Курс «БЖД: Защита в ЧС и ГО» 1 «ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОБСТАНОВКИ ПРИ АВАРИЯХ НА ПОЖАРОООПАСНЫХ ОБЪЕКТАХ» 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. 1. излучение Конвекция нагретые газы энергетические превращения искры токсичные вещества химические реакции ПОЖАР 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=QR +QA +QD , где: Q - лучистая энергия, воздействующая на тело; QR, QA, QD - отраженная, поглощенная и проходящая сквозь тело лучистая энергия. Разделив обе части этого выражения на Q получим: R+A+D=1, где: R=QR/Q, A=QA/Q, D=QD/Q - коэффициенты, характеризующие отражательную, поглощательную и пропускательную способность тела. Эти коэффициенты зависят от Факультет военного обучния Тема 5.2. “Прогнозирование обстановки при авариях на ПОО” 2 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. 2. Расчетные соотношения для оценки возможности возгорания. 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: Tи 4 Tм 4 , вт/м2 q Co пр 12 100 100 (5_2.1) где: q – плотность теплового излучения, воздействующего на элементарную площадку на поверхности облучаемого тела, расположенную перпендикулярно направлению этого излучения; Co- постоянная Стефана - Больцмана (Co = 5,67 вт/(м2 К4) ); пр- приведенная степень черноты пары источник - материал; 12- коэффициент, определяющий долю лучистой энергии от полной поверхности излучающего тела, достигающую элементарной площадки на оцениваемом материале (индекс “12” - от первого тела ко второму); Tи- температура пламени (температура источника) в градусах К; Tдоп- температура самовоспламенения облучаемого материала (температура допустимая) в градусах К. Приведенная степень черноты пары источник - материал определяется соотношением: Кафедра защиты в ЧС и гражданской обороны Курс «БЖД: Защита в ЧС и ГО» пр 1 и 1 1 м 3 1 где: и- степень черноты факела пламени; 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 Tи, Tдоп,и, 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 qкр 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: qЯВ I t (q) 111 q K (Rr ) e R2 , t (q) ( Кдж* сек / м2 =Квт /м2 ) где t(q) - время свечения светящейся области как функция тротилового эквивалента q. Учет взаимного размещения факела пламени и облучаемого тела. Взаимное размещение факела пламени и облучаемого тела учитывается с помощью коэффициента 12. 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). Факультет военного обучния Тема 5.2. “Прогнозирование обстановки при авариях на ПОО” 4 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 вер- шин прямоугольника с размерами a x b . (См. схемы на рис.5.2.). В этом случае сначала рассчитывается промежуточная величина ’12 = (a,b,r), а затем величина 12 . 12 412' 12 212' Облучаемая элементарная площадка расположена на расстоянии угольника с размерами a и b. r по нормали от одного из углов прямо- Рисунок 5.2. Расчетная схема для определения значения ‘12 . Значение 12, соответствующее каждой из схем, может быть определено по формулам: 12 412' - в случае, когда элементарная площадка расположена напротив геометрического центра излучающей поверхности, или 12 212' - в случае, когда элементарная площадка расположена на уровне нижней кромки излучающей поверхности. Значение величины ’12 рассчитывается по формулам телесного угла с использованием формул: 12' 1 a b b a arctg arctg 2 2 2 2 2 2 2 2 a r a r b r b r2 , или Кафедра защиты в ЧС и гражданской обороны Курс «БЖД: Защита в ЧС и ГО» 5 b b 1 1 1 a a 12' arctg arctg 2 2 2 2 2 2 2 r r b r b r 1 1 a a a a a a Значения ’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 ’12) в зависимости от r/a и b/a . b/a r/a 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1197 589 309 185 121 86 63 49 39 31 26 22 19 16 14 12 11 10 9 8 1500 906 536 339 229 164 123 95 76 62 51 43 37 32 28 25 22 19 18 16 1689 1098 691 456 318 233 177 138 111 91 76 64 55 47 41 37 32 29 26 24 1829 1247 810 549 391 290 223 176 143 118 98 84 72 62 55 48 43 38 34 31 1934 1375 912 626 452 340 264 210 171 142 119 102 88 76 67 59 53 47 43 39 2012 1485 1006 696 505 383 299 240 197 164 139 119 103 89 79 70 62 56 50 46 2073 1579 1093 762 555 422 331 267 220 184 156 134 116 102 90 80 71 64 58 53 2121 1661 1174 825 602 458 361 292 241 202 172 149 129 113 100 89 80 72 65 59 2160 1731 1250 886 647 493 389 315 261 219 187 162 141 124 110 98 88 79 72 65 2192 1792 1320 944 692 527 415 337 279 235 201 174 152 134 119 106 96 86 78 71 2218 1844 1384 1001 736 560 441 358 297 250 214 186 163 144 128 114 103 93 85 77 2241 1890 1444 1055 779 593 467 378 314 265 227 197 173 153 136 122 110 99 90 83 2260 1931 1498 1107 821 626 492 398 330 279 239 208 182 161 144 129 116 105 96 88 2277 1966 1548 1157 862 658 517 418 347 292 251 218 191 169 151 136 123 111 101 93 2291 1998 1595 1205 903 690 542 438 363 306 262 228 200 177 158 142 128 117 107 98 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. Факультет военного обучния Тема 5.2. “Прогнозирование обстановки при авариях на ПОО” 6 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 ‘12 или при пользовании графиками обозначаются : a - меньший из размеров, b - больший из размеров. Рекомендуемые контрольные вопросы Оценка возможности возгорания. Основные факторы, воздействующие на окружающую среду при пожаре. Расчетные соотношения для оценки возможности возгорания. 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. 1. 2. 3. 4. 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. Кафедра защиты в ЧС и гражданской обороны Курс «БЖД: Защита в ЧС и ГО» 7 ПРИЛОЖЕНИЕ. ТАБЛИЦЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ РАСЧЕТАХ. Таблица П1. Значения критической плотности теплового потока, qкр , вт/м2 Материалы qкр, при продолжительности облучения, мин 3 мин 5 мин 15 мин Древесина с шероховатой поверхностью 20600 17500 12900 Древесина, окрашенная 26700 23300 17500 Торф брикетный 31500 24500 13300 Торф кусковой 16600 14300 9800 Хлопок-волокно 11000 9700 7500 Картон серый 18000 15200 10800 Стеклопластик 19400 18600 15300 Резина 22600 19200 14800 Горючие газы и огнеопасные жидкости с температурой самовоспламенения oC ( K ) 250 (523) 7800 7290 5950 300 (573) 11200 10300 8100 350 (623) 15600 14200 11000 400 (673) 20800 19000 14800 >= 500 (>=773) 28000 Допустимая плотность облучения человека без средств спец.защиты в течение длительного времени,qдоп 1050 Кратковременно в течение 20 сек, с возможными тяжелыми последствиями 4000 Таблица П2. Температура самовоспламенения некоторых веществ и материалов (Tдоп) Материалы Температура самовосплам.,oK Ацетон 883 Бензин,керосин 523 Дизельное топливо 573 Нефть 653 Мазут 573 Этиловый спирт 738 Древесина сосновая 568 Войлок строительный 643 Торф кусковой и брикетный 498 Картон серый 700 Хлопок-волокно 478 Допустимая температура на теле человека 313 (40 ОC) Факультет военного обучния Тема 5.2. “Прогнозирование обстановки при авариях на ПОО” Таблица П3. Средние температуры поверхности пламени (Tи) Горючий материал Температура пламени, oK Торф,мазут 1273 Древесина,нефть,керосин,дизельное топливо 1373 Каменный уголь,каучук,бензин 1473 Антрацит,сера 1573 Горючие газы 1773 Таблица П4. Степень черноты факела пламени (и) Материалы Степень черноты Каменный уголь, древесина, торф 0,7 Мазут, нефть 0,85 Бензин, керосин, дизельное топливо 0,98 Таблица П5. Степень черноты различных материалов (м) Материалы Степень черноты Сталь листовая 0,6 Сталь окисленная 0,8 Медь окисленная 0,56 Резина твердая 0,95 Резина мягкая 0,86 Дерево строганое, картон, торф 0,9 Толь кровельный 0,93 Эмаль белая, приплавленная к железу 0,9 Каменный уголь 0,8 Кожа человека 0,95 Кафедра защиты в ЧС и гражданской обороны 8