Politechnika Wrocławska Wydział Geoinżynierii, Górnictwa i Geologii Studia stacjonarne magisterskie Specjalizacja EPOiZ Rok V Semestr IX

Wrocław, 27 października 2008 r..

Projekt z wentylacji i pożarów IV

Temat: „Bilans ciepła w ognisku pożaru; temperatura gazów pożarowych, toksyczność i wybuchowość gazów pożarowych”

Wykonał:

Prowadząca: Dr inż. Barbara Madeja - Strumińska

1. Wyznaczenie temperatury gazów pożarowych w ognisku pożaru oraz w odległości L = 200 m

Ustalenie rodzaju palnego materiału dokonano za pomocą wskaźnika Tricketta wyrażonego zależnością

,

gdzie:

[CO₂] - procentowa zawartość dwutlenku węgla w gazach pożarowych,

[CO] - procentowa zawartość tlenku węgla w gazach pożarowych,

[H₂] - procentowa zawartość wodoru w gazach pożarowych,

[N₂] - procentowa zawartość azotu w gazach pożarowych,

[O₂] - procentowa zawartość tlenu w gazach pożarowych.

Po podstawieniu wartości liczbowych otrzymano

.

Otrzymana wartość wskaźnika 0,99 leży w przedziale 0,5 - 1,0 co oznacza, że palącym się materiałem jest węgiel.

Wartość opałową obliczono stosując zależność

gdzie:

c - udział masowy węgla w paliwie,

h - udział masowy wodoru w paliwie,

o - udział masowy tlenu w paliwie,

s - udział masowy siarki w paliwie,

w - udział masowy wilgoci w paliwie.

Po podstawieniu danych liczbowych otrzymano

kJ/kg.

Teoretyczne zapotrzebowanie powietrza do spalania 1 kg drewna obliczono korzystając z zależności

[kg/kg].

Po podstawieniu wartości liczbowych otrzymano

kg/kg.

Współczynnik nadmiaru powietrza obliczono zaś ze wzoru

.

Po podstawieniu wartości liczbowych otrzymano

.

Obliczono go także z następującej zależności

.

gdzie:

V_ss - objętość suchych gazów pożarowych powstających ze spalenia 1 kg materiału palnego,

V_m - objętość 1 kmola gazu doskonałego - V_m = 22,42 [ m³/kmol ],

[ N₂] - udział objętościowy azotu w gazach pożarowych,

- masa cząsteczkowa azotu -
,

N₂, O₂ - udziały objętościowe azotu i tlenu w powietrzu dopływającym do ogniska,

c, h, s, o, n - udziały masowe poszczególnych składników w 1 kg materiału palnego.

Objętość suchych gazów pożarowych powstających ze spalenia 1 kg materiału palnego obliczono korzystając ze wzoru

[m³/kg].

Po podstawieniu danych liczbowych otrzymano

m³/kg.

Ostatecznie współczynnik nadmiaru powietrza wynosi

.

Temperatura ogniska pożaru została obliczona z zależności

[K],

Gdzie:

η­_sp - sprawność spalania,

σ - współczynnik stanowiący stosunek ciepła odbieranego w miejscu spalania do całkowitego ciepła wydzielanego w procesie spalania,

c_p - właściwa pojemność cieplna gazów pożarowych przy stałym ciśnieniu,

T₀ - temperatura powietrza doprowadzonego do miejsca spalania.

K.

Temperaturę gazów pożarowych w odległości L, L/2 oraz L/4 obliczono z zależności

[K],

gdzie:

- temperatura pierwotna górotworu przed powstaniem pożaru,

B - obwód przekroju poprzecznego wyrobiska,

α - współczynnik przejmowania ciepła,

a - współczynnik wyrównywania temperatury,

τ - czas liczony od powstania pożaru,

L - odległość od ogniska pożaru,

Otrzymane wyniki obliczeń zamieszczono w tabeli 1.

Tabela 1. Temperatura gazów pożarowych w odległościach 200m 100m i 50m
po czasie 30 h, 15 h oraz 7,5 h od początku pożaru

L	τ	Tg
[m]	[s]	[K]
200	108 000	774,09
		54 000	888,38
		27 000	985,77
	100	108 000	985,77
		54 000	1 064,36
		27 000	1 125,38
	50	108 000	1 125,38
		54 000	1 171,48
		27 000	1 205,64

Temperatura pierwotna górotworu została obliczona za pomocą równania

[^oC],

gdzie:

H - głębokość kopalni, m,

Γ - stopień geotermiczny, dla górnego śląska równy 33 m/^oC.

Po podstawieniu wartości liczbowych otrzymano

^oC.

2. Obliczanie prędkości rozprzestrzeniania się pożaru

Prędkość rozprzestrzeniania się pożaru w przypadku pożaru powstałego z przyczyn zewnętrznych określa się z zależności

[m/s],

gdzie prędkość przepływu powietrza w oblicza się z zależności

[m/s],

gdzie:

- strumień masy powietrza, kg/s,

B - obwód przekroju poprzecznego wyrobiska.

Po podstawieniu wartości liczbowych otrzymano

m/s,

a zatem

m/s.

Jeżeli pożar powstanie na skutek samozapalenia węgla prędkość rozprzestrzeniania się pożaru obliczony zostanie dla kierunku z prądem powietrza z zależności

[m/s],

natomiast pod prąd powietrza z zależności

[m/s].

Po podstawieniu wartości liczbowych otrzymano

[m/s],

[m/s].

3. Ocena niebezpieczeństwa wybuchu gazów pożarowych

W kopalniach do określenia niebezpieczeństwa wybuchu gazów pożarowych stosuje się wskaźnik Le Chateliera opisanego zależnością

.

Po podstawieniu wartości liczbowych otrzymano

.

Ze względu na to, że otrzymana wartość jest większa od 0,6 przyjmuje się, że niebezpieczeństwo wybuchu gazów pożarowych istnieje.

W kopalniach węgla minimalne stężenie tlenu przy którym może nastąpić wybuch oblicza się z zależności

.

Po podstawieniu wartości liczbowych otrzymano

Udział objętościowy tlenu w gazach pożarowych jest większy od otrzymanej wartości O_2min, w związku z tym istnieje zagrożenie wybuchem.

Porównując temperaturę zapłonu węgla kamiennego odczytaną z książki Frączka R. „Rozpoznawanie, profilaktyka i zwalczanie pożarów w kopalniach głębinowych” i wynoszącą t_z = 350 ^oC, porównano z temperaturą gazów pożarowych T_g­­. Z porównania tego wynika, że dla każdej z rozpatrywanych odległości temperatura gazów pożarowych jest wyższa od temperatury zapłonu.

Biorąc pod uwagę wskaźnik Le Chateliera, zawartość tlenu ­[O₂], oraz temperaturę gazów pożarowych można przyjąć, że prawdopodobnie wystąpi wybuch.