Упражнения / Практическое занятие 7

Практическое занятие 7

Прогнозирование последствий ЧС при пожарах.

Поражающими факторами пожаров являются термическое воздействие, обусловленное тепловым излучением пламени, и токсическое воздействие продуктов горения. Последнее по способу распространения продуктов горения и их поражающему действию аналогично негативным факторам химических аварий, связанных с выбросом газообразных опасных химических веществ.

Термическое воздействие определяется величиной плотности потока поглощенного излучения q^погл, кВт/м² и временем теплового излучения ,с.

Плотность потока поглощенного излучения q^погл, связана с плотностью потока падающего излучения q^пад соотношением q^погл = q^пад, где - степень черноты (поглощательная способность) тепловоспринимающей поверхности. Чем ниже степень черноты

(больше отражательная способность), тем меньше при прочих равных условия величина q^погл. Далее мы будет использовать с величину q^погл, кВт/м², опуская верхний индекс.

Человек ощущает сильную («едва переносимую») боль, когда температура верхнего слоя кожи превышает 45 ⁰С. Время достижения «порога боли» (, с), определяется по формуле

= (35/q)^1,33 (1)

Различают три степени термического ожога кожи человека (табл.1).

Таблица 1. Характеристика ожогов кожи человека

Степень ожога	Повреждаемый слой	Темпера-тура, 0С	Доза воздействия q, кДж/м2	Характеристика воздействия
I	Эпидермис	не более 55	Менее 42	Покраснение кожи (q1,15= 5500)
II	Дерма	более 55	42-84	Волдыри (q1,33=8700)
III	Подкожный слой		> 84	Летальный исход при поражении более 60% кожи

Время воспламенение горючих материалов при воздействии на них теплового потока плотностью q, кВт/м², определяется по формуле

= А /( q – q_кр)ⁿ (2)

где q_кр – критическая плотность теплового потока, кВт/м²;

A и n – константы для конкретных материалов (например для древесины A = 4300, n = 1,61).

При длительности теплового воздействия 30 с и плотности теплового потока 12 кВт/м² воспламеняются деревянные конструкции; при 10,5 кВт/м² - обгорает краска на окрашенных металлических конструкциях, обугливаются деревянные конструкции; при 8,4 кВт/м² вспучивается краска на металлических конструкциях, разлагаются деревянные конструкции. Плотность теплового потока 4,0 кВт/м² безопасна для объектов.

Особенно опасным является нагрев резервуаров с нефтепродуктами, воспламеняющимися через время , с, при воздействии теплового излучения с плотностью q, кВт/м², как показано в табл. 2.

Таблица 2. Зависимость времени воспламенения, мин, резервуара с нефтепродуктами от величины плотности потока теплового излучения q, кВт/м²

	5	10	15	20	29	>30
q	34,9	27,6	24,8	21,4	19,9	19,5

Время термического воздействия ,с, для случаев пожара разлития и горения здания (сооружения, штабеля и т.п.) для человека равно

= ₀ + х/u, (3)

где ₀ – характерное время обнаружения пожара (допускается принимать 5 с); х – расстояние от места расположения человека до зоны, где плотность потока теплового излучения не превышает 4 кВт/м², м; u – скорость движения человека (допускается принимать 5 м/с)

.

Рис. 1. Зоны негативного воздействия при пожаре зданий и сооружений.

Размер зоны горения определяется той частью здания или сооружения, где образуется пламя. Температура в зоне горения внутри здания достигает 800…900 ⁰С ; температура при горении твердых веществ на воздухе достигает 1000…1200 ⁰С, а газов и легко воспламеняющихся жидкостей – 1200…1600 ⁰С.

Размер зоны теплового воздействия соответствует безопасному расстоянию при заданном уровне плотности излучения для человека, объекта, материалов.

, м (4)

где R* - приведенный размер очага горения (для горящих зданий равный R* =

( L – длина стены, обращенной к объекту теплового воздействия, Н - высота дома, м; для штабеля пиленого леса R* = (1,75…2,0), м; для случая горения нефтепродуктов в резервуаре диаметром D_рез, R* =0,8D_рез, м);

q^соб- плотность потока собственного излучения пламени пожара (табл. 3), кВт/м²;

q_кр – плотность потока падающего на объект излучения пламени пожара, критическая для рассматриваемого объекта при данной степени термического воздействия (табл. 3), кВт/м².

Таблица 3.Теплотехнические характеристики материалов и веществ

Вещества, материалы	Массовая скорость выгорания, vвыг, кг/(м2.с)	Теплота горения, , кДж/кг	Плотность теплового потока собственного излучения пламени пожара, qсоб, кВт/м2
Ацетон Бензол Бензин Керосин Мазут Нефть Древесина Каучук натуральный Пиломатериалы	0,047 0,08 0,05 0,05 0,013 0,02 0,015 0,013 0,017	28400 30500 44000 43000 40000 43700 19000 42000 14000	1200 2500 1780 …2200 1520 1300 874 260 460 150

Время продолжительности пожара (без вмешательства человека) определяется

формулой

, с (5)

где М – масса горящего вещества, кг;

F – площадь горящей поверхности, м²;

V_выг – массовая скорость выгорания , кг/(м²_*с), приведенная в табл. 3).

Критические значения плотностей падающего потока излучения для разных объектов и условий приведены в табл. 4.

Таблица 4 - Критические значения плотностей потока падающего излучения

qкр, кВт/м2	Время в сек. до того, как
	начинаются болевые ощущения	Появляются ожоги (ожог II степени)
30 22 18 11 8 5 4,2 1,5	1 2 2,5 5 8 16 15-20 безопасно	2 3 4,3 8,5 13,5 25 40 безопасно
14,0 17,5 35.0 41,0	возгорание древесины возгорание древесины возгорание ЛВЖ возгорание ГЖ	через 10 минут через 5 минут через 3 минуты через три минуты

Примечание: ГЖ –мазут, торф, масло и т.п; ЛВЖ – ацетон, бензол, спирт и т.д.

Задавая ту или иную степень поражения человека, сооружений и т.п., по формуле (4) несложно определить искомое расстояние от очага пожара.

Образующиеся при пожаре продукты горения (или выделяющиеся в атмосферу находящиеся в зоне горения опасные химические вещества (ОХВ)), распространяются по направлению ветра, образуя зону задымления (заражения).

Глубину зоны задымления Г, м, определяют по формуле

. (6)

Здесь Г_i – глубина зоны задымления (заражения), соответствующей определенной степени поражения человека (летального или порогового), м;

G – масса токсичных продуктов, кг;

a,b – доли массы токсических продуктов в «первичном» и «вторичном» облаке, соответственно (табл. 5). При пожаре для всех ОХВ принимают равными а = 1 и b = 0.

D - пороговая или летальная токсодоза, мг_*мин/л (табл. 5);

w- скорость ветра, м/с;

k₁ – коэффициент шероховатости подстилающей поверхности, равный 1 – для открытой поверхности; 2 – для степной растительности и с/х угодий; 2,5 – для кустарников и 3,3 – для леса и городской застройки;

k₂ – коэффициент степени вертикальной устойчивости атмосферы, равный 1 – для инверсии; 1,5 – для изотермии и 2 – для конвекции (рис. 2).

При изотермии распределение температуры неизменно по высоте приземного слоя атмосфере и конвективные потока, размывающие шлейф продуктов горения пожара , практически отсутствуют и смешение потока токсических веществ с воздухом происходит только за счет молекулярной диффузии.

При конвекции температура у поверхности Земли имеет самые высокие значения и нагретый воздух поднимаясь кверху интенсивно перемешивает с воздухом (размывает) поток токсических веществ. В этом случае протяженность зоны заражения (задымления) самая маленькая.

При инверсии у поверхности Земли находится самый холодный воздух и восходящие потоки полностью отсутствуют. Протяженность хоны задымления в этом случае самая большая.

Рис. 2. Распределение температур в приземном слое атмосферы при разных классах устойчивости атмосферы

Таблица 5. Значения токсодоз некоторых опасных химических веществ

ОХВ	Токсодоза, мг*мин/л		Коэффициенты
	Летальная Dлет	Пороговая Dпор	a	b
Аммиак, Угарный газ СО Оксид азота NOx Диоксид серы SO3 Фосген Хлор	60 60 3 70 6 6	18 25 1,5 1,8 0,2 0,6	0,2 1,0 0 0,2 0,07 0,2	0,15 0 0,03 0,15 0,15 0,15

Варианты заданий приведены в табл. 6

Таблица 6. Варианты заданий

Определить безопасные расстояния для человека и близлежащих деревянных зданий от горящего деревянного дома размером ………... Во время пожара произошла разгерметизация емкости с …… кг ……….. Состояние атмосферы……………. Скорость ветра …… м/с. Тип подстилающей поверхности …….. Каковы размеры зоны токсического задымления ?

№	Характеристика очага	Размеры,м3 А*В*Н;	Объект	Разгермет. емкости с	GОХВ, кг	Состояние атмосферы	W, м/с	Подстил. поверхность
1	Деревянный дом	6*10*4	Дер.дом	NH3	50	Изотермия	1	отк. поверх
2	Деревянный дом	5*12*3	Дер.дом	хлором	100	Конвекция	2	С/х угодья
3	Деревянный дом	8*15*4	Пиломат	NOx	150	Инверсия	3	Степь
4	Деревянный дом	10*15*4,5	Дер.дом	Фосгеном	200	Изотермия	4	Кустарник
5	Деревянный дом	15*15*5	Дер.дом	NH3	250	Конвекция	5	Лес
6	Деревянный дом	15*20*5	Дер.дом	Хлором	300	Инверсия	1	Город
7	Деревянный дом	10*20*5	Дер.дом	NH3	100	Изотермия	2	С/х угодья
8	Деревянный дом	15*25*4	Дер.дом	хлором	75	Конвекция	3	Степь
9	Деревянный дом	20*30*6	Пиломат	NOx	150	Инверсия	4	Кустарник
10	Деревянный дом	12*15*4	Дер.дом	Фосгеном	80	Изотермия	5	Лес
11	Деревянный дом	6*10*4	Пиломат	Хлором	300	Конвекция	1	Степь
12	Деревянный дом	5*12*3	Дер.дом	NH3	100	Инверсия	2	Кустарник
13	Деревянный дом	8*15*4	Дер.дом	хлором	75	Изотермия	3	Лес
14	Деревянный дом	10*15*4,5	Дер.дом	NOx	150	Конвекция	4	Город
15	Деревянный дом	15*15*5	Дер.дом	Фосгеном	80	Инверсия	5	С/х угодья
16	Деревянный дом	15*20*5	Дер.дом	Хлором	50	Изотермия	1	Степь
17	Деревянный дом	10*20*5	Пиломат	NH3	100	Конвекция	2	Кустарник
18	Деревянный дом	15*25*4	Дер.дом	хлором	150	Инверсия	3	Лес
19	Деревянный дом	20*30*6	Дер.дом	NOx	200	Изотермия	4	С/х угодья
20	Деревянный дом	12*15*4	Дер.дом	Фосгеном	250	Изотермия	5	Степь
21	Деревянный дом	6*10*4	Дер.дом	NH3	300	Конвекция	1	Кустарник
22	Деревянный дом	5*12*3	Дер.дом	хлором	100	Инверсия	2	Лес
23	Деревянный дом	8*15*4	Дер.дом	NOx	75	Изотермия	3	Город
24	Деревянный дом	10*15*4,5	Пиломат	Фосгеном	150	Конвекция	4	С/х угодья
25	Деревянный дом	15*15*5	Дер.дом	NH3	80	Инверсия	5	Степь
26	Деревянный дом	15*20*5	Пиломат	Хлором	300	Изотермия	1	Кустарник
27	Деревянный дом	10*20*5	Дер.дом	NH3	100	Конвекция	2	Лес
28	Деревянный дом	15*25*4	Дер.дом	хлором	75	Инверсия	3	Степь
29	Деревянный дом	20*30*6	Дер.дом	NOx	150	Конвекция	4	Кустарник
30	Деревянный дом	12*15*4	Дер.дом	Фосгеном	80	Инверсия	5	Лес

Пример решения задачи

Определить безопасные расстояния для человека и близлежащих деревянных зданий от горящего деревянного дома размером 15х20х5 м³ (вариант 6.). Каковы размеры зоны токсического задымления ?

Р е ш е н и е.

1. По формуле (4) находим безопасное для человека расстояние, заимствуя из табл. 3 значение q^соб = 260 кВт/м² (для древесины) и табл.4 q_кр = 1,5 кВт/м² (безопасное для человека) и определяя характерный размер очага пожара как = = 8,66 м для торца дома и = 10 м для фасада.

Тогда

32,15 м и

37,12 м

2.Безопасное расстояния с точки зрения вероятности воспламенения соседнего деревянного дома также определяем по формуле (4), но из табл. 4 берем q_кр = 14,0 кВт/м² (возгорание древесины через 10 мин.) и q_кр = 17,5 кВт/м² (возгорание древесины через 5 мин.)

Минимальное безопасное расстояние от горящего здания, на котором соседний деревянный дом загорится через 10 минут, равно

10,52 м

=12,1 м

Минимальное безопасное расстояние от горящего здания, на котором соседний деревянный дом загорится через 5 минут, равно

= 9,4 м

10,85 м

3.Определим протяженности зон токсического заражения, принимая в соответствии с вариантом 6 задания, что при пожаре произошла разгерметизация емкости с хлором, в результате чего в атмосферу попало 300 кг хлора. Состояние устойчивости атмосферы – инверсия (k₂ = 1). Для условия города k₁ = 3,3.

Из таблицы 5 определяем, что пороговая токсодоза для хлора равна D_пор = 0,6 мг * мин/л, а летальная D_лет = 6,0 мг * мин/л; a = 0,2, b =0,15.

Теперь по формуле (6) находим протяженности зон токсического заражения:

летального

= 69,85 м.

порогового

= 342, 24 м