %. Потери тепла излучением составляют 10 %, а горение протекает с коэффициентом избытка воздуха 1,2. Условия нормальные.

1.
По формулам (2.9) – (2.12) определяем объем
каждого компонента продуктов горения
1 кг горючего сланца.

V(СО₂)
=

= 0,651 м³

V(H₂O)
=

= 0,746 м³

V(SО₂)
=
=
0,028 м³

V(N₂)
=

= 3,455 м³

V_ПГ
= 0,651 + 0,746 + 0,028 + 3,455 = 4,88 м³

2.
Горение протекает с коэффициентом
избытка воздуха 1,2, следовательно, в
состав продуктов горения будет входить
избыточный воздух.

По
формуле (3.8) определяем теоретический
объем воздуха, необходимый для горения
данной массы образца угля:

V_в^теор
=
=
4,28 м³

Избыток
воздуха определим по формуле (2.4):

V_в=
V_в^теор(
1)
= 4,28(1,2
– 1) = 0,856 м³

С
учетом избытка воздуха практический
объем продуктов горения составит:

V_ПГ^*
= V_ПГ
+ V_в
= 4,88 + 0,856 = 5,736 м³

3.
Рассчитываем Q_н
по формуле Д.И. Менделеева.

Q_н
= 339,435
+ 12575
– 108,9(10
+ 1 – 4) – 25,1(95
+ 15) = 15881,7 кДж/кг

4. С учетом теплопотерь
определяем теплосодержание продуктов
горения:

Q_ПГ
= 15881,7 (1,1 – 1) = 14293,53 кДж/кг

5. Определяем
среднее теплосодержание продуктов
горения:

Q_ср
=
2480,22
кДж/м³

По
таблице приложения 4, ориентируясь на
азот, определяем Т₁
= 1500⁰С.

6.
Определяем теплосодержание продуктов
горения при 1500⁰С:

Q_ПГ¹⁵⁰⁰
= 3505,70,651
+ 2781,30,746
+ 2176,73,455
+ 3488,20,028
+ 2194,70,856
= 13853,889 кДж

7.
Q_ПГ¹⁵⁰⁰
= 13853,889 < Q_ПГ
= 14293,53, следовательно, выбираем Т₂
= 1600⁰С.

8.
Определяем теплосодержание продуктов
горения при 1600⁰С:

Q_ПГ¹⁶⁰⁰
= 3771,40,651
+ 3004,20,746
+ 2335,53,455
+ 3747,50,028
+ 2355,20,856
= 14886,44 кДж

9.
Q_ПГ¹⁶⁰⁰=
14886,44 > Q_ПГ
= 14293,53, следовательно, температура
горения вещества находится в интервале
от 1500 до 1600⁰С.

10.
Определяем температуру горения:

Т_Г
=1500 +
=
1556⁰С
= 1829 К

ГОРЕНИЕ
ГАЗО- И ПАРОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ

Расчет концентрационных пределов распространения пламени

Пример 4.1. Рассчитать КПР газа пропана С3Н8.

Концентрационные
пределы распространения пламени (область
воспламенения) для газо- и паровоздушных
смесей могут быть рассчитаны по следующей
формуле

,
%, (4.1)

где

 _Н(В)
– нижний
(верхний) концентрационный предел
распространения пламени ( НКПР и ВКПР
), %;

 –
число молекул кислорода ( коэффициент
перед кислородом в уравнении реакции
горения вещества );

a
и b
– константы, имеющие значения, приведенные
в таблице 4.1.

Таблица
4.1. Значения коэффициентов “а”
и “b”
для расчета концентрационных пределов
распространения пламени

КПР	а	b
НКПР	8,684	4,679
ВКПР
 7,5	1,550	0,560
 7,5	0,768	6,554

1. Составляем
уравнение реакции горения этанола.

С₃Н₈
+ 5( О₂
+ 3,76 N₂
) =3СО₂
+ 4Н₂О
+ 5·
3,76 N₂

=
5

2.
_н
= НКПР =
2,07
%

_в

= ВКПР =
12,03%

Расчет безопасных концентрации газов и паров с использованием коэффициентов безопасности

Пример 4.2. Газоанализатор показал наличие 0,3 % паров амилацетата СН3СООС5Н11. Можно ли проводить сварочные работы?

Значения
НКПР И ВКПР следует применять при
расчетах безопасных концентраций газов
и паров с использованием коэффициентов
безопасности:

_г.без.


,
где
(4.2)

_г.без.
– безопасная концентрация горючих
газов, паров или пылей, % объемных;

_н
– НКПР, % объемных;

К_б
– коэффициент безопасности.

1.
При расчете взрывобезопасных концентраций
газов, паров и пылей внутри технического
оборудования, трубопроводов, вентиляционных
систем.

К_б
= 2.

2.
При расчете предельно-допустимых
взрывобезопасных концентраций газов,
парво, пылей в воздухе рабочей зоны с
потенциальными источниками зажигания

К_б
= 20.

1. Составляем
уравнение реакции горения амилацетата.

СН₃СООС₅Н₁₁
+ 9,5( О₂
+ 3,76 N₂
) =7СО₂
+ 7Н₂О
+ 9,5·
3,76 N₂

=
9,5

2.
_н
= НКПР =
1,14 %

3.
Рассчитаем безопасную концентрацию:

_г.без.
=

0,05 %

0,3
> 0,05, следовательно, проводить
сварочные работы нельзя.

Расчет стехиометрической концентрации

Пример 4.3. Рассчитать стехиометрическую концентрацию пропана С3Н8 в % объемных и г/м3 при температуре 250С и давлении 95 кПа.

Стехиометрической
концентрацией называется такая
концентрация, когда реагирующие вещества
взяты в эквивалентных отношениях, при
этом коэффициент избытка воздуха 
= 1.

Расчет
стехиометрической концентрации
производится по уравнению реакции
горения индивидуального вещества. Общие
формулы для вычисления объемной и
массовой стехиометрической концентрации
следующие:

_стех^объем
=
,
%
(4.3)

_стех^масс
=
,
г/м³.
(4.4)

1.
Уравнение реакции горения пропана.

С₃Н₈
+ 5( О₂
+ 3,76 N₂
) = 3СО₂
+4Н₂О
+ 5·
3,76 N₂

=
5

_стех^объем
=

= 4,03 %

2.
Молярная масса М (С₃Н₈)
= 46 г/моль (кг/кмоль);

V_м
=
=
26,1 м³/кмоль

_стех^масс
=

= 71,0 г/м³.

Расчет коэффициента избытка воздуха  на н и в

Пример 4.4. Рассчитать значение коэффициента избытка воздуха  для реакции горения пропана С3Н8 при концентрации газа, равной н и в.

1.
В примере 7.1. были рассчитаны значения
НКПР и ВКПР для пропана.

_н
= 2,07 %; _в
= 12,03%.

Это
означает, что в 100 м³
пропано-воздушной смеси на НКПР содержится

2,07
м³
пропана и 97,93 м³
воздуха (V_в^пр);
на ВКПР – 12,03 м³
пропана и 87,97 м³
воздуха.

2.
Для НКПР рассчитаем теоретический объем
воздуха, необходимый для сгорания 2,07
м³
пропана.

2,07
м³
х
м³

С₃Н₈
+ 5( О₂
+ 3,76 N₂
) = 3СО₂
+4Н₂О
+ 5·
3,76 N₂

V_м
м³
54,76V_м
м³

х
= V_в^теор
= 2,07 
5 
4,76 = 49,27 м³

3.
Коэффициент избытка воздуха на нижнем
концентрационном пределе распространения
пламени составит


=

= 1,99

3.
Аналогично рассчитаем для ВКПР V_в^теор
и соответствующее значение :

12,03
м³
х
м³

С₃Н₈
+ 5( О₂
+ 3,76 N₂
) = 3СО₂
+4Н₂О
+ 5·
3,76 N₂

V_м
м³
54,76V_м
м³

х
= V_в^теор
= 12,03 
5 
4,76 = 286,31 м³

 =

= 0,31

Формула
(4.1.) для расчета концентрационных
пределов распространения пламени
справедлива при температурах среды
близкой к 20⁰С.
Как было указано выше, КПР не являются
постоянной величиной и зависят от многих
факторов. С повышением температуры
область КПР расширяется, и, следовательно,
для повышенных температур необходимо
производить расчет с учетом изменения
температуры.

Приближенно
это можно сделать с помощью следующих
формул:

_н(t)
= _н

(4.6)

_в(t)
= _в
,
где (4.7)

_н,
_в
– концентрационные пределы распространения
пламени, рассчитанные или определенные
экспериментально при 
20⁰С;

_н(t)
,_н(t)
– концентрационные пределы распространения
пламени при температуре Т;

1550
К, 1100 К – температура горения соответственно
на НКПР и ВКПР.

Расчет КПР при повышенных температурах

Пример 4.5. Рассчитать КПР газа пропана С3Н8 при 3000С.

1.
В примере 7.1. были рассчитаны значения
НКПР и ВКПР для пропана при 20⁰С:

_н
= 2,07 %; _в
= 12,03%.

2.
С учетом заданной температуры КПР
составят:

_н(t)
= 2,07 
= 1,61 %

_в(t)
= 12,03 
= 16,20 %

Для
определения КПР смесей газов и паров
можно воспользоваться формулой Ле
Шателье:

_н(см)
=
,
% (4.7)

_в(см)
=
,
% где (4.8)

_н(см),
_н(см)
– концентрационные пределы распространения
пламени смеси;

_н1,
_н2,
_н3
– НКПР
каждого компонента газовой смеси;

_в1,
_в2,
_в3
– ВКПР
каждого компонента газовой смеси.

Расчет КПР газовой смеси

Пример 4.6. Рассчитать КПР смеси газов следующего состава:угарный газ СО – 10 %; водород Н2 – 60 %; метан СН4 – 30 %.

1.
Определяем НКПР и ВКПР каждого горючего
компонента (по справочным данным или
расчетным путем):

для
угарного газа _н
= 12,5 %; _в
= 74 %

для
водорода _н
= 4 %; _в
= 75 %

для
метана _н
= 5 %; _в
= 15 %

2.
Определяем НКПР и ВКПР для смеси газов
по формулам (4.6) и (4.7):

_н(см)
=

= 4,58 %

_в(см)
=

= 34 %.

При
взрыве газо- и паровоздушных смесей
протекает кинетическое горение в
замкнутом объеме. Давление, развиваемое
при взрыве в этих условиях, зависит от
соотношения числа молей продуктов
горения, числа молей исходных веществ
и температуры взрыва. Для большинства
горючих веществ давление при взрыве
лежит в пределах 0,6 – 1 МПа.

Наименьшее
давление при взрыве развивается при
концентрациях горючего вещества, равных
нижнему и верхнему концентрационным
пределам распространения пламени. Оно
обычно не превышает 0,3 МПа. Это объясняется
низкой температурой взрыва. На НКПР она
равна 1550 К, на ВКПР – 1100 К. Наибольшее
давление при взрыве наблюдается при
концентрации, близкой к стехиометрической.

Расчет
максимального давления взрыва производится
по следующей формуле:

Р_взр
=

, где
(4.9)

Р₀
– начальное давление, кПа (МПа);

Т₀
– начальная температура, К;

Т_взр
– температура
взрыва, К;

m
– число молей (киломолей) газообразных
продуктов горения;

n
– число молей (кисломолей) исходных
газообразных веществ.

Расчет максимального давления взрыва газов и паров

Пример 4.7. Вычислить максимальное давление взрыва смеси гексана С6Н14 с воздухом, если начальное давление 101,3 кПа, начальная температура 273 К, температура взрыва 2355 К.

1.
Уравнение реакции горения гексана в
воздухе:

С₆Н₁₄
+ 9,5( О₂
+ 3,76 N₂
) =6СО₂
+ 7Н₂О
+ 9,5·
3,76 N₂

2.
Рассчитаем число молей (киломолей)
газообразных веществ до и после взрыва:

m
= 6 + 7 + 9,53,76
= 48,72 моль

n
= 1 + 9,54,76
= 46,22 моль

3.
Максимальное давление взрыва составит:

Р_взр
=
=921,1
кПа

Список
расчетных задач

1.1.	Расчет коэффициента горючести
1.2.	Определение характера свечения пламени
3.1.	Составление уравнений реакции горения в кислороде
3.2.	Составление уравнений реакции горения в воздухе
3.3.	Расчет молей (киломолей) исходных веществ и продуктов реакции по уравнению реакции горения
3.4.	Расчет теоретического объема воздуха, необходимого для горения индивидуального вещества
3.5.	Расчет объема воздуха, необходимого для горения индивидуального вещества
3.6.	Расчет объема воздуха, необходимого для горения газовой смеси
3.7.	Расчет объема воздуха, необходимого для горения вещества сложного элементного состава
3.8.	Расчет объема и процентного состава продуктов горения индивидуального вещества
3.9.	Расчет объема и процентного состава продуктов горения газовой смеси
3.10.	Расчет объема и процентного состава продуктов горения вещества сложного элементного состава
3.11.	Расчет теплового эффекта реакции горения индивидуального вещества
3.12.	Перевод значения энтальпии горения из кДж/моль в кДж/кг
3.13.	Расчет низшей теплоты сгорания Qн по формуле Д.И. Менделеева
3.14.	Расчет действительной температуры горения индивидуального вещества
3.15.	Расчет действительной температуры горения сложного вещества с известным элементным составом
4.1.	Расчет концентрационных пределов распространения пламени
4.2.	Расчет стехиометрической концентрации
4.3.	Расчет коэффициента избытка воздуха  на НКПР и ВКПР
4.4.	Расчет КПР при повышенных температурах
4.5.	Расчет КПР газовой смеси
4.6.	Расчет максимального давления взрыва

Одной из важных характеристик пожара является показатель температуры. По нему можно определить стадию возгорания, вероятность взрыва, наличие или отсутствие живых людей в помещении, степень риска для спасателей и много других факторов.

Разберем подробнее этот показатель, какие характеристики на него влияют, как и для чего определяется.

Значение температурного параметра

Сразу после появления огня в пространстве начинаются теплообменные процессы.

В пламени и вокруг возникает зона высокой температуры, газы в которой нагреваются и начинают конвекционное движение. В результате теплообмена происходит постепенный рост площади пожара, температурных показателей, что влечет за собой дальнейшее распространение огня.

После того как пламя захватило значительный объем пространства, начинается стадия интенсивного пожара с резким ростом всех показателей: площади, задымления, скорости теплообмена, температуры (t).

При возгорании на открытых территориях интенсивность зависит от пожарной нагрузки охваченного пламенем пространства. В закрытых помещениях газообмен и тепловые значения во многом зависят от притока свежего воздуха.

При достижении величины температуры 290–310 градусов Цельсия могут лопнуть оконные стекла, что приведет к кратковременному и незначительному охлаждению помещения.

После чего в силу увеличения содержания кислорода в атмосфере огонь начинает бурно развиваться, повышая температуру более чем 500 °C и увеличивая тепло и газообмен.

Пожар достигает максимального значения (t может превысить 900 °C), его параметры стабилизируются.

По мере выгорания пожарной нагрузки пламя начинает стихать, площадь огня уменьшается, температура постепенно понижается, хотя тепловыделение от нагретых конструкций помещения и дыма, находящегося в нем, еще не прекратилось.

Для восстановления значений t до нормальных показателей может потребоваться несколько часов.

Что влияет на температуру пожара

При возгораниях в одинаковых зданиях, квартирах, деревянных домах распростране-ние огня происходит по-разному. Отчего же зависит сценарий развития возгорания? Разберем применительно к параметру, вынесенному в заголовок.

Во-первых, большое влияние на все характеристики пожара оказывает размещение, состав и масса пожарной нагрузки.

Во-вторых, материал конструкций строения.

В-третьих, планировка помещения, высота потолков, наличие перегородок и вентиляционных отверстий.

В-четвертых, показатели развития огня и температура ограждающих поверхностей зависят от характеристик окружающей среды.

В-пятых, время горения тоже оказывает прямое влияние на значение t.

При таком количестве параметров, имеющих воздействие на окончательные величины, тепловые показатели рассчитываются с помощью разработанных математических моделей.

Газообмен

Влияние этой характеристики на температурные параметры велико, но во многом зависит от источника пламени, особенностей горящего помещения.

При отсутствии ограничений для газообмена возрастает интенсивность огня и температура в зоне горения. При этом в остальных частях помещения происходит охлаждение среднеобъемной газовой среды.

При отсутствии или незначительном доступе кислорода в пространство параметры температуры в разных точках будут более близкими друг к другу, чем в предыдущем варианте, но средние значения в обоих случаях могут быть одинаковыми.

Высота помещения

От расположения перекрытия зависит газо- и теплообмен в ограниченном объеме.

Нагретые продукты горения поднимаются. Чем больший отрезок им необходимо преодолеть, тем медленнее будет расти температура при пожаре в нижней части помещения, на территории, где пламя отсутствует.

Если потолок расположен невысоко, то разогретый газ, достигая перекрытия, растекается по нему в разные

Если потолок расположен невысоко, то разогретый газ, достигая перекры-тия, растекается по нему в разные стороны, частично охлаждается, параллельно раскаляя детали конструкции строения, спускается.

Чем меньше высота помещения, тем выше скорость его нагрева.

Расчет температуры внутри горящего здания

В процессе пожара можно выделить 3 основных периода по изменению тепловых показателей.

Первый – начальный, средние значения t в этот момент не превышают 80% от верхней границы параметра.

Второй – основной, самый опасный. Время наиболее интенсивного горения. Среднеобъемная температура на этом этапе достигает максимальных показателей и держится в коридоре 80–100% от наибольшей величины.

Последний – заключительный. Период угасания пламени вследствие выгорания пожарной нагрузки и постепенного падения показателей среднеобъемной t.

В связи с тем, что такой процесс происходит при любом возгорании в закрытом помещении, то выведена формула, описывающая зависимость температуры от времени пожара:

t=345log8τ+1,

τ – период в часах, который прошел с момента возникновения возгорания.

Но при расчете среднеобъемной температуры помещения необходимо учитывать и свойства пожарной нагрузки.

Горючесть веществ и материалов

Общая классификация приводится в 123-ФЗ, а подробные характеристики по способности материи к горению даются в ГОСТ 12.1.044-89.

Для определения температуры во время пожара можно использовать таблицы средних значений для компонентов пожарной нагрузки.

Температура пламени при горении некоторых веществ и материалов

Наименование	t, °C
Нефть в разлитом виде	1 200
Фонтан нефти	1 100
Дерево, древесина, лес	800
Торф	800
Бумага в пачках	400
Каменный уголь	1 500
Пластиковые полимеры	1 100
Спирт	900
Сера	1 820
Краска	500

Твердые

Несмотря на четкие параметры, проявляющиеся при горении конкретного вещества, редко приходится говорить о пожаре, при котором пламя охватывает один материал. В большинстве случаев огнем поражаются все субстанции в зоне возгорания. Но их можно разделить на группы с одинаковыми признаками. Сначала опишем особен-ности твердых веществ при пожаре.

В процессе горения на первом этапе при распространении пламени температура постоянно растет до момента охвата всего объема материала, затем какое-то время она держится на максимальном уровне и по мере выгорания составляющих начинает понижаться, приближаясь к тепловым показателям окружающей среды.

На описанный процесс влияет количество пожарной нагрузки, температура горения вещества, газовый и тепловой обмен в помещении, но при этом характер протекания процесса во всех случаях одинаков.

Жидкие

Особенность такой формы нахождения вещества в том, что для нее требуется емкость. А это сразу ограничивает размер пожара.

При воспламенении жидкостей важной характеристикой является соотношение всей площади помещения и локальной захваченной огнем. Например, при равенстве этих двух величин в случае горения нефти температура очага пожара принимается за 1 200 °C.

Если же отношение площади воспламенения к общей площади меньше единицы, то и температурные показатели ниже указанных значений.

В большинстве случаев во время пожара огонь охватывает субстанции в разных агрегатных состояниях. Тогда производится выявление преобладающей формы вещества, и его тепловые характеристики берутся за основной показатель.

Распределение температуры

И еще один способ установления тепловых показателей при пожаре – по зонной модели расчета температуры. Этот метод удобен своей простотой и возможностью определить период, в течение которого в описанной зоне может находиться человек.

В таблице указано время для нахождения в помещении с заданными термическими параметрами без тепловой защиты.

t, °C	Период воздействия t, минуты
Безопасно	Возможно	Критический уровень
40 50 60 70	120–240 15–30 10–20 5–10	180–30 30–60 15–30 10–20	240–360 60–90 25–60 20–35

Вернемся к зонной модели, разделяющей помещение на несколько частей, в которых рассмотрим, как протекают процессы теплообмена.

В первом сегменте расположен источник горения, его температура принимается равной средней температуре пламени вещества.

Вторая часть – это конусообразный столб, имеющий вершину в предыдущей зоне и расширяющийся по мере устремления вверх. В его нижней доли температура меньше из-за поступления охлажденного воздуха и газов, спускающихся ближе к полу. В средней и верхней части имеет температуру, близкую к значениям первого сегмента.

Третий – газовая подушка, располагающаяся под потолком. Нагретый воздух, достигая перекрытия, расползается вдоль него по всей поверхности, передавая тепло и охлаждаясь. Толщина дымовой завесы под перекрытием растет по мере развития пожара.

Четвертый сегмент – самая «прохладная» зона. В ней находятся охлажденные поступающие извне газы с максимальным содержанием окислителя в атмосфере.

Между всеми частями происходит постоянный газообмен, что в итоге приводит к выравниванию тепла и содержания продуктов горения в атмосфере по всему объему в интенсивной фазе пожара.

Все описанные методики оценки среднеобъемной, точечной, зонной температурных параметров при возгорании позволяют разработать правильные мероприятия для эвакуации людей, защиты пожарных и быстрейшей ликвидации огня.

О воздействии природных внешних условий на технические изделия можно ознакомиться в следующем файле:

ГОСТ_Р_54081-2010

Детальная информация видна на видео:

= (1 – 0,3 ) · (Ǫрн)п. г / (V0)п. г + 0,3 · (Ǫрн)м / (V0)м =

= (1 – 0,3) · 35 148 / 10,528 + 0,3 · 40 705 / 12,204 = 3338 кДж/м3.

Таблица 2.1 – Результаты расчета характеристик процесса горения природного газа и мазута

№ п/п	Характеристики процесса	Размерность	Природный газ	Мазут
α = 1,0	α= 1,2	α = 1,0	α = 1,2
1	Расход влажного воздуха, Lвлi	м3/м3, м3/кг	9,528	11,434	10,842	13,010
2	Объем образующихся продуктов горения, Vi	м3/м3, м3/кг	10,528	12,434	12,204	14,40

Аналогичная величина для отыскания балансовой температуры горения —

iб общ = (1 – z ) · ( iб общ)п. г + z ( iбобщ ) м =

= (1 — 0,3) · (Qрн – 0,03 Ǫрн) п. г / (V0) п. г +

+ 0,3 ·( Ǫрн — 0,03 Ǫрн)м/(V0)м =

= (1 – 0,3) · 0,97 · 35 148/10,528 +

+ 0,30,97 · 40 617 / 12,204 = 3238 кДж/м3.

Поскольку доля природного газа по теплоте в продуктах го­рения составляет 70%, то целесообразно воспользоваться для определения теоретической и балансовой температур горения i-t-диаграммой для природного газа, представленной на рис. 2.1. Используя эту диаграмму, получим:

tт0= 1850°С и tбо= 1890°С.

При α =1,2.

В соответствии с условиями примера теплосодержание про­дуктов горения будет определяться не только химической энер­гией этих топлив, но и физической теплотой, которую вносит в процесс горения подогретый воздух.

Физической теплотой, обусловленной подогревом мазута до 100°С, обычно пренебрегают ввиду незначительности той тепловой энергии, которую вносит подогретый мазут в тепловой баланс процесса горения. Таким образом, с учетом этого обстоятельства теплосодержание продуктов горения, необходимое для определения теоретической температуры горения составит:

iTобщ = (1 – z ) · (iTобщ)п. г.+ z (iTобщ)м =

= (1 — z) · (ix + iв)п. г +z · (ix + iв)м = (1 – z) · {[( Qрн)п. г / (Vα)п. г ] +

+ [(Lα ) п. г · сt0 · tв / (Vα)п. г]} + z{[(Qрн)м / (Vα)м] +[(Lα)м сt0 ·tв/ (Vα)м] }

= (1 – 0,3) · [(35 148 / 12,434) + (11,434 · 1,401100/12,434)] +

+ 0,3 [(40 705 / 14,400) + (13,010 ·1,40 · 1100 / 14,400)] =

= 4115 кДж/м3.

В этом выражении теплоемкость воздуха в интервале температур от 0 до 1100°С принята равной сt0 = 1,40 кДж / (м3оС) (см. табл.2.2).

iб общ= (1 – z) ( iб общ)п. г + z (iб общ )м =

= {( 1 — 0,3) · (Qрн – 0,03 · Qрн )п. г / (Vα)п. г + [(Lα) п. г сt0 · tв /(V0)п. г]} +

+{0,3 · ( Qрн – 0,03 · Qрн )м / (Vα)м + [(Lα)м сt0 · tв / (Vα)м ]}=

= (1 – 0,3) [(0,97 · 35 148/12,434) +

(11,434 · 1,40 ·1100 / 12,434)] + 0,3 · [(0,97 · 40 705/12,204) +

+ (13,01 · 1,40 · 1100 /14,400)] = 4203 кДж/м3.

При α =1,2 в продуктах горения присутствует избыточный воздух. Его количество υL рассчитывают в соответствии с выражением (2.51). Для применения этой формулы следует располагать значениями расходов воздуха — (L0) (при α = 1,0) и (Lα) (при = 1,2), а также значением выхода продуктов горения — (Vα) (при α =1,2). Эти величины позволяют определить избыток воздуха при сжигании отдельно природного газа и мазута:

(υL)п. г = [(Lα) п. г – (L0) п. г ] · 100 /(Vα)п. г =

= (11,224 – 9,353) 100 / 12,434 = 15,05 %.

(υL)м = [(Lα) м – (L0) м 100 / (Vα)м =

= (13,010 – 10,842) 100 / 14,400 = 13,40 %.

По полученным выше данным следует найти процентное со­держание избыточного воздуха в продуктах горения. В первом приближении с достаточной для инженерных расчетов точностью избыток воздуха при совместном сжигании природного газа и мазута можно рассчитать по следующей формуле:

(υL)см = [(1 – z ) · (υL)п. г + z (υL)м] =

= (1 — 0,3) 15,05 + 0,3 13,40 = 14,52 %.

Используя для определения теоретической и балансовой температур горения i—t — диаграмму для природного газа, представленную на рис. 2.1, и рассчитанные значения iTобщ = 4115 кДж/м3 и iб общ = 4203 кДж/м3, а также (υL)см = 13,40 %, получим:

tTα = 2260°С, tбα = 2410°С.

2.5. Расчет температуры подогрева воздуха

Определить температуру подогрева воздуха, способную обеспечить при горении доменного газа с коэффициентом рас­хода воздуха α -1,2 нагрев стальных заготовок. Практическая температура горения, которая устанавливается в процессе эксплуатации печного агрегата при нагреве стальных заготовок составляет tпр = 1350 °С, что для рассматриваемых условий нагрева металла соответствует теоретической температуре горения, равной tTα= 1588 °С (пирометрический коэффициент η = 0,85).

Сжигание доменного газа, теплота сгорания которого равна (Qрн)д. г = 3500 кДж/м3, в атмосфере холодного воздуха при коэффициенте его расхода α =1,2 не может обеспечить такой температурный потенциал, так как теоретическая температура горе­ния в этих условиях оказывается равной tTα = 1270 °С, а практическая температура горения — tпр =1079 °С при том же пирометрическом коэффициенте.

Для того, чтобы определить какое теплосодержание про­дуктов горения соответствует теоретической температуре го­рения, равной tTα= 1588 °С, при коэффициенте расхода воздуха α= 1,2, необходимо располагать такими характеристиками процесса горения, как теоретический и практический расходы воздуха на горение L0, Lα,теоретический и практический вы­ход продуктов горения V0, Vα. Решение этой задачи можно осуществить, используя приближенный метод расчета горения топлива.

1. В соответствии с данными табл.2.1 формулы для определе­ния необходимых величин таковы:

L0= 0,001 · l1 · (Qрн)д. г = 0,001 · 0,191 · 3500 = 0,669 м3 /м 3;

∆V = 0,97 — 0,001 · 0,031 · (Qрн)д. г =

= 0,97 — 0,001 · 0,031 · 3500 = 0,861 м3 /м3;

V0 =L0+ ∆V = 0,669 + 0,861 = 1,53 м3 /м3;

Vα = Lα +∆V = α · L0+ ∆V = 1,2 · 0,669 + 0,861 = 1,664 м3 /м 3;

υL = [(Lα — L0) / Vα ] ·100 = [(0,803 — 0,669) / 1,664] · 100 = 8,1%.

Полученные данные позволяют, используя диаграмму рис. 2.3, определить теплосодержание продуктов горения при заданных теоретической температуре горения (1588°С) и коэффициенте расхода воздуха α= 1,2. Последнее условие соответствует υL=8,1%. При этом алгоритм решения поставленной задачи определяется следующими этапами:

2. По диаграмме рис. 2.3 определяют общее теплосодержание 1 м3 продуктов горения — iбобщ, соответствующее заданным условиям —tTα= 1588°С и υL= 8,1 %. В итоге получают:

iбобщ = ix + iв = 2700 кДж/м3.

3. Определяют количество тепловой энергии, которая поступает в 1 м3 продуктов горения за счет сжигания доменного газа:

Защита промышленных объектов и жилых зданий от пожаров – одна из наиболее важных и актуальных проблем. При этом основной целью при возникновении возгорания считается спасение людей, а единственным критерием эффективности действий по тушению – ликвидация очага возгорания в кратчайшие сроки. Чтобы решать практические задачи пожарной безопасности, необходимо учитывать комплекс параметров, наиболее важным из которых выступает температура пожара при горении.

Общие сведения

Пожарами называют процессы горения, которые не поддаются контролю, сопровождаются ущербом и убытками. Само горение представляет собой окислительную реакцию, для которой характерно образование пламени, свечение, появление дыма. Способность развивать горение является горючестью.

Пожары подразделяют на 4 класса на основании объектов, которые воспламеняются:

• A – твердые вещества;
• B – жидкие вещества;
• C – газы;
• D – металлы;
• E – электроустановки.

Классовая принадлежность определяют температуру при горении.

Все пожары сопровождаются опасными проявлениями:

• пламенем и искрами;
• повышением температуры окружающей среды;
• дымом;
• понижением уровня кислорода.

Все они воздействуют на человека, причиняют материальный ущерб.

По мере нарастания пламени в помещении наступает момент, когда все сооружение оказывается задымленным и охваченным тепловым влиянием. Дальнейшее нахождение в нем оказывается невозможным. Такой момент называют критическим временем. Он зависит от площади помещения, теплоты сгорания, темпов выгорания. Предельным значением среды считается 70 °С – человек не способен находиться в здании с такой температурой.

Горение

Все вещества, способные сгорать, состоят из углерода и водорода – основных компонентов газовоздушного потока. Температура воспламенения для многих из них колеблется в пределах 300 °С.

Горение возможно лишь в том случае, когда в воздухе будет содержаться определенное количество кислорода. Концентрация, при которой исключено воспламенение, определяется только опытным путем. Например, для картона самопроизвольное затухание наступает при 14 %.

Чтобы горючая смесь воспламенилась необходим источник зажигания. Это может быть огонь, тепловое воздействие нагревательных приборов, разряды статического электричества, молнии и т.п.

Особенности развития пожара

Процесс определяется несколькими факторами:

• физическими и химическими характеристиками загоревшихся элементов;
• пожарной нагрузкой;
• темпами выгорания;
• особенностями газообмена.

Существуют три стадии:

1. Начальная – когда возгорание переходит в пожар, увеличивается горящая зона. Среднеобъемная t возрастает до 200 °С. Темпы роста – около 15 °С/мин.
2. Стадия объемного возгорания – когда пламя заполняет весь объем помещения. Разрушаются стеклянные конструкции, поток свежего воздуха увеличивает развитие. Температурные значения доходят до 800-900 °С. Скорость роста – около 50 °С/мин.
3. Затухание – когда пространство, где развивается пожарный процесс, четко подразделяется на следующие области: горения, теплового воздействия и задымления.

Когда говорят о внутренних пожарах, рассчитывается среднеобъемная t газовой среды в здании. Об открытых – предельные температурные показатели пламени.

Температурный режим

Абсолютные значения температуры наружных пожаров выше, чем внутренних. Это объясняется размерами зоны горения, а также особенностями горючих веществ, удельной теплоты пожара, газового обмена и прочих факторов.

Температура пожара – непостоянная величина. Она зависит от пространственно-временного фактора, может становиться выше или ниже. Температурные изменения в пространстве и времени – температурный режим (ТР) пожара.

В помещениях

ТР внутренних пожаров – среднеобъемные колебания температуры с течением времени. Скорость роста и абсолютное значение температуры зависит от многих факторов:

• объема здания;
• пожарной нагрузки;
• особенностей газообмена;
• горючих веществ;
• потерь тепла на нагрев конструкций;
• отношения площади приточных отверстий к площади горения;
• отношения площади горения к площади пола;
• высоты здания.

Высота помещения – один из ключевых факторов, определяющих температурный режим. В высоких сооружениях скорость роста t выше, однако по максимальному значению она меньше, чем в низких. Это обусловлено тем, что в помещениях малой высоты коэффициент избытка воздуха больше, следовательно, потери тепла из зоны горения тоже больше.

Например, подвалы, судовые трюма, кабельные тоннели, сушильные камеры и прочие относительно замкнутые пространства отличаются более высокой температурой пожара. Передача тепла наружу ограничивается, запускается процесс его аккумуляции.

Наружные

ТР наружных пожаров – среднеобъемные колебания температуры в зависимости от времени и области теплового воздействия до безопасных границ. Границы располагаются там, где температура не поднимается выше 50-60 °С. Влияние на нее оказывают теплота и скорость сгорания, дымообразующие способности.

Среднее значение для горючих газов – 1200-1300°С, для жидкостей – 1100-1300°С, для твердых веществ органического происхождения – 1000-1250°С.

По высоте температуры при пожаре распределяются неравномерно. Максимальные значения находятся непосредственно в зоне горения, минимальные – по мере удаления от нее к границам теплового воздействия. Чем дальше от области горения, тем ниже градус, что объясняется процессами теплообмена, происходящими в окружающей среде.

Лесные пожары

Защита лесов – одна из ключевых природоохранных проблем. Задача лесопожарного мониторинга состоит в прогнозировании температур горения верхового пожара. Согласно действующему Лесному кодексу РФ и прочим нормативным актам, классификация пожарной опасности в лесных массивах определяется как степень возможности появления очагов возгорания на соответствующих территориях.

Для количественной оценки применяется комплексный показатель (КП), который высчитывается ежедневно каждые 12-15 часов. Класс пожарной опасности выявляется на основании КП. Формула его расчета – сумма произведений t воздуха на разность t воздуха и точки росы за определенное количество дней без осадков.

Лесные пожары подразделяется на две категории:

• низовые – те, что охватывают землю и нижние ярусы деревьев.
• верховые – те, что начинаются при сильных ветрах, распространяются на кроны.

Температура горения дерева составляет около 400-900°С при низовых и 1000-1100°С при верховых.

Особенности температурных расчетов

Для установления t используют:

• термопар;
• оптический либо радиационный пирометр;
• расчеты методом последовательных приближений.

Наиболее часто применяется формула зависимости температурных показателей от времени:

t = 345lg(8t+1), где t – период развития пожара, выраженный в минутах.

Такой ТР считается стандартным. Он демонстрирует исключительно экспериментальные данные при условии, что возгорание не ограничивалось.

Также при определении оцениваются отличительные внешние признаки нагрева – плавление, цвет и т.п.

При сухом воздухе и ТР 80-100 °С, а также при влажном и ТР 50-60 °С человек может пребывать без средств специальной защиты в течение нескольких минут. Более высокие значения и продолжительное нахождение в зоне опасного теплового воздействия приводят к ожогам, перегреванию, обморокам, а в крайних случаях – к летальным исходам.

Примеры

Знание среднеобъемных температур продуктов горения при пожаре, а также скорость их роста помогают делать корректные прогнозы относительно хода развития процесса, производить расчеты газообмена, предвидеть строительные обрушения и деформации, выявлять возможные взрывы. Наиболее распространенные данные приведены в таблице ниже. Характеристики взяты из ГОСТ 12.1.044-89.

Материал	Средняя температура, °С
Бумага	360-500
Дерево (сосна)	800-1000
Карболит	530-600
Каучук	1000-1200
Магний	2000
Натрий	800-900
Органическое стекло	1000-1115
Пиломатериалы	1200-1300
Полистирол	1000-1100
Каменный уголь	1000-1200
Нефтепродукты	1100-1300
Папироса	700-800
Спирт	1180
Глина	1400-1500
Медь	1000-1080
Полиэтилен	90-130

Одновременное горение разнородных веществ и материалов требует расчета средних значений ТР по весовой загрузке этих материалов.

Заключение

Высокие температурные значения в пределах горения и теплового воздействия становятся причиной гибели людей и животных. Они вызывают нагрев горючих материалов и их последующее воспламенение, деформируют и обрушают строительные конструкции, оказывают значимое воздействие на развитие и протекание пожара, создают сложные условия для его тушения.

Тушить обычно начинают спустя 20-30 минут, когда все пожарные показатели достигают своих пределов. Однако продолжительное воздействие высоких температур на конструкции негативно отражается на их несущих способностях – данный факт должен быть обязательно учтен.

Чтобы снизить опасность промышленных объектов, их оснащают автоматическими системами тушения, которые активируются на первых фазах развития пожара. В зависимости от особенностей горения они способы полностью прекращать пожар либо сдерживать его развитие.