Тепловой баланс внутреннего пожара

 

Под температурой внутреннего пожара понимается среднеобъемная температура газовой среды в помещении в данный момент времени. Она определяется соотношением количества тепла, выделенного в результате горения и удаляемого из помещения. Если бы отсутствовал теплообмен очага пожара с окружающей средой, ограждающими конструкциями, то максимальная температура, как и на открытом пожаре, достигала бы температуры пламени приблизительно 1150 ^oС для твердых горючих материалов, примерно 1250 ^oС для жидкостей и 1350 ^oС для газов.

В общем виде тепловой баланс внутреннего пожара в каждый момент времени может быть представлен следующим уравнением:

q _п = q _уд + q _ср + q _к + q _луч, (31)

где: q _п - интенсивность выделения тепла (теплота пожара);

q _уд - интенсивность удаления тепла из помещения вместе с продуктами горения;

q _ср- интенсивность накопления тепла газовой средой внутри помещения;

q _к- интенсивность поглощения тепла ограждающими конструкциями;

q _луч- интенсивность излучения тепла за пределы помещения через проемы.

 

Все величины, входящие в это уравнение, изменяются во времени. Они зависят от вида горючего материала, его количества, характеристик помещения и строительных материалов и многих других факторов. Например, q _кна стационарной стадии развития пожара может достигать 50% от q _п. В целом потери тепла изменяются от 10 до 80 % q _пв зависимости от условий газообмена и продолжительности горения

Из всех составляющих q _п, входящих в уравнение (31), только q _ср непосредственно затрачивается на развитие пожара внутри данного помещения. Однако нельзя сказать, что остальные составляющие не представляют пожарной опасности. Величина q _луч определяет возможность распространения пожара на соседние объекты, представляет опасность для личного состава при тушении, приводит к повышению температуры строительных конструкций, снижает их несущую способность и создает угрозу обрушения. Тепло, удаляемое из помещения с продуктами горения, способствует распространению пожара на верхние этажи здания.

Таким образом, только величина q _сропределяет в конечном счете температуру внутреннего пожара. Уравнение теплового баланса используется как для анализа пожара, так и для расчета среднеобъемной температуры.

Рассчитать тепловой поток на 10, 15, 20, 25, 30 и 35 минутах (данные оформляются в виде таблицы).

Q= [КВТ/м²] (32)

5.3. Расчет динамики изменения высоты нейтральной зоны во времени и построение графика

Физической природой газообмена при пожаре в помещении является разность давлений газовой среды внутри помещения и воздуха снаружи. По мере накопления газообразных продуктов горения и повышения среднеобъемной температуры давление газовой среды в помещении начинает изменяться относительно давления воздуха снаружи. В верхней части помещения давление становится несколько больше атмосферного, в нижней части - меньше, и на какой-то высоте h ₀ - равным атмосферному. Горизонтальная плоскость, расположенная на высоте h ₀, на которой давление газов внутри помещения и воздуха снаружи равны, называется плоскостью равных давлений (ПРД). Она делит помещение на две части. Ниже ПРД в помещение через проемы поступает воздух, выше - из помещения выходят нагретые газы.

В зависимости от соотношения массы горючих материалов и количества воздуха, которое обеспечивает их сгорание, пожар на третьей стадии может протекать в двух режимах. В тех случаях, когда приток воздуха достаточен для достижения максимальной полноты сгорания, обусловленной видом горючего материала, массовая скорость выгорания не зависит от изменения интенсивности газообмена. А поскольку теплота пожара - q _п (т.е. интенсивность тепловыделения) прямо пропорциональна массовой скорости выгорания, она также не зависит от изменения интенсивности газообмена и определяется только видом горючего материала и плотностью его укладки (если это твердый горючий материал). Такие пожары называются регулируемыми нагрузкой (ПРН).

При свободном развитии пожара в таком режиме уровень интенсивности газообмена помещения с окружающей средой устанавливается в соответствии с массовой скоростью выгорания, т.е. массовой скоростью образования продуктов горения. Если в такой ситуации искусственно увеличить приток воздуха, подавая его с помощью вентилятора (дымососа), произойдет снижение температуры газовой среды в помещении, так как наружный воздух является значительно более холодным. Если при режиме ПРН вскрыть дополнительно один или несколько проемов или удалять продукты горения с помощью дымососа, среднеобъемная температура также понизится. В этом случае возрастает количество тепла, удаляемого вместе с продуктами горения q _уд. А так как q _п при ПРН не изменится, тепловой баланс будет восстанавливаться за счет уменьшения других составляющих: q _ср и q _к(34).

В тех случаях, когда интенсивность газообмена ограничивает массовую скорость выгорания, т.е. приток воздуха в помещение не обеспечивает максимальную полноту сгорания горючих материалов, пожар называется регулируемым вентиляцией (ПРВ). Очевидно, что увеличение притока воздуха при ПРВ вызовет рост массовой скорости выгорания, интенсивности тепловыделения и соответственно температуры газовой среды в помещении.

 

Пример 1. Произвести расчет динамики изменения высоты нейтральной зоны на 25 и 20 минутах и построить график изменения высоты ПРД от времени. Если известно, что размеры окон 1,7×2,9 и расстояние от пола до подоконника 1,2 м.

Решение: 1. Определим высоту нейтральной зоны на 20, 25, 30, 35 минутах:

, значит, определяем методом линейной интерполяции:

, значит, =0,748 кг/м³

, значит, =0,525 кг/м³

, значит, определяем методом линейной интерполяции:

(33)

2. Построим график зависимости изменения высоты нейтральной зоны от времени:

 

 

Рис. 4. График изменения высоты ПРД от времени

t (мин)

2,55

2,4

2,45

2,5

 

 

5.4 Расчет динамики измерения фактической интенсивности газообмена во времени

Основными параметрами газообмена на пожаре являются интенсивность газообмена (J _г) и коэффициент избытка воздуха (a). Интенсивность газообмена характеризует скорость поступления воздуха в помещение в расчете на 1 м² площади пожара. Она равна отношению расхода воздуха, проходящего через проемы G _в, кг/с, к площади пожара (F _п): J _г = G _в/ F _п, кг/(с×м²).

Коэффициент избытка воздуха определяет количество воздуха, поступающего в помещение по отношению к требуемому для сгорания горючего вещества: a = G _в/ G _в^треб. Он определяет среднеобъемную концентрацию кислорода в помещении в данный момент времени.

Расход воздуха, фактически поступающего в помещение и требуемого находят по формулам соответственно:

(34)

(35)

где: m - средний коэффициент сопротивления проема, m = 0,65;

B - суммарная ширина открытых проемов, [м];

h ₀ - высота плоскости равных давлений, [м];

g = 9,8 - ускорение свободного падения, [м/с²];

r_в - плотность воздуха, r_в= 1,2 [кг/м³];

r_г - плотность дымовых газов при температуре пожара, кг/м³;

V _в⁰- объем воздуха, теоретически необходимый для полного сгорания 1 кг горючего, м³/кг.

 

Во время свободного развития пожара коэффициент избытка воздуха изменяется. Вначале‚ пока v _м мала и G _в^требневелик, проемы практически не лимитируют приток воздуха в помещение. Коэффициент aв этом случае может составлять 40 и более. По мере увеличения v _мвозрастает G _в^треб, а пропускная способность проемов уменьшается вследствие снижения h ₀. Как показывают эксперименты, коэффициент избытка воздуха уменьшается до некоторого минимального значения, затем остается постоянным и пpи снижении v _м, вследствие выгорания материала, возрастает.

Соответственно изменяется и среднеобъемная концентрация кислорода в помещении. Если в ходе уменьшения aона понизится до некоторого значения , предельного для данного горючего, пламенное горение постепенно прекратится. Если среднеобъемная температура при этом была ниже температуры воспламенения горючих веществ, находящихся в помещении (для твердых горючих материалов 300 ^oC), возможно самозатухание пожара. Если среднеобъемная температура была выше температуры воспламенения, постепенное прекращение пламенного горения вызовет уменьшение массовой скорости выгорания и, соответственно, требуемого расхода воздуха. В результате этого наступит момент, когда aи начнут возрастать. Когда станет больше , пламенное горение возобновится. В случае такого развития пожара, при вскрытии дополнительных проемов, существует опасность объемной вспышки.

Если > , пожар будет продолжаться до полного прекращения горения в результате тушения или выгорания пожарной нагрузки.

Экспериментально установлено, что , об. %, связана с концентрацией кислорода в выходящих газах формулой:

(36)

Концентрацию кислорода в выходящих газах можно определить из выражения

(37)

При наличии газообмена с окружающей средой α равен:

(38)

 

Величину h ₀, м, при газообмене через один проем или несколько проемов, расположенных на одинаковом расстоянии от пола, рассчитывают по формуле:

(39)

где: Н - высота проема, м.

 

Если газообмен осуществляется через несколько проемов, расположенных на разных уровнях (рис. 5), вместо h ₀в расчетные формулы подставляют средневзвешенную величину h ₁.

Ошибка! Ошибка связи.

 

Рис.5. Схема газообмена через несколько проемов,

расположенных на разных уровнях

 

Обозначим F _пр1, F _пр2, F _пр3 общую площадь каждого проема, а F ¢₁, F ²₁, F ¢²₁ - части проемов, pаботающие на приток воздуха. Тогда общая площадь проемов, участвующих в газообмене, равна:

å F _пр = F _пр1 + F _пр2 + F _пр3. (40)

Предположим, что процесс газообмена установился. Тогда общая площадь проемов, работающая на приток воздуха, приближенно равна:

å F ₁ = 1/3 å F _пр

å F ₁ = h ₀ d ₁ + (h ₀ - a) d ₂ + (h ₀ - b) d ₃, (41)

где: d ₁, d ₂ и d ₃ - ширина соответствующего проема, м;

а, b – нижние отметки проемов (см. рис. 7).

 

Из этого уравнения находим h ₀, а затем (см. рис.7) h ¢₁, h ²₁ и h ²¢₁:

h ¢₁ = h ₀/2; h ²₁ = (h ₀ - a)/2; h ²¢₁ = (h ₀ - b)/2,

где: h ¢₁, h ²₁ и h ²¢₁ - расстояния от центров приточных частей проемов до плоскости равных давлений, [м].

Значение h ₁берется как средневзвешенная величина

(42)

где: F ₁ = h ₀ d ₁; F ₁ = (h ₀ - a) d ₂; F ₁ = (h ₀ - b) d ₃.

Пример 1. При пожаре в помещении воздух поступает через проем размерами 0,4x1,9 м. Площадь пожара к данному моменту времени составляет 5 м², температура пожара 450 ^oC, средний элементный состав твердого горючего вещества: C = 40 %, H = 4 %, O = 10 %, N = 16 %, влага W = 15 %, зола = 15 %; v ¢_м= 0,44 кг/(м²×мин). Для данного вещества = 15 %. Рассчитать параметры газообмена и сделать выводы о возможном развитии пожара.

Решение. Для определения параметров газообмена необходимо, прежде всего рассчитать h ₀ и . Величину mпринимаем равной 0,65,

r_в - 1,2 кг/м³; r_гнаходится в зависимости от температуры пожара по графику. В данном случае r_г= 0,475 кг/м³.

1. Находим h ₀

2. Рассчитываем . Поскольку задано вещество сложного состава, расчет проводим по формуле

3. Учитывая, что v ¢_м = 0,44 кг/(м²×мин) = 0,44/60 = 0,0073 кг/(м²×с).

С помощью формул (37) и (38) определяем коэффициент избытка воздуха:

4. Из выpажения (36) находим :

5. По формуле (39) определяем :

СОДЕРЖАНИЕ ВЫВОДОВ ПО РАБОТЕ

 

В данной главе обучаемый описывает проведенные им расчеты, основываясь на которые он делает определенные выводы по проведенной работе.

Исходя из задания на выполнение курсовой работы студент должен определить тип исследоваемого здания, какую скорость распространения пламени он использовал.

Необходимо указать на каком этапе (промежутке времени) какая форма распространения пламени преобладала и почему. На какой минуте выгорают двери, с какого времени в газообмене начинают участвовать оконные проемы (нужно указать объем площади, работающей на приток воздуха, фактическую и требуемую интенсивность газообмена на этот промежуток). Обратить особое внимание на то, когда пожар начинает распространяться в соседних помещениях, имеются ли перепады давления и температуры пожара.

В конце необходимо дать общую оценку возможности тушения автоматической установкой пожаротушения в заданном помещении.

 

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Образец выполнения титульного листа

Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет

 

Кафедра «Пожарная безопасность и защита в чрезвычайных ситуациях»

 

 

Дисциплина: «Теория горения и взрыва»

 

 

Расчетно-пояснительная записка

к курсовой работе

 

по теме: «Прогнозирование пожаровзрывоопасности и динамики развития пожара на объекте»

 

Разработал студентуч. группы

(звание, фамилия, инициалы)

Дата выдачи задания:

Срок сдачи работы:

 

Курсовая работа принята

²² 20____ г.

с оценкой

 

Преподаватель

 

 

Волгоград 20___

Приложение 2

Список принятых обозначений

n - число молей вещества

Р - давление газа, Па

Т - температура вещества, К

Q - количество теплоты, Дж

V_i - объем i -го газообразного вещества, м³, кмоль

a- коэффициент избытка воздуха

Т _св- температура самовоспламенения, К

q ⁺- скорость тепловыделения, кДж/с

q ^-- скорость теплоотвода, кДж/с

Т _всп - температура вспышки, К

m - масса вещества, кг

М - масса одного кмоля вещества, кг/кмоль

V _в- теоретическое количество воздуха, необходимое для горения, кмоль/кмоль, м³/кг

Q _н- низшая теплота сгорания вещества, кДж/моль, кДж/кг

H_i - энтальпия i -го вещества, кДж/моль, кДж/м³

Т _г - температура горения, К

- теплоемкость i -го газа при постоянном давлении, кДж/(моль×К), кДж/(м³×К)

h- коэффициент теплопотерь

j_н(в)- нижний (верхний) концентрационный предел распространения пла-мени, об. %

m _i - мольная доля i -го вещества

Т _н(в)- нижний (верхний) температурный предел воспламенения, К

М_р - число концевых функциональных групп

l_i - длина i -й углеродной цепи

q _п - теплота пожара, кВт

q _уд- интенсивность удаления тепла из помещения вместе с продуктами горения, кВт

q _ср- интенсивность накопления тепла газовой средой в помещении, кВт

q _к- интенсивность поглощения тепла ограждающими конструкциями, кВт

q _луч- интенсивность излучения тепла за пределы помещения через проемы, кВт

q _з.г- интенсивность накопления тепла в зоне горения, кВт

q _отв- интенсивность отвода тепла от факела пламени, кДж/с

h _о- высота плоскости равных давлений (нейтральной зоны), м

J - интенсивность подачи огнетушащего вещества, л/(с×м²)

J _о- критическая интенсивность подачи огнетушащего вещества, л/(с×м²)

J_оpt - оптимальная интенсивность подачи, л/ (с×м²)

v _уд- удельный расход огнетушащего вещества, л /м²

t - время, с

t_т- время тушения, с

Р _пн- пожарная нагрузка, кг/м²

F _п- площадь пожара, м²

F _пг- площадь поверхности горения, м²

K _п- коэффициент поверхности

v _м- массовая скорость выгорания, кг/с

v ¢_м- приведенная массовая скорость выгорания, кг/(с×м²)

v _м- удельная массовая скорость выгорания, кг/(с×м²)

Продолжение приложения 2

b- коэффициент полноты сгорания

v _л- линейная скорость распространения пламени, м/мин

- табличное значение v _л, м/мин

L _t- путь, пройденный фронтом пламени за время t, м

J _г- интенсивность газообмена, кг/(с×м²)

a_н- коэффициент избытка воздуха на нижнем концентрационном пределе

G _в- расход воздуха через проемы, кг/с

- расход воздуха, теоретически необходимый для сгорания вещества, кг/с

m- коэффициент расхода проема

В - суммарная ширина открытых проемов, м

r_в- плотность воздуха, кг/м³

r_г- плотность дымовых газов, кг/м³

- концентрация кислорода, при которой прекращается пламенное горение, об. %

- среднеобъемная концентрация кислорода в помещении, об. %

- концентрация кислорода в выходящих газах, об. %

Н - высота проема, м

h ₁- средневзвешенное расстояние от ПРД до геометрических центров приточных частей проемов, м

k₁- коэффициент излучения

k₂- коэффициент снижения температуры

Q - суммарный теплоотвод воды, кДж

Q _н.в- количество тепла, затрачиваемое на нагрев воды до температуры кипения, кДж

Q _н.п- количество тепла, затрачиваемое на нагрев пара до температуры потухания, кДж

- температура горения стехиометрической смеси, К

- температура горения смеси на НКПР, К

Т _пот- температура потухания, К

С _в- удельная теплоемкость воды, кДж/(кг×К)

С _п - средняя удельная теплоемкость пара в диапазоне от 100 до 1000 ^оС, кДж/(кг×К)

g _в- расход воды, л/с

g ^тр- требуемый расход воды, л/с

Приложение 3