9.3 Основні положення інтегральної моделі температурного режиму

 

Інтегральна модель передбачає, що осередок пожежі знаходиться в центрі підлоги приміщення. При цьому температура лінійно збільшується з підвищенням точки виміру, і зменшується при віддаленні від центру. Температура максимальна над осередком пожежі під перекриттям і мінімальна в точці, яка розташована при зниженні висоти і віддаленні від осі осередку. Середньооб’ємна температура визначається в геометричному центрі приміщення (рис. 9.1).

Рис. 9.1

Розрахункове визначення температури пожежі грунтується на рівнянні теплового балансу пожежі.

При горінні речовин і матеріалів на площі S_п в одиницю часу виділяється теплота пожежі:

Q_пож = η* v_m *S_nож * Q_н^/

де:      h - коефіцієнт повноти згоряння;

Q_н^/ - теплота згоряння, Дж/кг (Дж/м³);

v_m - масова швидкість вигоряння (кг/(м²* с));

S_nож - площа пожежі, м².

Тепло, що виділяється при пожежі, витрачається на нагрівання продуктів згоряння, які видаляються із приміщення, Q^/_пг, нагрівання продуктів згоряння, які залишаються в приміщенні, (саме вони визначають температуру пожежі) Q^//_пг, тепло, що витрачається на нагрівання будівельних конструкцій, Q_{констр.},тепло, що витрачається на протікання підготовчих процесів в горючому матеріалі, Q_підг., тепло, що випромінюється через отвори за межі приміщенняQ_пром..

Q_пож = Q^/_пг + Q^//_пг + Q_констр  + Q_підг + Q_пром

Якщо позначити суму тепловтрат як деяку частку від загальної теплоти пожежі, тобто

Q^/_пг + Q_констр  + Q_підг + Q_пром = m Q_пож ,

рівняння теплового балансу можна записати

Q_пож = m Q_пож + Q^//_пг

(1- m) Q_пож = Q^//_пг

За температуру пожежі приймається середньооб’ємна температура, до якої нагрівається газове середовище в приміщенні під час протікання пожежі. Газове середовище складається із продуктів горіння, що утворюються під час протікання пожежі, та надлишкового повітря. Отже тепло, що витрачається на нагрів газового середовища в приміщенні від початкової температури до температури пожежі, можна визначити по формулі:

Q^//_пг = v_mS_пож c_р (v_пг + (a_п -1) v_п )*(Т_пож – Т_о)

(1- m) η* v_m *S_nож * Q_н^/ = v_mS_пож c_р (v_пг + (α_п -1) v_п )*(Т_пож – Т_о)

Звідси середньооб’ємну температуру пожежі можна визначити за формулою:

В цьому рівнянні невідомими залишаються с_р та m. Крім того розрахункове значення являється середнім по всій площі та висоті приміщення, що відповідає рівномірному полю температур по всьому об’єму приміщення. Але при пожежі в приміщенні немає рівномірного поля температури.

Визначити не тільки середньооб’ємну температуру пожежі, але і температуру газового середовища в будь якій точці приміщення в заданий час розвитку пожежі можна за допомогою критеріальних рівнянь теплового балансу пожежі в огорожі.

Температура пожежі на будь-який момент розвитку визначається як добуток адіабатичної температури горіння Т_ад на безрозмірний коефіцієнт, що враховує втрати тепла на нагрівання навколишніх конструкцій тепловим випромінюванням і втрати тепла теплопровідністю

Т_пож τ= ΘТ_ад

Безрозмірний коефіцієнт Θ визначається як відношення критерія Больцмана, Во, який характеризує частку тепла, що передається продуктами горіння огороджуючим поверхням у процесі променистого теплообміну, до критерію Нуссельта Nu, який характеризує співвідношення між теплом, переданим конвекцією і теплопровідністю.

З  огляду на те, що процес відводу тепла теплопровідністю в конструкції, які приймають тепловий потік, на початковому етапі пожежі незначний, можна записати

Θ =0,66 Во^0,17

Критерій подібності Больцмана можна визначити з рівняння

де      S_пож - площа горіння, м²;σ_о- постійна Больцмана, 5.76*10^-11 кВт/ (м К) ; S_огор - загальна площа огороджуючи конструкцій, м²; η - коефіцієнт повноти горіння; v_m - масова швидкість вигоряння, кг/(м² хв); v_пг - питомий об’єм продуктів горіння, м³/кг; ε_зв. - приведена ступінь чорноти; С_р. - теплоємність продуктів горіння, кДж/(м³ К).

У зоні горіння продукти згоряння нагріваються до адіабатичної температури горіння Т_ад, яка може бути визначена по формулі

де      Q_н^/ - нижча масова теплість згоряння речовини, кДж/кг; η -коефіцієнт хімічної повноти згоряння, С_р теплоємність продуктів горіння, кДж/ (м³ К); v_пг-  питомий об’єм продуктів горіння, м³/кг.

Отже, середньооб’ємну температуру газового середовища в приміщенні при пожежі в будь-який момент часу можна визначити по формулі

Висновок: використовуючи інтегральну модель, можна одержати наближені характеристики пожежі і використовувати їх у розробці тактичного задуму при підготуванні пожежно-тактичних навчань, оперативних планів пожежегасіння або при пожежно-технічній експертизі пожеж.

Розглянемо як змінюються параметри пожежі в часі та просторі з моменту виникнення загоряння до виходу на стаціонарний режим вільного розвитку пожежі (тобто без гасіння) в приміщенні звичайного типу. Середньостатистичне приміщення звичайного типу має в якості пожежного завантаження тверді горючі матеріали (деревина або вироби із деревини), які рівномірно розподілені по поверхні підлоги, початкова температура в приміщенні складає 20^оС, висота стелі від 3 до 6 м, площа підлоги 30–40 м², площа отворів складає приблизно 10% площі підлоги.

Як було сказано раніше, розвиток будь-якої пожежі в часі можна умовно розділити на три стадії: початкову, основну і кінцеву.

На початковій стадії можна виділити три фази. Перша фаза – перехід загоряння в пожежу. Більшість пожеж, пов’язаних з горінням ТГМ, починається з виникнення горіння при дії джерела запалювання на невеликій ділянці. Після цього горіння повільно поширюються по поверхні горючого матеріалу. При збільшені площі горіння інтенсивніше прогріваються та розкладаються матеріали, збільшується інтенсивність конвекційних потоків повітря та продуктів горіння, повільно змінюється середньооб’ємна температура. Тривалість початкової фази залежить від місця виникнення загоряння, розташування пожежного завантаження, розмірів приміщення, виду горючого матеріалу, умов газообміну. Як правило, перехід загоряння в пожежу триває перші 3-5 хвилин.

Після цього починається друга фаза – об’ємний розвиток пожежі. Поступово збільшується температура газового середовища в приміщенні, а отже збільшується інтенсивність процесу попереднього прогріву, розкладення та виділення горючих летючих продуктів, які обумовлюють збільшення об’єму зони горіння. Швидкість поширення пожежі, а, отже, і площа пожежі теж збільшуються, що, в свою чергу, приводить до росту температури пожежі (до 250-300^оС). Полум’я заповнює практично весь об’єм приміщення, а процес поширення полум’я відбувається вже не по поверхні ТГМ, а під впливом конвекційних та променистих потоків тепла займаються матеріали, які знаходяться окремо від зони горіння, тобто поширення горіння відбувається дистанційно по об’єму газоподібних продуктів розкладання твердих горючих матеріалів.

Приблизно через 10 хвилин при температурі 300^оС руйнується скління. Починається третя фаза розвитку, коли всі параметри пожежі найбільш змінюються і досягають максимальних значень. Гарячі продукти горіння витікають з приміщення, продукти розкладу можуть виходити за межі приміщення і там догоряти (вогонь виривається з отворів назовні). Стрибком змінюється інтенсивність газообміну. Під інтенсивністю газообмінурозуміють кількість повітря, що поступає в одиницю часу до одиниці площі пожежі. Холодне повітря інтенсивніше поступає в зону горіння. При цьому температура в приміщенні може на короткий час знизитися, але за рахунок збільшення повноти згоряння, лінійної швидкості поширення пожежі та швидкості вигоряння пожежного завантаження теплота пожежі різко збільшується, а, отже, і температура газового середовища в приміщенні (температура пожежі) підвищується до 600-800^оС. Задимлення досягає максимального значення.

Після 20-30 хвилини розвитку в залежності від розмірів приміщення починається друга основна стадія – розвинена пожежа, коли всі параметри пожежі стабілізуються. Ця фаза може тривати ще 20-30 хвилин в залежності від пожежного завантаження.

Третя кінцева стадія пожежі, догоряння, характеризується поступовим зниженням температури та задимлення, так як основна частина горючих матеріалів вже вигоріла.

На поверхні деревини утворився вуглецевий шар товщиною 5-10 мм, який перешкоджає подальшому прогріву матеріалу в глибину і виходу летючих горючих компонентів термічного розкладу. Інтенсивність надходження горючих газів в зону горіння зменшується, а, отже, зменшується інтенсивність гомогенного горіння. Це призводе до зміни всіх інших параметрів розвитку пожежі.

В приміщенні накопичилась велика кількість продуктів горіння, а концентрація кисню впала до 16-17%. Гомогенне горіння переходить в тління. Площа пожежі при цьому не змінюється, але площа горіння скорочується.

Зміна температури пожежі в огородженні з часом розвитку пожежі можна представити у вигляді графіку (рис. 9.2).

Рис. 9.2

Як правило гасіння пожежі особовим складом починається через 20-30 хвилин вільного розвитку, коли всі параметри пожежі вже досягли свого максимального значення. Отже при проведенні бойових дій необхідно враховувати той факт, що на будівельні конструкції вже певний час впливають високі температури, що негативно впливає на їх несучу здатність.

Так, в 1990 році при пожежі на Сирдарьінськой та Екібастузькой електростанціях вже через 30 хвилин після виникнення пожежі обрушився дах в машинному залі на площі більше 10 000 та 17 000 м².

Для зниження пожежної небезпеки більшості промислових об’єктів необхідно оснащати приміщення автоматичними системами пожежної сигналізації та гасіння пожежі, які включаються на перших фазах розвитку пожежі, а, отже, якщо і не повністю загасять горіння, то не дають розвинутися пожежі до її максимального розвитку.

Для уніфікації методики визначення вогнестійкості будівельних конструкцій на підставі проведення натурних дослідів пожеж у житлових і промислових будинках була запропонована залежність температури пожежі від часу його розвитку

t = 345 lg (8τ+1),

де      τ - час розвитку пожежі, хв.

Такий температурний режим називається - стандартним режимом. Стандартний температурний режим відбиває тільки експериментальні дані і тільки за умови, що пожежа розвивається як необмежена.

Висновок: використовуючи інтегральну модель, можна одержати наближені характеристики пожежі і використовувати їх у розробці тактичного задуму при підготуванні пожежно-тактичних навчань, оперативних планів пожежегасіння або при пожежно-технічній експертизі пожеж.

9.4 Визначення температурного режиму розрахунковим методом

Для того, щоб визначити середньооб’ємну температуру газового середовища в приміщенні на будь який момент часу, необхідно знати адіабатичну температуру горіння заданої горючої речовини і значення критерію Больцмана.

Т_τ = Θ Т_ад  =0,66 Во^0,17 Т_ад

Отже перша частина методики визначення температури пожежі в огорожі полягає в розрахунку адіабатичної температури горіння:

а друга – в розрахунку критерію Больцмана:

При цьому необхідно пам’ятати, що об’єм продуктів горіння залежить від коефіцієнту надлишку повітря, теплоємність газового середовища залежить від температури цих газів, масова швидкість вигоряння залежить від часу розвитку пожежі.

Методика розрахункового визначення температури пожежі в огорожі.

1. Для горючої речовини із довідника КГП виписати параметри, що визначають умови розвитку пожежі:

v_l - лінійна швидкість поширення горіння, м/хв.;

v_m^o - масова швидкість вигоряння, кг/(м² хв);

Q_н^/ - нижча теплота згоряння речовини, кДж/кг;

v_п^о - питомий теоретичний об’єм повітря, м³/кг;

v_пг^о - питомий теоретичний об’єм продуктів згоряння, м³/кг;

η - коефіцієнт повноти горіння.

2. Розрахувати площу пожежі на заданий час розвитку;

2.1. Розрахувати радіус поширення пожежі R_п

2.2. В залежності від форми розвитку пожежі розрахувати її площу S_пож

3. Для визначення коефіцієнта надлишку повітря, питомої теплоємності продуктів горіння, об’єму продуктів горіння необхідно попередньо задатися температурою пожежі в першому приближенні (Т_пож). Значення температури пожежі вибирається виходячи з досвіду роботи або попереднього розрахунку за методикою стандартного температурного режиму пожежі.

4. Визначається коефіцієнт надлишку повітря;

4.1. Визначити загальну площу розкритих отворів і площу отворів, працюючих на притоку.

Приймається, що розкриваються всі отвори, які потрапляють у зону горіння; в разі розташування отворів на різних рівнях, на притоку працюють нижні отвори, а на витоку – верхні. Якщо отвори знаходяться на одному рівні, то на притоку повітря працює лише 1/3 площі всіх отворів:

S_прит = S_отвор/3,

а висота приточної частини отворів визначається з рівняння:

4.2. Коефіцієнт надлишку повітря при пожежі в огорожі можна визначити розрахунком по формулі

Якщо коефіцієнт надлишку повітря стає менше одиниці (α_п<1), то пожежа класифікується як обмежена по повітрообміну, полум'яна горіння протікає тільки в місцях притоки повітря. На іншій площі горіння переходить у тління. Але дана модель не дозволяє проводити розрахунок температури пожежі, що супроводжується тлінням матеріалів. Отже, якщо коефіцієнт надлишку повітря, розрахований по формулі, виявиться менше одиниці, то в наступних розрахунках коефіцієнт надлишку повітря приймається рівним одиниці.

У тому випадку, коли коефіцієнт надлишку повітря стає значно вище одиниці (α_п>>1), процес тепло і масообміну буде мало залежати від геометричних розмірів конструкцій , що захищають. При цьому процес горіння розвивається так само, як і в умовах відкритої пожежі, і не буде робити впливи на зміну середньооб’ємної температури в приміщенні.

5. Розрахувати фактичний питомий об’єм продуктів згоряння з урахуванням надлишку повітря:

6. Розраховується приведена масова швидкість вигоряння речовини;

Масова швидкість вигоряння речовини змінюється в залежності від часу розвитку пожежі.

7. Розраховується об'ємна теплоємність середовища в приміщенні при пожежі;

Об'ємна питома теплоємність продуктів горіння залежить від їхнього складу і температури. Теплоємність продуктів горіння визначається по формулі

8. Розрахувати значення приведеного ступеня чорноти системи "полум'я – огороджуюча поверхня":

9. Визначається повна поверхня теплообміну;

Повна поверхня огороджуючих конструкцій S_огор визначається як сума поверхні стін, підлоги і стелі, які сприймають тепловий потік. Якщо пожежа відбувається в декількох суміжних помешканнях, то площу огороджуючих конструкцій можна визначати як суму площ конструкцій кожного приміщення:

10. Розрахувати адіабатичну температуру горіння:

11. Розрахувати середньооб’ємну температуру пожежі в приміщенні на заданий час розвитку. Підставивши чисельні значення сталої Больцмана у вираження отримаємо

12. Провести порівняння розрахованої середньооб’ємної температури пожежі з попередньо заданими значеннями температури в першому приближенні. При розбіжності більш 10% необхідно задатися новим значенням температури і повторити розрахунок. При цьому отримане значення середньооб’ємної температури пожежі приймають за друге приближення.

13. Визначити координати заданої точки помешкання.

14. Розрахувати значення температури в заданих точках помешкання на заданий час розвитку пожежі:

де      х і у - координати точки, у якій визначається температура пожежі. Початок відліку приймається від фронту пожежі:

х₀ = 0,25a,                                       y₀ =0.5h.

Визначення температурного режиму пожежі за допомогою номограм

Аналіз величин, що входять до критерію Больцмана, показує, що в умовах пожежі середньооб’ємна температура залежить від теплоти пожежі, умов газообміну (тобто надлишку повітря) та часу розвитку пожежі. Отже температуру пожежі в огорожі можна представити як функцію:

t = f(q, α, τ)

де q – щільність теплового потоку, що сприймається огороджуючими конструкціями, Вт/м²

Статистична обробка експериментальних даних дозволила представити ці залежності в вигляді номограм, а, отже, визначення температурного режиму пожежі може проводитися з використанням цих номограм.

Методика визначення температури пожежі по номограмах.

1. Для горючої речовини по довіднику КГП визначити:

v_m - масову швидкість вигоряння, кг/(м² хв.);

v_l – лінійна швидкість поширення горіння, м/хв.;

Q_н^/ - масову теплоту згоряння, кДж/кг;

v_п^о - питомий теоретичний об’єм повітря, м³/кг;

v_пг^о - питомий теоретичний об’єм продуктів згоряння, м³/кг;

η- коефіцієнт повноти згоряння.

2. Розрахувати площу пожежі на заданий момент часу розвитку.

2.1. Розрахувати радіус поширення пожежі R_п

2.2. В залежності від форми розвитку пожежі розрахувати її площу S_п

3. Розрахувати площу підлоги, та огороджуючих конструкцій в приміщенні.

S_огор = 2(ab + ah + bh).

4. Визначити площу розкритих отворів, що працюють на витоку продуктів згоряння, і площу отворів, що працюють на притоку свіжого повітря.

Приймається, що в разі розташування отворів на різних рівнях, на притоку працюють нижні отвори, а на витоку – верхні. Якщо отвори знаходяться на одному рівні, то на притоку повітря працює лише 1/3 площі всіх отворів.

5. Визначити коефіцієнт надлишку повітря по номограмі.

5.1. Визначити співвідношення S_пож/S_підл і S_{притоку}/S_пож.

5.2. За значенням S_пож/S_підл визначити тип кривої (суцільна або пунктирна), а за значенням S_{притоку}/S_пож – номер кривої.

5.3. По табличному значенню питомого теоретичного об’єму повітря v_п^о визначити коефіцієнт надлишку повітря (рис. 9.3).

Рис. 9.3

6. Розрахувати тепловий потік, що потрапляє на одиницю площі поверхні конструкцій, що захищають:

7. Користуючись номограмою, (малюнок), по отриманих значеннях теплового потоку, коефіцієнта надлишку повітря визначається середньооб’ємна температура пожежі в зазначені проміжки часу.

Рис. 9.4

Отримане значення щільності теплового потоку відкладаємо на лівій осі номограми, осі тепловиділення, і рівно удалено "рухаємося" уздовж графіка кривої 1 на вісь температур. Потім рівно удалено від найближчої кривої 2 надлишку повітря

опускаємося до пересічення з перпендикуляром, відновленим із точки, що відповідає коефіцієнту надлишку повітря. З отриманої точки паралельно осі абсцис переміщаємося до перпендикуляра, відновленого з точки, що відповідає 30 хвилинам. Потім рівноудалено від найближчої кривої часу (№3) t = f(τ) переміщаємося до перпендикуляра, відновленого з точки відповідного часу розвитку пожежі. У результаті одержимо середнє значення температури в помешканні.

Користуючись другою номограмою, можна приблизно визначити, як буде змінюватися температура газів по мірі віддалення від джерела пожежі: вона вище середньооб’ємної над осередком горіння і нижче в нижній зоні вдалині від осередку горіння.

8. Визначити безрозмірні координати точки x/x₀, y/y₀,

де х₀ = 0,25a, y₀ =0.5h.

9. Визначити температуру в заданій точці помешкання, використовуючи номограму.

По кривій x/x₀ переміщаємося до пересічення з перпендикуляром, відновленим до осі абсцис у точці 2, паралельно осі абсцис повертаємося на вісь температур і одержуємо температуру на заданий час.

ВИСНОВОК: На підставі отриманих даних по зміні температури як у цілому в помешканні, так і в окремих його точках можна робити практичні висновки про поводження будівельних конструкцій в умовах пожежі. Розрахунок температурного режиму пожежі в огородженні може бути основою при прогнозуванні умов розвитку пожежі і розробки тактичного задуму при проведенні практичних занять пожежних підрозділів на об'єктах. Використовуючи результати розрахунку середньооб’ємної температури можна визначити положення області рівних тисків при повітрообміні.