Działanie chłodzące wody

1. Jaki strumień ciepła może odebrać strumień wody o temperaturze początkowej 15 ^oC podawany z szybkością 400 dm³/min, jeżeli 40 % wody nie dociera do strefy pożaru, pozostała część wody w 50 % odparowuje a w 50 % ogrzewa się do temperatury końcowej 70 ^oC. Ciepło parowania wody przyjąć 2257 kJ/kg, ciepło właściwe 4,19 kJ/kg⋅K.

Jeśli 40 % wody nie dociera do strefy pożaru, to ogólny współczynnik wykorzystania wody w_w = 0,6. Współczynnik odparowania w_o = 0,5, czyli połowa wody docierającwej do pożaru ogrzewa się do 100 ^oC i odparowuje, a połowa tylko ogrzewa się do temperatury 70 ^oC. Ciepło odbierane przez odparowującą wodę można zapisać:

.

Woda, która nie odparowuje, a tylko ogrzewa się do temperatury 70 ^oC odbiera ciepło:

Łączny strumień ciepła odbieranego przez wodę wyniesie więc:

2. Obliczyć, jaki największy strumień ciepła może odebrać woda podawana z szybkością 200 kg/min. Temp. początkowa wody t_o = 15 ^oC, ciepło parowania w temp. 100 ^oC ΔH_par = 2257 kJ/kg, ciepło właściwe c_p = 4,19 kJ/kg·deg.

Strumień ciepła odbierany przez wodę będzie największy, jeśli cała podawana woda będzie ogrzewała się do 100 ^oC i odparowywała (wykorzystanie i odparowanie wody wynosi 100 %):

Maksymalna szybkość odbierania ciepła przez wodę podawaną z szybkością 200 kg/min wynosi więc:

3. Jaką objętość zajmie para wodna powstała przez całkowite odparowanie 100 kg wody i ogrzanie pary do temperatury 227 oC?

Objętość określonej masy gazu lub pary zależy od ciśnienia i temperatury. Zakładamy, że ogrzewana para wodna może swobodnie zwiększać objętość pod ciśnieniem atmosferycznym. Przy temperaturze T = 273 + 227 = 500 K i pod ciśnieniem p = 1 atm (atmosfera fizyczna) Objętość n moli pary wodnej obliczymy z równania stanu gazu doskonałego:

,

gdzie R jest stałą gazową wynoszącą 8,31 J/mol·K. Dla uniknięcia przeliczania jednostek podstawimy stałą gazową jako 0,082 m³·atm/kmol·K. Liczbę moli pary wodnej podstawimy jako:

,

gdzie m oznacza masę pary a M jest jej masą molową. Ostatecznie:

4. Jaki wzrost ciśnienia nastąpi w pomieszczeniu o objętości 100 m³ po odparowaniu w nim 100 kg wody i ogrzaniu pary wodnej do 227 oC?

Podobnie jak poprzednio do obliczeń zastosujemy równanie stanu gazu, wiążące ze sobą ciśnienie, temperaturę i objętość określonej masy gazu. Zakładamy, że początkowe ciśnienie w pomieszczeniu wynosiło 1 atm, oraz, że pomieszczenie jest szczelne. Dodatkowe ciśnienie wytworzone przez parę wodną wynosi:

.

Ciśnienie w pomieszczeniu wzrośnie więc do 3,28 atm.

5. Materiał stały o wartości opałowej 20 MJ/kg spala się całkowicie z szybkością 0,2 kg/s. Oszacować minimalną wydajność prądu wodnego potrzebną do zgaszenia płomienia. Podać przyjęte założenia, przyjąć początkową temperaturę wody 20 oC.

Strumień ciepła wydzielany przy całkowitym spalaniu materiału wynosi:

Rozpoczęcie gaszenia płomienia wymaga obniżenia temperatury spalania poniżej temperatury krytycznej. Załóżmy, że spalanie jest ustalone, podczas spalania z szybkością masową g szybkość powstawania gazowego produktu i wynosi V_i m³/kg_paliwa oraz że objętościowe ciepła właściwe produktów spalania c_pi niewiele się zmieniają w zakresie temperatur od temperatury spalania do krytycznej. Szybkość wytwarzania ciepła można zapisać jako:

,

a szybkość odbierania ciepła od gazowych produktów spalania potrzebną do obniżenia ich temperatury do temperatury krytycznej:

.

Obniżenie temperatury spalania do wartości krytycznej wymaga więc odbierania tylko części ciepła powstającego przy spalaniu materiału. Jeśli założymy, że temperatura spalania tego materiału wynosi 1400 K, możemy oszacować, jaką część wytwarzanego ciepła trzeba odebrać:

Krytyczną szybkość podawania wody, jeśli woda całkowicie odparowuje w temperaturze 100 ^oC , można więc obliczyć z równania:

Zgaszenie pożaru wymaga podawania wody z szybkością większą od krytycznej. Jeśli przyjąć współczynnik 10, wodę trzeba podawać z szybkością 125 l/min.

Zapotrzebowanie środka pianotwórczego

1. Obliczyć ilość środka pianotwórczego Deteor 1000M (stężenie robocze 3%) potrzebną do wytworzenia warstwy piany o grubości 20 cm w zbiorniku o średnicy 20 m, jeśli sprzęt pianotwórczy podaje pianę o Ls = 15.

• Obliczamy objętość piany w warstwie:

• 
  

• Obliczamy objętość roztworu pianotwórczego potrzebną do wytworzenia tej objętości piany, jeśli liczba spienienia wynosi 15:

• 
  

• Obliczamy objętość środka pianotwórczego potrzebnego do wytworzenia 4,19 m³ roztworu:

• 
  

2. Obliczyć czas wytwarzania 20 cm warstwy piany w zbiorniku o średnicy 20 m przy użyciu dwóch działek DWP-24 podających pianę o Ls = 15.

• Objętość warstwy piany w zbiorniku wynosi:

• Do wytworzenia tej objętości piany potrzebna była objętość roztworu:

• Wydajność nominalna działka DWP-24 wynosi 2400 dm³/min, więc cza podawania 4,19 m³ roztworu wyniósł:

3. Krytyczną intensywność podawania wody prądem rozproszonym dla pożarów grupy A można ocenić na 0,3 dm³/m² min. Jaka jest największa powierzchnia pożaru tej grupy, który można na pewno ugasić przy użyciu dwóch prądów wody 150 dm³/min?

• Podawanie środka gaśniczego z intensywnością krytyczną pozwala tylko na kontrolowanie pożaru (patrz wykres czas gaszenia - intensywność podawania; czas gaszenia przy I_kryt jest nieskończenie długi). Zgaszenie pożaru w określonym czasie wymaga większej niż krytyczna intensywności podawania środka. Dla rozproszonych prądów wody należy przyjąć praktyczną intensywność podawania przynajmniej dziesięciokrotnie wyższą:

I_prakt = I_kryt · 10 = 0,3 · 10 = 3 dm³/m²·min

• Podając wodę z szybkością 300 dm³/min możemy więc zgasić pożar o powierzchni:

m²

4. Krytyczna intensywność podawania piany typu AFFF przy gaszeniu pożaru oleju napędowego wynosi 2,0 dm³(roztw.)/m² min. Jaka jest największa powierzchnia rozlewiska oleju, przy której można być pewnym zgaszenia tego pożaru, jeśli dysponujemy dwoma prądami pianowymi z prądownic PP 2/15?

• Podawanie środka gaśniczego z intensywnością krytyczną pozwala tylko na kontrolowanie pożaru (patrz wykres czas gaszenia - intensywność podawania; czas gaszenia przy I_kryt jest nieskończenie długi). Zgaszenie pożaru w określonym czasie wymaga większej niż krytyczna intensywności podawania środka. Dla prądów piany typu AFFF należy przyjąć praktyczną intensywność podawania co najmniej 4 dm³/m²·min (patrz skrypt „Zastosowanie pian do gaszenia pożarów“, str. 74 - 76), a więc maksymalna powierzchnia rozlewiska wynosi:

m²

5. Obliczyć grubość warstwy piany, którą można wytworzyć w zbiorniku o powierzchni 300 m², mając do dyspozycji samochód gaśniczy z 2,5 m³ wody i 100 dm³ środka pianotwórczego Roteor (stężenie robocze 3 %) oraz prądownice PP 2/15.

• Wykorzystanie 100 dm³ koncentratu środka stosowanego przy stężeniu 3 % pozwala wytworzyć 3333 dm³ roztworu, a więc potrzebna ilość wody wynosiłaby 3233 dm³. W danym przypadku ilość wody w zbiorniku jest mniejsza, więc środek pianotwórczy nie zostanie całkowicie wykorzystany. Ilość wykorzystanego koncentratu środka pianotwórczego, przy całkowitym zużyciu wody z samochodu, można obliczyć na podstawie definicji stężenia objętościowego c:

,

a po przekształceniu:

dm³

• Objętość roztworu pianotwórczego, jaką można podać, wynosi więc 2577,3 dm³. Mając do dyspozycji syntetyczny środek pianotwórczy, można przyjąć, że piana osiąga nominalną dla zastosowanych prądownic liczbę spienienia 15. Wtedy objętość wytworzonej piany wyniesie:

dm³ = 38,66 m³.

Grubość warstwy piany w zbiorniku o powierzchni S = 300 m² wyniosłaby:

m = 12,9 cm.

• W warunkach rzeczywistych liczba spienienia pian wytwarzanych z roztworów środków syntetycznych przy użyciu prądownic podanego typu rzadko przekracza 10. Bezpieczniej jest więc przyjąć objętość piany równą 10 · 2,5773 = 25,77 m³. W ty przypadku grubość warstwy piany wyniosłaby:

m = 8,6 cm.

6. Jaką powierzchnię rozlewiska oleju opałowego można pokryć 10 cm warstwą piany z prądownic PP 2/15 dysponując samochodem gaśniczym z 3,0 m³ wody i 150 dm³ środka pianotwórczego typu FP (stężenie robocze 6 %)?

• 150 dm³ środka przy zachowaniu stężenia 6 % obj. pozwala na uzyskanie

dm³ = 2,5 m³ roztworu.

W tym przypadku wody wystarczy do całkowitego wykorzystania środka pianotwórczego.

• Przy zastosowaniu środka typu FP nie można założyć, że powstająca piana osiąga nominalną liczbę spienienia 15. W warunkach rzeczywistych liczba spieniania w tym przypadku rzadko przekracza 6. Objętość piany należy więc obliczyć:

m³

powierzchnia rozlewiska, którą można pokryć 10 cm warstwa piany wynosi więc:

m².

DSZ : Zadania przykładowe

---