CC BY
25
УДК 614.841; 662.312; 536.37
Р. Ш. Еналеев, Э. Ш. Теляков, А. Ф. Габидуллин, В. С. Гасилов, О. А. Тучкова
КОМПЛЕКСНЫЙ МЕТОД ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПОРАЖЕНИЙ
Ключевые слова: пожар, тепловое поражение, пороговый импульс, модели кожи.
Проведен анализ критериев теплового поражения. Обоснована математическая модель процесса теплопередачи в кожном покрове биообъекта. Предложен комплексный метод прогнозирования термических ожогов с применение экспериментальных значений порогового импульса и теоретических расчетов критических значений температуры основного слоя кожи.
Keywords: fire, thermal injury, threshold impulse, skin models.
The analysis of criteria of thermal defeat is conducted. The mathematical model of heat transfer process in bioobject's skin is proved. The integrated method on predicting of thermal burns is offered using the experimental values of a threshold impulse and theoretical calculations of critical values of temperature in base layer of skin.
Введение
Одним из основных источников опасности на современных нефтехимических предприятиях является аварийный выброс пожаровзрывоопасных веществ в атмосферу. Наиболее вероятными причинами такого выброса может быть разгерметизация технологического оборудования, резервуаров, трубопроводов, средств
транспортировки и хранения углеводородов. Воспламенение образующейся топливовоздушной смеси может протекать как во взрывном режиме, так и в режиме медленного горения.
Аварийные ситуации, связанные с разгерметизацией оборудования и возникновением пожаров, могут иметь катастрофические последствия для окружающей среды, обслуживающего персонала и населения рядом расположенных жилых территорий. Разработка мероприятий по обеспечению пожарной безопасности таких объектов в соответствии с действующим законодательством [1] должна базироваться на научно обоснованных методиках количественной оценки риска пожарной опасности, устанавливающих соответствие реальных рисков законодательно установленному предельному значению.
Опасными факторами на пожароопасных объектах являются воздействие открытого пламени (пожар-вспышка), радиационно-конвективный
нагрев, тепловое излучение (огненные шары). Воздействие теплового излучения от высокотемпературных продуктов химических реакций на окружающие объекты может вызвать тепловое поражение человека, возгорание горючих материалов, потерю прочности и устойчивости конструкций.
При тепловом поражении людей возникает необходимость оказания безотлагательной помощи пострадавшим путем оперативного проведения организационно-технических мероприятий в условиях острого дефицита времени.
Такая информация может быть получена на основе компьютерного моделирования сложных физико-химических сопряженных процессов тепло-и массообмена в системе «тепловой источник -
материал покровного слоя - пакет одежды - кожный покров биообъекта» с применением программно-вычислительных комплексов в режиме online.
Комплекс теоретических моделей и программ для прогнозирования критических условий теплового воздействия опасных факторов пожара на человека по имеющимся данным отсутствует.
Таким образом, разработка научно обоснованных методов прогнозирования опасности высокоинтенсивного нагрева человека, как при проектировании пожароопасных объектов, так и в аварийных ситуациях является актуальной социально-экономической проблемой.
Пороговый импульс поражения биообъекта
Проблема количественной оценки теплового поражения людей возникла после первых испытаний атомного оружия. Впервые зависимость плотности теплового потока от времени воздействия на открытые участки кожного покрова, вызывающего ожоги II степени с вероятностью 0,5, получена A. Stoll [2].
пламенем
I_J_L--L,-1-1-J---1_I---J_L-1-Lo i z з 4 5 e i e a io 11 к
I' |t-i ;i >1.i ПОЗИЦИИ ■. I
Рис. 1 - Зависимость плотности облучения от времени экспозиции излучения или контакта с пламенем при термических ожогах
В таблице 1 представлены экспериментальные данные по значениям порогового импульса при воздействии различных термических агентов.
Таблица 1 - Пороговый импульс, вызывающий ожог II степени с вероятностью 50%
Источник информации Объект исследования Механизм нагрева биообъекта Значение порогового импульса*, кал/см2
Время нагрева, с
5.6 12.0 20.0 40.0
Eisenberg N.A. [3] Кожный покров человека Излучение 2.17 2.62 3.02 3.61
Stoll A.M. [2] Кожный покров человека Излучение 2.20 2.60 3.00 3.55
Behnke W.P. [4] Имитатор кожи под одеждой Конвекция + излучение 1.95 2.40 2.90 3.56
Enalejev R.Sh. [5] Молочные поросята Контактная тепло-провод-ность 2.15 2.65 3.04 3.60
ГОСТ Р 12.3.0472012 [6] - - - 3.46 - 5.24
* Приведено к общей системе единиц, принятых рядом авторов, для удобства сравнения
В зарубежных стандартах и методиках функция на рис. 1 представляется в виде зависимости порогового импульса Р, равного произведению плотности теплового потока на время его воздействия, от времени, как показано на рис. 2.
у. кал см2 г,в
2,4
2.2
г
1.3 1,6
1,1 1,'
1
1
\
£
/
о 2 4 6 а- 10 12 14 16 18 20 22 24 Т,С
Рис. 2 - Зависимость порогового импульса от времени воздействия постоянного теплового источника для ожогов второй степени с вероятностью 0,5: 1 - опытные данные по [2], 2 -по [7], 3 - расчетные данные авторов [8]
Как видно из данных табл. 1 и рис. 2, пороговый импульс зависит от времени воздействия теплового потока. Результаты экспериментальных данных положены в зарубежные стандарты [9, 10] («кривая Столл»).
Однако в зарубежных стандартах [11, 12] при сравнительных испытаниях пакетов материалов одежды от воздействия открытого пламени и
теплового излучения в качестве критерия поражения используется определенное значение приращение температуры имитатора кожи. В качестве имитатора применяется медный калориметр толщиной 1,6 мм. За критерий поражения принимается ожог II степени с неизвестной вероятностью при приращении температуры имитатора кожи на 24±0,20С.
Данный метод может быть использован только для сравнительных испытаний. Во-первых, постоянное приращение температуры калориметра соответствует постоянному импульсу. А он, как отмечено выше, зависит от времени экспозиции. Во - вторых, данный метод не прогнозирует вероятностей возникновения ожогов как II, так и других степеней тяжести.
Очевидно, для обоснования метода прогнозирования вероятностей термического поражения различной степени тяжести необходимо рассматривать детерминированные модели процесса теплопередачи в структурных слоях кожного покрова и вероятностные модели пробит-анализа.
Теоретические модели
Для расчета температурного профиля во всех структурных солях кожи Пеннес [13] впервые предложил модель на основе классического закона Фурье:
ЯТ Я 2 т
СР дГ бХ^ "(ср)ь ^(Т " Т0} + Чте( + Чех( (1)
где с, р, X - теплоемкость, плотность, коэффициент теплопроводности структурных слоев кожи, (ср)^ -объемная теплоемкость крови, Ма - скорость кровотока в артериях.
Значения коэффициентов выбирались из зарубежных источников. Зависимость
коэффициента теплопроводности от температуры первого структурного слоя принималась по литературным данным, а второго и третьего слоя-идентифицировались в вычислительном
эксперименте.
В правой части закона сохранения энергии для дифференциального объема кожного покрова первое слагаемое представляет собой перенос энергии теплопроводностью, второе - конвекцией потоком крови через артерии, капилляры и вены, третье - генерацию тепла метаболизмом, четвертое -объемный источник энергии от внешнего электромагнитного.
В [5] впервые предложена детерминированная модель, в которой переменную интенсивность съема тепла кровотоком предлагается моделировать введением
эффективного коэффициента теплопроводности, зависящего от температуры, и идентифицировать его значение в вычислительном эксперименте:
c dT(x, т) _ д Л дТ(х, т)
дт дх ^ i дх
i _ 13
+ Qi - Q2
где I - количество слоев, О; - теплоемкость, Дж/кг/К; р; - плотность, кг/м3; Х| - коэффициент теплопроводности материала конструкции, Вт/м/К; О^ - источник генерации тепла за счет поглощения и рассеяния энергии фотонов, Дж/м3/сек; О 2 - съем
тепла за счет кровотока, Дж/м3/сек.
Модель (2) позволяет рассчитывать нестационарное температурное поле во всех структурных слоях кожи, в том числе и в основном слое. Как показали результаты вычислительного эксперимента, независимо от скорости нагрева ожог с заданной вероятностью возникает тогда, когда на глубине 0,36 мм от поверхности кожи принимает однозначное критическое значение.
В медицинской статистике для прогнозирования вероятностей поражения биообъектов от воздействия вредных веществ, ударной волны, термических агентов и других поражающих факторов применяются линейные функциональные зависимости между «дозой» и «эффектом», называемые пробит-функциями. В вероятностных моделях в качестве «дозы» обоснован логарифм индекса облучения, равный произведению постоянной плотности теплового потока в степени 4/3 на время экспозиции, а в качестве эффекта - степень и вероятность ожога.
Комплексный подход
При прогнозировании вероятностей тепловых поражений различных степеней тяжести предлагается комплексный подход. Идея подхода основана на сопряжении результатов расчета температурного поля кожных покровов биообъекта по теоретической детерминированной модели и прогнозировании вероятностей возникновения поверхностных (I и II степеней) ожогов с применением пробит-функций. Алгоритм сопряжения состоит из последовательности следующих этапов. В качестве примера в табл. 2 приводятся значения термодинамических параметров [14] при воспроизведении термических ожогов с вероятностью 0,5.
На первом этапе по экспериментальным данным (рисунок 2) определяется пороговый импульс, вызывающий ожоги II степени с вероятностью 0,5 (строка 1 таблица 2). На втором -рассчитывается индекс порогового импульса (строка 1 таблица 2). На третьем - с помощью инструментального метода [11, 12] определяется время достижения максимальной температуры имитатора кожи и ее значение.
Практическая реализация предлагаемого подхода заключается в сохранении инструментария зарубежных стандартов с помощью разработки автоматизированного устройства со сменяемыми модулями для имитации воздействия открытого пламени, теплового излучения их комбинации. Научная новизна подхода состоит в возможности прогнозирования вероятностей термического ожога по измеренной температуре имитатора кожи и времени ее достижения.
Таблица 2 - Сравнение критических значений термодинамических критериев при
воспроизведении термических ожогов II степени с вероятностью 0,5
№ строки Термодинамичес -кие критерии Время нагрева биообъекта или имитатора кожи, с
2 6,7 10 21 30
1 Пороговый импульс по [2, 7] Q = q-т, кал/см2 1,5 2,05 2,276 2,7 2,95
2 Индекс порогового импульса I = ч4/3% (кДж/м2)4/3, с по [15] 198 201 201 198 198
3 Приращение температуры имитатора кожи по [11, 12] 11,4 15,6 17,26 20,5 22,4
Предлагаемый комплексный метод прогнозирования вероятностей тепловых поражений может увеличить достоверность данных при прогнозировании пожарной опасности пакета одежды [15].
Литература
1. Федеральный закон РФ от 22.07.2008 г. № 123-Ф3 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности». Принят ГД ФС РФ от 04.07.2008 г.
2. Stoll A.M. Relationship between pain and tissue damage due to thermal radiation / A.M. Stoll, L.C. Greene // J. Appl. Physiol. 1959. Vol. 14. - P. 373.
3. Eisenberg N.A, Lynch C.J, Breding. Vulnerabiliti model: A simulation system for assessing damage resulting marine spills. U.S. Burean of mines, R1 3867, Feb. 1946. 167 p.
4. Behnke W.P. Predicting Flash Fire Protection of Clothing from Laboratory Test Using Second-degree Burn to Rate Performance / W.P. Behnke // Fire and materials. Vol. 8. 1984. - P. 53 - 63.
5. Enalejev R. Sh., Kachalkin W.A. Mathematical Sumulation of Heat and Mass Transfer Process in Skin Cover at Burn Injury. Annals of the NewYork Academy of Science, 1998. -Vol. 858. - P. 30 - 35.
6. ГОСТ Р 12.3.047-2012 «Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля».
7. J. Randall, Lawson. Fire fighter's protective clothing and thermal environments of structural fire fighting // National institute of stanalards and technology, Gaithersburg, MD 20899. - August 1996. - P. 1 - 22.
8. Еналеев Р.Ш., Теляков Э.Ш., Закиров А.М. и др. Методы оценки теплового поражения людей в чрезвычайных ситуациях / Р.Ш. Еналеев, Э.Ш. Теляков, А.М. Закиров и др. // Безопасность жизнедеятельности. -2009. - № 9. - С. 30-36.
9. ASTM Standard D 4108. Standard test method for thermal protective рerformance of material for clothing by open flame method. // American society for testing and materials. - Philadelphia, PA. 1994.
10. International Organization for standardization. Clothing for protection against heat and flame -determination of heat transmission on exposure to both flame and radiant heat // ISO Standard 17492. - Geneva, Switzerland. 2003.
11. ISO 6942:2003 «Textile fabrics - Burning behaviour -Evaluation of materials and material assemblies when exposed to a source of radiant heat».
12. ISO 9151:1995. «Protectiv clothing against heat and flame: determination of heat transmission on exposure to flame».
13. Pennes, H.H. Analysis of tissue and arterial blood temperatures in the resting human forearm / H.H. Pennes // J. Appl. Physiol.V.1, 1948. - P. 3 - 122.
14. Еналеев Р.Ш., Закиров А.М., Чистов Ю.С., Теляков Э.Ш. Термодинамические критерии теплового поражения человека в техногенных авариях / Р.Ш. Еналеев, А.М. Закиров, Ю.С. Чистов, Э.Ш. Теляков // Вестник Казанского технологического университета. -2012. - Т. 15. - № 17. - С. 50-55.
15. Еналеев Р.Ш., Красина И.В., Сабирзянова Р.Н., Габидуллин А.Ф. Прогнозирование пожарной опасности пакета одежды / Р.Ш. Еналеев, И.В. Красина, Р.Н. Сабирзянова, А.Ф. Габидуллин // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17. - №14. -С. 157 - 161.
© Р. Ш. Еналеев - к.т.н., доцент, старший научный сотрудник кафедры плазмохимии и нанотехнологии высокомолекулярных соединений КНИТУ, firepredict@yandex.ru; Э. Ш. Теляков - д.т.н., профессор кафедры машин и аппаратов химических производств КНИТУ, tesh1939@mail.ru; А. Ф. Габидуллин - соискатель, главный констркутор завода «Промметаллконструкции», г. Нижнекамск, gaf@jandex.ru; В. С. Гасилов - к.т.н., доцент кафедры промышленной безопасности КНИТУ; О. А. Тучкова - к.т.н., старший преподаватель кафедры промышленной безопасности КНИТУ, touchkova-o-a@mail.ru.
© R. S. Enalejev - Ph.D., associate Professor, senior researcher of the Department of plasma chemistry and nanotechnology macromolecular compounds KNRTU; E.Sh. Telyakov - doctor of technical Sciences, Professor of the Department of machines and equipment of chemical plants KNRTU; A.F. Gabidullin - the applicant, the chief constructor plant «Prommetallkonstruktsiya», Nizhnekamsk; V. S. Gasilov - Ph.D., associate Professor of industrial safety KNRTU; О.А. Tuchkova - Ph.D., senior lecturer of the Department of industrial safety of KNRTU.
