Каталог

Помощь

Корзина

Теоретический расчет основных параметров горения газового фонтана

Оригинальный документ?

МЧС России

Уральский институт государственной противопожарной службы

 

 

 

 

Теоретический расчет основных параметров горения газового фонтана

  

Учебно-методическое пособие для написания курсовой работы по дисциплине “Физико-химические основы развития и тушения пожаров” 

Учебно-методическое пособие для написания курсовой работы по дисциплине “Физико-химические основы развития и тушения пожаров”




 

Екатеринбург 2007

 

 Теоретический расчет основных параметров горения газового фонтана: Учебно-методическое пособие к курсовой работе по дисциплине “Физико-химические основы развития и тушения пожаров”  для студентов инженерного факультета / Екатеринбург: Уральский институт государственной противопожарной службы МЧС России. 2007.22 с.

 

Составители: М. П. Миронов, Л. Н. Маскаева 

 

Рецензент: проф., докт. хим. наук, заведующий кафедрой физической и коллоидной химии Уральского государственного технического университета-УПИ  Марков В. Ф.   

 

В учебно-методическом пособии рассмотрены закономерности процессов горения газовых фонтанов и приведен пример теоретического расчета основных параметров горения газового фонтана.

Пособие содержит теоретический материал по дисциплине “Физико-химические основы развития и тушения пожаров”. В начале работы приведены варианты заданий по курсовой работе и справочная таблица с термодинамическими характеристиками некоторых веществ, необходимых для выполнения курсовой работы.

Библиогр.: 6 назв., табл. 6, рис. 7.

 

 

 

 

 

 

 

Подготовлено кафедрой химии и процессов горения


 Содержание

 

Введение

Горение газов 4

Общие закономерности кинетического режима горения 5

Влияние различных факторов на скорость распространения пламени 6

Диффузионное горение газов9

Особенности горения газовых струй. Условия стабилизации и срыва пламени10

Оценка горящих газовых фонтанов 11

Методы тушения газовых фонтанов 12

Задание на курсовую работу 13

Порядок выбора варианта курсовой работы 13

Требования к оформлению курсовой работы 13

Исходные данные для расчёта 14

Пример расчета основных параметров горения газового фонтана 16

Библиографический список 22

 

Введение

Увеличивающееся с каждым годом потребление нефти и газа, ежегодный объем добычи которых в настоящее время в стране составляет более 300 млн. тонн, приводит к необходимости интенсификации процессов его добычи. Обусловленные этим отказы механизмов, нарушения технологического процесса, а также природные катастрофы приводят к серьёзным авариям, которые могут сопровождаться крупными пожарами, большими материальными потерями, ухудшением экологической обстановки в зоне пожара и прилегающих районах, а нередко и человеческими жертвами.

Борьба с пожарами на нефтяных и газовых месторождениях, часто находящихся в труднодоступных регионах, требует привлечения огромных материально-технических ресурсов и может длиться неделями. Так, например, тушение пожара на газонефтяном месторождении в течение нескольких дней обходится не в одну сотню тысяч, а то и не один миллион долларов. При этом зачастую теряется не только специальная пожарная техника, но и обрываются жизни людей. Вред, нанесённый окружающей среде в зоне пожара и прилегающих районах, точно оценить практически невозможно.

Пожары на открыто фонтанирующих газонефтяных скважинах являются одними из наиболее сложных видов промышленных аварий.

Некоторое представление о пожаре на фонтанирующей скважине можно получить по следующим данным: расход мощных фонтанов может достигать10−20 миллионов кубометров газа в сутки, высота горящего факела достигает 80−100 м, интенсивность тепловыделения в таком факеле составляет несколько миллионов киловатт.

Целью курсовой работы “Теоретический расчет основных параметров горения газового фонтана” является использование теоретических знаний, полученных при изучении дисциплины «Физико-химические основы развития и тушения пожаров», для проведения расчетов параметров развития пожаров.

В результате выполнения курсовой работы слушатель должен:

знать и уметь оценивать расчетными методами

− параметры пожара газового фонтана; адиабатическую и действительную температуры горения, интенсивность лучистого теплового потока в зависимости от расстояния до устья скважины, режим истечения и др.

− провести анализ на соответствие полученных расчетных результатов нормативным требованиям и сделать выводы.

 

Горение газов

 

Как правило, горение возникает от какого-либо источника зажигания. По существу это только начальная стадия процесса горения, т.е. ее инициирование. Безусловно, указанная стадия важна с точки зрения профилактики пожаров и взрывов, но предотвратить их не всегда удается. Поэтому для практических работников пожарной охраны большое значение имеет возможность прогнозирования динамики развития горения, а именно, в каком режиме и с какими параметрами будет развиваться пожар или взрыв на реальных объектах. Кроме того, в практической деятельности приходится сталкиваться с необходимостью реставрации картины развития уже происшедших пожаров и взрывов. Для этого необходимо знать основные закономерности процессов распространения, развития горения. Эти сведения необходимы также для правильного выбора наиболее эффективного вида и способа применения огнетушащего средства в конкретных условиях.

При изучении дисциплины “Теория горения” вы познакомились с различными  режимами  горения газов:  кинетическим  и диффузионным, ламинарным и турбулентным. Кинетическое горение возможно только в предварительно перемешанных  смесях  горючего и окислителя. Во всех остальных случаях горение будет протекать в диффузионном режиме.

 

Общие закономерности кинетического режима горения 

Схема фронта (а) и изменение температуры и концентрации горючего (б) в кинетическом пламени

Рис. 1. Схема фронта (а) и изменение температуры и концентрации горючего (б) в кинетическом пламени


Если с  помощью оптического прибора рассмотреть кинетическое пламя в неподвижной горючей смеси, то можно увидеть следующую картину (рис.1). Справа находятся нагретые до высокой температуры (Тпг) продукты горения, слева − холодная с температурой (Т0) исходная горючая смесь, а  между ними − ярко светящаяся полоска − фронт пламени с толщиной (

d). Горючий компонент во фронте пламени сгорает, и в продуктах горения его  концентрация практически равна нулю. Естественно, температура продуктов горения температуры исходной смеси Тпг = Тг >> Т0.  Поскольку теплота передается от горячего к холодному, в сторону исходной смеси будет идти тепловой поток (q), нагревая прилегающий к ней слой, так называемую зону подогрева. Передача теплоты от нее осуществляется теплопроводностью.



Смесь в этом слое воспламенится при достижении температуры самовоспламенения. Зона горения переместится туда, затем  в следующий слой, следующий и т.д. Фронт пламени будет непрерывно перемещаться до самой границы горючей смеси. Такое распространение пламени называют нормальным или дефлаграционным горением.

Нормальное или дефлаграционное горение − это распространение пламени по однородной горючей среде, при котором фронт пламени движется вследствие ее послойного разогрева по механизму теплопроводности от продуктов горения.

Толщина фронта пламени, как правило, не превышает десятых долей миллиметра. Поэтому его обычно принимают за поверхность, отделяющую исходную смесь от продуктов горения. Как показали исследования, своим свечением фронт пламени обязан многоатомным радикалам: С=С::CH×, .HCO и др. Есть в пламени и ионы, концентрация которых достигает 1016− 1017 м−3. Возникновение ионов в пламени имеет химическую и термическую природу.

 

Влияние различных факторов на скорость распространения пламени

                                                                                                                  

Нормальная скорость распространения пламени зависит от теплофизических свойств  газопаровоздушной смеси.  Но в еще большей степени скорость распространения зависит от ее физико-химических свойств − скорости и температуры реакции горения:

 

              Нормальная скорость распространения пламени зависит от теплофизических свойств газопаровоздушной смеси. Но в еще большей степени скорость                                                                   (1)

т.е. uн пропорциональна скорости реакции окисления (w) и обратно пропорциональна температуре горения (Тг). Определяющим параметром здесь, безусловно, будет скорость реакции. 


Запишем уравнение скорости химической  реакции горения:

 

            Запишем уравнение скорости химической реакции горения (2)                                                                        (2)

 

Рассмотрим, как будет меняться скорость реакций окисления для смесей с разным соотношением горючего и воздуха (рис. 2).

Из графика видно, что для смеси стехиометрического состава (коэффициент  избытка  воздуха a = 1), скорость реакции окисления максимальна:

 

                         w(Tг) =  wстех .                                                                (3)

 

При увеличении концентрации горючего в смеси, когда a становится < 1, воздух находится в недостатке, и горючее сгорает не полностью, а частично. Поэтому меньше выделится теплоты Qгор, а значит Tг снизится.

Скорость реакций окисления по сравнению со стехиометрической уменьшится, причем сразу из-за снижения и концентрации окислителя О2, и температуры горения. То есть при последовательном снижении a (что эквивалентно увеличению концентрации Сгор в смеси) скорость реакций окисления w и Tг будет последовательно снижаться. На графике при Cгор > Сгстех  кривая становится нисходящей. Значит, при a > 1 скорость реакций окисления также снижается, и в целом на графике получается парабола.

Зависимость скорости горения от концентрации горючего в смеси

 

Рис. 2. Зависимость скорости горения от концентрации горючего  в смеси


Именно такая зависимость скорости реакции горения от концентрации горючего компонента в исходной смеси предопределяет параболический вид зависимости многих параметров процесса горения от состава смеси: температуры самовоспламенения и минимальной энергии зажигания, концентрационных пределов распространения пламени. Вид параболы имеет также и зависимость uн от  Сг (рис. 3).

Зависимость скорости распространения пламениот концентрации

Рис.3. Зависимость скорости распространения пламени от концентрации  пропана в воздухе

Согласно теории максимальная скорость распространения пламени  (uнмах) должна соответствовать стехиометрической концентрации. Однако экспериментальные ее значения несколько сдвинуты в сторону богатых по содержанию горючих смесей (a < 1). С увеличением начальной температуры смеси скорость распространения пламени должна повышаться, что и наблюдается на практике. Например, для смеси паров бензина и керосина с воздухом она имеет вид,  приведенный на рис.4.

 

Зависимость скорости распространения пламениот начальной температуры смеси паров бензина и керосина с воздухом (a = 0.95)

 Рис. 4. Зависимость скорости распространения пламени  от начальной температуры смеси паров бензина и керосина с воздухом (a = 0.95)

 

Для различных веществ uн зависит от их химического строения и колеблется в довольно широких пределах (табл. 1). Для большинства смесей  углеводородных топлив с воздухом uн < 1 м/с. При введении в горючую смесь балласта – избыточного воздуха или азота заметно снижается температура горения. Введение в горючую смесь азота N2,  аргона Аr, диоксида углерода СО2 разбавляет ее и тем самым снижает скорость реакции окисления и распространения пламени. Данные рис. 5 иллюстрируют эти факты.


Таблица 1. Нормальная скорость  распространения пламени для некоторых горючих смесей 

Горючая смесь

Формула

uн , м/с

 

Водород + воздух

Н2 + 0,5(О2 + 3,76N2)

1.6

Ацетилен + воздух

СНºСН+2,5(О2+ 3,76N2)

1.5

Ацетилен + кислород

СНºСН + 2,5О2

8.0

Этилен + воздух

СН2=СН2+3(О2 + 3,76N2)

0.60

Бутан + воздух

С4Н10 + 6,5(О2 + 3,76N2)

0.40

Метан + воздух

СН4 + 3(О2 + 3,76N2)

0.34

 

Влияние флегматизаторов на скорость распространения пламени по пропану С3Н8 (a = 1.15)

 

Рис.5. Влияние флегматизаторов на скорость распространения пламени по    пропану С3Н8 (a = 1.15)

 

Флегматизирующая способность этих газов зависит от их теплофизических свойств,  в частности теплопроводности.

 

Диффузионное горение газов

 

В реальных условиях диффузионное горение встречается в тех случаях,  когда газ или пары воспламеняются сразу же после начала их аварийного истечения. Типичными и довольно распространенными примерами являются  диффузионное горение газа при разрушении магистральных трубопроводов, на аварийной фонтанирующей морской или сухопутной скважине газового или газоконденсатного месторождения, на газоперерабатывающих заводах.

Рассмотрим особенности такого горения. Предположим, что горит скважина природного газа, основным компонентом которого является метан. Горение диффузионное, в ламинарном режиме, КПР метана 5−15 % об. Изобразим схему пламени и построим графическую зависимость изменения концентрации горючего от оси фонтана и скорости реакции горения (рис. 6).

Концентрация газа  снижается от 100 %  на оси струи через jв до jн на ее периферии. Горение происходит только в интервале концентраций от jв до jн, т.е. в пределах области его воспламенения. Скорость реакции  горения  w(Т) будет равна нулю на КПР и максимальной при jстех. Таким образом, расстояние между xн  и xв определяет толщину фронта диффузионного пламени:

 

                          dфп =  xнxв.                                                        (4)

 

Схема диффузионного ламинарного пламени газового фонтана (а), изменение концентрации горючего (б), скорости реакции горения (в) во

Рис. 6. Схема  диффузионного  ламинарного пламени газового фонтана (а), изменение концентрации горючего (б), скорости реакции горения (в) во фронте пламени.

 

Для диффузионных пламен в отличие от кинетических толщина фронта пламени имеет следующие значения: dфп = 0.1-10 мм. Скорость реакции диффузионного горения определяется скоростью диффузии кислорода и по своей величине примерно в 5×104 раз меньше скорости кинетического горения. В такое же число раз ниже теплонапряженность, т.е. скорость выделения теплоты диффузионным факелом.

 

Особенности горения газовых струй. Условия стабилизации

и срыва пламени.

 

Условия горения газовых фонтанов удобнее рассмотреть на примере газовых струй. В реальных условиях такие струи являются турбулентными. При воспламенении струи газа, вытекающей из скважины, образуется так называемый диффузионный факел, имеющий осесимметричную веретенообразную форму (рис. 6). Химические реакции горения идут в тонком поверхностном слое факела, который в первом приближении можно считать поверхностью, где концентрации топлива и окислителя обращаются в ноль, а диффузионные потоки топлива и окислителя к этой поверхности находятся в стехиометрическом соотношении. 

Диффузионный фронт горения не имеет никакой скорости распространения, поэтому самостоятельно удержаться на текущей вверх струе не может. Стабилизация пламени на струе происходит в самой нижней части факела, где реализуется другой механизм горения. При истечении газа из отверстия на начальном не горящем участке поверхности струи образуется турбулентный слой смешения газа и окружающего воздуха. В этом слое концентрация газа в радиальном направлении плавно падает, а концентрация окислителя нарастает. В средней части толщины слоя смешения возникает гомогенная смесь топлива с окислителем с составом, близким к стехиометрическому. 

При воспламенении такой подготовленной к горению смеси фронт пламени может распространяться в слое смешения с конечной скоростью даже навстречу потоку, если скорость горения превышает по величине локальную скорость потока. Но так как по мере приближения к выходному отверстию скорость струи нарастает, то на некоторой высоте скорость струи (uf) становится равной скорости горения (wt), и пламя стабилизируется на поверхности струи на этой высоте. 

Точно рассчитать скорость турбулентного горения (wt) не представляется возможным. Однако, оценки показывают, что значение (wt) приблизительно равно пульсационным скоростям струи, величина которых пропорциональна осевой скорости (um). Из экспериментальных данных следует, что максимальные значения среднеквадратичных пульсаций продольной компоненты скорости составляет 0.2 um. Принимая эту величину за скорость турбулентного горения можно считать, что максимальная скорость распространения пламени навстречу фонтанирующей со скоростью 300-450 м/с струе газа будет порядка 50 м/с.

 

Оценка горящих газовых фонтанов

 

При тушении пожаров мощных газовых фонтанов возникает необходимость в оценке расхода горящего фонтана, так как расход газа является одним из основных параметров, определяющих объемы работ и материально-технических средств, необходимых для ликвидации аварии. Однако непосредственное измерение расхода горящего фонтана в большинстве случаев оказывается невозможным, а эффективных дистанционных способов определения расхода струи не существует. Расход мощных недорасширенных газовых фонтанов может быть определен по высоте факела (Н).

Известно, что высота турбулентного факела, образующегося при горении нормально расширенных газовых струй с дозвуковой скоростью истечения, не зависит от скорости или расхода струи, а определяется лишь диаметром отверстия (d), из которого струя вытекает, теплофизическими свойствами газа и его температурой (Т) на выходе из отверстия. Известна эмпирическая формула высоты факела при горении фонтана природного газа:

 

V = 0.0025H 2 , млн. м3/сутки.                                                       (5)

 

На реальных пожарах ламинарный режим горения практически не встречается. Газ, как в пласте газового месторождения, так и в транспортных трубопроводах и в технологических установках, находится под давлением. Поэтому расходы газа при аварийном истечении будут очень большими − до 100 м3/с на пожарах фонтанирующих газовых скважин (до 10 млн. м3/сутки). Естественно, что в этих условиях режимы истечения, а значит, и режимы горения будут турбулентными.

Для расчета сил и средств на тушение горящих газовых факелов необходимо знать расход газа. Исходные данные для его расчета практически всегда отсутствуют, поскольку неизвестны либо давление газа в технологическом оборудовании, либо в пласте месторождения. Поэтому на практике пользуются экспериментально установленной зависимостью высоты пламени факела от расхода газа (табл. 2).

                                               

Таблица 2. Зависимость высоты пламени от расхода газа газового фонтана при различных режимах горения 

Режим горения

Расход газа, м3

Высота пламени, м

турбулентный

5

16

10

22

20

28

30

35

ламинарный

1.8.10−6

25×10−2 

 

Методы тушения газовых фонтанов

 

До настоящего времени тушение пожаров газонефтяных фонтанов осуществляется одним из следующих способов: мощными водяными струями; струями огнетушащих порошков, подаваемых в факел сжатым газом; газоводяными струями, создаваемыми авиационными турбореактивными двигателям; взрывом мощного сосредоточенного заряда взрывчатого вещества, подвешиваемого вблизи основания факела. 

Эти способы пригодны для тушения пожаров фонтанов с расходом газа до 3−5 млн. м3 в сутки, однако при тушении более мощных горящих фонтанов становятся малоэффективными. Применение этих методов требует привлечения большого количества людей и специальной техники, проведения сложных и дорогостоящих подготовительных работ, наличия больших запасов воды. Поэтому сроки ликвидации аварии на скважине нередко затягиваются на многие недели и месяцы, что приводит к истощению ресурсов месторождения и к угрозе гибели скважины.

В Институте гидродинамики Сибирского отделения Российской академии наук совместно с работниками пожарной службы разработан принципиально новый вихрепорошковый способ тушения пожаров газовых фонтанов практически любой возможной мощности. Тушение факела по этому способу  осуществляется путем воздействия на факел воздушным вихревым кольцом, заполненным распыленным огнетушащим порошком. Вихревое кольцо образуется при взрыве небольшого кольцевого заряда взрывчатого вещества, обложенного слоем огнетушащего порошка. Этот способ характеризуется высокой эффективностью, незначительным объемом подготовительных работ и малыми расходами огнетушащих материалов. Простота реализации данного способа позволяет осуществить тушение горящего газового фонтана в сжатые сроки при минимальных затратах людских и материальных ресурсов.

 

Задание на курсовую работу

 

Слушатель (курсант) должен рассчитать основные параметры горения  компактного газового фонтана состава (см. табл. 3), истекающего через устье диаметром Формула 11 (табл. 4) и имеющего высоту факела пламени Формула 12 (табл. 4), химический недожог в зоне горения составляет Формула 13 от низшей теплоты сгорания (табл. 5):

1. Дебит газового фонтана Формула 14 (млн. м3 /сутки).

2. Адиабатическую температуру горения, Формула 15, °С.

3. Действительную температуру горения, Формула 16, °С.

4. Изменение интенсивности лучистого теплового потока в зависимости от расстояния до устья скважины Формула 17, кВт/м2.

5. Определить безопасное расстояние от устья скважины, Формула 18, м.

 

Порядок выбора варианта курсовой работы

 

По выданному преподавателем варианту задания с помощью таблиц (1÷3) выбираем условия задания к курсовой работе. Например, номер зачетной книжки 052793. По табл. 3 состав газового фонтана − 2 вариант (СН4 − 85 об. %, С2Н6 − 10 об. %, СО2 − 2 об. %, О2 − 3 об. %,); по табл. 4 диаметр устьевого оборудования (7 вариант) – 250 мм и высота факела пламени (9 вариант) –  45 м; по табл. 5 величина химического недожога (3 вариант) – 0.08.

 

Требования к оформлению курсовой работы

 

Расчетно-пояснительная записка представляется преподавателю на проверку в виде сброшюрованной рукописи. Текст располагается на одной стороне листа формата А4 (297×210 мм). Все страницы курсовой работы должны иметь сквозную нумерацию.

Расчетно-пояснительная записка должна начинаться с оглавления, затем на отдельной странице следует задание на курсовую работу с указанием исходных данных, необходимых для расчета, Теоретическая часть должна представлять краткий реферат с изложением основных понятий, используемых в курсовой работе. Каждое уравнение (формула) записывается отдельной строкой и нумеруется (сквозная нумерация уравнений и формул).

Рисунок можно оформить, используя компьютерную технику. Под рисунком следует привести его название.

Ссылки на все приведенные источники обязательно должны быть в тексте курсовой работы. Их делают, например, так: “… для расчетов использованы справочные данные из работы [2]”.

В конце курсовой работы формулируются выводы. Работа завершается использованной литературой.


Исходные данные для расчёта

 

Таблица 3. Состав газового фонтана

п/п

 

Компонент

Содержание компонентов, % об.

 

Номер варианта

 

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

 

1.

Метан

80

90

85

70

75

84

85

80

90

70

2.

Этан

6

-

10

20

-

6

-

-

8

-

3.

Пропан

-

-

-

-

10

-

-

15

-

20

4.

Сероводород

3

5

-

-

8

7

-

5

-

4

5.

Сероуглерод

-

-

-

4

-

-

10

-

2

-

6.

Азот

-

3

-

-

-

-

-

-

-

-

7.

Диоксид углерода

5

-

2

2

-

-

5

-

-

6

8.

Кислород

6

2

3

4

7

3

-

-

-

-

 

Таблица 4. Параметры газового фонтана

вари

анта

Диаметр устьевого оборудования, мм

Высота факела пламени, м

Номер варианта

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

 

0

65

28

14

35

35

28

35

34

27

27

40

1

80

35

49

29

24

35

45

13

44

27

28

2

100

20

35

15

34

20

19

35

34

15

14

3

120

13

20

28

49

13

28

25

14

45

44

4

150

48

34

35

14

48

28

25

28

35

34

5

175

28

14

35

35

28

35

34

27

27

40

6

200

13

20

28

49

13

28

25

14

45

44

7

250

24

19

48

21

24

15

45

44

45

45

8

275

48

34

35

14

48

28

25

28

35

34

9

300

35

49

29

24

35

45

13

44

27

28

 

Таблица 5. Химический недожог (), (в долях от низшей теплоты сгорания)

Вариант

Химический недожог

1

0.05

2

0.10

3

0.08

4

0.12

5

0.07

6

0.10

7

0.15

8

0.07

9

0.15

0

0.10

 

Таблица 6. Значения стандартных теплот образования и средних приведенных теплоемкостей (в интервале температур 298−2000 K) некоторых веществ 

Вещество

Формула

Стандартная мольная теплота образования Формула 20, кДж/моль

Теплоемкость, Ср,298, Дж/(моль.K)

Метан

CH4

−74.85

Этан

C2H6

−84.67

Пропан

C3H8

−103.85

Сероводород

H2S

−20.60

Сероуглерод

CS2(г)

115.3

Азот

N2

0

32.76

Диоксид

 углерода

CO2

393.51

53.14

Кислород

O2

0

34.73

Вода

H2O(г)

241.81

42.34

Диоксид серы

SO2

296.90

52.57

  

Пример расчета основных параметров горения газового фонтана.

 

1. Дебит газового фонтана (Формула 21, млн. м3/сутки) может быть рассчитан по высоте факела пламен по формуле (5):

1. Дебит газового фонтана (, млн. м3сутки) может быть рассчитан по высоте факела пламен по формуле= 0.0025× 1. Дебит газового фонтана (, млн. м3сутки) может быть рассчитан по высоте факела пламен по формуле= 0.0025× 452 =5.0625 млн.м3/сутки = 58.6 м3

 

2. Режим истечения газовой струи может быть определен сравнением эффективной скорости истечения (Формула 24) со скоростью звука (Формула 25)

 

2. Режим истечения газовой струи может быть определен сравнением эффективной скорости истечения () со скоростью звука,                                                           (6)

 

где Формула 27  секундный расход газа, м3/с.

      Формула 28  диаметр устья скважины, м; Формула 29= 250 мм = 0.25 м.

Скорость звука в метане (Формула 30) составляет 430 м/с, т.е. скорость истечения газовой струи превышает скорость звука.

3. Для расчета адиабатической (Формула 31) и действительной (Формула 32) температур горения необходимо определить теплоту сгорания, т.е. количество тепла, выделяемое при полном сгорании единицы количества горючего материала, в рассматриваемом случае с учётом состава газового фонтана.

Теоретическая (адиабатическая) температура горения достигается при полном и адиабатическом сгорании газообразного вещества, т.е. все тепло, выделившееся при горении, идет на нагрев.

Остановимся на методике ее расчета, основываясь на анализе энергетического баланса химической реакции.

Если первоначальная температура сжигаемого вещества равна Т0, а температура прочих веществ (например, кислорода и различных газов) равна Т1, Т2 и т.д., то допустив, что исходные вещества имеют температуру 273.15 K, будем иметь: 

 Если первоначальная температура сжигаемого вещества равна Т0, а температура прочих веществ (например, кислорода и различных газов),                                                   (7)

 

гдеФормула 34,Формула 35 − теплоемкость исходных веществ и продуктов (в том числе и возможного избытка кислорода); ν, ν − стехиометрические коэффициенты исходных веществ и продуктов; Та − теоретическая температура горения, т.е. адиабатическая.

Для упрощения можно воспользоваться вместо величины Формула 36 значением стандартной энтальпии сгорания при 298.15 K Формула 37 и вместо истинных теплоемкостей реагентов их средними значениями, причем в качестве нижнего предела можно брать Т = 298.15 K

Химические реакции, сопровождающиеся выделением теплоты, называются экзотермическими, а реакции, которые проходят с поглощением теплоты, эндотермическими.

Количество тепла, выделяющееся при полном сгорании одного моля вещества, называется теплотой сгорания этого вещества (Qгop, Формула 36Нгор). Стандартная энтальпия сгорания кислорода, жидкой воды, газообразного диоксида углерода (СО2) и других высших оксидов в стандартных состояниях равна нулю при любой температуре (Формула 36), так они не способны окисляться.

Значение теплоты сгорания органических соединений можно найти в справочной литературе или рассчитать, используя первое следствие из закона  Гесса, которое гласит:

 

Тепловой эффект реакции равен сумме энтальпий образования продуктов реакции за вычетом суммы энтальпий образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов.

 

Высшей теплотой горения Qгвыс (∆Нгниз) называют количество теплоты, выделяемое при полном сгорании 1 кг или 1 м3 горючего вещества при условии, что вода выделяется в конденсированном состоянии.

Низшей теплотой горения Qгниз(∆Нгниз) называют количество теплоты, выделяемое при полном сгорании 1 кг или 1 м3 горючего вещества при условии, что вода выделяется в виде пара.

В пожарно-технических расчетах обычно используют низшую теплоту горения, т.к. на пожарах вода выделяется в виде пара.

Используя справочную литературу для нахождения теплот (энтальпий) образования веществ и проводя различные расчеты, необходимо помнить, что тепловой эффект реакцииrН и теплота Qгор. имеют одинаковое численное значение, но разный знак, т.е. Qгор = −Формула 40.

Рассчитаем теплоту сгорания (−Формула 41 = Qн) метана и этана, опираясь на первое следствие из закона Гесса. Запишем их реакции окисления:

 

              СН4(г)+ 2О2 +2×3.76N2 = СО2(г) +  2О(г) + 2×3.76N2    (8)

Формула 42. кДж/моль   −74.85    0                     −393.51  −241.81

Тогда теплота сгорания метана равна:

Qн=−{Формула 43(СО2)+2Формула 442О)Формула 45(СН4)=

=(−393.51)+2(−241.81)−(−74.85)} = 802.29 кДж/моль. 

Так как 1 моль любого газа при нормальных условиях (298 K, 101325 Па) занимает объем 22.4 л (22.4.10−3 м3), то теплота сгорания 1 м3 метана будет равна  802.29 : 22.4.10−3 = 35816.5 кДж3.

          С2Н6(г)+3.5О2 +3.5×3.76N2 = 2СО2(г) + 3Н2О(ж)+3.5×3.76N2 (9)

Формула 46, кДж/моль  −84.670                             −393.51    −285.83

а теплота сгорания этана: 

Qн ={ 2Формула 47(СО2) + 3Формула 482О) Формула 492Н6) = 2(−393.51) + 3(−241.81)− (−84.67)} = 1427.81 кДж/моль. По аналогии с метаном теплота сгорания 1 м3 этана будет равна 63741.5 кДж3.

 

Поскольку в 1 м3 исходной газовой смеси содержится 85 об. % (0.85) метана СН4 и 10 об. % (0.10) этана С2Н6, то общая теплота сгорания 1 м3 смеси составит

35816.5 × 0.85 + 63741.5 × 0.10 = 36814.1 кДж3.

Определим объем и число молей продуктов горения газообразной смеси, содержащей 85 об.% (Формула 50) СН4, 10 об.% (Формула 51) С2Н6 по реакциям (8) и (9), учитывая что смесь содержит дополнительно 2 об.% (Формула 52) СО2, 3 об.% (Формула 53) О2 (в соответствии с заданием). Обозначив стехиометрические коэффициенты продуктов реакции горения метана Формула 54, этана Формула 55, рассчитаем объем (V) и число молей (ν) в единице объема продуктов горения:

Определим объем и число молей продуктов горения газообразной смеси, содержащей 85 об.% () СН4, 10 об.%

и Изображение 57

Изображение 58

и Изображение 59

Изображение 60

и Изображение 61

.Суммарный объем продуктов горения составит.

Суммарный объем продуктов горения составит:

1.07 + 2.0 + 7.71 + 0.03 10.81 м33  или 482.6 моль/м3 .

 После интегрирования уравнения (7) получим выражение для адиабатической температуры горения:

После интегрирования уравнения (7) получим выражение для адиабатической температуры горения (10)              (10)

                                                           

Для расчетов воспользуемся следующими средними значениями теплоемкостей при температуре 298−2000 K: ср(СО2) = 53.14, ср2О) = 42.34, ср2) = 34.73, ср(N2) = 32.76 Дж/моль.K. Подставив приведенные значения теплоемкостей и молей продуктов сгорания в формулу (10), получим:

 

Для расчетов воспользуемся следующими средними значениями теплоемкостей при температуре 298−2000 K ср(СО2) = 53.14, ср(Н2О) =

 

Действительная температура горения всегда ниже адиабатической, так как часть тепла теряется на излучение. При расчете действительной температуры горения учитываются потери тепла в результате химического недожога в зоне горения, когда образуются продукты неполного горения (СО, С, Формула 65, Формула 66 и др.) и потерь тепла излучением факела пламени.

 

Действительная температура горения всегда ниже адиабатической, так как часть тепла теряется на излучение. При расчете действительной                                                                  (11)

 

где Формула 68 общие теплопотери при горении факела пламени (доля от низшей теплоты сгорания Формула 69);

Формула 70  химический недожог (0.08);

Формула 71  теплопотери излучением пламени.

Теплопотери излучением пламени газового фонтана могут быть определены в соответствии со следующей формулой:

 

Теплопотери излучением пламени газового фонтана могут быть определены в соответствии со следующей формулой (12)                                                                                       (12)

 

Определение молекулярной массы (Формула 73) фонтанирующего газа, состоящего из нескольких компонентов, можно провести по соотношению:

 

Определение молекулярной массы () фонтанирующего газа, состоящего из нескольких компонентов, можно провести по соотношению                                                                                         (13)

 

Формула 75  молекулярная масса io составляющего компонента газового фонтана;

Формула 76  доля io компонента.

 

Изображение 77

 

Теплопотери излучением пламени газового фонтана составят:

 

, тогда ., тогда , тогда ..

 

Действительная температура горения газового фонтана будет равна:

 

Действительная температура горения газового фонтана будет равна,,Действительная температура горения газового фонтана будет равна,

 

4. Изменение мощности (интенсивности) излучения факела пламени фонтана (Формула 82, кВт/м2) в зависимости от расстояния до устья скважины можно  рассчитать по соотношениям, приведенным в [1] (п. 5.2, стр. 58-59):

 

4. Изменение мощности (интенсивности) излучения факела пламени фонтана (, кВтм2) в зависимости от расстояния до устья                                                                           (14)

 

где Формула 84  низшая теплота сгорания фонтанирующего газа, кДж/м3;

V  секундный расход газа, м3/с;

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

 

  Очевидно, что R − расстояние от половины высоты факела пламени газового фонтана до поверхности земли, м. Очевидно, что,                                             (15)

 

где L − расстояние до устья скважины,

тогда из (14) следует, что

 

. (16).                                                              (16)

 

Низшая теплоты сгорания фонтанирующего газа, входящая в формулу (16), составляет Формула 87 кДж/м3.

Для установления зависимости изменения мощности излучения факела пламени фонтана от расстояния до устья скважины будем задаваться L = 10, 20, 40, 60, 80, 100 м, подставляя в формулу (16) высоту фонтана Нф = 45 м и рассчитанные значение секундного расхода газа Формула 88= 58.6 м3/с и теплопотерь излучением пламени ηл = 0.206. В качестве примера проведем расчет мощности излучения qл для L = 10 м:

 

 кВтм2.Проведенные расчеты приведены ниже и на  кВт/м2.

Проведенные расчеты приведены ниже и на рис. 7:

 

L, м

10

20

40

60

80

100

qл, кВт/м2

58.4

39.1

16.8

8.6

5.1

3.4

 

Зависимость изменения мощности излучения факела пламени фонтана от расстояния до устья скважины  

Рис. 7. Зависимость изменения мощности излучения факела пламени фонтана от расстояния до устья скважины

 

Построив график зависимости Формула 91, устанавливаем, что:

1. расстояние, на котором личный состав может работать длительное время в боевой одежде и в касках с защитными щитками без специального теплозащитного снаряжения, которое определяется по мощности теплового потока, составляющего величину 4.2 кВт/м2, равно 88 м от устья скважины фонтанирующего газа;

2. расстояние, на котором личный состав может вести боевую работу в течение не более 5 мин в специальном теплозащитном снаряжении под защитой распыленных водяных струй, определяемое мощностью теплового потока в 14 кВт/м2 составляет 45 м.

 

Библиографический список

 

1. Абдурагимов И.М., Говоров В.Ю., Макаров В.Е. «Физико-химические основы развития и тушения пожаров». РИО ВИПТШ МВД СССР, М., 1980.

2. Драйздейл Д. «Введение в динамику пожаров». Стройиздат, М., 1990. 424 с.

3. Абдурагимов И.М., Андросов А.С., Исаева Л.К., Крылов Е.В. «Процессы горения». РИО ВИПТШ МВД СССР, М., 19

4. Рекомендации по тушению пожаров газовых и нефтяных фонтанов. ГУПО МВД СССР, М., 1976.

5. Краткий справочник физико-химических величин / Под ред. А.А. Ра-вделя и А.М. Пономаревой. Л.: Химия. 1983. 332 с.

6. Ахметов Д.Г., Луговцов Б.А. Вихрепорошковый способ тушения пожаров на фонтанирующих газонефтяных скважинах. Тр. школы семинара “Физика нефтяного пласта”. 2002. С. 7−14.