Количество теплоты, которое капля металла способна отдать горючей среде при остывании до температуры ее самовоспламенения, рассчитывают следующим способом.

Среднюю скорость полета капли металла при свободном падении (ωк), м⋅с-1, вычисляют по формуле

(73)

где g=9,8l м⋅с-1 — ускорение свободного падения;

Н — высота падения, м.

Объем капли металла (Vк), м3, вычисляют по формуле

(74)

где dk — диаметр капли, м.

Массу капли (mk), кг, вычисляют по формуле

(75)

где ρ — плотность металла, кг⋅м-3.

В зависимости от продолжительности полета капли возможны три ее состояния: жидкое, кристаллизации, твердое.

Время полета капли в расплавленном (жидком) состоянии (τp), с, рассчитывают по формуле

(76)

где Cp — удельная теплоемкость расплава металла, Дж⋅к-1К-1;

mk — масса капли, кг;

Sk=0,785 — площадь поверхности капли, м2;

Тн, Тпл — температура капли в начале полета и температура плавления металла соответственно, К;

Т0 — температура окружающей среды (воздуха), К;

α — коэффициент теплоотдачи, Вт, м-2 К-1.

Коэффициент теплоотдачи определяют в следующей последовательности:

а) вычисляют число Рейнольдса по формуле

(77)

где dk — диаметр капли м;

v = 15,1⋅10-6 — коэффициент кинематической вязкости воздуха при температуре 20°С, м-2⋅с-1.

б) вычисляют критерий Нуссельта по формуле

(78)

в) вычисляют коэффициент теплоотдачи по формуле

, (79)

где λВ=22⋅10-3 — коэффициент теплопроводности воздуха, Вт⋅м-1⋅ -К-1.

Если τ≤τр, то конечную температуру капли определяют по формуле

(80)

Время полета капли, в течение которого происходит ее кристаллизация, определяют по формуле

(81)

где Скр — удельная теплота кристаллизации металла, Дж⋅кг-1.

Если τр<τ≤(τp+τкр), то конечную температуру капли определяют по формуле

(82)

Если τ>(τр+τкр), то конечную температуру капли в твердом состоянии определяют по формуле

(83)

где Ск — удельная теплоемкость металла, Дж кг -1⋅K-1.

Количество тепла (W), Дж, отдаваемое каплей металла твердому или жидкому горючему материалу, на который она попала, вычисляют по формуле

(84)

где Тсв — температура самовоспламенения горючего материала, К;

К — коэффициент, равный отношению тепла, отданного горючему веществу, к энергии, запасенной в капле.

Если отсутствует возможность определения коэффициента К, то принимают К=1.

Более строгое определение конечной температуры капли может быть проведено при учете зависимости коэффициента теплоотдачи от температуры.

5.1.2.3. Электрические лампы накаливания общего назначения

Пожарная опасность светильников обусловлена возможностью контакта горючей среды с колбой электрической лампы накаливания, нагретой выше температуры самовоспламенения горючей среды. Температура нагрева колбы электрической лампочки зависит от мощности лампы, ее размеров и расположения в пространстве. Зависимость максимальной температуры на колбе горизонтально расположенной лампы от ее мощности и времени приведена на черт. 3.


Черт. 3


5.1.2.4. Искры статического электричества

Энергию искры (Wи), Дж, способной возникнуть под действием напряжения между пластиной и каким-либо заземленным предметом, вычисляют по запасенной конденсатором энергии из формулы

(85)

где С — емкость конденсатора, Ф;

U — напряжение, В.

Разность потенциалов между заряженным телом и землей измеряют электрометрами в реальных условиях производства.


Черт. 4


Если Wи≥0,4 Wм.э.з ( Wм.э.з - минимальная энергия зажигания среды), то искру статического электричества рассматривают как источник зажигания.

Реальную опасность представляет “контактная” электризация людей, работающих с движущимися диэлектрическими материалами. При соприкосновении человека с заземленным предметом возникают искры с энергией от 2,5 до 7,5 мДж. Зависимость энергии электрического разряда с тела человека и от потенциала зарядов статического электричества показана на черт. 4.

5.1.3. Механические (фрикционные) искры (искры от удара и трения)

Размеры искр удара и трения, которые представляют собой раскаленную до свечения частичку металла или камня, обычно не превышают 0,5 мм, а их температура находится в пределах температуры плавления металла. Температура искр, образующихся при соударении металлов, способных вступать в химическое взаимодействие друг с другом с выделением значительного количества тепла, может превышать температуру плавления и поэтому ее определяют экспериментально или расчетом.

Количество теплоты, отдаваемое искрой при охлаждении от начальной температуры tн до температуры самовоспламенения горючей среды tсв вычисляют но формуле (84), а время остывания τ — следующим образом.

Отношение температур (Θп) вычисляют по формуле

(86)

где tв — температура воздуха, °С.

Коэффициент теплоотдачи (α), Вт⋅м-2⋅К-1, вычисляют по формуле

(87)

где wи — скорость полета искры, м⋅с-1.

Скорость искры (wи), образующейся при ударе свободно падающего тела, вычисляют по формуле

(88)

а при ударе о вращающееся тело по формуле

(89)

где n — частота вращения,, с-1;

R — радиус вращающегося тела, м.

Скорость полета искр, образующихся при работе с ударным инструментом, принимают равной 16 м⋅с-1, а с высекаемых при ходьбе в обуви, подбитой металлическими набойками или гвоздями, 12 м⋅с-1.

Критерий Био вычисляют по формуле

(90)

где dи — диаметр искры, м;

λи — коэффициент теплопроводности металла искры при температуре самовоспламенения горючего вещества (tсв), Вт м -1⋅K-1.

По значениям относительной избыточной температуры θп и критерия Вi определяют по графику (черт. 5) критерий Фурье.

Черт. 5


Длительность остывания частицы металла (τ), с, вычисляют по формуле

(91)

где F0 — критерий Фурье;

Си — теплоемкость металла искры при температуре самовоспламенения горючего вещества, Дж⋅кг-1⋅К-1;

ρи — плотность металла искры при температуре самовоспламенения горючего вещества, кг⋅м-3.

При наличии экспериментальных данных о поджигающей способности фрикционных искр вывод об их опасности для анализируемой горючей среды допускается делать без проведения расчетов.

5.1.4. Открытое пламя и искры двигателей (печей)

Пожарная опасность пламени обусловлена интенсивностью теплового воздействия (плотностью теплового потока), площадью воздействия, ориентацией (взаимным расположением), периодичностью и временем его воздействия на горючие вещества. Плотность теплового потока диффузионных пламен (спички, свечи, газовой горелки) составляет 18—40 кВт⋅м-2, а предварительно перемешанных (паяльные лампы, газовые горелки) 60—140 кВт⋅м-2 В табл. 6 приведены температурные и временные характеристики некоторых пламен и малокалорийных источников тепла.

Таблица 6


Наименование горящего вещества (изделия) или пожароопасной операции

Температура пламени (тления или нагрева), оС

Время горения (тления), мин

Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости

880

-

Древесина и лесопиломатериалы

1000

Природные и сжиженные газы

1200

Газовая сварка металла

3150

Газовая резка металла

1350

Тлеющая папироса

320—410

2—2,5

Тлеющая сигарета

420-460

26—30

Горящая спичка

600-640

0,33


Открытое пламя опасно не только при непосредственном контакте с горючей средой, но и при ее облучении. Интенсивность облучения (gр), Вт⋅м-2, вычисляют по формуле

(92)

где 5,7 — коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт⋅м-2⋅К-4;

εпр — приведенная степень черноты системы

(93)

εф — степень черноты факела (при горении дерева равна 0,7, нефтепродуктов 0,85);

εв — степень черноты облучаемого вещества принимают по справочной литературе;

Тф — температура факела пламени, К,

Тсв — температура горючего вещества, К;

φ1ф— коэффициент облученности между излучающей и облучаемой поверхностями.

Критические значения интенсивности облучения в зависимости от времени облучения для некоторых веществ приведены в табл. 7.

Пожарная опасность искр печных труб, котельных, труб паровозов и тепловозов, а также других машин, костров, в значительной степени определяется их размером и температурой. Установлено, что искра диаметром 2 мм пожароопасна, если имеет температуру около 1000°С, диаметром 3 мм—800 °С, диаметром 5 мм—600 °С.

Теплосодержание и время остывания искры до безопасности температуры вычисляют по формулам (76 и 91). При этом диаметр искры принимают 3 мм, а скорость полета искры (ωи), м⋅с-1, вычисляют по формуле

(94)

где ωв — скорость ветра, м⋅с-1;

H — высота трубы, м.

Таблица 7


Материал

Минимальная интенсивность облучения, Вт⋅м-2, при продолжительности облучения, мин


3

5

15

Древесина (сосна влажностью 12%)

18800

16900

13900

Древесно-стружечная плита плотностью 417 кг⋅м-3

13900

11900

8300

Торф брикетный

31500

24400

13200

Торф кусковой

16600

14350

9800

Хлопок-волокно

11000

9700

7500

Слоистый пластик

21600

19100

15400

Стеклопластик

19400

18600

17400

Пергамин

22000

19750

17400

Резина

22600

19200

14800

Уголь

-

35000

35000


5.1.5. Нагрев веществ, отдельных узлов и поверхностей технологического оборудования

Температуру нагрева электропровода при возникновении перегрузки (tж), °С, вычисляют по формуле

(95)

где tср.н — нормативная температура среды для прокладки провода, принимается в соответствии с правилами электрооборудования, утвержденными Госэнергонадзором, °С;

Iф — фактический ток в проводнике, А;

tж.н — нормативная температура жилы электропровода, °С;

Iдоп — допустимый ток в проводнике, А.

Температура газа при сжатии в компрессоре и отсутствии его охлаждения (Тк), К, вычисляют по формуле

(96)

где Тн — температура газа в начале сжатия, К;

Рк, Рн — давление газа в конце и начале сжатия, кг⋅м-2;

k — показатель адиабаты (равен 1,67 и 1,4 соответственно для одно- и двухатомных газов).

Для многоатомных газов показатель адиабаты вычисляют по формуле

(97)

где Ср, Сv — изобарная и изохорная удельные массовые теплоемкости газов, Дж⋅кг-1⋅К-1.

Температуру нагрева электрических контактов при возникновении повышенных переходных сопротивлений (tн.к), °С, вычисляют по формуле

(98)

где tср — температура среды, оС;

τ — время, с;

τк — постоянная времени нагрева контактов, с;

Р — электрическая мощность, выделяющаяся в контактных переходах, Вт;

S — площадь поверхности теплообмена, м2;

αобщ — общий коэффициент теплоотдачи, Вт⋅м-2⋅К-1.

До максимальной температуры контакты нагреваются за время

(99)

Электрическую мощность (Р), выделяющуюся в контактных переходах вычисляют по формуле

(100)

где I — ток в сети, А;

Ui — падение напряжения в i-й контактной паре в электрическом контакте, В;

п — количество контактных пар в контакте.

Значение падения напряжений на контактных парах Ui для деталей из некоторых материалов приведены в табл. 8.

Таблица 8


Наименование материала

Алюминий

Графит

Латунь

Медь

Сталь

Алюминий

0,28





Графит

3,0

3,0




Латунь

0,63

2,4

0,54



Медь

0,65

3,0

0,60

0,65


Сталь

1,4

1,6

2,1

3,0

2,5