Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Universalʹnyj kompleksnyj pokazatelʹ èndogennoj požaroopasnosti

Grekov S. P., Pashkovskiy P. S., Vsyakiy A. A.

Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza

|

2016

|

Vol. 44, nr 4

89--97

EN

Aim: The purpose of this study is to develop a universal hazard indicator associated with spontaneous fires. Development of the proposed indicator is based on mathematical techniques and aligned to laboratory investigations of chemical activity and analysis of causes for the selfheating of coal and ultimately fires in coal mines, which have taken place over a period of many years. Methods: The study made use of the theoretical kinetic model for heterogeneous oxidation of coal with variable reactionary surfaces, examined more than 200 locations and analysed causes of spontaneous fires, which occurred in 42 coal seams during a ten-year period. Results: An analysis of locations and causes of spontaneous fires in coal mines was accompanied by a study of currently applied evaluation criteria for coal seam propensity to spontaneous combustion and identified limitations associated with such evaluations. The authors proposed the use of a mathematical model describing heterogeneous oxidation of coal exposed to the evaporation of moisture and supply restriction of methane to determine a complex indicator of a fire hazard. It was revealed that a significant influence on temperature change in materials, apart from time, is associated with oxidation constant, methane heat suppression, coal seam gas content, moisture loss rate constant, evaporation heat rate, value of the criterion Bi and oxygen concentration in coal. The oxygen content of coal is determined by its natural properties: oxygen coefficient of internal diffusion, porosity, brittleness, fractional composition, degree of metamorphism as well as concentration of oxygen on the coal surface. A relationship was identified for the fire hazard indicator with heat release and heat transfer. Additionally, the study confirmed parameters used to differentiate coal mines according to fire hazard groups with the use of mathematical models and more than 200 fire incident sources of data. Finally, the study revealed necessary influences, which determine the incubation period for spontaneous combustion, critical size of accumulated coal seams and critical threshold value for predicting the likelihood of self ignition of coal. Practical value: Identified dependencies are recommended for use in the industry to recognise fire hazard levels associated with spontaneous combustion in coal deposits. Conclusions: Developed a new complex indicator for endogenous fire hazards and, based on data from analysed coal samples in laboratory conditions, facilitated the definition of necessary coal characteristics: critical size of coal deposits clusters/dangerous accumulation of coal, threshold values for the estimation criterion of propensity for spontaneous combustion, incubation period and fire hazard group.

PL

Cel: Opracowanie uniwersalnego i kompleksowego wskaźnika zagrożenia pożarem endogenicznym na podstawie modelu matematycznego samonagrzewania węgla, badań laboratoryjnych jego aktywności chemicznej oraz analizy przyczyn rzeczywistych pożarów endogenicznych w kopalniach, które miały miejsce na przestrzeni wielu lat. Metody: Metody zostały oparte na modelu teoretycznym kinetyki heterogenicznego utlenienia węgli ze zmienną powierzchnią reakcyjną, analizie ponad 200 miejsc i przyczyn rzeczywistych pożarów endogenicznych 42 pokładów złoża węgla w okresie 10 lat. Wyniki: Przeprowadzono analizę miejsc i przyczyn postawania pożarów endogenicznych w kopalniach węglowych, przeanalizowano obecnie stosowane kryteria oceny skłonności złóż do samozapłonu i przedstawiono ich wady. Zaproponowano wykorzystanie modelu matematycznego heterogenicznej reakcji utleniania węgla z uwzględnieniem wyparowywania wilgoci i dławienia metanu w celu opracowania kompleksowego wskaźnika zagrożenia pożarem endogenicznym. Wskazano, że znaczny wpływ na zmianę temperatury materiału, poza czasem, mają konstanta reakcji utleniania, ciepło dławienia metanu, zawartość gazów w złożu, konstanta prędkości wyparowania wilgoci, ciepło parowania, wartość kryterium Bi i stężenie tlenu w węglu. Na wartość stężenia tlenu w węglu mają wpływ jego naturalne właściwości – współczynnik wewnętrznej dyfuzji, porowatość, kruchość, skład frakcyjny, stopień metamorfizmu, a także stężenie tlenu na granicy węgiel-powietrze. Otrzymano zależność dla kryterium zagrożenia pożarowego z uwzględnieniem wydzielenia i oddawania ciepła. Uzasadniono parametry dla podziału kopalni na grupy zagrożenia pożarowego na podstawie modelu matematycznego i danych z ponad 200 rzeczywistych zdarzeń. Przedstawiono zależności potrzebne do określenia okresu inkubacyjnego samozapłonu, krytycznej wielkości pokładów węgla, granicznej wartości kryterium oceny skłonności węgla do samozapłonu. Znaczenie praktyczne: Uzyskane zależności są rekomendowane do wykorzystania w przemyśle do określania stopnia zagrożenia pożarem endogenicznym złóż węgla. Wnioski: Opracowano nowy kompleksowy wskaźnik zagrożenia pożarem endogenicznym, który na podstawie danych z analizy próbek węgla w warunkach laboratoryjnych, pozwala określić wszystkie charakterystyki węgla: krytyczną wielkość zagrożenia pożarem skupiska złoża węgla, progową wartość kryterium oceny podatności na samozapłon, okres inkubacyjny i grupę zagrożenia pożarowego.

2

Edinyj podhod k rešeniû zadač teplogazoobmena pri požarah na različnyh obʺektah

Pashkovskiy P. S., Grekov S. P., Zinchenko I. N.

Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza

|

2016

|

Vol. 44, nr 4

83--88

EN

Aim: The purpose of this study is to expose existing mathematical models dealing with heat and gas exchange, and reduce them to a single transfer equation, for any substance, during fire incidents inmines and other locations, by taking account of heated gas thermal expansion. Introduction: In order to perform an assessment of a fire hazard it is necessary to know the duration of a fire and period in which the fire will reach dangerous levels such as: concentration of toxic gases and saturation by smoke. A fire, manifested by an uncontrolled burning activity is a diffucult, unstable and ultimately not fully understood process, which occurs within a three dimensional expanse. This process is described, in the main, by mathematical equations dealing with behaviour principles involving conservation and conversion of energy, convection and diffused transfer of various gas components as well as smoke. Methods: In order to obtain anequation describing the transfer process for any substance, use is made of the central (finite) differences numerical method, for explicit and implicit conditions, using specific weighting appropriate to each. Results: The study examined the flow of air at velocities below the speed of sound – at less than 10m/s. According to the Bernoulli equation pressure changes insignificantly in relation to atmospheric pressure at such speed. Therefore, an equation describing this condition can be satisfactorily interchanged with an equation for normal conditions. This made it possible to depict a system of equations, in a dimensionless form, to address the behaviour and transformation of energy as well as convective and diffused transfer of components for different gasses and smoke using one universal equation. A numeric approach was developed to address issues. The designed calctulation diagram, incorporating explicit and implicit conditions is realised with the use of a “Miedwiedzcia” template. Specific examples illustrate comparisons between proposed calculations and graph analysis of variations in time and range of heat, and gas release in a ventilated channel. Conclusions: The article advocates a universal solution in a dimensionless form, which with the use of one equation describes a system of equations for conserving and transformation of energy, and transfer of different gas and smoke components by convective and diffused methods. The “Miedwiedzcia” template facilitates the capture of data dealing with the dynamics of heat and gas transfer processes in channels, corridors and mines.

PL

Cel: Celem badań jest generalizacja istniejących modeli matematycznych wymiany masy i gazów oraz stworzenie na ich podstawie jednego równania transferu dowolnej substancji podczas pożarów w kopalniach i w innych obiektach z uwzględnieniem rozszerzenia cieplnego gazów. Wprowadzenie: Aby przeprowadzić ocenę zagrożenia pożarowego, należy znać czas trwania pożaru oraz czas, w jakim osiągnie on niebezpieczne wartości np. stężenia toksycznego gazu i zadymienia. Prawdziwy pożar, będący niekontrolowanym procesem spalania, jest złożonym i nie do końca poznanym procesem niestacjonarnym, który odbywa się w przestrzeni trójwymiarowej. W celu opisania tego procesu wykorzystywane są głównie: równania zasady zachowania i przemiany energii, równanie konwekcyjno-dyfuzyjnego transferu składników różnych gazów i równanie konwekcyjno-dyfuzyjnego transferu dymu. Metody: W celu otrzymania rozwiązania równania transportu dowolnej substancji wykorzystano metodę liczbową różnic skończonych schematów jawnych i niejawnych z określonym ciężarem właściwym jednej z nich. Wyniki: Rozpatrywano przepływ powietrza z prędkością mniejszą niż prędkość dźwięku, poniżej 10 m/s. Przy takich prędkościach, zgodnie z równaniem Bernoulliego, ciśnienie zmienia się nieznacznie w stosunku do ciśnienia atmosferycznego. Dlatego też równanie stanu z dostatecznym stopniem dokładności można zamienić na równanie dla normalnych warunków. Pozwoliło to przedstawić w postaci bezwymiarowej system równań zachowania i przemiany energii oraz konwekcyjno-dyfuzyjnego transferu składników różnych gazów i dymu w jednym uniwersalnym równaniu. Opracowano metodę liczbową rozwiązywania zagadnienia. Przedstawiony łączony schemat obliczeniowy – jawny i niejawny jest realizowany na sześciopunktowym szablonie „Miedwiedzica”. Na konkretnych przykładach przedstawiono porównanie zaproponowanej metody liczbowej z analitycznymi krzywymi zmiany w czasie i w różnych odległościach funkcji wydzielenia ciepła i gazu w wentylowanym kanale. Wnioski: Zaproponowano uniwersalne rozwiązanie w formie bezwymiarowej, które opisuje jednym równaniem system równań zachowania i przemiany energii, konwekcyjno-dyfuzyjny transfer składników różnych gazów i dymu. Przedstawiono schemat obliczeniowy „Miedwiedzica”, który dzięki zastosowaniu metody liczbowej pozwala otrzymać wiarygodne dane o dynamice procesów wymiany masy i gazów w kanałach, korytarzach i kopalniach.

3

Opredelenie temperatury samonagrevaniâ uglâ po sootnošeniû oksida ugleroda i ubyli kisloroda na avarijnom učastke

Grekov S. P., Pashkovskiy P. S., Orlikova V. P.

Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza

|

2015

|

Nr 3

119--127

EN

Aim: The purpose of this study is to determine the temperature for self heating of coal, caused by the ratio of carbon monoxide and decreasing oxygen levels along a mining section exposed to a catastrophe. Introduction: The need for this study is associated with existing cumbersome methods used to determine the temperature of coal containing unsaturated hydrocarbons and necessity to identify a faster method for obtaining data about spontaneous fires, to facilitate the selection of appropriate firefighting measures. Methods: Methods are based on the theoretical model for non-isothermic kinetics of heterogeneous oxidation of coal with a variable reactionary oxygen surface, caused by the release of methane, as well as by formation and decay of surface compounds through oxygen adsorption and formation of stable particles. Results: A self heating model was put forward for a layer of coal, based on a representation involving a porous substance. It was assumed that a stream of filtered air, containing oxygen, oxidised upon entering such a layer and generated a heat source. Heat was absorbed across the coal surface culminating in an increase to its temperature. An analytical solution was obtained for this exercise. To describe the intensity of generated heat, the authors utilised their own, previously developed mathematical model. The model took into account the change in oxygen content and surface reaction, depending on coal oxidation levels. Some 30 experiments were performed and analysed, which addressed the issue of coal surface reaction and identified the relationship between the surface layer and degree of coal metamorphosis. This relationship was utilised to determine the proportion of oxygen absorbed during oxidation of coal. By taking account of such data it is possible to calculate the intensity of generated heat, its flow and temperature, and consequential use of oxygen during oxidation of coal. It is proposed that the ratio of carbon oxide to reduced oxygen levels along a section exposed to an emergency, as a result of oxidation can be used to determine coal temperature. This is illustrated by specific examples of mine incident analysis in the Donets Basin. Practical benefit: The identified dependences are recommended for further research and industrial application with the aim of controlling the temperature of self heating coal. Conclusions: The mathematical model for surface self heating of coal and porous substances, was approved during tests at NIIGD “Respirator” (Ukraine) and the Federal Republic of Germany, within the temperature range of 340–400 K, for use with different coal quality. It is proposed that the ratio of carbon oxide to oxygen used for oxidation reactions is utilized to determine the temperature of coal. Demonstrated full compatibility between derived results for temperature calculations and data concerning the ratio of ethylene to acetylene.

PL

Cel: Celem badań jest określenie temperatury samonagrzewania się węgla w zależności od zawartości tlenku węgla i ubytku tlenu na odcinku awaryjnym. Aktualność badań: Potrzeba przeprowadzenia badań wiąże się z czasochłonnością wykorzystywanej dotychczas metody określenia temperatury węgla ze względu na zawartość węglowodorów nienasyconych oraz koniecznością opracowania szybkiej metody pozyskiwania danych na temat pożaru endogennego, które są niezbędne podczas wyboru odpowiednich środków do jego ugaszenia. Metody: Metody opierały się na teoretycznym modelu nieizotermicznej kinetyki heterogenicznego utleniania tlenem z powietrza węgli ze zmienną (niejednorodną) powierzchnią reakcyjną, co powodowane jest wydzielaniem metanu z węgla, a także powstawaniem i rozpadem związków powierzchniowych przy adsorpcji tlenu i powstawaniu przy powierzchni stałych produktów reakcji. Wyniki: W artykule zaproponowany został model procesu samonagrzewania się warstwy węgla na przykładzie środowiska porowatego. Założono, że wchodzący do takiej warstwy strumień filtrowanego powietrza wstępuje w reakcje chemiczne utleniania, przez co generowane jest źródło ciepła. Wydzielające się ciepło jest wydatkowane na przejście przez powierzchnię warstwy węgla i zwiększenie jego temperatury. Otrzymano rozwiązanie analityczne tego zadania. Do opisania intensywności wydzielania ciepła wykorzystano wcześniej opracowany przez autorów model matematyczny. Uwzględniono w nim zmianę zawartości tlenu i powierzchni reakcyjnej w miarę utleniania się węgla. Przeanalizowano około 30 eksperymentów polegających na określeniu powierzchni reakcyjnej węgla i otrzymano zależność między nią a stopniem metamorfizmu węgla. Zaproponowano wykorzystanie tej zależności do określenia zawartości procentowej tlenu wstępującego w reakcję utleniania węgla. Z uwzględnieniem tych danych możliwe jest wyliczenie: intensywności wydzielania ciepła, jego spadku i temperatury oraz zależności między zużyciem tlenu a utlenianiem się węgla. Autorzy przedstawili zależność, na podstawie której możliwe jest obliczenie temperatury węgla pod względem zawartości tlenku węgla i ubytku tlenu na odcinku awaryjnym. Na rzeczywistych przykładach awarii w kopalniach w Donbasie przedstawiono możliwość określenia temperatury samonagrzewania się węgla na podstawie danych analizy powietrza na odcinku awaryjnym. Znaczenie dla praktyki: Otrzymane zależności są rekomendowane do badań i zastosowań przemysłowych w celu kontroli temperatury samonagrzewania się węgla. Wnioski: Zaproponowany model matematyczny samonagrzewania się w warstwie węgla – środowisku porowatym – potwierdzony został w drodze eksperymentów przeprowadzonych przez Instytut Naukowo-Badawczy Górnictwa „Respirator” (Ukraina) i Republikę Federalną Niemiec w granicy temperatur 340–400 K na węglach o różnym stopniu uwęglenia. W celu określenia temperatury węgla zaproponowano wykorzystanie modelu opisującego stosunek zawartości tlenku węgla i tlenu biorącego udział w reakcjach utleniania. Wykazano pełną zgodność otrzymanych wyników wyliczeń temperatury z danymi w odniesieniu do etylenu i acetylenu.

4

Vzaimodejstvie konvektivnyh potokov pri požare v gornoj vyrabotke

Pashkovskiy P. S., Zinchenko I. N., Bryum V. Z.

Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza

|

2014

|

Nr 4

95--101

EN

Aim: The article is concerned with the problem of convective flows interaction in the presence of lifting powers caused by high temperature conditions created by developed fires. Additionally, the article reveals an analysis of investigation results in this direction. The authors have shown, in an examination of the velocity structure of a ventilation flow during reverse movements of fire gases, that the flow is either separated into two parts (input and output to and from the chamber) or the flows are superimposed without taking account of a boundary layer near the roof of a mine working or zero air velocity movement at the walls, what happens in practice. Methods: In tandem with the intention to specify the interaction mechanism of the convective flows of the fire gases the authors simultaneously took into account both the turbulent and laminar movements of the gases by incorporating additional components to differential equations. Analytical solutions were obtained for velocity and temperature profiles in the proximity of the fire source. Results: It was established that the presence of the boundary layer under the roof of the mine working sharply deforms the identified profiles, revealing the realistic picture of the process of the convective transfer of admixtures to the gravitation field. The calculations show that, in the absence of a fire, the velocity profile of the air flow taking account of turbulent and laminar movements, most accurately describes the velocity structure of the air flow. This is in contrast with the favored parabola curve for the laminar stream or with the straight line for turbulence when the velocity at the walls of the mine working does not equate to zero. The fundamental difference between the results derived from the technique developed by research and results derived by the popular methods is that the velocity profiles of the air flow realistically reproduce the turbulent movement of the fire gases in the stream core by taking account of the change to the laminar movement at the walls of the mine working, where the boundary layer is formed. The analysis of the results obtained reveals that in the absence of the fire the air velocity profile is symmetrical in relation to the axis of the mine working. By origin of the fire one can observe a deformation of the velocity profile, and this is attributable to the stream core movement towards the soil of the mine working, and air, in a sense, moves away from the roof. Ultimately, a moment occurs during which the stream is pushed down in the upper part of the mine working. Derived temperature profiles reveal the observed picture of the fire gases trail under the roof of the mine working with its gradual disperse. Conclusions: The presented technique allows for linear evaluation of the fire gases flowing in reverse and that one of the hightemperature trial during the developed fire when the trail length will be at its maximum. The information acquired during observation and computer-aided prediction of reverse fire gases flows is necessary for the detection of the fire and its elimination.

PL

Cel: Artykuł poświęcony jest problemowi wzajemnego oddziaływania przepływów konwekcyjnych podczas wystąpienia sił nośnych w warunkach wysokich temperatur przy rozwiniętym pożarze. W artykule przedstawiono analizę wyników badań omawianego zjawiska. Autorzy wykazali, że przy badaniu struktury prędkości przepływu wentylacyjnego przy ruchach wstecznych gazów pożarowych przepływ rozdziela się na dwie składowe (wchodzącą i wychodzącą z obszaru wyrobiska) lub przepływy nakłada się na siebie bez uwzględnienia warstwy granicznej przy stropie wyrobiska oraz zmiany prędkości przepływu powietrza do zera przy ścianach, co zachodzi w rzeczywistości. Metody: W celu określenia mechanizmu wzajemnego oddziaływania przepływów konwekcyjnych gazów pożarowych autorzy zaproponowali jednoczesne uwzględnianie przepływów turbulentnych i laminarnych dla gazów pożarowych poprzez wprowadzenie do równań różniczkowych dodatkowych składowych. Otrzymano rozwiązania analityczne dla profili prędkości i temperatury w pobliżu źródła pożaru. Wyniki: Ustalono, że obecność warstwy granicznej pod stropem wyrobiska diametralnie zmienia przedstawione profile, pokazując rzeczywisty obraz procesu przepływu konwekcyjnego domieszek w polu grawitacji. Jak wykazały wyniki obliczeń, w sytuacji bez pożaru, profil prędkości przepływu powietrza uwzględniający tryb turbulentny i laminarny najdokładniej opisuje strukturę prędkości przepływu powietrza – w odróżnieniu od zwykle wykorzystywanej krzywej paraboli dla przepływu laminarnego lub linii prostej przy ruchu turbulentnym, kiedy prędkość na ścianach wyrobiska nie jest równa zero. Różnica pomiędzy wynikami otrzymanymi dzięki opracowanej metodyce badań wzajemnego oddziaływania strumieni konwekcyjnych a wynikami znanych metod polega na tym, że w przypadku tych pierwszych profile prędkości strumienia powietrza odwzorowują realny obraz przepływu turbulentnego w strumieniu głównym ze zmianą ruchu na laminarny przy ścianach wyrobiska, gdzie tworzy się warstwa graniczna. Analiza otrzymanych wyników wskazuje na to, że przy braku pożaru profil prędkości powietrza jest symetryczny względem osi wyrobiska. Podczas powstania pożaru obserwowana jest zmiana profilu prędkości, która polega na tym, że strumień główny przesuwa się do podłoża wyrobiska, a powietrze jakby odrywa się od stropu. Ostatecznie następuje moment, w którym w górnej części wyrobiska zachodzi zjawisko zmiany kierunku przepływu. Otrzymane profile temperatury odwzorowują obserwowane zjawisko przepływu gazów pożarowych pod stropem wyrobiska ze stopniową ich dyspersją. Wnioski: Przedstawiona metoda pozwala ocenić drogę przepływu wstecznego gazów i drogę wysokotemperaturowego strumienia podczas pożaru rozwiniętego, kiedy długość przepływu osiąga wartość maksymalną. Informacje otrzymane w drodze obserwacji i symulacji komputerowej przepływu wstecznego gazów pożarowych są niezbędne do detekcji i zwalczenia pożaru.