ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В УСЛОВИЯХ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПОЖАРА

Под температурным режимом при пожаре в помещениях понимают изменение температуры продуктов сгорания во времени. Практика и специально проведенные опыты показали, что температурный режим при пожаре в помещениях зависит от количества и свойств горючих материалов, размеров помещения, условий теплообмена и газообмена. Количество теплоты Q0, выделяемой при пожаре в помещении, определяют по уравнению

где г) - коэффициент неполноты сгорания; Q р- низшая теплота сгорания материалов, кДж/кг; М - массовая скорость выгорания, кг/(м2 • ч); /- площадь поверхности горения, м2.

Выделившаяся при горении теплота расходуется на нагревание газов в помещении а также ограждающих конструкций и оборудования Qw, которые нагреваются как путем лучистого Qn, так и конвективного О теплообмена

Здесь ак - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м2-°С); F - площадь поверхности теплообмена, м2; Т - температура газов в помещении, К; Tw - температура ограждающих поверхностей, К; а0 - константа излучения абсолютно черного тела, кДж/(м2-ч-К4); ?пр - приведенная степень черноты между факелом и дымовыми газами, с одной стороны, и ограждающими поверхностями - с другой.

Количество теплоты, идущий на нагревание газов, зависит от расхода горючих материалов (В = Mf); количества газов, подлежащих нагреванию (V ); объемной теплоемкости (с ); начальной TQ и конечной Т( среднеобъемных температур газов.

Общее уравнение баланса тепловыделений и теплопотерь с учетом уравнений (6.6), (6.7) и (6.8) можно записать в следующем виде:

или

Уравнение (6.9а) методом последовательных приближений может быть решено относительно искомой величины - температуры газов Tf При этом все другие величины, входящие в уравнение, должны быть независимым путем определены для любого момента времени.

Установлено, что в условиях пожара некоторые исходные величины могут быть приближенно представлены функцией температуры среды:

Объем газов Vr, нагреваемых 1 кг сгораемого материала, является функцией избытка воздуха ат. Среднеобъемную температуру газов при пожаре можно представить функцией трех величин

где ^птп - плотность теплового потока или плотность тепловыделений, Вт/м2,

ani - коэффициент избытка воздуха, показывающий отношение объема газов, подлежащих нагреванию, к объему воздуха, теоретически необходимого для сгорания 1 кг материалов.

Здесь V - суммарное количество газов, нагреваемых в единицу времени, приведенное к нормальным условиям, определяется по уравнениям газообмена; V0 - количество воздуха, необходимого для полного сгорания 1 кг топлива, м3/кг; 0 - время, ч.

В начальной стадии развития пожара, как правило, горение происходит за счет воздуха, находящегося в объеме помещения, т. е. газообменом практически можно пренебречь. В этом случае коэффициент избытка воздуха определяют по формуле

где Vn - объем помещения, м3.

При развившемся пожаре для расчета огнестойкости строительных конструкций или систем дымоудаления можно принимать аш=1. При этом допущении температура газов по расчету при пожаре будет наиболее высокой.

На рис. 6.2 зависимость (6.10) представлена в виде номограммы. На левой вертикальной оси отложена величина птп* 10~3 (Вт/м2), на средней вертикальной оси - среднеобъемная температура (°С), на горизонтальной оси - коэффициент избытка воздуха ат и время 0 (мин). На плоскости номограммы нанесены три линии. Прямые линии 1 показывают зависимость среднеобъемной температуры от плотности теплового потока при otm=l. Величину tf=f(qnTn) определяют следующим образом: по уравнению (6.11) вычисляют qnTn. На левой вертикальной оси номограммы находят точку, соответствующую вычисленному значению qnTn.

Эту точку по линиям 1 или параллельно им переносят на ось температур и читают ответ.

При малых значениях qnrn пользоваться номограммой затруднительно. В этом случае среднеобъемную температуру при ат = 1 приближенно определяют по формуле

Кривые 2 показывают понижение температуры с увеличением коэффициента избытка воздуха. Определяют величину t=f(am) и

Номограмма для определения среднеобъемной температуры среды при пожаре в помещениях

Рис. 6.2. Номограмма для определения среднеобъемной температуры среды при пожаре в помещениях:

по ней вычисляют коэффициент избытка воздуха ат. Из точки, соответствующей температуре tf=f(qnTI) при am= 1, по линиям 2 кривые опускаются до пересечения с перпендикуляром, восставленным к оси абсцисс в точке, соответствующей найденному значению ат. Полученную точку пересечения проектируют на ось температур и получают ответ.

Пример 6.1.

Если при ат = 1 tf= 1000 °С, то при ат = 2 tf= 700 °С, при ат =4 tf= 450 °С, при аш = 10 tf= 200 °С и т.д.

По кривым 1 и 2 можно определить температуру при горении любых материалов и в любой момент времени, для которого известны q и а .

in.T.n т

Кривая 3 показывает изменение температуры во времени при горении жидкостей. В этом случае величину tf, найденную по кривым ] и 2, переносят (проектируют) на перпендикуляр, восставленный к оси времени в точке, равной 30 мин. Далее по кривым 3 опускаются вниз (если определяют температуру в момент времени менее 30 мин) или поднимаются вверх (если определяют температуру в момент времени более 30 мин) до пересечения с перпендикуляром к оси времени в точке, соответствующей заданному времени. Полученную точку проектируют на ось температур, где и находят среднеобъемную температуру газа при пожаре.

Так при qnjn = 20 000 Вт/м2, ат = 3 и 0 = 5 мин она будет равняться t{« 270 °С.

Излом кривой 3 при 0 = 2; 5; 15 и 90 мин объясняется изменением масштаба времени.

При горении твердых материалов площадь пожара изменяется во времени.

В качестве наиболее характерной модели пожара можно принять круговую форму его развития. Площадь пожара рассчитывают по формуле

где Уд - линейная скорость распространения пламени, м/мин; 0 - время развития пожара, мин.

Определим площадь пожара в соответствии с плотностью теплового потока qnTny коэффициента избытка воздуха ати времени 0. По номограмме (см. рис. 6.2) находим среднеобъемную температуру.

Максимальное время развития пожара 0 зависит от площади пола помещения/п и линейной скорости распространения пламени У (см. 6.15),

После охвата горением всей возможной площади пожар продолжается в течение времени 0т, которое приближенно можно определить по линиям 3 номограммы (см. рис. 6.2).

Коэффициент неполноты сгорания ц при пожарах в помещениях можно приближенно принимать 0,95. Площадь поверхности теплообмена F представляет собой суммарную площадь пола, потолка и стен помещения.

Массовая скорость выгорания М, низшая теплота сгорания QP и объем воздуха, необходимый для полного сгорания 1 кг топлива V , приведены в табл. 6.5.

Таблица 6.5. Технические характеристики пожароопасных материалов

Материал

Массовая

скорость

выгорания

М, кг/(м2-ч)

Низшая теплота сгорания материала Qp, кДж/кг

Количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива Vn, м3/кг

Ацетон

156

28 800

7,26

Бензин

160-200

41 870

11,6

Керосин

160

41 870

11,36

Текстолит

24

20 900

5,5

Хлопок разрыхленный

15

15 700

3,75

Штапельное волокно разрыхленное

14

13 800

4,2

Швейные изделия

465

27 470

4,0

Древесина

14

13 800

Полипропилен

170-180

45 670

13,2

Пластмасса

120

41 870

11,4

Полиэтилен

150

47 140

14,1

Экспериментально установлено, что температура при пожаре в помещении существенно изменяется по координатам: повышается по высоте помещения и уменьшается при удалении от очага горения.

На основании обработки экспериментальных данных температура газов при пожаре в точке помещения с координатами хи у приближенно может быть определена по уравнению

где Г 0 д - температура газов в момент времени 0 в точке с координатами х, у, К; Tj 0 - среднеобъемная температура газов в момент времени 0, К; Tf 0 х у и Tf0- (tf + 273), ^.определяется по монограмме (см. рис. 6.2); у - произвольное расстояние по высоте помещения от пола, м; х - произвольное расстояние в горизонтальном направлении от очага горения, м;у0 - половина высоты помещения, м; х0 - половина расстояния от очага горения до места возможного выхода из помещения продуктов сгорания, м.

Пример 6.2.

Определим степень увеличения или уменьшения температуры газов при пожаре в точке помещения с координатами х и у по сравнению со среднеобъемной температурой газа. Под перекрытием над очагом горения в точке с координатами у = 2у и х = 0 определим температуру газа по уравнению (6.17). Получили Т(1в =1,6 Гло °С, следовательно, в этой точке температура газа в 1,6 раза выше среднеобъемной температуры газа при пожаре в помещении.

Определим температуру газов при удалении от очага горения в точке с координатами у = 0 и х = 2х0 на полу помещения. По уравнению (6.17) находим Т(1в = 0,744 Г/1о °С, следовательно, в этой точке температура газа в 0,744 раза ниже среднеобъемной при пожаре в помещении.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >