CC BY
36
М. Н. ГОРЯЧЕВА, канд. физ.-мат. наук, доцент, доцент кафедры инженерной теплофизики и гидравлики Академии ГПС МЧС РФ, г. Москва, Россия
С. В. ПУЗАЧ, д-р техн. наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, начальник кафедры инженерной теплофизики и гидравлики Академии ГПС МЧС РФ, г. Москва, Россия С. А. ГОРЯЧЕВ, канд. техн. наук, профессор кафедры пожарной безопасности технологических процессов Академии ГПС МЧС РФ, г. Москва, Россия
ДОАН ВЬЕТ МАНЬ, адъюнкт кафедры инженерной теплофизики и гидравлики Академии ГПС МЧС РФ, г. Москва, Россия
УДК 532.529:614.84
К ОПРЕДЕЛЕНИЮ КРИТИЧЕСКОЙ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ПОЖАРА ПО ТОКСИЧНЫМ ПРОДУКТАМ ГОРЕНИЯ
В рамках интегральной модели развития пожара в помещении проведено исследование зависимостей плотности и дозы токсичных продуктов горения от времени. Представлены результаты численного расчета данных показателей для случая горения твердых горючих материалов, расположенных в помещениях различных объемов.
Ключевые слова: пожар; токсичные газы; критическая продолжительность пожара; доза токсичного газа.
Введение
Нахождение закономерностей парциальных плотностей токсичных продуктов горения, а также их доз от времени очень важно для прогнозирования и обеспечения пожаробезопасных режимов горения в помещении.
Последствия воздействия токсичных продуктов горения на людей во время эвакуации зависят от критической продолжительности пожара, которая, в свою очередь, обуславливается концентрациями и дозами токсичных газов.
В работе проведено сравнение критической продолжительности пожара твердых горючих материалов (ТГМ), определенной традиционно по предельным концентрациям токсичных газов (оксида углерода СО и акролеина С6Н802) [1] и по предельным дозам токсичных газов.
Все представленные в работе расчеты и анализ полученных результатов выполнены в рамках интегральной математической модели развития пожара в помещении [2, 3].
Математическая модель исследования
В качестве основной системы дифференциальных уравнений, описывающих изменение среды в помещении, приняты уравнения, представленные в работах [2, 4].
Рассматривались помещения с малой проемно-стью, что позволяет предположить отсутствие по-
ступления воздуха из окружающей среды. Кроме того, в силу негерметичности помещений давление среды в них принималось постоянным, равным давлению окружающей среды р0. Газ считался идеальным с уравнением состояния:
Рm
, рт Rm Тm .
(1)
гдерт — среднее давление в помещении;
Rm, pm, Тт — соответственно газовая постоянная, среднеобъемные плотность и температура среды в момент времени t. Поскольку, как отмечалось выше, рт = const, а именно pm = p0, из уравнения состояния (1) имеем:
pm Тт РоТ0, (2)
где p0, Т0 — соответственно плотность и температура среды перед началом пожара. Уравнения пожара в помещении, выражающие балансы общей массы среды, энергии, масс кислорода и токсичного продукта горения, в указанных предположениях представлены в виде:
dp
V-
dt
= G г;
4QнРП- CpTmGг - Qw = 0;
v dp! ^л-^ Gг;
dt Р т
V dpL G г.
dt Р т
(3)
(4)
(5)
(6)
© Горячева М. Н., Пузач С. В., Горячев С. А., Доан Вьет Мань, 2012
ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №1
47
Здесь V — объем помещения; V = const; ¥ — скорость газификации горючей нагрузки; Gr — массовый расход газа, выбрасываемого через дверной проем; Qн — теплота сгорания горючей нагрузки; q — коэффициент полноты сгорания; ср — удельная массовая теплоемкость газовой среды при постоянном давлении; Qw — суммарный тепловой поток в ограждения (стены, потолок, пол); p1 — среднеобъ-емная плотность кислорода; p2 — среднеобъемная плотность токсичного продукта горения в момент времени t; Lj, L2 — стехиометрические коэффициенты соответственно кислорода и токсичного продукта горения.
Начальное условие системы уравнений (3)-(6) имеет вид:
причем
Тт (0) = To; pm (0) = po,
Р o = P o/(R oTo)--
(7)
(8)
где Я0 — газовая постоянная воздуха.
В работе дополнительно использовано соотношение
¥ = ¥уд Fr; Fr = nv2t2
(9)
где Туд — удельная скорость выгорания на единице площади поверхности пожарной нагрузки; Гг — площадь поверхности твердого горючего материала, охваченной пламенем при круговом распространении пожара;
V — линейная скорость распространения пламени по площади размещения пожарной нагрузки; I — время.
В результате интегрирования системы уравнений (3)-(6) при учете начальных условий (7)-(8) получена зависимость парциальной плотности токсичного продукта горения от времени:
Р 2 =Р *
1 -exp| -Atr
(Ю)
где р* — пороговая парциальная плотность токсичного газа;
ср Т0
р* =-- р о;
(1 - ф) 0 нр
Ф — коэффициент теплопотерь;
А = яТуУ/3;
п = 3;
В =
Ср РoTo V
л (1 - ф) 0 нр
Получаемая за время I доза токсичного газа В по определению равна:
D = Jp (т )dx.
o
(11)
В работе найдены интервалы времени достижения токсичными продуктами горения (оксидом углерода и акролеином) критических парциальных плотностей и доз, указанных в перечне опасных факторов пожара [2].
Результаты расчетов
В работе получены и проанализированы зависимости парциальных плотностей и доз токсичных продуктов горения ТГМ от времени в помещениях различного объема, а также зависимость критической продолжительности пожара, устанавливаемой по предельным значениям плотностей и доз токсичных газов, от объема помещения.
Численное решение рассматриваемой задачи проводилось с использованием пакета математических программ ЫаЛСАБ.
В ходе анализа полученных результатов исследования установлено, что время достижения предельных значений доз токсичных газов больше времени достижения предельных значений их плотностей независимо от объема помещения. То же самое справедливо и для относительных парциальных плотностей р/рпред и относительных доз В/Впре„ ток-
пред
сичных продуктов горения, для которых критерием достижения ОФП являются равенства:
р/рпред = 1; В/Впред= 1.
Предельные значения плотностей и полученных доз составляют:
• для оксида углерода СО: рпред = 0,00116 кг/м3,
•^ред = 2,76 кг'с/м3;
• для акролеина С6Н802: рпред = 10 кг/м , Впред =
= 0,0018 кг-с/м3.
Поскольку, как было отмечено выше, время достижения предельного значения доз токсичных газов больше времени достижения предельных значений их плотностей, это создает временной запас по получаемым дозам по сравнению с предельными плотностями.
Важно отметить, что время достижения предельного значения концентрации акролеина значительно меньше времени достижения предельного значения плотности оксида углерода независимо от объема помещения; то же самое имеет место и для доз акролеина и оксида углерода. Кроме того, как показали исследования, существует некоторое пороговое значение объема помещения V*, начиная с которого (т. е. при V > V*) время достижения не только предельного значения концентрации акролеина, но и предельного значения его дозы меньше времен достижения предельной плотности оксида углерода и тем более его предельной дозы. В условиях данной работы получено V* = 430 м3.
Другими словами, критическая продолжительность пожара, рассчитанная по концентрации токсич-
й п
л о
н ч
€«
в в
18 Б § §
2 I
л
§
я и о
Е о
1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2
/ > / /'
/ 7 2/ /3
/ / ' / /
/ г / У
У 4
1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2
20
40
60 80 Время, с
100 120 140
3/ /
/ // /
/ /
у 2,
_--- У - ' 4
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 Время, с
Рис. 1. Зависимость относительных плотностей р/рпреди относительных доз Б/Б^д оксида углерода СО и акролеина С6Ы8О2 от времени для помещений размером: а — 6x6x3 м, Г= 108 м3; б —12x12x6 м, V = 864 м3; 1 — р/рпред С6Ы8О2; 2 - Р/Рпред СО; 3 — Я/Л С6Ы1О2; 4 — Я/Л СО
900
800
св &
п 700
о
с
(3
и о
Й 600 и
е зоо
о §
3 200
о
£
100
По дозе СО
П о плотное: ги СО
По доз Г е С6Н802
// / По плотности с6н8о2
----------
200 400 600 800 Объем помещения, м3
1000
Рис. 2. Зависимость критической продолжительности пожара по предельным плотностям и дозам оксида углерода СО и акролеина С6Ы802 от объема помещения
ного газа, меньше критической продолжительности пожара, установленной по дозе токсичного газа, независимо от объема помещения. Критическая продолжительность пожара, определенная по концентрации акролеина, всегда меньше критической продолжительности пожара, найденной по концентрации и тем более по дозе оксида углерода, независимо от объема помещения. При увеличении объема помещения, начиная с некоторого его значения, зависящего от условий задачи, критическая продолжительность пожара, рассчитанная по концентрации и дозе акролеина, меньше критической продолжительности пожара, установленной по концентрации и дозе оксида углерода. Кроме того, различие между критическими продолжительностями пожара, определенными соответственно по концентрациям и дозам токсичных газов, для акролеина меньше по сравнению с оксидом углерода.
Анализ результатов расчета показал также, что
отношения
Р/Р
пред
Б/Б
пред /СО
р/р
пред
Б/Б
не за-
пред /С6Н8О2
висят ни от времени, ни от размера помещения, а зависят только от физических свойств ТГМ (от теплоты сгорания и стехиометрических коэффициентов реакции горения).
ев
I
к С
I ¡3
I о н И к й
В I §
0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05
2
1
-
-----
/ /
0
200
400
600
800
1000
Объем помещения, м
Рис. 3. Зависимость относительной продолжительности пожара тр /тБ для оксида углерода СО (1) и акролеина С6Ы802 (2) от объема помещения
В условиях рассмотренной задачи получено:
( р/р пре
Б/Б пред /СО
Б/Б Е
= 0,024;
= 0,011.
пРед /С6Н1О2
Расчеты проводились для твердого горючего материала, находящегося в четырех различных по размерам помещениях библиотек и архивов: 3x3x3; 6x6x3; 6x6x6 и 12x12x6 м. Все основные характе-
и
{Бви 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №1
49
ристики горючих нагрузок взяты из [2]. Принималось: неполнота сгорания л = 0,9; коэффициент теп-лопотерь ф = 0,5.
Результаты расчетов проиллюстрированы графиками зависимостей относительных плотностей р/рпред и относительных доз В/Впред оксида углерода СО и акролеина С6Н802 для двух помещений размерами 6x6x3 м (рис. 1, а) и 12x12x6 м (рис. 1, б) соответственно. На рис. 2 представлены зависимости критической продолжительности пожара, установленной по предельным значениям плотностей и получаемых доз токсичных газов, от объема помещения, а на рис. 3 — относительной продолжительности пожара тр /хВ от объема помещения.
Выводы
Модельные расчеты показали, что критическая продолжительность пожара по токсичным газам, выделяемым твердыми горючими материалами, определяется концентрацией токсичных газов независимо от объема помещения. Для сравнительной оценки критической продолжительности пожара по нескольким токсичным продуктам необходимо учитывать как концентрации токсичных газов, так и их дозы.
Следующий этап работы предполагает исследование критической продолжительности пожара горючих жидкостей по предельным концентрациям и дозам токсичных газов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Расчет необходимого времени эвакуации людей из помещения при пожаре. — М. : ВНИИПО МВД СССР, 1989.
2. Кошмаров Ю. А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении. — М. : Академия ГПС МВД России, 2000.
3. ГОСТ 12.1.004-91*. Пожарная безопасность. Общие требования. — Введ. 01.07.92. — М. : Изд-во стандартов, 1991; ИПК"Изд-во стандартов", 1996; 2002.
4. Пузач С. В. Методы расчета тепломассообмена в помещении и их применение при решении практических задач пожаровзрывобезопасности. — М. : Академия ГПС МЧС России, 2005.
Материал поступил в редакцию 14 ноября 2011 г. Электронный адрес авторов: [email protected].
Издательство «П0ЖНАУКА»
А. А. Антоненко, Т. А. Буцынская, А. Н. Членов.
ОСНОВЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ СИСТЕМ КОМПЛЕКСНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ОБЪЕКТОВ: учебно-справочное пособие / Под общ. ред. д-ра техн. наук А. Н. Членова. -М.: 000 "Издательство "Пожнаука", 2010. - 210 с.
В учебно-справочном пособии изложены основы современного подхода к проблеме комплексного обеспечения безопасности объектов хозяйствования с помощью технических средств и систем; приведены сведения о технической эксплуатации комплексных систем безопасности, а также справочно-методическая информация для решения практических задач по эксплуатации. Дано основное содержание эксклюзивной разработки — ГОСТ Р 53704-2009 "Системы безопасности комплексные и интегрированные", входящего в отраслевой комплект нормативно-технической документации по данной проблеме.
Книга предназначена для практических работников в области систем безопасности и может быть использована как учебное пособие для подготовки и повышения квалификации специалистов соответствующего профиля.
121352, г. Москва, а/я 43; тел./факс: (495) 228-09-03; e-mail: [email protected]
