Определение безопасных расстояний от очага пожара для персонала элементов объекта

Тепло от пожара для открытых пожаров, т.е. не в помещениях, является определяющим фактором поражения. Оно передается в окружающую среду за счет теплопроводности, конвекции, излуче­ния. При этом в распространении пожара ос­новную роль играет тепловая радиация пламени.

Оценить воздействие тепловой радиации (теплового или лучистого потока) от пожара на окружающие элементы объекта представляется возможным на основании фундаментальных законов излучения нагретых тел. Эти законы были открыты в конце 19-го столетия:

закон излучения абсолютного черного тела – закон Стефана-Больцмана,

закон излучения и поглощательной тела – Кирхгофа,

закон распределения энергии излучения по направлениям устанавливает – закон Ламберта.

Основными параметрами, характеризующими тепловое воздействие пожара, являются: теплота пожара Q_П (Дж/с) и удельная теплота пожара q_П (Дж/м²·с); плотность теплового потока на заданном расстоянии R q_R (Вт/м²).

Под теплотой пожара понимается количество тепловой энергии, выделяющейся за одну секунду в условиях установившегося горения. Она определяется отношением:

, (2.64)

где F_п – площадь поверхности горючего, равная при горении в резервуаре площади поперечного сечения резервуара, а при горении в разлитии - площади разлития, м²;

– низшая удельная теплота сгорания нефтепродукта, Дж/кг;

– массовая скорость выгорания продукта, кг/м²·с.

Под удельной теплотой пожара или под интенсивностью теплоизлучения пожара понимается количество теплоты, излучаемой в пространство с одного квадратного метра факела пожара в одну секунду:

, (2.65)

где – теплота пожара Дж/с;

– площадь излучаемой поверхности факела пожара, м².

Есть предположение, что за удельную теплоту пожара следует принимать количество теплоты, изучаемой в пространство с одного квадратного метра площади пожара в одну секунду. В этом случае:

. (2.66)

Использование этого показателя пожара целесообразно при пожаре в помещении (внутреннем пожаре), когда на его оценку существенно влияет передача тепла конвекцией и теплопроводностью. Именно эти составляющие распределения тепла действуют в ближней зоне пожара.

Тепловой баланс внутреннего пожара на любой стадии развития может быть приведен к единице поверхности пожара:

кДж/м²·с, (2.67)

где – нижняя удельная теплота сгорания, кДж/кг;

– теплота (энтальпия) горючих веществ и воздуха, поступающих на горение в единицу времени на 1 м² горящей поверхности, кг/м²·с;

– энтальпия продуктов сгорания, уходящих из зоны горения с единицы площади в единицу времени, кДж/м²·с;

– массовая скорость продуктов сгорания, уходящих из зоны горения с единицы площади в единицу времени, кДж/м²·с;

– энтальпия избытка воздуха, поступающего на горение, кДж/м²·с;

– количество теплоты, излучаемой пламенем, кДж/м²·с;

– количество теплоты, затрачиваемое на нагрев реагирующих веществ, кДж/м²·с;

– количество теплоты, затрачиваемое на нагрев строительных конструкций, кДж/м²·с;

– потери теплоты вследствие неполноты химического сгорания, кДж/м²·с.

Тепловой баланс открытого пожара отличается от внутреннего отсутствием величины . На открытых пожарах наибольшее значение имеет теплота, уносимая продуктами сгорания – и излучаемая зоной горения – .

Оценка последней необходима для выбора мероприятия по повышению устойчивости объекта и защиты персонала при пожарах, т. к. она распространяется на значительные расстояния от зоны горения, воздействует на элементы объекта, способствует распространению пожара и затрудняет проведение аварийно-спасательных работ.

Количество теплоты, излучаемое абсолютно черным теплом, прямо пропорциональна температуре в четвертой степени, и ее зависимость определяется законом (Стефана-Больцмана) для излучения пламенем факела в единицу времени с единицы поверхности и может быть определена:

(2.68)

где – степень черноты пламени (учитывает насколько тело серое);

– постоянная Стефана-Больцмана, кВт/м²·с;

Т_пл – температура пламени, К.

При лучистом теплообмене между телами, произвольно ориентированными в пространстве, интенсивность теплового потока от факела пожара распространяется в соответствии с законом Ламберта, общий вид которого представлен формулой:

, (2.69)

где q – плотность теплового потока, от факела пожара, вТ/м²;

и – углы между центрами элементарных площадок излучаемого и поглощаемого тел;

– расстояние между центрами элементарных площадок;

подинтегральное выражение называется коэффициентом взаимоизлучения;

F₁ и F₂ – площади излучаемой и поглощаемой поверхностей, dF₁ и dF₂ – cоответственно площади элементарных площадок.

– среднеповерхностная плотность излучения факела, которая учитывает его нагретость – Т, К;

– степень черноты;

, – степень черноты поверхности материала тела, поглощающего тепловой поток (определяется экспериментально и для некоторых материалов приведена в табл. 2.12.):

, Вт/м². (2.70)

Таблица 2.12

Значения коэффициента

Материал облучаемой поверхности	Сталь	Медь окисленная	Резина твердая, толь кровельный	Резина мягкая	Дерево струганное, картон	Каменный уголь	Штукатурка
	0,6 – 0,8	0,56	0,95	0,86	0,9	0,8	0,91

Для пожаров нефтепродуктов данная зависимость (2.70) подтверждена экспериментальными данными и опытом ликвидации аварий. Значения среднеповерхностной плотности факела пламени и ее температуры представлены в табл. 2.13

Таблица 2.13

Термические характеристики пламени

Параметры	Нефтепродукты
Бензин	Дизельное топливо	Нефть
Среднеповерхностная температура факела пламени (Тф), К
Среднеповерхностная плотность излучения факела пламени Еф, кВт/м^2

 

 

Рис. 2.7 Схема взаимодействия между элементарными поверхностями излучателя (объект О1) и объекта О2, принимающего излучение от объекта О2: dF1 и dF2 – элементарные площадки, м^2; Т1 и Т2 – температуры тел, К; r –расстояние между телами, м; и – углы между нормалями к поверхности тел и радиусом r, радиан; - пространственный угол, под которым из точки О1 видна площадка dF2, стерадиан; q1 – интенсивность излучения, Вт/м^2

 

Проблема достоверной оценки теплового потока от реальных пожаров зависит от учета трех факторов:

факторов, влияющих на пропускание тепловых потоков через окружающую воздушную среду;

особенностей излучающей и поглощательной способности реальных факторов пламени и материалов тел;

особенностей форм излучающего тела (факела пламени), определение площади излучения и коэффициента излучения.

Учет особенностей пропускания тепловых поток через окружающую воздушную среду осуществляется использованием коэффициента пропускания атмосферы – К_а, который экспериментально определен экспоненциальной зависимостью:

, (2.71)

где R – расстояние между центрами элементарных площадок.

Отличие реальных тел от абсолютно черного учтено с помощью коэффициентов степени черноты факела пламени – и степени поглощения тепловой энергии телом – , которая определяется экспериментально (см. табл. 2.12)

Учет третьей особенности распространения тепловых потоков от пламени пожара для конкретных случаев достаточно сложен. Это связано с постоянно изменяющейся пульсирующей формой факела пламени. Поэтому в описании геометрии формы пламени нет единого мнения. Пламя, как правило, аппроксимируется различными видами поверхностей. Наиболее близкой к реальным физико-химическим процессам, происходящим в пламени (см. п.1.4), является форма конуса, отражающая высокотемпературную поверхность зоны горения, которая при пожарах скрыта продуктами сгорания (сажей, дымом), из которых вырываются языки турбулентного пламени. В тех случаях, когда площадь поверхности облучаемого тела сравнительно мала по сравнению с площадью поверхности излучаемого тела, значение интеграла от - поглощающей поверхности тела может приниматься в виде точки. Тогда формула (2.69) примет вид:

, (2.72)

Исходя из логики рассуждений задача по определению теплового потока заключается в нахождении следующих значений:

– среднеповерхностной плотности теплового излучения пламени, кВт/м², определяемой зависимостью (2.69);

– углового коэффициента излучения, определяемого интегральной зависимостью в формуле (2.72);

– коэффициента пропускания атмосферы, определяемого зависимостью в формуле (2.71).

Тогда интенсивность теплового излучения – q_R (кВт/м²) на определенном удалении от зоны горения – R в соответствии с логикой рассуждения и зависимостью (2.72) определяется произведением:

. (2.73)

При практическом решении задач по определению интенсивности теплового потока – q_R, в соответствии с формулой (2.73), оценка угла между направлением нормали к элементарной площади на поверхности факела пламени, аппроксимированного какой-то криволинейной поверхностью, например в форме конуса, и направлением на объект излучения также представляет значительную техническую проблему, и поэтому не может быть учтена в оперативных методиках строгой математической зависимостью, а с введением коэффициентов придет к огрублению расчетов и применимости использования формул (моделей) только к узких границах:

, (2.74)

где dF₁=f₁ – принятый размер элементарной площади.

Тогда интенсивность теплового потока от каждой элементарной площади q_i на интересуемый объект, находящийся от нее на расстоянии R, м, будет определяться:

, (2.75)

где – интенсивность теплового потока от i-й элементарной площадки;

– угол между нормалью к i-й элементарной площадке и направленной на объект;

– расстояние между центром элементарной площадки до объекта, представленного в виде точки, м;

– коэффициент пропускания лучистого потока от элементарной площадки, находящейся от тела на расстоянии R_i.

Точность определения теплового потока от обращенной поверхности факела пламени к телу будет зависеть от выбора формы его поверхности, размеров и формы элементарных площадок. При этом методами численного интегрирования при решаемых математических моделях на ЭВМ можно добиться высокой сходимости результатов с опытными значениями тепловых потоков от реальных пожаров, путем суммирования интенсивности теплового потока от каждой элементарной площадки:

. (2.76)

Для оперативной оценки тепловых потоков можно огрублять расчетные модели, т.е.:

- принимать за форму факела ровные поверхности;

уменьшать количество элементарных площадок вплоть до принятия обращенной поверхности факела за единую расчетную площадь, от центра которой рассчитывают коэффициент излучения между нормалью и направлением на объект;

принимать коэффициенты, учитывающие особенности моделей, с приближением значений тепловых потоков к экспериментальным.

Из формулы (2.75) можно выразить R_i – расстояние от элементарной площадки на факеле до объекта, представленного в виде точки:

, м, (2.77)

Тогда с учетом допущений при определении интенсивности теплового потока оперативными подходами от обращенной поверхности факела пламени можно записать формулу для определения расстояний, на которых интенсивность теплового потока примет интересуемые значения. Следовательно, если задаться критерием безопасности интенсивности теплового потока для интересуемого элемента объекта или персонала, то можно оценить безопасные расстояния от пожара. Тогда формула (2.77) для всей площади факела пожара, принятая за единую элементарную площадку, примет вид:

. (2.78)

Решая прямую задачу по определению значения теплового потока на заданном расстоянии, перепишем формулу (2.78) относительно q_доп:

. (2.79)

Зная характеристики пожара и устойчивость элемента объекта к тепловому потоку, можно определить необходимое его удаление от пожара, при котором сохранность элемента объекта будет обеспечена, как бы долго объект не находился в этой зоне.

Однако человек, попав в зону воздействия теплового излучения, будет стремиться выйти из нее либо укрыться за экранирующими предметами. Поэтому для оценки вероятности поражения в зонах теплового воздействия это необходимо учитывать. Вероятность поражения персонала объекта можно определить с помощью функции «пробит», которая зависит от интенсивности теплового потока и времени его действия P_R=f(t;q_R):

. (2.80)

Для этого необходимо в формулу (2.80) подставить значение интенсивности теплового потока на расстоянии нахождения человека от пожара на момент его возникновения и рассчитать время выхода из опасной зоны, в которой значение интенсивности теплового потока не будет менее 4 кВт/м². Время выхода t (с) является эффективным временем экспозиции, которое определяется из выражения:

, (2.81)

где – характерное время обнаружения пожара, сек. (допускается принимать равным 5 сек.);

x – расстояние от места расположения человека до зоны, где интенсивность теплового излучения не превышает 4 кВт/м²;

u – скорость движения человека, м/сек. (допускается принимать равной 5 м/сек).

Используя полученные значения функции «пробит», можно оценить параметры опасных и безопасных зон, критерий оценки которых представлен в таблице (2.14).

Таблица 2.14

Критерий оценки параметров опасных и безопасных зон для персонала объекта от пожаров

Значение функции «пробит»	Вероятность опасного воздействия - P	Название зоны	Характеристика поражающего воздействия
Менее 2,67	Менее 0,01	Зона безопасности	Отсутствие чувствительности к тепловому воздействию продолжительное время
Более 2,67, но менее 5,0	От 0,01 до 0,5	Зона допустимого воздействия	Появляется чувствительность к тепловому потоку, может появиться покраснение кожи
Более 50, но менее 7,33	От 0,5 до 0,99	Опасная зона	Появление нетерпимости к тепловому потоку, при непродолжительном воздействии появляются ожоги
Более 7,33	Более 0,99	Чрезвычайно опасная зона	Кратковременное воздействие вызывает нетерпимую боль, тяжелые ожоги