ТЕПЛОВИЙ БАЛАНС ПРИ ПОЖЕЖІ В ПРИМІЩЕННІ. ГАЗООБМІН ПРИ ПОЖЕЖІ В ПРИМІЩЕННІ.

Тепло, що виділяється при пожежі, є основною причиною розвитку пожежі і виникнення багатьох явищ, що її супроводжують. Це тепло викликає нагрівання оточуючих зону горіння горючих і негорючих матеріалів. При цьому горючі матеріали нагріваються до горіння і потім загоряються, а негорючі розкладаються, плавляться, будівельні конструкції деформуються і втрачають міцність. Виділення тепла на пожежі супроводжується рухом газових потоків і задимленням визначеного об’єму простору біля зони горіння.

Поява і швидкість протікання теплових процесів залежить від інтенсивності виділення теплоти в зоні горіння, тобто від теплоти пожежі. Кількісною характеристикою зміни тепловиділення на пожежі в залежності від різних умов горіння слугує температурний режим. Під температурним режимом при пожежі в приміщеннях розуміють зміну температури продуктів згорання і по координатам. Практика і спеціально проведені досліди показали, що температурний режим при пожежі в приміщеннях залежить вік кількості і властивостей горючих матеріалів, розмірів приміщення, умов теплообміну і газообміну. Всю тривалість пожежі можна розділити на три характерних періоди зміни температури. Початковий період, що відповідає періоду росту пожежі, характеризується порівняно невисокою температурою.

Основний період, протягом якого згорає 70-80% загального навантаження горючих матеріалів. Закінчення основного періоду відповідає моменту, коли температура досягає найбільшого значення або зменшується не більше, ніж до 80% від максимального значення. Заключний період характеризується зменшенням температури внаслідок вигорання пожежного навантаження.

Кількість теплоти , яка виділяється при пожежі в приміщенні, визначають за рівнянням

= , де

- коефіцієнт неповноти згорання,

- найнижча теплота згорання матеріалів, ;

М - масова швидкість вигорання, ;

f- площа поверхні горіння, .

Теплота, що виділилась під час горіння витрачається на нагрівання газів в приміщенні , а також огороджуючи конструкцій й обладнання , які нагріваються як шляхом променевого , так і конвективного теплообміну:

= + = ,де

- коефіцієнт тепловіддачі конвекції, ;

F- площа поверхні теплообміну, ;

- температура газів в приміщенні, К;

- температура огороджуючи поверхонь, К;

- константа випромінювання абсолютно чорного тіла, кДж/( год. );

- приведена ступінь чорноти між факелом і димовими газами, з однієї сторони, і огороджуючи ми поверхнями – з іншої.

Кількість тепла, що витрачається на нагрівання газів, залежить: від витрат горючих матеріалів (B=Mf), кількості газів, що нагріваються ( ), об’ємної теплоємності ( ), початкової температури і кінцевої температури газів:

= ( - ) (18)

З використанням рівняння (16) та (18) рівняння балансу виділення та втрати тепла можна записати в такому вигляді:

= + + (19)

або = ( - )+ (19а)

Рівняння (19а) методом послідовних наближень може бути розв’язане відносно шуканої величини – температури . При цьому всі інші величини, що входять до рівняння, повинні бути незалежним шляхом визначені для будь-якого моменту часу.

Встановлено, що в умовах пожежі деякі вихідні величини можуть бути наближено представлені функцією температури середовища:

=f( ); =f( );

=f( ); =f( ).

1. ГАЗООБМІН ПРИ ПОЖЕЖІ В ПРИМІЩЕННІ

Газообмін - це рух конвективних газових потоків, що виникають за рахунок:

- наявності самої пожежі;

- різниці температур нагрітих продуктів згоряння і холодного повітря;

- вітрових навантажень;

- примусової вентиляції в приміщенні.

Рух холодного повітря, що надходить у приміщення, і диму, що виходить із приміщення, підкоряються законам гідродинаміки.

Найбільш істотним фактором руху газів є протікання реакції горіння. Пожежа в приміщенні приводить до значного підвищення температури повітря, що збільшує інтенсивність газообміну.

На початковій стадії пожежі горіння протікає за рахунок повітря, що знаходиться в приміщенні, і газообмін з навколишнім середовищем відсутній. При цьому якийсь час пожежа не обмежується ні пожежним навантаженням, ні повітрообміном. З часом горіння інтенсифікується, а енергія, що виділяється, йде на нагрівання повітря, конструкцій і горючого матеріалу.

Характерна залежність температури пожежі Тпож і коефіцієнта надлишку повітря a від часу представлена на графіку. Видно, що при стабілізації коефіцієнта надлишку повітря пожежа переходить у фазу (II) розвитої пожежі. При цьому горіння стабілізується, температура практично не змінюється, підтримуючись на рівні приблизно 600°С.

При вигорянні пожежного навантаження кількість повітря, що надходить у зону горіння, залишається незмінним, а площа горіння знижується. Це приводить до збільшення коефіцієнта надлишку повітря. Температура в приміщенні знижується.

Перепад тиску, що виникає при пожежі в приміщенні, може підсилити надходження диму в інші частини будівлі.

При виникненні горіння в замкнутому об'ємі приміщення над осередком горіння виникають конвективні потоки продуктів горіння і нагрітого повітря. Холодне повітря підсмоктується димогазовим струменем у нижній частині конвективного стовпчика. На початковій стадії, якщо у осередка горіння маленькі розміри, газовий потік не досягає перекриття, тому що охолоджується за рахунок теплообміну і змішування з холодним повітрям.

При збільшенні площі горіння потужність теплового потоку збільшується, газове середовище над осередком горіння нагрівається сильніше, утворяться могутні конвективні потоки, що приводять до циркуляції всієї маси газів у приміщенні. У нижній частині стовпчика відбувається підсмоктування повітря, частина якого взаємодіє з горючою речовиною. Надлишок цього повітря змішується з продуктами горіння. При маленькій висоті приміщення гарячі потоки можуть досягати перекриття і обігрівати його. Продукти горіння, що остигають за рахунок теплопередачі в стелі і стіни приміщення, опускаються вниз. Безперервна циркуляція газових потоків супроводжується підвищенням середньооб'ємної температури в приміщенні.

Характер руху повітряних мас залежить від конфігурації приміщення, наявності отворів і їх взаємного розташування.

Якщо газообмін здійснюється через отвори, розташовані на різному рівні, їх можна умовно розділити на приточні (з яких надходить свіже повітря в приміщення) і витяжні (з яких гарячі продукти згоряння виходять в атмосферу).

Характер руху газових потоків при цьому може мати вигляд:

При газообміні через один отвір, наприклад відкриті двері, вікно або кілька отворів, що знаходяться на одному рівні, процес притоку повітря і виходу продуктів горіння здійснюється через один отвір. На приток працює тільки нижня, приблизно третя частина отвору.

При цьому спостерігається інший характер проходження газових потоків, що зображений нижче.

Для виявлення загальних закономірностей газообміну приймають деякі допущення:

1. Температура продуктів горіння в приміщенні вище, ніж температура навколишнього повітря, і з часом температура продуктів горіння не змінюється.

2. Впливом вітру на газообмін зневажають.

3. Площа і розташування приточного і витяжного отвору не змінюється.

4. При газообміні маса вхідного повітря дорівнює масі вихідних продуктів горіння.

Насправді, процес пожежі практично не можна вважати стаціонарним, тому мова йде про період розвитої пожежі, коли його характеристики змінюються мало.

Щільність продуктів горіння в нижній і верхній частині приміщення відрізняється від щільності навколишнього повітря. Але на деякій висоті від рівня підлоги приміщення тиск газового середовища буде таким же, як і тиск повітря поза приміщенням. Цю площину прийнято назвати нейтральною зоною.

Висоту нейтральної зони, з урахуванням висоти приточного отвору, можна визначити зі співвідношення:

де Sприт - площа приточного отвору, м2; Sвих - площа витяжного отвору, м2; r пг - щільність продуктів горіння, кг/м3; r у - щільність повітря, кг/м3;hприт - висота приточного отвору, м; Н - відстань (у вертикальному напрямку) між центрами приточного і витяжного отвору.

У більшості випадків при горінні в огородженні тиск змінюється незначно, тому можна вважати, що щільність газу назад пропорційна його температурі, і тоді останнє співвідношення можна записати у виді:

де Тв; Тпг - абсолютна температура повітря, що надходить у приміщення, і продуктів горіння, відповідно, К.

Якщо повітрообмін здійснюється через отвори, розташовані на одному рівні, нейтральна зона розташовується безпосередньо в площині отворів, через які відбувається газообмін. При цьому вище нейтральної зони продукти горіння виходять назовні, а в нижній частині отвору відбувається підсмоктування повітря усередину приміщення. У цьому випадку положення нейтральної зони визначають зі співвідношення:

де h - повна висота прорізу, через який здійснюється повітрообмін, м.

Вітрові навантаження можуть викликати зміну поля тиску навколо будівлі в цілому. При цьому може змінитися характер розподілу тиску з навітряної і підвітряної сторони будівлі. Характер проходження повітряних потоків має вигляд:

З навітряної сторони будинку утвориться надлишковий тиск, а з підвітряної сторони тиск зменшується.

Сучасні виробничі і адміністративні будівлі обладнані системами примусової приточно-витяжної вентиляції. При роботі таких систем створюються повітряні потоки, що можуть як сприяти, так і перешкоджати поширенню пожежі. Для видалення продуктів згоряння проектуються системи видалення диму.

МЕТОДИ РЕГУЛЮВАННЯ ГАЗООБМІНУ НА ПОЖЕЖІ

При організації гасіння пожежі, а також для успішної евакуації людей із зони задимлення необхідно проводити заходи щодо регулювання положення нейтральної зони в приміщенні.

Аналіз отриманих залежностей положення нейтральної зони показує, що положення нейтральної зони буде тим вище, чим менший тиск продуктів горіння і більший тиск свіжого повітря, що надходить у приміщення. Таким чином, основними напрямками регулювання газообміну при пожежі в огородженні можуть бути:

1. Зниження тиску у верхній частині палаючого приміщення, шляхом відкачування нагрітих продуктів згоряння пересувними димососами і використання систем примусового видалення диму і вентиляції приміщень.

2. Підвищення ефективності процесу вентиляції приміщення за рахунок розкриття витяжних отворів у зоні, де створюється максимальна температура і тиск продуктів горіння. Для цього звичайно розкриваються димові люки і ліхтарі у верхній частині приміщення.

У деяких випадках для випуску диму і зниження температури проводять розбирання перекриттів.

3. Зниження температури і осадження продуктів згоряння розсіювачими водними струменями.

4. Регулювання співвідношення площ приточных і витяжних отворів. Нейтральна зона завжди розташовується ближче до тих отворів, площа яких більше. По цьому, при додатковому розкритті отворів у нижній частині приміщення, що працюють на притоку, і значному перевищенні їх над площею витяжних отворів нейтральна зона може опускатися.

5. Підвищення тиску повітря в нижній частині приміщення шляхом нагнітання повітря в нижню частину приміщення димососами.

6. Зміна напрямку проходження конвективних потоків шляхом пристрою перемичок, перешкод для поширення диму за допомогою повітряно - механічної піни, пристрою протипожежних завіс і інших перешкод.

2. ПОЖЕЖНЕ НАВАНТАЖЕННЯ ПРИМІЩЕННЯ. МЕТОДИКА РОЗРАХУНКУ.

Пожежа являє собою складний фізико-хімічний процес, що включає в себе масо - і теплообмін, розвиваючись в часі і просторі. До основних факторів, що характеризують можливість розвитку процесу горіння при пожежі відносять:

1. Пожежне навантаження;

2. Масова швидкість вигорання;

3. Лінійна швидкість поширення полум’я по поверхні;

4. Площа пожежі;

5. Площа поверхні горючих матеріалів;

6. Інтенсивність виділення тепла;

7. Температура полум’я.

Під пожежним навантаженням розуміють кількість теплоти віднесеної до одиниці поверхні підлоги, яка може виділитися в приміщенні або будівлі при пожежі.

Пожежне навантаження Р[МДж/м²] визначають, як суму постійного та тимчасового навантаження.

До постійного навантаження входять речовини та матеріали будівельних конструкцій, що можуть горіти.

До тимчасового навантаження входять речовини та матеріали, що обертаються у виробництві.

Методика розрахунку.

Тимчасове та постійне навантаження розраховують за формулами:

;

М_і - маса і-ї речовини або матеріалу в кг

Q_і – кількість теплоти, що виділяє 1кг і-ї речовини при згоранні МДж/кг.

S - площа будівлі, споруди або її частин в м²

j - число видів речовин або матеріалів тимчасового пожежного навантаження

k - число видів речовин або матеріалів постійного пожежного навантаження.

Розрахункове пожежне навантаження Р для будівель і споруд або їх частин обраховують за формулою

де р – пожежне навантаження, МДж/м²

а - коефіцієнт швидкості згорання речовин і матеріалів в залежності від їхньої густини і густини їх укладки

b – коефіцієнт швидкості згорання, що залежить від параметрів будівлі або їх частин

с – коефіцієнт, що відображає наявність протипожежної техніки

р_n – тимчасове пожежне навантаження

р_s – постійне пожежне навантаження

Іноді пожежне навантаження визначають в кг/м².

Розрахункове пожежне навантаження характеризує тривалість пожежі ( чим більше р_υ, тим довго триваліша пожежа)

Визначення коефіцієнтів а,b,с:

Коефіцієнт а розраховують по формулі:

Коефіцієнт - для тимчасового пожежного навантаження і коефіцієнт - для постійного розраховують по формулам:

;

а _mі- коефіцієнт для і-ї речовини або матеріалу.

Значення коефіцієнта для окремих видів горючих матеріалів наведені в додатку.

Величину коефіцієнта а_s – допускають приймати рівною 0,9.

Коефіцієнт b визначають в залежності від площі підлоги приміщення, висоти приміщення, площі і висоти світлових і аераційних пройомів

Визначення коефіцієнта b

, де

S - загальна площа плану приміщення, м²;

S₀ - загальна площа пройомів в зовнішніх стінах і покритті приміщення, м²;

H₀^0.5 - висота пройомів в зовнішніх стінах і покритті приміщення, м;

k - коефіцієнт, що встановлюється по таблиці або по формулам

k=2,31F₀0,84, для F<0,03

або k=(0,3F₀^0,8-0,002F₀^-1+logF₀+2,25)1/5,5 для F>0,03

F_o- параметр вентиляції.

де - площа огороджуючи конструкцій приміщення.

Якщо користуються таблицею, то визначають допоміжний коефіцієнт n

H_s - висота приміщення.

При наявності люків димовидалення і приточновитяжної вентиляції значення n = 0,005.

Приклад.

Визначити розрахункове пожежне навантаження кімнати панельного залізобетонного будинку розміром 3 на 5 м, висотою 3 м з вікнами 1,5 на 1,5 м, в якій знаходяться дерев’яні меблі загальною масою 500 кг і книги масою 70 кг, якщо Q_д=13,8 МДж/кг, Q_кн= 13,4 МДж/кг.

Розв’язання:

1.

2. Визначить ( тимчасове )

3.Визначаємо

с=1; ;

3. СТАНДАРТНИЙ ТЕМПЕРАТУРНИЙ РЕЖИМ ПОЖЕЖІ. ТЕМПЕРАТУРНІ РЕЖИМИ ПОЖЕЖ В ПРИМІЩЕННЯХ БУДІВЕЛЬ ТА СПОРУД РІЗНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ.

У більшості випадків при визначенні вогнестійкості будівельних конструкцій в усьому світі перевага надається стандартному температурному режиму (див. рис. 4.1, крива 1). „Стандартний” температурний режим пожежі представляється у вигляді наступної залежності температури середовища від часу:

де: t – час стандартного вогневого випробування, хв.; Т₀ – початкова температура середовища, ⁰С; Т₀ 20⁰С; - температура у вогневій камері установки для визначення меж вогнестійкості конструкцій в залежності від часу τ стандартного випробування.

Рис. 4.1. Температурні режими пожеж в приміщеннях будівель та споруд різного призначення. 1 – режим „стандартної” пожежі; 2 – режим пожежі в тунелях; 3 – режим пожежі, характерний для будівель та споруд нафтопереробної та нафтохімічної промисловості; 4 – режим пожежі в підвальних приміщеннях; 5 – режим пожежі в дослідному приміщенні (типу жилого) з зрізною площею отворів F_п (5а - F_п=2м²; 5б – 1,5м²; 5в – 1,0м²) при пожежному навантаженні(деревина) q=58кг/м².

Крива „стандартної” пожежі є деякою умовною, усередкованою залежністю, між реальними температурними режимами пожеж в різних приміщеннях різних будівель.

Відмінність між реальним та стандартним режимом може бути оцінена коефіцієнтом, що визначається за формулою [12, 15-19]:

,

де T_p - температура реальної пожежі, °С; Tc - температура стандартної пожежі, °С.

Тоді температурний режим реальної пожежі на стадії розвитку виражається наступною формулою:

Розділяють пожежу на три стадії:

загоряння,

розвиненого горіння

й загасання,

Для більш точного моделювання пожежі можливе застосування і більш складних фізичних моделей, що реалізуються в складних комп’ютерних програмах. В алгоритми цих програм закладені сучасні чисельні методи.

Розроблено два методи переходу від реальних режимів пожежі до єдиного «стандартного» режиму пожежі. Одним з методів переходу від реальних пожеж до стандартного є метод рівності площ під кривими «температура-час». Іншим метод приведення реальних пожеж до стандартної проводиться за методом досягнення в якій-небудь конструкції критичних температур, що визначають її вогнестійкість.

При пожежах в житлових будинках, та будівлях загального користування у горінні беруть участь схожі матеріали, кількість яких на одиницю площі приблизно однакова. Схожі також умови теплогазообміну, так як такі будинки мають типове планування. Температурні режими для таких об’єктів будуть схожими, для однакового сценарію розвитку. Наближено-усереднений температурний режим для таких об’єктів будемо називати стандартним температурним режимом зміна температури при якому затверджена державним стандартом і відповідає рівнянню:

Стандартний температурний режим використовують для визначення вогнестійкості будівельних конструкцій або їх елементів у випробувальних печах.

Час через який конструкція або її елемент нагріваючись за стандартним температурним режимом втрачає свої функційні властивості (несучу, теплоізолюючу, огороджуючу) називають вогнестійкістю.

Такий режим використовують для розрахунку часу спрацювання пожежних сповіщувачів, автоматичних систем пожежогасіння, прибуття пожежних підрозділів, необхідного часу для евакуації людей.

Висновок: на даному занятті курсантів та студентів було ознайомлено з теплопередачею при пожежі в приміщенні.

Завдання на самопідготовку:

1. Башкирцев М.П. Основи пожарной теплофизики М.Стройиздат, с. 156-170.

2. Рябова І.Б., Сайчук І.В.,Шаршанов А.Я., термодинаміка і теплопередача в пожежній справі, Харків-2010, с. 114-121.

3. Конспект.