9

Курс «Основы гражданской защиты в чрезвычайных ситуациях»

«ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОБСТАНОВКИ ПРИ АВАРИЯХ НА  ПОЖАРОООПАСНЫХ ОБЪЕКТАХ»

1.ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ВОЗГОРАНИЯ.

Возможность возгорания конструкций и материалов, а также безопас­ное удаление людей от очага пожара являются главными показателями, ха­рактеризующими противопожарную безопасность. Эта безопасность зависит от ряда факторов, основные из которых показаны на рисунке 13.1.

Излучение

конвекция

нагретые газы

искры

токсичные вещества

Энергетические превращения

химические реакции

Пожар

Рисунок.13.1. Основные факторы, воздействующие на окружающую среду при пожаре.

На открытых пожарах главным источником, вызывающим возгорания или оказывающим тепловое воздействие на людей, является излучение факела пламени. Это излучение представляет собой мощный источник тепловой энергии. В ряде случаев температурное воздействие пламени настолько велико, что может прогреть строительные конструкции до критической температуры, после которой нагрузки на эти конструкции приводят к их деформации.

Тепловое воздействие пламени происходит на основе превращения тепла в энергию электромагнитных волн в основном инфракрасного диапа­зона, которые распространяются в вакууме со скоростью света (300 тыс.км./с). Тела поглощают инфракрасные и световые лучи, превращая их в тепловую энергию. В свою очередь нагретое тело отдает тепло в виде испускаемых в окружающую среду лучей, т.е. часть лучистой энергии от­ражается телом или проходит сквозь него.

В общем виде воздействие теплового излучения зависит от длины волны, лучеиспускательной интенсивности пламени и поглощательной спо­собности тела. Баланс лучистого теплообмена можно описать следующим выражением:

Q=Q_R +Q_A +Q_D ,

где:

Q - лучистая энергия, воздействующая на тело;

Q_R, Q_A, Q_D - отраженная, поглощенная и проходящая сквозь тело лу­чистая энергия.

Разделив обе части этого выражения на Q получим:

R + A + D = 1 ,

где: R=Q_R/Q, A=Q_A/Q, D=Q_D/Q - коэффициенты, характеризующие отража­тельную, поглощательную и пропускательную способность тела. Эти коэффициенты зависят от рода тела, его температуры, состояния поверхности и длины волн лучей, воздействующих на него.

Как твердые, так и жидкие тела поглощают очень тонким слоем почти все тепловое излучение, падающее на их поверхность. Для металлов тол­щина этого слоя составляет около 1 микрона, для большинства остальных материалов - около 1.3 мм. Поэтому, в первом приближении, можно гово­рить о поглощающей поверхности облучаемого тела.

При D=1 тело называется абсолютно прозрачным или деатермичным, при R=1 - абсолютно белым или зеркальным, при A=1 - абсолютно черным, т.е. таким, которое поглощает все падающие на него лучи независимо от их направления, спектрального состава и поляризации.

В природе не существует ни абсолютно черного, ни диатермального, ни абсолютно белого тела. Однако эти понятия, особенно понятие абсо­лютно черного тела, широко используются в инженерных расчетах лучисто­го теплообмена.

Лучистый теплообмен при пожарах представляет собой сложный физи­ческий процесс, зависящий от большого числа факторов, характеризующих как сам процесс формирования теплового излучения, так и его воздейс­твие на окружающие тела. Учесть каждый из этих факторов в аналитичес­ком выражении, описывающем процесс теплообмена, не представляется воз­можным, поэтому при проведении расчетов учитываются только основные из них.

2.Расчетные соотношения для оценки возможности возгорания.

1. Определение плотности теплового потока

Соотношение, составленное для оценки возможности возгорания мате­риала применительно к паре источник излучения - облучаемое тело, осно­вывается на использовании закона Стефана-Больцмана и имеет следующий вид:

, вт/м² (13.1)

где: q - тепловое излучение, воздействующее на элементарную площадку на поверхности облучаемого тела, расположенную перпендикулярно направлению этого излучения;

C_o- постоянная¹, C_o = 5,67 вт/(м² К⁴) ;

_пр- приведенная степень черноты пары источник - материал;

₁₂- коэффициент,определяющий долю лучистой энергии от полной по­верхности излучающего тела, достигающую элементарной площадки на оцениваемом материале (индекс “12” - от первого тела ко второму);

T_и- температура пламени (температура источника) в градусах К;

T_доп- температура самовоспламенения облучаемого материала (темпе­ратура допустимая) в градусах К.

Приведенная степень черноты пары источник - материал определяется соотношением:

где: _и- степень черноты факела пламени;

_м- степень черноты облучаемого материала.

Приведенное уравнение справедливо при двух допущениях:

- учитывается только лучистый теплообмен, т.е. конвективным теплообменом пренебрегаем;

- тела, между которыми происходит лучистый теплообмен, разделены непоглощающей средой².

Вычисляемое на основе закона Стефана-Больцмана значение плотности теплового потока, используемое для оценки безопасных расстояний, существенно зависит от продолжительности воздействия. Минимально необходимое для возгорания материала, из которого сос­тоит облучаемое тело, тепловое излучение, воздействующее на это тело в течении определенного времени, называется критическим тепловым излуче­нием.

В таблице 4 Приложения приведены значения q_кр для различных материалов при продолжительности воздействия 3, 5 и 15 минут.

При кратковременном воздействии, характерном, например, для светового излучения ядерного взрыва (в среднем от 2 до 10 сек), значения q_кр возрастают в 5-6 раз по сравнению со значениями при воздействии в течение 3 минут.

Плотность теплового потока на расстоянии R от эпицентра ядерного взрыва может быть определена с использованием формулы для светового импульса:

, ( Кдж* сек / м² =Квт /м² )

где t(q) - время свечения светящейся области как функция тротилового

эквивалента q.

1. Учет взаимного размещения факела пламени и облучаемого тела.

Взаимное размещение факела пламени и облучаемого тела учитывается с помощью коэффициента ₁₂. Значение этого коэффициента зависит от формы и размеров факела пламени, а также от расположения облучаемой элементарной площадки по отношению к факелу пламени. Пламя имеет до­вольно сложную, изменяющуюся во времени форму, и, вообще говоря, может быть апроксимировано шаром (например, при горении облака газовоздушной смеси), конусом (например, при горении нефтепродуктов в открытой емкос­ти) или цилиндром (при большинстве пожаров).

Однако, в практических расчетах факел пламени условно заменяется прямоугольной площадкой, размещение которой по отношению к облучаемому телу рассматривается так, как это показано на схеме, приведенной на рисунке 13.2.

Значение ₁₂ , соответствующее такой схеме, может быть оп­ределено по формуле:

- в случае, когда элементарная площадка расположена напротив геометрического центра излучающей поверхности,

- в случае, когда элементарная площадка расположена на уровне нижней кромки излучающей поверхности,

,

Формула несколько громоздка и неудобна для использования при проведении расчетов. Для упрощения процедуры определе­ния значения ‘₁₂ при решении задач используются графики, построенные путем расчета по этой формуле для некоторых соотношений между параметрами a, b, r.

Облучаемая элементарная площадка расположена на расстоянии r по нормали от одного из углов площадки, заменяющей факел пламени

Рисунок.13.2. Расчетная схема для определения значения ‘₁₂ .

1. Определение размеров факела пламени

Правила определения размеров прямоугольной площадки, условно за­меняющей пламя, зависят от типа горящего объекта. Рассмотрим некоторые из них.

1. Горящие здания.

1а.Пожар в зданиях из несгораемых материалов.

Площадь пламени равна удвоенной площади оконных проемов, причем высота пламени соответствует удвоенной высоте окна, а размеры простенков между окнами не учитываются.

1б.Пожар в здании из несгораемых материалов с крышей из сгораемых материалов.

Площадь пламени равна удвоенной площади оконных проемов плюс пло­щадь проекции ската крыши на вертикаль.

1в.Горит здание из сгораемых материалов.

Высота пламени принимается равной высоте здания до конька крыши. Длина пламени определяется как произведение скорости распространения пламени, равной 1 м./мин., на время до начала тушения. Это время ус­ловно принимается равным 15 мин. (Полученная в результате длина пламени не должна превышать длину здания).

2.Горят легковоспламеняющиеся и горючие жидкости (ЛВЖ и ГЖ) в резер­вуаре.

Пламя в этом случае представляется в форме конуса с диаметром основания, равным диаметру резервуара, и высотой, равной

1.4 диаметра - для ЛВЖ и

1.2 диаметра - для ГЖ.

При условной замене конуса прямоугольником основание этого прямо­угольника принимается равным диаметру резервуара, а высота

0.7 диа­метра - для ЛВЖ и

0.6 диаметра - для ГЖ.

3.Пожар на производственной установке, расположенной на открытом воздухе и огражденной обваловкой.

Длина пламени принимается равной диаметру обваловки, а высота - 10 м.

4.Горит штабель пиломатериалов.

Высота пламени принимается равной удвоенной высоте штабеля. Длина пламени определяется как произведение скорости его распространения на время до начала тушения пожара. Это время принимается равным 10 мин. при наличии средств пожаротушения и 30 мин. при их отсутствии. Полу­ченная в результате длина пламени не должна превышать длину штабеля.

Замечание! Размеры прямоугольника, условно заменяющей факел пламени, при подстановке в выражение для ‘₁₂ или при пользовании графиками обозначаются : a - меньший из размеров, b - больший из размеров.

Рекомендуемые контрольные вопросы

1. Оценка возможности возгорания.

2. Основные факторы, воздействующие на окружающую среду при пожаре.

3. Расчетные соотношения для оценки возможности возгорания.

4. Определение плотности теплового потока.Допущения при выводе уравнения лучистого теплообмена. Учет взаимного размещения факела пламени и облучаемого тела.

5. Определение размеров факела пламени.

6. Соотношения для основных случаев возгорания.

Литература

1. “Аварии и катастрофы. Предупреждение и ликвидация последствий.”, М., АСВ 1995г.

2. Абдурагимов И.М. Физико-химические основы развития и тушения пожаров, М.1980г.

Приложение.

Таблица 13.1. Значения критической плотности теплового потока, вт/м2

М а т е р и а л ы	qкр,при продолжительности облучения, мин
	3 мин	5 мин	15 мин
Древесина с шероховатой поверхностью	20600	17500	12900
Древесина,окрашенная	26700	23300	17500
Торф брикетный	31500	24500	13300
Торф кусковой	16600	14300	9800
Хлопок-волокно	11000	9700	7500
Картон серый	18000	15200	10800
Стеклопластик	19400	18600	15300
Резина	22600	19200	14800
Горючие газы и огнеопасные жидкости с температурой самовоспламенения oC ( K )
250 (523)	7800	7290	5950
300 (573)	11200	10300	8100
350 (623)	15600	14200	11000
400 (673)	20800	19000	14800
>= 500 (773)	-	-	28000
Допустимая плотность облучения человека
без средств спец.защиты в течение длительного времени,qдоп	1050
в течение 20 сек, (возможны тяжелые последствия)	4000

Таблица.13.2. Средние температуры поверхности пламени (T_и)

Г о р ю ч и й м а т е р и а л	Температура пламени, oK, Tи
Торф,мазут Древесина,нефть,керосин,дизельное топливо Каменный уголь,каучук,бензин Антрацит,сера Горючие газы	1273 1373 1473 1573 1773

Таблица.13.3. Температура самовоспламенения некоторых веществ и материалов (T_доп)

М а т е р и а л ы	Температура самовосплам.,oK,Tдоп
Ацетон Бензин,керосин Дизельное топливо Нефть Мазут Этиловый спирт Древесина сосновая Войлок строительный Торф кусковой и брикетный Картон серый Хлопок-волокно Допустимая температура на теле человека	883 523 573 653 573 738 568 643 498 700 478 313 (40 ОC)

Таблица.13.4. Степень черноты факела пламени (_и)

М а т е р и а л ы	Степень черноты
Каменный уголь, древесина, торф Мазут, нефть Бензин, керосин, дизельное топливо	0,7 0,85 0,98

Таблица.13.5. Степень черноты различных материалов (_м)

М а т е р и а л ы	Степень черноты
Сталь листовая Сталь окисленная Медь окисленная Резина твердая Резина мягкая Дерево строганое, картон, торф Толь кровельный Эмаль белая, приплавленная к железу Каменный уголь	0,6 0,8 0,56 0,95 0,86 0,9 0,93 0,9 0,8
Кожа человека	0,95

1 Постоянная на основе постоянной Стефана – Больцмана, учитывающая вынесение 10^-8 в знаменатель.

2 Значения параметров T_и, T_доп,_и, _м для ряда материалов приведе­ны в Приложении.

Ф акультет военного обучния