НОВЫЙ ПОДХОД К РАСЧЁТУ ВРЕМЕНИ БЛОКИРОВАНИЯ ПУТЕЙ ЭВАКУАЦИИ МОНООКСИДОМ УГЛЕРОДА ПРИ ПОЖАРЕ В ПОМЕЩЕНИИ Текст научной статьи по специальности «Математика»

УДК 614.841 DOI 10.25257/FE.2018.1.5-12

ПУЗАЧ Сергей Викторович

Доктор технических наук, профессор Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: [email protected]

НГУЕН Тат Дат

Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: [email protected]

НОВЫЙ ПОДХОД К РАСЧЁТУ ВРЕМЕНИ БЛОКИРОВАНИЯ ПУТЕЙ ЭВАКУАЦИИ МОНООКСИДОМ УГЛЕРОДА ПРИ ПОЖАРЕ В ПОМЕЩЕНИИ

Авторами статьи предлагается новый теоретико-экспериментальный подход к расчёту времени блокирования путей эвакуации монооксидом углерода (СО) при пожаре в помещении. Разработанный подход позволяет учесть реальные свойства горючих материалов, находящихся в помещении, а также характеристики процесса дыхания и поглощения СО организмом человека во время его эвакуации. Показано, что использование существующего метода расчёта может привести к качественно и количественно некорректным результатам по определению возможности безопасной эвакуации людей для конкретных объёмно-планировочных решений зданий и сооружений.

Ключевые слова: пожар, моделирование, интегральная модель, монооксид углерода, карбоксигемоглобин, эвакуация, спасение.

Отравление продуктами горения является основной причиной гибели людей на пожарах [1-3], поэтому математическое моделирование распространения токсичных продуктов горения является актуальной задачей [4].

Время блокирования путей эвакуации токсичным продуктом горения равно промежутку времени от начала пожара до момента времени достижения плотностью этого газа её критического для человека значения на высоте рабочей зоны путей эвакуации.

Математические модели расчёта плотностей токсичных продуктов горения в помещении достаточно развиты для решения практических задач пожарной безопасности, в частности, расчёта пожарных рисков [5-9]. Однако исходные данные по образованию и критическим концентрациям токсичных продуктов горения носят приближённый характер и не отражают реальную термогазодинамическую картину пожара в помещении.

Как показано в работах [10, 11], допущение о том, что удельные коэффициенты выделения токсичных газов постоянны и не зависят от параметров, характеризующих термогазодинамическую картину пожара в каждый момент времени (концентрация кислорода, температура и т. п.) [4, 8], может привести к значительному снижению точности расчётов. В вышеуказанных работах показано, что величины удельных коэффициентов выделения СО значительно изменяются по времени с начала горения и их средние величины существенно зависят от периода осреднения по времени испытаний.

В статьях [10, 11] предложен новый подход к расчёту плотностей токсичных продуктов горения,

который заключается в определении среднеобъёмных плотностей токсичных газов в каждый момент времени по их экспериментальным зависимостям от средне-объёмной температуры, полученным в разработанной экспериментальной установке. Однако точность метода расчёта в работах [10, 11] в значительной степени зависит от погрешности определения коэффициента теплопотерь в экспериментальной мелкомасштабной установке и в реальном полномасштабном помещении.

Для устранения этого недостатка в статье [12] с использованием экспериментальных данных, полученных на мелкомасштабной установке [10, 11], предложен другой подход, в котором используются экспериментальные зависимости среднеобъёмных плотностей токсичных газов от среднеобъёмной плотности кислорода. При этом нет необходимости определять коэффициент теплопотерь и решать дифференциальные уравнения законов сохранения масс токсичных газов.

В работе [13] показано, что принятая в научной [8] и нормативной (Методика определения расчётных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности, 2009) литературе по пожарной безопасности величина критической плотности монооксида углерода рСОкр = 1,16-10-3 кг/м3 может сделать невозможной при определённых условиях безопасную эвакуацию людей. В статье [13] предложен новый подход к определению критической плотности СО, заключающийся в расчёте содержания карбоксиге-моглобина (ИЬСО) в крови человека и позволяющий рассчитывать не только безопасное время, но и необходимое время спасения людей.

© Пузач С. В., Нгуен Тат Дат, 2018

5

В настоящей статье предложен новый метод расчёта времени блокирования путей эвакуации СО при пожаре в помещении, основанный на результатах работ [10-13]. Проведено сравнение результатов расчёта вышеуказанного времени, выполненного с использованием разработанного и существующего [5, 8] подходов, при существенно различающихся размерах полномасштабных реальных помещений объектов энергетики (гидро- и тепловые станции).

математическая модель расчёта среднеобъёмной плотности монооксида углерода в помещении

Зависимость среднеобъёмной плотности СО от среднеобъёемной температуры при ф = = const равна [10, 11]:

лорода, кг/м3; ¿^ - удельный коэффициент поглощения кислорода [8].

Основным достоинством предложенной формулы (2) по сравнению с выражением (1) является отсутствие необходимости экспериментального или теоретического определения коэффициента теплопо-терь ф. Однако для помещения с открытыми проёмами нарушается подобие между концентрационными полями СО и О2, так как через проём кислород поступает в помещение, а концентрация монооксида углерода в наружном воздухе равна нулю, поэтому в этом случае выражение (2) требует уточнения.

математическая модель расчёта критических времён воздействия монооксида углерода на человека

Рсоср = Р* LC

(1) ассовая доля HbCO в крови при изменя-

где рСОср - среднеобъёмная плотность СО, кг/м3; р* = ляет [13]:

емой по времени плотности СО состав-

К

= характерная плотность, зависящая только от схемы термогазодинамической картины пожара, тепло-физических параметров пожара и горючего материа-

М„

Мн

мн

Цнь

лЦоо

+ 1

Jpco^.

(3)

ла, кг/м3; ¿СО - удельный коэффициент выделения где мньсо =—- массовая доля гемоглобина, пере-СО [8]; К = /(т , тв, ф) - коэффициент пропорциональности между среднеобъёмной плотностью ток- шедшего в НЬСО; Мньсо - масса НЬСО, г; Мнь - масса сичного газа гемоглобина, г; Щ - объёмная скорость вентиляции

лёгких, л/мин; т - время от начала пожара, с; кп -коэффициент, равный отношению объёмного расхода воздуха, поступающего в альвеолы легких, к объёмной скорости вентиляции лёгких; цНЬ - молекулярная масса гемоглобина, кг/кмоль; цСО - молекулярная масса СО, кг/кмоль; п - число молекул СО в одной молекуле НЬСО; рСО - локальная плотность СО на уровне органов дыхания человека, кг/м3;

При рассмотрении критического времени воздействия СО, которые соответствуют следующим степеням тяжести отравления [14]:

- ткр1 лёгкое отравление (Мньсо = 0,2);

- ткр2 среднетяжёлое отравление (Мньсо = 0,5), принимается, что:

- критическое время ткр1 определяет время безопасной эвакуации людей по воздействию СО при пожаре;

- критическое время ткр2 характеризует промежуток времени от начала пожара, после которого люди, находящиеся в помещении без средств защиты от СО (самоспасатели и т. п.), с большой вероятностью неспособны самостоятельно покинуть помещение.

Критическое время ткр3 по существующей методике [5, 8] определяется как и ткр1 и равно промежутку времени от начала пожара до момента достижения плотности СО её критического значения рСОкр = 1, 16-10-3 кг/м3 на высоте рабочей зоны помещения.

^о п . 3 „ 2,5-ю5 (гср-г.) и отношением -^г, Дж/м3; К = —.-г---- - для

ч? (1-ф) тв

„ 3,51 о5 (^-7;)

условно герметичного помещения; л = -———- -

для помещения с открытым проёмом; - низшая рабочая теплота сгорания горючего материала, Дж/кг; Тср - среднеобъёмная температура газовой среды, К; тв - температура воздуха в помещении перед пожаром, К; ф - коэффициент теплопотерь, равный доле теплоты, выделившейся в очаге горения и поступающей в ограждающие конструкции помещения из всего объёма помещения.

Полученная формула (1) не содержит геометрических размеров помещения и поверхностей горючих материалов и, следовательно, является справедливой в условиях как мелкомасштабного, так и крупномасштабного пожара в помещении.

Зависимость плотности СО от плотности кислорода (О2) в условно герметичном помещении в каждый момент времени от начала горения имеет вид [12]:

РсОср ~~ ,С° (Ро^в Ро^р)'

(2)

где р0гВ - плотность кислорода в атмосферном воздухе, кг/м3; р02ф - среднеобъёмная плотность кис-

метод расчета времени блокирования путей эвакуации монооксидом углерода

П

редложенный метод расчёта времени блокирования путей эвакуации СО при использовании интегральной модели расчёта динамики ОФП проводится следующим образом:

- определяется расчётная зависимость от времени среднеобъёмной температуры (тср = /(х)) или среднеобъёмной плотности О2 ( р0гСр = /(т));

- находится зависимость среднеобъёмной плотности СО от времени с использованием экспериментальных зависимостей (рСОср = /(т ) или рСОср = =/(Ро2ср)), полученных в мелкомасштабной экспериментальной установке [10, 11];

- определяется зависимость локальной плотности СО от времени на уровне рабочей зоны путей эвакуации с помощью коэффициента неравномерности концентрационных полей по высоте помещения [8];

- по величине локальной плотности СО рассчитывается накопление по времени массовой доли НЬСО в крови человека с использованием уравнения (3);

- по достижению массовой долей НЬСО величины, соответствующей отравлению лёгкой или средней степени тяжести, определяется, соответственно, безопасное время эвакуации ткр1 или спасения ткр2.

В случае использования зонной модели средне-объёмные величины температуры и плотностей О2 и СО относятся к зоне припотолочного слоя.

В таблице 1 приведены основные положения существующего [5, 8] и предложенного подходов к расчёту времени блокирования путей эвакуации монооксидом углерода.

В научной литературе отсутствуют экспериментальные данные по одновременно измеренным полям температур и концентраций СО и О2 в полно -масштабных помещениях, которые позволяют обрабо-

Таблица 1 Основные положения существующего и предложенного подходов к выполнению условия безопасной эвакуации и спасения людей по воздействию монооксида углерода

Параметры монооксида углерода (СО) Среднеобъёмная плотность

Работы [5, 8] Работы [10, 11] Работа [12]

Исходные данные** ¿СО - -

Расчётная зависимость Уравнение закона сохранения массы СО в помещении РСОср = /(V РСОср = ЛРоъср)*

Критическое значение СО

Работы [5, 8 ] Работа [13]

Эвакуация РСОср = 1,16-10-3 кг/м3 4<ьсо = 0,2

Спасение - Дйсо = 0.5

Примечания:

* - из эксперимента;** - остальные исходные данные совпадают.

тать результаты в виде зависимостей рСОср = /(т ) или РСОср = /(Ро2сР). Для этого авторы данной статьи провели численные эксперименты в целях сравнения результатов расчётов рСОср по формулам (1) и (2), а также с использованием полных систем уравнений интегральной и зонной моделей [15] для типовых помещений гидро- и тепловых станций (ТЭС и ГЭС).

Также для указанных выше помещений авторы настоящей статьи произвели сравнение времён блокирования путей эвакуации СО по существующему [5, 8] и предложенному методам расчёта.

исходные данные для численных экспериментов

Были рассмотрены типовые помещения ТЭС и ГЭС Вьетнама:

- ГЭС «Лай Чау» (Lai Chau): кабельный зал 35x25x5,5 м;

- ТЭС «Тхай Бинь» (Thai Binh): кабельный тоннель 30x2x3,1 м.

В качестве горючего материала использовали оболочку кабелей ПВХ [8]:

с?нр = 25 МДж/кг;

ууд = 0,0244 кг/(м2-с);

w = 0,0071 м/с;

¿CO = 0,1°9;

Ч = 2,19,

где ууд - удельная массовая скорость выгорания горючего материала, кг/(м2-с); - линейная скорость распространения пламени по поверхности материала, м/с.

Критическое значение плотности СО по существующим методикам расчёта равно рСОк = = 1,16-10-3 кг/м3 [8].

При спокойном дыхании, когда нет дополнительных воздействий на дыхательный центр, для взрослого человека были приняты следующие показатели [14]:

- вес 75 кг;

- объёмная скорость вентиляции лёгких Ж = = 5,25 л/мин,

- коэффициент, равный отношению объёмного расхода воздуха, поступающего в альвеолы легких, к объёмной скорости вентиляции лёгких кЖ = 0,7.

Диффузионная способность лёгких по СО равна [16]:

- при спокойном дыхании

ЮлСО = 20 мл/(мм рт.ст. • мин);

- при физической нагрузке

ЭлСО = 60 мл/(мм рт.ст. • мин).

Принимается в качестве условия, что в организме взрослого человека средняя удельная масса

гемоглобина равна 135 г/л, средний объём крови составляет 5,25 л, средняя масса гемоглобина в крови человека - 708,8 г [17].

Молекулярная масса гемоглобина составляет цНЬ = 68 800 кг/кмоль [17], для СО - цСО = 28 кг/кмоль.

результаты численных экспериментов и их анализ

П

1

3

4

ри расчёте с использованием полной системы уравнений интегральной модели [15] коэффициент теплопотерь ф в отличие от формулы (1) не задается постоянным, а определяется в процессе расчёта с использованием уравнения теплопроводности внутри ограждающей конструкции.

Зависимости среднеобъёмной температуры от времени с начала пожара представлены на рисунке 1; зависимости среднеобъёмной плотности СО от средне-объёмной температуры - на рисунке 2; зависимости среднеобъёмной плотности СО от изменения средне-объёмной плотности кислорода - на рисунке 3.

Из рисунка 2 (а, б) видно, что, несмотря на существенное отличие размеров помещений кабельных тоннелей и, следовательно, значительное различие температурного режима пожара (см. рис. 1), зависимости среднеобъёмных плотностей СО от сред-необъёмной температуры, полученные с использованием решения полной системы уравнений интегральной модели (кривые 2, 3, 5, 6), а также уравнения (1) (кривая 1 и 7), совпадают друг с другом с погрешностью, не превышающей 15 %, в диапазоне температур 20-100 °С. При температурах более 100 °С отличие в результатах расчётов достигает 17 % для условно герметичных помещений и более 40 % в случае помещений с проемами.

Однако авторов данной статьи при исследовании интересовали температуры, не превышающие критическую величину для человека 70 °С. Поэтому совпаде-

800 700 600 500

о

° 400 300 200 100

0 123456789 10

т, мин

Рисунок 1. Зависимости среднеобъёмной температуры от времени с начала пожара (расчёт по интегральной модели [15]): кабельный тоннель 30*2*3,1 м: 1 - закрытый проём; 2 - открытый проём;

кабельный зал 35*25*5,5 м: 3 - закрытый проём; 4 - открытый проём

ние плотности СО, полученной по формуле (1), с величинами, рассчитанными по полной системе уравнений интегральной модели, можно считать удовлетворительным для инженерного метода расчёта.

Таким образом, масштабный фактор практически не влияет на точность расчёта плотности СО по формуле (1).

Из рисунка 3, а видно, что, несмотря на существенное отличие размеров помещений кабельных тоннелей, зависимости среднеобъёмных плотностей СО от изменения среднеобъёмной плотности О2 , полученные с использованием решения полной системы уравнений интегральной модели (кривые 2 и 3) для условно герметичных помещений, а также уравнения (2) (кривая 1), совпадают друг с другом с погрешностью, не превышающей 19 %.

В случае помещений с открытыми проёмами (см. рис. 3, б) вышеуказанная погрешность достигает 1 100 %. Это объясняется тем, что в помещениях с открытыми проемами выражение (2) несправедливо, так как граничные условия в этом случае

0,025

0,01

0,005

0,02

0,015

0,01

0,005

—--- -.6__

—- -—

,—

____ )5

/ Г

100 200

500 600

а б

Рисунок 2. Зависимости среднеобъёмной плотности СО от среднеобъёмной температуры: (расчёт по интегральной модели [15]):

а - закрытый проём: 1 - расчёт по формуле (1) при ф = 0,6; 2 - кабельный зал 35x25x5,5 м; 3 - кабельный тоннель 30x2x3,1 м;

б - открытый проём: 4, 8 - критическое значение рСОкр ; 5 - кабельный зал 35x25x5,5 м; 6 - кабельный тоннель 30x2x3,1 м;

7 - расчёт по формуле (1) при ф = 0,3

0

0

300

400

700

800

200

300

400

500

V °С

V °С

0,1 Др^, кг/м3 а

3

^^ 1 4

0,012

0,01

0,008

/м3

кг 0,006

8

о.

0,004

0,002

0,1 0,15

Др^, кг/м3 б

Рисунок 3. Зависимости среднеобъёмной плотности СО от изменения среднеобъёмной плотности кислорода

(расчёт по интегральной модели [15]): а - закрытый проём: 1 - расчёт по формуле (2); 2 - кабельный зал 35x25x5,5 м; 3 - кабельный тоннель 30x2x3,1 м; б - открытый проём: 4, 8 - критическое значение р ; 5 - кабельный зал 35x25x5,5 м; 6 - кабельный тоннель 30x2x3,1 м;

7

расчёт по формуле (2); Др^ = Р^ц-Ро, - изменение среднеобъёмной плотности кислорода, кг/м3

0

0,15

0

существенно отличаются от аналогичных условий в условно герметичном помещении.

Следовательно, масштабный фактор практически не влияет на точность расчёта плотности СО по формуле (2) только в случае условно герметичного помещения.

Зависимости массовой доли НЬСО от времени с начала пожара в случае средней массы гемоглобина в организме взрослого человека представлены на рисунке 4.

В таблице 2 приведены полученные с использованием предложенного и существующего [5, 8] методов расчёта критические времена воздействия СО.

В соответствии с нормативной литературой (СП 11.13130.2009 «Места дислокации подразделений пожарной охраны. Порядок и методика определения») критические концентрации токсичных продуктов

горения принимаются по опубликованным данным для условий одноразового воздействия на эвакуирующихся в течение нескольких минут при средних физических нагрузках и по критерию сохранения ими способности реально оценивать окружающую обстановку, уверенно принимать и выполнять соответствующие решения.

Время перехода от лёгкой степени отравления к средней Лт2 находятся в диапазоне 0,62-2,51 мин (см. табл. 2), поэтому нормативное требование к критической концентрации СО не выполняется, так как менее чем за 3 мин человек не сможет самостоятельно покинуть помещение.

Время блокирования путей эвакуации СО ткр3 , полученное с использованием существующего подхода [5, 8], согласно данным в таблице 2 может быть больше соответствующей величины ткр1,

1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 -0,4 0,3 0,2 -0,1

0

1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

5

8

7

200 300

ДРо,, кг/м3 а

200 300 Др^, кг/м3

б

Рисунок 4. Зависимости массовой доли карбоксигемоглобина от времени с начала пожара: а - закрытый проём: 1 - кабельный зал 35x25x5,5 м; 2 - кабельный тоннель 30x2x3,1 м; 3 - лёгкое отравление; 4 - среднетяжёлое отравление

б - открытый проём: 4, 8 - среднетяжёлое отравление; 5 - кабельный зал 35x25x5,5 м; 6 - кабельный тоннель 30x2x3,1 м; 7 - лёгкое отравление

6

0

400

500

400

500

600

Таблица 2

Критические времена воздействия СО

Помещение Критические времена воздействия СО, мин Ат1 , мин* Ат2 , мин**

т , кр1 Хкр2 Хкр3

Кабельный зал 35x25x5,5 м закрытый проём Б,1Б 6,4В Б,44 0,29 1,33

открытый проём Б,76 В,27 -*** 2,Б1

Кабельный тоннель 30x2x3,1 м закрытый проём 2,23 2,ВБ 1,В1 -0,42 0,62

открытый проём 2,91 4,60 3,В2 0,91 1,69

Примечания:

* Дт1 = ткр3 - ткр1 - разница по времени между критическими временами эвакуации, полученными с использованием существующего и предложенного подходов;

** Лт2 = ткр2 - ткр1 - промежуток времени перехода от лёгкой степени отравления к средней; *** плотность СО не достигла критического значения за время пожара.

определённой на основе предложенного метода, на Ат1 = 0,91 мин.

Кроме того, предложенный подход в случае кабельного зала с открытым проёмом (см. табл. 2) показал, что может произойти отравление человека лёгкой и средней степени тяжести, в то время как согласно существующему методу расчёта плотность СО не достигает критического значения за всё время пожара.

Предложенный новый теоретико-экспериментальный подход к расчёту времени блокирования путей эвакуации СО при пожаре в помещении в отличие от существующего [5, 8] позволяет учесть реальные свойства горючих материалов, находящихся в помещении, а также характеристики процесса дыхания и поглощения СО организмом человека во время его эвакуации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Белешников И. Л. Судебно-медицинская оценка содержания цианидов в органах и тканях людей, погибших в условиях пожара: автореф. дис. ... канд. мед. наук: 14.00.24 j Белешников Игорь Леонидович. СПб., 1996. 24 с.

2. Иличкин В. С. Токсичность продуктов горения полимерных материалов: Принципы и методы определения. СПб.: Химия, 1993. 136 с.

3. NFPA 269. Standard test method for developing toxic potency data for use in fire hazard modeling. Quincy, MA: National Fire Protection Association, 2003. P. 269-1-269-1В.

4. Пузач С. В., Смагин А. В., Лебедченко О. С., Абакумов E. С. Новые представления о расчете необходимого времени эвакуации людей и об эффективности использования портативных фильтрующих самоспасателей при эвакуации на пожарах. Монография. М.: Академия ГПС МЧС России, 2007. 222 с.

Б. Абашкин А. А., Карпов А. В., Ушаков Д. В., Фомин М. В., Гилетич А. Н., Комков П. М., Самошин Д. А. Пособие по применению «Методики определения расчётных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности». 2-е изд., испр. и доп. М.: ВНИИПО, 2014. 226 с.

6. NFPA 92B. Technical Committee Reports. Technical Guide for Smoke Management Systems in Malls, Atria and Large Areas. Quincy, MA: National Fire Protection Association, 1990. 11В р.

7. McGrattan K., Klein B., Hostikka S., Floyd J. Fire Dynamics Simulator (Version 6). NIST Special Publication 1019. Gaithersburg: National Institute of Standards and Technology, 2013. 149 p.

В. Кошмаров Ю. А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении. Учебное пособие. М.: Академия ГПС МВД России, 2000. 11В с.

9. Tanaka T., Yamada S. BRI2002. Two layer zone smoke transport model. Chapter 1. Outline of the model. Fire Science and Technology. 2004. Vol. 23. No. 1. P. 1-44. DOI: l0.32l0jfst.23.l

Использование существующего метода расчёта [5, 8], основанного на понятии критической плотности СО, может привести к качественно и количественно некорректным результатам по определению возможности безопасной эвакуации людей для конкретных объёмно-планировочных решений зданий и сооружений.

Предложенный подход впервые даёт возможность рассчитать промежуток времени от начала пожара, после которого люди, находящиеся в помещении без средств защиты от СО (самоспасатели и т. п.), с большой вероятностью неспособны самостоятельно покинуть помещение, и существует возможность их спасения при транспортировке в безопасную зону, т. е. фактически определить время спасения людей.

10. Пузач С. В., Сулейкин Е. В. Новый теоретико-экспериментальный подход к расчёту распространения токсичных газов при пожаре в помещении // Пожаровзрывобезопасность. 2016. Т. 25, № 2. С. 13-20. ЭО1: 10.18322/РУБ.2016.25.02.13-20

11. Пузач С. В., Акперов Р. Г. Экспериментальное определение удельного коэффициента образования монооксида углерода при пожаре в помещении // Пожаровзрывобезопасность. 2016. Т. 25, № 5. С. 18-25. ЭО1: 10.18322/РУБ.2016.25.05.18-25

12. Пузач С. В., Нгуен Тат Дат Экспериментально-теоретический подход к расчету концентраций моноксида углерода и показателя токсичности при пожаре в условно герметичном помещении // Пожаровзрывобезопасность. 2017. Т. 26, № 2. С. 36-43. ЭО1: 10.18322/РУБ.2017.26.02.36-43

13. Пузач С. В., Нгуен Тат Дат Новый подход к расчёту критических времен воздействия монооксида углерода на человека при пожаре в помещении // Безопасность жизнедеятельности. 2017. № 1 (193). С. 48-56.

14. Фаткуллин К. В., Гильманов А. Ж., Костюков Д. В. Клиническое значение и современные методологические аспекты определения уровня карбокси- и метгемоглобина в крови // Практическая медицина. 2014. № 3 (79). С. 17-21.

15. Пузач С. В. Методы расчёта тепломассообмена при пожаре в помещении и их применение при решении практических задач пожаровзрывобезопасности. Монография. М.: Академия ГПС МЧС России, 2005. 336 с.

16. Внутренние болезни. В 10 кн. Кн. 6. Болезни дыхательных путей. Болезни почек и мочевых путей / пер. с англ. А. И. Синопаль-никова, Д .Г. Катковского, В. А. Косаренкова; под ред. Е. Браун-вальда, К. Дж. Иссельбахера, Р. Г. Петерсдорфаидр. М.: Медицина, 1995. 416 с.

17. Физиология человека. Учебник / под ред. В. М. Покровского, Г. Ф. Коротько. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Медицина, 2003. 656 с.

Материал поступил в редакцию 11 ноября 2017 года.

Sergei PUZACH

Grand Doctor of Philosophy in Engineering Sciences, Professor State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: [email protected]

NGUYEN Tat Dat

State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: [email protected]

NEW APPROACH TO TIME CALCULATION OF BLOCKING EVACUATION ROUTES BY CARBON MONOXIDE IN CASE OF INDOOR FIRE

abstract

Purpose. A new theoretical-experimental approach concerning calculating the time of blocking escape routes by carbon monoxide in case of indoor fire has been proposed. The developed approach allows taking into account the real properties of combustible materials in the room, the scale factor (the size of premises), as well as the characteristics of respiration process and absorption of carbon monoxide by a human body during the evacuation or rescue.

Methods. Theoretical and experimental methods of gas dynamics and heat and mass exchange, as well as the theory of carbon monoxide absorption by a human body, are used to determine the time of blocking escape routes by carbon monoxide. Cable sheath made of polyvinyl chloride has been considered as a combustible material.

Findings. The results of numerical experiments comparing the critical times of a man exposure to carbon monoxide obtained by using the existing approach and the developed formulae relating to the dependence of the average volume density of carbon monoxide on the average volume temperature and the change in the average volume oxygen density have been presented. The numerical solution of the complete system of equations of the integral model during evacuation from typical cable rooms situated in hydro and thermal power

plants has also been presented. It was found out that in a cable room with an opening, human poisoning of light and medium severity can occur, while according to the existing calculation method, the density of carbon monoxide does not reach a critical value for the entire duration of the fire.

Research application field. The proposed calculation method can be used to determine the time of blocking evacuation routes by carbon monoxide in any public and industrial buildings and structures when checking the fulfillment of the conditions for safe evacuation of people and calculating fire risks as well.

Conclusions. The use of the existing method of calculating the time of blocking evacuation routes by carbon monoxide based on the concept of carbon monoxide critical density can lead to qualitatively and quantitatively incorrect results in determining the possibility of safe evacuation of people for specific space-planning decisions in buildings and structures.

The proposed approach makes it possible for the first time to calculate both the time of blocking the evacuation routes by carbon monoxide and the time of rescuing people exposed to carbon monoxide.

Key words: fire, modeling, integral model, carbon monoxide, carboxyhaemoglobin, evacuation, rescue.

REFERENCES

1. Beleshnikov I.L. Sudebno-meditsinskaia otsenka soderzhaniia tsianidov v organakh i tkaniakh liudei, pogibshikh v usloviiakh pozhara [Forensic medical assessment of the content of cyanide in the organs and tissues of people who died in a fire. Abstract of the PhD in Med. Sci. diss.]. Saint Petersburg, 1990. 24 p.

2. Ilichkin V. C. Toksichnost' produktov goreniia polimernykh materialov: Printsipy i metody opredeleniia [Toxicity of combustion products of polymeric materials. Principles and methods of determination]. Moscow, Khimiia Publ., 1993. 136 p.

3. NFPA 269. Standard test method for developing toxic potency data for use in fire hazard modeling. Quincy, MA: National Fire Protection Association, 2003, pp. 269-1-269-18.

4. Puzach S.V., Smagin A.V., Lebedchenko O.S., Abakumov E.S. Novye predstavleniia o raschete neobkhodimogo vremeni evakuatsii liudei i ob effektivnosti ispol'zovaniia portativnykh fil'truiushchikh samospasatelei pri evakuatsii na pozharakh [New ideas about the calculation of necessary time of evacuation of people and the effectiveness of using a portable filter self-rescuers during evacuation at fires]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2007. 222 p.

5. Abashkin A.A., Karpov A.V., Ushakov D.V., Fomin M.V., Giletich A.N., Komkov P.M., Samoshin D.A. Posobie po primeneniiu "Metodiki opredeleniia raschetnykh velichin pozharnogo riska v zdaniiakh, sooruzheniiakh i stroeniiakh razlichnykh klassov funktsional'noi pozharnoi opasnost!'. 2-e izd., ispr. i dop. [Book on application "Method of determining the estimated values of the fire risk in buildings, construction and structures of various classes of functional fire hazard". 2nd revised and corrected ed.]. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection of EMERCOM of Russia Publ, 2014. 226 p.

6. NFPA 92B. Technical Committee Reports. Technical Guide for Smoke Management Systems in Malls, Atria and Large Areas. Quincy, MA: National Fire Protection Association, 1990. 118 p.

7. McGrattan K., Klein B., Hostikka S., Floyd J. Fire Dynamics Simulator (Version 6). NIST Special Publication 1019. Gaithersburg: National Institute of Standards and Technology, 2013. 149 p.

8. Koshmarov Yu.A. Prognozirovanie opasnykh faktorov pozhara v pomeshchenii [Prediction of fire dynamics factors in the room]. Moscow, Academy of the State Fire Service of the Ministry of Internal Affairs of Russia Publ., 2000. 118 p.

© Puzach S., Nguyen Tat Dat, 2018

11

9. Tanaka T., Yamada S. BRI2002. Two layer zone smoke transport model. Chapter 1. Outline of the model. Fire Science and Technology, 2004, vol. 23, no. 1, pp. 1-44. DOI: 10.3210/fst.23.1

10. Puzach S.V., Suleykin E.V. New united theoretical and experimental approach to the calculation of the distribution of toxic gases in case of fire in the room. Pozharovzryvobezopasnost, 2016, vol. 25, no. 2, pp. 13-20. DOI: 10.18322/PVB.2016.25.02.13-20 (in Russ.).

11. Puzach S.V., Akperov R.G. Experimental determination of the specific coefficient of release of carbon monoxide during a fire in the room. Pozharovzryvobezopasnost, 2016, vol. 25, no. 5, pp. 18-25. DOI: 10.18322/PVB.2016.25.05.18-25 (in Russ.).

12. Puzach S.V., Nguyen Tat Dat. Experimental and theoretical approach for calculation of carbon monoxide concentration and toxicity index during fire in conventionally hermetic room. Pozharovzryvobezopasnost, 2017, vol. 26, no. 2, pp. 36-43. DOI: 10.18322/PVB.2017.26.02.36-43 (in Russ.).

13. Puzach S.V., Nguyen Tat Dat Critical time of exposure of carbon monoxide on human at a fire in a room. Bezopasnost zhiznedeyatelnosti, 2017, no. 1 (193), pp. 48-56. (in Russ.).

14. Phatkullin K.V., Gilmanov A.Zh., Kostyukov D.V. Clinical importance and modern methodological aspects of determining the level of carboxy- and methaemoglobin in blood. Prakticheskaya meditsina, 2014, no. 3 (79), pp. 17-21. (in Russ.).

15. Puzach S.V. Metody rascheta teplomassoobmena pri pozhare v pomeshchenii i ikh primenenie pri reshenii prakticheskikh zadach pozharovzryvobezopasnosti [Methods for calculating the heat and mass transfer in a fire at the premises and their application in solving practical problems of fire safety]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2005. 336 p.

16. Harrison's principles of internal medicine, 11th ed. Ed. by E. Braunwald, Kurt J. Isselbacher, Robert G. Petersdorp. New York, McGraw Hill Book Company, 1987. 791 p. [Russ. ed.: Vnutrennie bolezni. V10 kn. Kn. 6. Bolezni dykhatel'nykh putei. Bolezni pochek i mochevykh putei. Trans. by A. I. Sinopalnikov, D .G. Katkovsky, V. A. Kosarenkov; ed. by E. Braunvald, K. J. Isselbacher, R. G. Petersdorf. Moscow, Meditsina Publ., 1995. 416 p.].

17. Fiziologiya cheloveka, 2-e izd. [Human Physiology, 2nd ed. Ed. by V. M. Pokrovskii, G. F. Korotko]. Moscow, Meditsina Publ., 2003. 656 p.