прогнозирование обстановки при авариях на пожарооопасных

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 (Rr )
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  412'
12  212'
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  412'
- в случае, когда элементарная площадка расположена напротив
геометрического центра излучающей поверхности, или
12  212'
- 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