Закономерности процессов тепло- и газообмена на пожаре

Основные процессы, протекающие на пожаре

Теплопроводность

Теплопроводность – процесс передачи тепла от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном соприкосновении за счёт хаотического теплового движения молекул или атомов. Преобладает при низких температурах. Определяет интенсивность тепловых потоков в твердых материалах.

Задача 1. В результате внутреннего пожара температура внутренней поверхности стены помещения толщиной 125 мм повысилась до 200оС. Какова величина теплового потока через стену, если материал стены − кирпич, сталь? Температура внешней поверхности стены равна 20 оС. Коэффициент теплопроводности кирпича − λкирп. = 0.69 Вт/(м.K), стали λстали = 45.8 Вт/(м.K).

Дополнительное задание: Рассчитать, на сколько градусов нагреется внутренняя поверхность стены помещения из силикатного кирпича толщиной 380 мм в результате внутреннего пожара, если коэффициент теплопроводности материала 0,736 Вт/(м. K), а начальная значение температуры в помещении 25 оС. Значение теплового потока через стену составляет 850 Вт.

Конвективный теплообмен

Конвективный теплообмен - распространение тепла в пространстве совокупным действием конвекции и теплопроводности.
Имеет место на всех стадиях пожара, преобладает в его начале, когда уровень теплового излучения еще не высок.
Конвективные потоки могут возникать и при изменении агрегатного состояния вещества, например, при кипении жидкости.

Конвекция – это перенос тепла в жидкостях и газах при движении макрочастиц среды (потоком вещества) за счёт градиента температуры, массы или плотности.
Конвекция бывает естественная (за счёт силы Архимеда) и вынужденная (при работе вентиляции или др. устройств).
Сила Архимеда
FA = Vвозд g (ρвозд - ρгаза), [Н]

Количественно процесс конвективного теплопереноса описывается уравнением Ньютона:
qк = αк . ΔТ. S [Вт] или
Qконв = αк ΔТ S τ [кДж]
где αк – коэффициент теплоотдачи или конвекционной теплопередачи, Вт/(м2⋅K);
ΔТ − разность температур между нагретыми газами и окружающими телами (Т − То).
При естественной конвекции αк = 5-50 Вт/(м2 К)
При вынужденной конвекции αк = 100-250 Вт/(м2 К)

Задача 2. Определить количество теплоты, сообщенной конвекцией от пламени спички в течение 10 с деревянному стержню площадью сечения 1 см2=10−4 м2 и время, за которое деревянный стержень воспламенится. Температура пламени 600 оС, поверхности стержня 20 оС. Коэффициент теплопередачи для ламинарного пламени спички αк = 30 Вт/м2.К.

Дополнительное задание: Определить коэффициент теплопередачи ламинарного пламени стеариновой свечи, значение температуры пламени которой 1300 оС, деревянному стержню площадью сечения 10 см2, если известно, что количество теплоты, переданное деревянному стержню, составило 500 кДж, исходная значение температуры стержня 20 ºС.

Передача тепла на пожаре излучением

Излучение (лучистый теплообмен) – это перенос тепла посредством электромагнитных волн видимой и инфракрасной части спектра (0,4–100 мкм)
Не требует промежуточной среды между источником и приемником тепла.
Преобладает при высоких температурах, а также если диаметр очага пожара больше 0,3 м.
Большая часть излучения испускается мельчайшими частицами сажи, образующимися почти во всех диффузионных пламенах. Основным источником теплового излучения является дым

Количество излучаемого тепла определяется по уравнению Стефана-Больцмана:
qл = ε ⋅σ ⋅Т4⋅S [Вт/м2]
где ε - степень черноты излучающего тела (εсажи = 0,96; εстали = 0,066 и т.д.)
σ = 5,67 10-8 Вт/(м2 К4) – постоянная Стефана-Больцмана

Задача 3. Какова величина теплового потока, передаваемого излучением от нагретой поверхности площадью 2 м2 при температуре 100оС, 1200оС, на расстоянии 1 м, 7м? Степень черноты поверхности ε = 0.9, температура окружающей среды 20оС.

Задача 4. В процессе развития пожара в помещении среднеобъемная температура через 5 мин cоставила 100 оС, а через 20 мин. 700 оС. Как изменится доля радиационной составляющей теплопереноса к холодной стенке помещения (20 оС)? Принять коэффициент теплопередачи конвекцией равным 10 Вт/м2. Степень черноты пламени 0.8.

Дополнительное задание: На каком расстоянии от пламени мазута (значение температуры пламени 980 оС, степень черноты 0,93), горящего в резервуаре диаметром 6 м, значение лучистого теплового потока составляет 1050 кДж, угол падения тепловых лучей 0о.

Основные закономерности газообмена

Количественная характеристика газообмена - его интенсивность Iг - отношение массы воздушного потока, входящего в помещение, к площади пожара.
Это масса воздуха ( ), поступающего в единицу времени на единицу площади пожара (Sп),
кг/ (с м2)

Плоскость, в которой избыточное давление будет равно нулю - плоскость равных давлений или нейтральная зона (H3).

Положение нейтральной зоны относительно проема :
где Н − высота проема, м;
f1 и f2 - площади приточных и вытяжных отверстий, м2

Если нижняя отметка проема находится на расстоянии С от пола, то:

Коэффициент избытка воздуха

Для экспериментальных и оценочных расчетов α определяют по процентному содержанию кислорода в продуктах горения:

Задача 5. Рассчитать требуемый расход воздуха при горении в помещении ацетона в емкости диаметром 1,5 м, если приведенная массовая скорость выгорания 0,1 кг/(м2с). Температура окружающей среды 20 0С, давление нормальное.

Задача 6. Определить площадь пожара Sп в помещении, при которой среднеобъёмная концентрация кислорода в продуктах горения достигнет 16%. Фактический расход поступающего воздуха Gв составляет 1,6 кг/с, приведённая массовая скорость выгорания vмпр равна 0,06 кг/(м2с), теоретический объём воздуха Vв0 - 4,2 м3/кг, плотность воздуха ρв - 1,2 кг/м3.

Дополнительные задачи:
1. Определить положение плоскости равных давлений при пожаре в помещении если температура наружного воздуха 10°С, температура пожара 340°С, высота оконного проёма равна 1,5 м.
2. Оценить среднеобъёмную температуру газовой среды внутри помещения, если газообмен протекает через один дверной проём, высотой 2,2 м. Высота плоскости равных давлений 1,0 м, температура воздуха 25°С.
3. Определить среднеобъёмную концентрацию кислорода в продуктах горения, если фактический расход воздуха, поступающего в помещение, равен 1,4 кг/с, требуемый - 0,45 кг/с.

Параметры пожара

Площадь пожара, Sп (м2) - площадь проекции зоны горения на горизонтальную или вертикальную плоскость.
а – при горении жидкости в резервуаре;
б – при горении штабеля пиломатериалов;
в – при горении газонефтяного фонтана

Площадь поверхности горения SПГ –реальная площадь горючего, которая участвует в горении.
т.е. выделяет горючие газы при пиролизе или испарении, а также взаимодействует с окислителем в гетерогенном режиме.

Линейная скорость распространения пожара (горения), Vл (м/с) – это путь, который проходит фронт пламени по поверхности горючего материала в единицу времени.
Линейная скорость распространения пожара определяет его площадь.
Vг > Vж > Vтв

Скорость выгорания горючих веществ и материалов - определяет интенсивность тепловыделения и температуру пожара, интенсивность его развития и др. параметры.
Массовая скорость выгорания (абсолютная) - масса вещества или материала, выгоревшая (перешедшая в газообразное состояние) в единицу времени VM (кг/с).
Зависит от агрегатного состояния вещества или материала.
Для твердых горючих материалов зависит от отношения площади проемов (Sпр), через которые осуществляется газообмен, к площади пожара Sпр/Sп.
Например, для древесины при уменьшении площади проемов скорость выгорания снижается.
Перевод объемной (линейной) скорости в массовую осуществляется по формуле:
Vм = Vл ⋅ρ

Задача 7. Определить массовую скорость выгорания материала при площади пожара 10 и 20 м2, если табличное значение приведенной массовой скорости выгорания 0,014 кг/(м2с).

Задача 9. Определить интенсивность тепловыделения на пожаре при горении материала, имеющего низшую теплоту сгорания 14000 кДж/кг, если табличное значение приведенной массовой скорости выгорания равно 0,02 кг/(м2с), площадь пожара − 10 м2, коэффициент полноты сгорания – 0,8.

Задача 10. На сколько опустится уровень мазута в резервуаре за τ = 28 минут горения. Плотность (ρ) мазута составляет 940 кг/м3, удельная массовая скорость выгорания равна 0,035 кг/(с⋅м2).

Задача 11. Определить уровень нижней границы гомотермического слоя (h) при горении нефти в резервуаре. Начальный уровень жидкости H = 10 м, время горения τ = 40 мин. Плотность данной нефти ρ = 750 кг/м3, приведенная массовая скорость выгорания =0,045 кг/с∙м2, скорость нарастания гомотермического слоя 7∙10-4 м/с.
Решение:
Глубина, на которую опустится нижняя граница гомотермического слоя за время горения, складывается из толщины выгоревшего слоя нефти ΔH и толщины самого слоя δ (рис 3).
Тогда h = Н – (ΔН + δ).
ΔН = τ·υл, м;
δ = τ·υгтс, м.
Здесь υл – линейная скорость выгорания; υл = υмуд/ρ = 0,045/750 = 6·10-5, м/с.
Получаем:
h = H – τ(υл + υгтс);
h = 10 - 40·60· (6·10-5+ 7·10-4) = 10 – 2 = 8,176 м.
Ответ: уровень нижней границы гомотермического слоя при горении нефти в резервуаре равен 8,2 м.

Основным фактором, определяющим параметры пожара, является вид и величина пожарной нагрузки.
Пожарная нагрузка – это энергия, которая выделяется при горении веществ.
g = β ⋅ Qн ⋅ mгв,
Удельная пожарная нагрузка
g = Σ (β ⋅ Qн ⋅ mгв)/S

Рг.н. − горючая нагрузка;
– масса горючих и трудногорючих материалов, кг;
S - площадь пола помещения или открытой площадки, м2 .
Горючая нагрузка - масса всех горючих и трудногорючих материалов, приходящихся на 1 м2 площади пола помещения, или площади, занимаемой этими материалами на открытой площадке:
,

Горючая нагрузка делится на постоянную (горючие и трудногорючие материалы, технологическое оборудование) и временную (сырье, готовая продукция).
Общая горючая нагрузка помещения - сумма постоянной и временной нагрузки: Робщ = Рпост + Рврем

Задача 12. Определить удельную горючую нагрузку (pГН) и удельную пожарную нагрузку (g) в помещении площадью (S) 12 м2. Пол в помещении выложен деревянным паркетом толщиной h, равной 2 см. Плотность древесины ρДР, из которой изготовлен паркет, составляет 450 кг/м3. В помещении имеется следующая мебель: деревянный шкаф массой 80 кг, стол – 30 кг, два стула по 7 кг каждый, диван массой 95 кг, состоящий из 70% древесины, 20% пенополиуретана и 10% кожи. Низшая теплота сгорания (QНi) древесины составляет 16,5 МДж/кг, пенополиуретана – 24, 52 МДж/кг и кожи – 21,52 МДж/кг