Организация деятельности пожарной охраны / Puchkov - Pozharnaya bezopasnost 2014

– между производственными зданиями:

а) если сумма площадей полов двух и более зданий III и IV степени огнестойкости классов С1, С2 и С3 не превышает площадь полов, допускаемую между противопожарными стенами, считая по наиболее пожароопасной категории, низшей степени огнестойкости и низшего класса конструктивной пожарной опасности здания;

б) если стена более высокого или широкого здания или сооружения, выходящая в сторону другого здания, является противопожарной 1-го типа;

в) если здания и сооружения III степени огнестойкости независимо от пожарной опасности размещаемых в них помещений имеют противостоящие противопожарные стены 2-го типа с заполнением проемов 2-го типа.

При разработке требований в области нормирования противопожарных разрывов учитываются санитарные, технико-экономические и противопожарные требования. Однако, последние два направления требований противоречивы. Уменьшение величин противопожарных разрывов дает существенный экономический эффект единовременных капитальных и эксплуатационных затрат из-за увеличения плотности застройки. При этом уменьшаются протяженность технологических и дорожных коммуникаций, затраты на благоустройство территории и т.д. Вместе с тем уменьшение величины разрывов между зданиями и сооружениями связано с ухудшением санитарно-гигиенических условий и созданием угрозы возможного распространения пожара в случае его возникновения на смежные объекты.

Расчет величины противопожарного разрыва

Большинство пожаров в зданиях начинается с возникновения открытого пламенного горения. Вокруг зоны горения возникает конвективный газовый поток, обеспечивающий необходимый газовый обмен. Постепенно увеличивается температура горючего материала вблизи зоны горения, интенсифицируются физико-химические процессы горения, растет факел пламени, локальное горение переходит в общее.

При достижении температуры примерно 100 °С начинается разрушение оконных стекол и в связи с этим существенно изменяется газообмен (считается, что 1/3 проема окна работает на приток воздуха, а 2/3 – на вытяжку). Горение усиливается, тепло и пламя начинают выходить за пределы помещения, что может явиться причиной загорания соседних сооружений.

Распространение пламени на соседние здания и сооружения возможно за счет излучения и переброса на значительные расстояния горящих конструктивных элементов (головни) или несгоревших частиц (искры). Известны случаи, когда головни перебрасывало на расстояние свыше 200 м. На складах сена, соломы, хлопка, льна и других волокнистых веществ перелет искр и головней может являться основной причиной распространения пожара. Однако, эти случаи настолько редки, что не учитываются при определении величины противопожарного расстояния.

261

Общей особенностью всех открытых пожаров является отсутствие накопления тепла в газовом пространстве зоны горения. Теплообмен происходит с неограниченным окружающим пространством.

Зона горения на открытом пожаре в основном определяется распределением горючих веществ в пространстве и формирующими зону горения конвективными газовыми потоками. Зона теплового воздействия – в основном лучистым тепловым потоком, так как конвективные тепловые потоки уходят вверх и мало влияют на зону теплового воздействия на поверхности земли. За исключением лесных и торфяных пожаров в значительной степени зависящих от интенсивности и направления ветра, зона задымления на открытых пожарах не существенно препятствует тушению пожаров. В среднем, максимальная температура открытого пожара для горючих газов составляет 1200–1350 °С, для жидкостей 1100–1300 °С и для твердых горючих материалов органического происхождения 1100–1250 °С.

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

вокружающую среду лучей, т.е. часть лучистой энергии отражается телом или проходит сквозь него.

Лучистый теплообмен иначе называют тепловым излучением. Лучистой энергией называют энергию колебаний электромагнитного

поля в интервале длин волн от 0,8 мкм до 40 мкм (тепловой диапазон излучения или инфракрасный, ИК-излучение).

Лучеиспускание – процесс превращения внутренней энергии тела

влучистую энергию. Энергия выходит через поверхность тела в окружающую среду. Лучеиспускание зависит от температуры и физических свойств тела.

Перенос лучистой энергии – процесс распространения лучистой энергии в пространстве. Характер переноса лучистой энергии зависит от физических свойств среды и спектрального состава излучения. Энергия может частично поглотиться, отразиться и частично пройти сквозь тело.

Поглощение – процесс превращения во внутреннюю энергию части лучистой энергии, попавшей на тело.

При отражении лучистой энергии возможны два варианта:

1)диффузное отражение – отраженная энергия распространяется равномерно по всем направлениям в пределах полусферы;

2)зеркальное отражение – осуществляется по законам оптики.

262

Лучистый теплообмен – совокупность процессов испускания, переноса, поглощения, отражения и пропускания лучистой энергии в системе нескольких тел при наличии среды или в вакууме.

Интегральный лучистый поток – количество энергии, испускаемой во всем диапазоне 0 < λ < ∞ и проходящей через поверхность .

В общем виде воздействие теплового излучения зависит от длины волны, лучеиспускательной интенсивности пламени и поглощательной способности тела. Баланс лучистого теплообмена можно описать следующим выражением:

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:

жательную, поглощательную и пропускательную способность тела. Эти коэффициенты зависят от рода тела, его температуры, состояния поверхности и длины волн лучей, воздействующих на него.

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, можно говорить о поглощающей поверхности облучаемого тела.

При = 1, = 0, = 0 тело называется абсолютно прозрачным или деатермичным, при = 1, = 0, = 0 – абсолютно белым или зеркальным, при = 1, = 0, = 0 – абсолютно черным, т. е. таким, которое поглощает все падающие на него лучи независимо от их направления, спектрального состава и поляризации.

Интенсивность излучения тепла поверхностью тела зависит от ее температуры и способности тела излучать тепло. Чем больше лучистого тепла поглощается телом, тем больше тепла оно излучает. Следовательно, максимальной излучательной способностью обладает абсолютно черное тело. Строительные материалы обладают меньшей способностью излучать тепло, чем абсолютно черное тело; такие тела называются серыми.

Пять основных законов лучистого теплообмена

Закон Планка

Закон отражает зависимость спектральной плотности излучения черного тела (индекс 0) от длины волны и температуры тела:

263

где 1 = 2 2 = 3,7413 ∙ 10−16 Вт·м2;2 = ⁄ = 1,4388 ∙ 10−2 Вт·м2;

= 1,38044 ∙ 10−23 Дж/K (постоянная Больцмана);= 6,62 ∙ 10−34 Дж·с (постоянная Планка);

= 2,9979 ∙ 108 м/c (скорость света).

Решение уравнения Планка на максимум лучистой энергии дает закон Вина. Приближенное решение уравнения при условии

где λmax – длина волны, на которой наблюдается максимум лучистой энергии.

Закон Стефана-Больцмана

Закон позволяет рассчитать спектр собственного излучения черного тела по его температуре. Полусферическая плотность собственного лучистого интегрального потока черного тела, находящегося в термодинамическом равновесии с окружающими телами, прямо пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры.

где 0 = 5,67 Вт/м2 K4 – константа, полученная экспериментально, носящая название коэффициента излучения абсолютно черного тела.

Закон Кирхгофа

Собственное излучение любого реального тела, отнесенное к коэффициенту поглощения, равно собственному излучению абсолютно черного тела при этой же температуре:

где ε – степень черноты излучаемого тела.

Закон Ламберта

Определяет изменение энергии излучения по отдельным направлениям. Согласно этому закону, поток излучения абсолютно черного тела

264

в данном направлении, характеризуемый величиной Iφ, пропорционален потоку излучения в направлении нормали к поверхности Iн и косинусу угла между ними, то есть

В основу расчетного метода величин противопожарных разрывов между зданиями и сооружениями положена классическая теория передачи тепла (теплообмена) излучением.

Сущность задачи сводится к сопоставлению реальной (падающей) плотности теплового потока для облучаемого объекта пад с максимально допустимой плотностью для этого же объекта доп.

S

Рис. 4.16. Схема лучистого теплообмена:

F1 – излучающая поверхность, F2 – облучаемая поверхность,

dF1, dF2 – элементарные площадки на излучающей и облучаемой поверхностях, S – расстояние между центрами элементарных площадок на поверхностях

где доп – величина плотности теплового потока, вызывающая за определенный промежуток времени на облучаемом материале или конструктивном элементе достижение критической температуры, способной привести к возникновению новых очагов пожара, Вт/м2;

265

пад – величина плотности теплового потока, достигающая поверхности облучаемого элемента или конструкции, определяется для реальных размеров (максимального значения) фронта пламени на заданный момент времени, Вт/м2.

Теоретическое определение величины пад сводится к определению плотности теплового потока на поверхности диатермичного элемента 2 при излучающей поверхности 1. Схема теплообмена показана на рис. 4.16.

Разобьем излучающую поверхность 1 на бесконечное множество элементарных площадок 1, тогда [22]

Энергия 1−2, излучаемая за единицу времени поверхностью 1 в пределах пространственного угла 1 определяется по уравнению

Интенсивность излучения серого тела в нормальном к поверхности излучения направлении н выражается уравнением

где

где 1 – степень черноты излучающей поверхности;0 – константа излучения абсолютно черного тела, Вт/(м2К4); Т1 – температура излучающей поверхности, К;

и – интегральная (среднеповерхностная) плотность теплового потока, Вт/м2.

Пространственный угол определяется по уравнению

С учетом равенства (1.11) уравнение (1.13) преобразуется

266

Проинтегрировав уравнение (4.3.16) по площади 1, получим искомую величину плотности теплового потока на поверхности 2

Выражение ∫ cos 1 cos 2 1 представляет собой коэффициент облу-

2

ченности поверхностью F1 элементарной площадки на поверхности F2

Таким образом, плотность падающего на облучаемый объект теплового потока определяется как произведение интегральной плотности излучения на коэффициент облученности

Следовательно, для определения величины противопожарного разрыва между зданиями и сооружениями необходимо знать:

–допускаемую интенсивность излучения для объектов различного назначения;

–интегральную интенсивность излучения пламени при горении материалов в различных условиях;

–размеры и форму излучающих поверхностей, влияющих на коэффициент облученности.

Коэффициент облученности

Анализ уравнения (4.3.18) показывает, что коэффициент облученности является геометрическим параметром, зависящим от формы, размеров и взаимного расположения тел, участвующих в лучистом теплообмене. Так как форма и размеры пламени в реальных условиях не являются постоянными величинами, то коэффициент облученности вычисляют для приведенных излучающих поверхностей, у которых контур и размеры близки к реальным, а облучающая способность пламени одинакова со средней облучающей способностью в реальных условиях [10].

267

При определении коэффициентов облученности пользуются тремя основными свойствами лучистого потока.

Свойство замкнутости лучистых потоков состоит в том, что сумма коэффициентов облученности с поверхности F1 в сторону всех окружающих поверхностей j

Свойство взаимности лучистых потоков проявляется в том, что поток

лен в виде суммы потоков между отдельными частями m (1) и n (2) этих поверхностей:

Коэффициент облученности или угловой коэффициент определяют между излучающей поверхностью (пламенем) и площадкой на смежном объекте, площадь которой принимается равной единице.

Из уравнения (4.3.18) следует, что коэффициент облученности является функцией пространственного угла. Следовательно, любые две поверхности, имеющие различную форму, но вписывающиеся в один и тот же пространственный угол, имеют одинаковое значение коэффициента облученности. Это свойство позволяет приводить реальную форму пламени к плоским фигурам (прямоугольник, треугольник, трапеция, сектор) – проекции пламени на вертикальную плоскость, перпендикулярную направлению излучения.

Для зданий поверхность пламени приводится в прямоугольнике, разбивается на равные части и рассматривается теплообмен излучением между единичной площадкой и каждой частью условной поверхности пламени. Численное значение коэффициента облученности определяют по формуле

При этом 1, 2, 3 … определяется по номограмме, приведенной на рис. 4.17.

Для случая, когда определяется теплообмен между пламенем и элементарными площадками, размещенными на уровне земли (пожарная техника, люди), пламя разбивается на 2 прямоугольника. При этом элементарная площадка размещается симметрично по отношению к пламени (рис. 4.18, а). В этом случае

268

При определении теплообмена между двумя зданиями, пламя разбивается на 4 прямоугольника (рис. 4.18, б), тогда

φ φ1 φ2 φ3 φ4 .

Если облучаемая площадка размещена за пределами пламени, то площадь пламени увеличивают настолько, чтобы облучаемая площадка оказалась на одной из его граней (рис. 4.18, в – новая поверхность пламени ограничена пунктирными линиями), при этом

0,3

0,2

0,1

0,08

0,06

0,05

0,04

0,03

Рис. 4.17. Номограмма для определения коэффициента облученности

269

Значение коэффициента облученности можно также определить расчетом:

– для прямоугольной формы пламени

– для треугольной формы пламени (равнобедренный треугольник, поверхность принимающая излучение параллельна источнику излучения)

– для трапециевидной формы пламени (равнобедренная трапеция, поверхность принимающая излучение параллельна источнику излучения)

где D – половина основания трапеции, м; h – высота трапеции, м;

α – угол в основании равнобедренной трапеции;

= √4 2 + 2sinα,

–для пламени в форме сектора окружности (поверхность принимающая излучение параллельна источнику излучения)

где R – радиус окружности, м; α – угол сектора.

270