Лекция 13

1. «ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОБСТАНОВКИ ПРИ АВАРИЯХ НА ПОЖАРОООПАСНЫХ   ОБЪЕКТАХ»

2. 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 5.1.

Рисунок 5.1. 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  описывается 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.

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.

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.

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.

3. Расчетные соотношения для оценки возможности возгорания.

4. 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                                         (5_2.1)

где: q – плотность  теплового излучения,  воздействующего на элементарную  площадку на поверхности облучаемого тела, расположенную перпендикулярно направлению этого излучения;

C_o- постоянная Стефана - Больцмана (C_o = 5,67 вт/(м² К⁴) );

e_пр- приведенная степень черноты пары источник - материал;

y₁₂- 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:   e_и- степень черноты факела пламени;

e_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 средой.

Значения параметров T_и, T_доп, e_и, e_м для ряда материалов приведе­ны в Приложении.

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 П1  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.

5.

6. Учет взаимного размещения факела пламени и облучаемого тела.

Взаимное размещение факела пламени и облучаемого тела учитывается с помощью коэффициента y₁₂. 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 аппроксимировано шаром (например при горении облака газовоздушной смеси), конусом (например при горении нефтепродуктов в открытой емкос­ти) или цилиндром (при большинстве пожаров).

В практических расчетах факел пламени условно заменяется прямоугольной площадкой.

Для  удобства  расчетов  прямоугольный  факел  пламени  в  свою  очередь  делится  на  несколько  прямоугольников  (чаще  одинаковых  с  размерами  a x b) ,  а  исследуемая  точка  возгорания  выбирается  на  расстоянии   r   на  нормали  к  одной  из  вершин  прямоугольника  с  размерами  a x b .  (См.  схемы  на  рис.5.2.). В  этом  случае  сначала  рассчитывается  промежуточная  величина     Y’₁₂ = Y(a,b,r),  а  затем  величина  Y₁₂ . 

                                                                               

Облучаемая элементарная площадка  расположена на  расстоянии r по нормали от одного из углов прямоугольника  с  размерами  a  и  b.

Рисунок 5.2. Расчетная схема для определения значения y‘₁₂ .

Значение y₁₂, соответствующее каждой  из  схем, может быть оп­ределено по формулам:

    -   в  случае,  когда элементарная площадка расположена напротив

геометрического центра излучающей поверхности,   или

    -   в  случае,  когда элементарная площадка расположена на  уровне

нижней кромки  излучающей поверхности.

Значение  величины  Y’₁₂  рассчитывается   по  формулам  телесного  угла  с  использованием  формул:

 ,  или

Значения  Y’₁₂  приведены  в  таблице  5.2.1.

При  решении  задач  можно  пользоваться  либо  таблицей,  либо  построенными  на  ее  основе  графиками.

Таблица 5.2.1.

Значения  величины  (10000 Y’₁₂)  в  зависимости  от  r/a  и  b/a .

7. 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. Резервуары  с легковоспламеняющимися и горючими жидкостями.

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 y‘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.

Таблицы, используемые при расчетах.

Таблица П1.   Значения критической плотности теплового потока,  q_кр , вт/м²

Таблица П2.  Температура самовоспламенения  некоторых  веществ  и  материалов (T_доп)

Таблица  П3.          Средние температуры поверхности пламени (T_и)

Таблица  П4.   Степень черноты факела пламени (e_и)

Таблица  П5.   Степень черноты различных материалов (e_м)