Расчет расхода воды на тушение фонтана

Процесс прекращения горения газовых и газонефтяных фонтанов водой включает несколько видов воздействия этого огнетушащего вещества. Главным из них можно считать охлаждение зоны горения. Кроме того, при использовании воды происходит разбавление зоны горения ее парами, экранирование газа от факела пламени и механическое воздействие струи воды с целью его отрыва.

Согласно тепловой теории потухания, прекращение горения наступает в результате понижения температуры пламени до некоторой критической величины, называемой температурой потухания Т _пот. Это достигается путем увеличения интенсивности теплоотвода из зоны горения и (или) уменьшением интенсивности тепловыделения за счет снижения скорости реакции горения.

В результате введения воды в зону горения часть тепла химической реакции начинает затрачиваться на нагрев, испарение воды и нагрев образующегося пара. Учитывая высокие теплоемкости воды и водяного пара, а также теплоту парообразования, все это приводит к снижению температуры зоны горения. В то же время появление водяного пара уменьшает концентрацию молекул горючего и окислителя в зоне горения, т.е. приводит к ее разбавлению и снижению скорости реакции горения, а значит и тепловыделения.

В результате снижается нормальная скорость распространения пламени в газовой струе. Это приводит к нарушению устойчивости факела, что в ряде случаев сопровождается срывом пламени.

Теплоотвод от факела пламени горящего фонтана газа в основном происходит за счет лучистой составляющей. В связи с этим температура пламени определяется из разности интенсивностей выделения тепла в зоне горения q _п и его отвода излучением q _изл:

Dq = q _п + q _изл. (5.1)

Величину q _изл можно выразить через q _п, обозначив ее долю в тепловом балансе факела пламени как h _изл:

Dq = q _п – h _изл× q _п, (5.2)

или

Dq = (1 – h _изл)× q _п. (5.3)

Интенсивность теплоотвода из зоны горения, обеспечивающего охлаждение зоны горения до температуры потухания Т_пот, также выразим в виде доли от q_п, обозначив ее h _т.

Согласно тепловой теории, адиабатическая температура потухания кинетического пламени может быть легко найдена, если известна адиабатическая температура пламени. Для углеводородных горючих Т_пот, как правило, составляет около 1000^оС.

Однако горение реальных газовых фонтанов является диффузионным, т.е. характеристики процесса определяются главным образом скоростью взаимной диффузии горючего и окислителя, а не скоростью химических реакций между ними. Значения энергии активации реакции горения в таких условиях фактически не играют роли. В таком случае за температуру потухания можно принять температуру горения смеси, в которой содержание горючего равно нижнему концентрационному пределу воспламенения .

Допустим, что максимальная температура факела пламени равна температуре горения смеси стехиометрического состава . Тогда количество тепла, которое необходимо отвести от пламени, будет пропорционально разности D Т = – . Отношение D Т / фактически составит величину коэффициента h _т.

Таким образом, требуемая для потухания пламени интенсивность теплоотвода с учетом выражения (5.3) будет равна:

= (1– h _изл)× h _т× q _п. (5.4)

Интенсивность тепловыделения рассчитывается по формуле:

q _п = V _г× × b, (5.5)

где V _г – секундный расход горючего газа, м³/с;

– низшая теплота сгорания газа, кДж/м³;

b – коэффициент полноты сгорания.

Коэффициент h _изл зависит от состава горючего газа. В общем случае для многокомпонентного газа его значение можно оценить из выражения

h _изл = 0,048 , (5.6)

где M_i и j_i – молярная масса и объемная доля i -го компонента в газовой смеси.

Температуру горения стехиометрической смеси при a=1 находят по формуле:

= Т ₀ + , (5.7)

где − средняя молярнаятеплоёмкость i -го продукта горения при постоянном давлении, кДж/(моль К);

– число молей i -го продукта горения, моль/м³.

При концентрации горючего, равной НКПР, температура горения будет равна:

= Т ₀ + , (5.8)

где D n _в = (a – 1)/0,02445 – избыток воздуха, моль/м³;

– теоретический объем воздуха, необходимый для горения, м³;

a – коэффициент избытка воздуха;

0,02445 – объем, занимаемый 1 моль воздуха при 298 K;

– средняя изобарная молярная теплоемкость воздуха, Дж/(моль^.град).

Коэффициент избытка воздуха на нижнем концентрационном пределе воспламенения составит

a = . (5.9)

С использованием формул (5.7-5.9) находится коэффициент, характеризующий интенсивность теплоотвода h _т как отношение ( – )/ . Коэффициент полноты сгорания b, если он не известен, для газов можно принять равным 0,9. Низшую теплоту сгорания находят по таблицам или рассчитывают по известным формулам.

Количество тепла, которое способна отнять вода из зоны горения при полном ее испарении и нагреве водяного пара до температуры потухания пламени, рассчитывается по формуле:

, (5.10)

где Q _н.в – количество тепла, затрачиваемое на нагрев воды до температуры кипения, кДж;

Q _исп – количество тепла, затрачиваемое на испарение воды, кДж;

Q _н.п – количество тепла, затрачиваемое на нагрев пара от 100^оС до температуры потухания пламени, кДж.

После подстановки в (5.10) масс воды и водяного пара (m _в, m _п), средних удельных теплоемкостей воды и водяного пара (С_Р ^в, С_Р ^п), удельной теплоты парообразования воды L_в получим

. (5.11)

Если в качестве исходных данных в выражение (5.11) подставить m _в= m _п=1 кг, Т _кип = 373 K, Т ₀ = 293 K, L_в = 2256 кДж/кг, =4,18 кДж/(кг град), =2,2 кДж/(кг град) в диапазоне температур 373-1373 K, получим

Q=4570 кДж/кг.

В зависимости от температуры пламенного горения удельная величина теплоотвода может составить от 4400 до 5000 кДж на кг поданной в зону горения воды, при условии ее полного испарения и нагрева водяного пара до Т _пот.

При расходе воды g _в (л/с) интенсивность отвода тепла (в кДж/с) от факела пламени при указанных условиях будет равна

q_отв = × g _в. (5.12)

Согласно тепловой теории, горение прекратится, если фактическая интенсивность теплоотвода будет больше требуемой для прекращения этого процесса величины > .

С учетом выражений (5.4, 5.5 и 5.12) необходимый для прекращения горения расход воды рассчитывается по формуле:

g _в^т ³ . (5.13)

В действительности расход воды, обеспечивающий тушение газовых факелов, может быть как выше, так и ниже значения g _в, найденного таким способом. Это зависит от скорости истечения газовой струи. Чем ниже скорость истечения, тем меньше турбулентность потока газа и, соответственно, меньше степень дробления воды. В результате этого крупные капли выпадают из зоны горения, не все капли успевают испариться и не весь образовавшийся пар успевает нагреться до Т _пот, т.е. фактическое значение будет меньше расчетного. Соответственно фактический расход воды может быть больше расчетного.

Тогда, с учетом коэффициента использования воды К_и, практический расход ее на тушение будет определяться следующим образом:

g _в^пр = . (5.14)

С увеличением скорости истечения газа степень дробления воды возрастает. Соответственно увеличивается и ее полезное использование. Кроме того, с увеличением скорости истечения газа все больше возрастает вклад аэродинамического фактора, способствующего нарушению устойчивости факела. Поэтому при большом дебите газового фонтана фактический расход воды, приводящий к прекращению горения, может быть меньше теоретического.