3.3. Теплоперенос излучением от пламени

Очагу пожара и особенно пламени характерны высокие температуры. В этом случае большое значение приобретает теплообмен излучением. Уже при температурах выше 800ºС теплообмен между телами происходит практически лишь за счет излучения, т.к. доля конвективного тепла при этом резко снижается.

Излучение тепла нагретыми поверхностями различных установок и оборудования, а также пламенем и продуктами сгорания в условиях пожара может вызвать воспламенение рядом находящихся горючих веществ и материалов. Лучистая энергия, кроме того, значительно затрудняет действия пожарных подразделений.

Тепловое излучение свойственно любым телам (твердым, жидким, газообразным), значение температуры которых превышает 0 K. Однако если спектр излучения большинства твердых и жидких тел непрерывен, то для газов характерен линейчатый (или селективный) спектр излучения. Для специалистов пожарной охраны представляют интерес следующие виды излучения: ультрафиолетовое, видимое (световое), инфракрасное (тепловое). Свойством эффективно поглощаться телами и превращаться в тепловую энергию обладают световые и инфракрасные лучи, имеющие длины волн соответственно 0,4−0,78 и 0,78−1000 мкм. В наибольшей степени способно нагревать облучаемые тела излучение с длинами волн 0,4−40 мкм. Именно оно представляет наибольшую опасность в условиях пожара. Нагретые ими тела, в свою очередь, начинают испускать в окружающее пространство инфракрасные лучи.

Лучистая энергия, падающая на тело, поглощается им частично, часть излучения отражается в окружающую среду, часть может пройти сквозь тело.

Баланс процесса взаимодействия излучения с веществом можно записать следующим образом

Q_R + Q_A + Q_D = Q, (3.7)

где Q – количество лучистой энергии, падающей на тело; Q_R, Q_A, Q_D – количество поглощенной, отраженной и прошедшей сквозь тело энергии излучения соответственно.

Тело, полностью поглощающее падающую на него лучистую энергию, называется абсолютно черным. В природе такие тела отсутствуют. Все реальные тела по отношению к абсолютно черному по своей способности поглощать излучение количественно оцениваются степенью или коэффициентом черноты ε. Их степень черноты всегда меньше единицы.

Зависимость между интегральной (на всех длинах волн) излучательной способностью абсолютно черного тела и его температурой устанавливает закон Стефана-Больцмана

, (3.8)

где σ – постоянная Стефана-Больцмана, σ = 5,67·10⁻⁸ Вт/(м^{2 .}K⁴);

Т – температура излучающего тела, K.

Для определения величины лучистого теплового потока, падающего на 1 м² поверхности от нагретого до температуры Т тела в зависимости от его степени черноты, расстояния до облучаемой поверхности используется формула на основе закона Стефана-Больцмана:

, (3.9)

где ε – степень черноты поверхности тела (или пламени); Т₀ – температура облучаемой поверхности, K;  – угол падения тепловых лучей к нормали облучаемой поверхности; R – расстояние от источника до облучаемой поверхности, м; S – площадь поверхности излучения, м².

В табл. 3.1 приведены для справки значения степени черноты различных поверхностей и пламени.

Таблица 3.1

Степень черноты поверхности некоторых материалов и пламен

Материал поверхности, пламя Степень черноты, ε

Алюминий полированный………………………………………..0,051

Сталь полированная…………………………………………...….0,066

Шамот………………………………………………………...........0,55

Бетон……………………………………………………………….0,63

Кирпич огнеупорный……………………………………………..0,75

Сталь окисленная……………………………………………..…0,8-0,9

Вода………………………………………………………………..0,92

Краска масляная…………………………………………………..0,95

Картон асбестовый……………………………………………..…0,96

Сажа……………………………………………………………......0,96

Несветящийся газовый фонтан…………………………………..0,3

Пламя антрацита при слоевом сжигании ……………… ………0,4

Светящееся пламя:

антрацитовой пыли…………………………………… … ….0,45

мазута……………………………………………………… ...0,85

бензина………………………………………………………0,96−0,99

каменных углей, бурых углей, древесины и торфа………….0,7

Для уменьшения количества энергии, излучаемой в определённом направлении, на пути лучистого потока располагают какую-либо поверхность или конструкцию, отражающие или поглощающие тепловые лучи. Их принято называть тепловыми экранами. В качестве экранов для целей противопожарной защиты широко используют различного рода стены, перегородки и перекрытия из негорючих материалов, водяные завесы, огнезащитные облицовки (асбест, штукатурку, кирпич и др.).

В зависимости от природы материала и состояния его поверхности экраны бывают: поглощающими (асбест, кирпич, штукатурка, водяные и паровые завесы) и отражающими (полированные металлы, металлизированные ткани). Необходимо применять тепловые экраны для защиты от излучения личного состава пожарных подразделений при высоких температурах очага пожара. Тепловое излучение вообще, а высокотемпературное в особенности, оказывает вредное физиологическое воздействие на организм человека. В условиях пожара необходимо принимать меры для того, чтобы плотность облучения личного состава, не имеющего средств защиты от излучения при длительной работе, не превышала 1,0–1,6 кВт/м^2.. При тепловом потоке в 4,2 кВт/м² время пребывания вблизи очага пожара в боевой одежде, с закрытым щитком лицом не должно превышать 15 мин. Наиболее эффективно защищают людей на пожаре тонкораспыленные водяные завесы и специальные костюмы из металлизированных тканей, которые выполняют роль отражающих экранов.

Выделяющаяся при горении на пожаре теплота передается окружающим телам в основном излучением. При температурах выше 1100 K доля конвективной составляющей теплообмена в расчет можно не принимать. Пожары внутри зданий характеризуются главным образом излучением нагретых продуктов сгорания, которые заполняют объем помещения. Они способны частично экранировать излучение пламени. Температура пламён некоторых горючих материалов в условиях открытого пожара приведена ниже, а также в приложении П. 7.

При температуре выше 550 ºС большинство нагретых тел начинают светиться. По цвету можно ориентировочно определить их температуру. Например, при 700 ºС стальная поверхность имеют темно-красный цвет, при 900 ºС – кроваво-красный, при 1100 ºС – светло-желтый и при 1400 ºС – белый цвет. В табл. 3.2 приведены для справки значения температуры пламен некоторых горючих материалов в условиях открытого пожара.

Время, необходимое для воспламенения материала от лучистого теплового потока, может быть определено по следующей формуле

, (3.10)

где А = 4,36·10³; критический тепловой поток, кВт/м²; n – эмпирический коэффициент (n = 1,61).

Для древесины критический тепловой поток составляет 10−12 кВт/м², для обугленной древесины − = 16−20 кВт/м².

Передача лучистой энергии от пламени горящего здания или сооружения в направлении смежных объектов может вызвать новые очаги пожара или взрывов. Излучение факела также представляет опасность для жизни и здоровья людей.

Таблица 3.2

Температуры пламен некоторых горючих материалов

в условиях открытого пожара

Горючий материал Температуры пламени, ^оК

Бензин в резервуарах……………………………………………...1473

Древесина…………………………………………………………. 1047–1147

Древесина в штабелях пиломатериалов……………………….....1127–1317

Дизельное топливо и нефть в резервуарах……………………....1373

Каучук……………………………………………………………...1247

Мазут в резервуарах…………………………………………..…..1273

Газонефтяной фонтан………………………………………..……1127–1357

Нефть и нефтепродукты в резервуарах………………………..…1107–1207

Резинотехнические изделия……………………………………....1473

Торф………………………………………………………………...1027–1067

Этиловый спирт……………………………………………………1147–1177

Магний……………………………………………………………...2273

Калий металлический………………………………………………727