CC BY
11Горячева М. Н., Пузач С. В., Горячев С. А. ОЦЕНКА КРИТИЧЕСКОй ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ПОЖАРА
ПО нескольким токсичным продуктам горения
В статье представлены результаты численного расчёта и сравнения плотности и дозы токсичных продуктов при горении твёрдых горючих материалов с различной теплотой сгорания, размещённых в варьируемых по объёму помещениях. Исследование зависимостей данных показателей от времени выполнено в рамках интегральной модели развития пожара в помещении.
Ключевые слова: пожар, критическая продолжительность пожара, токсичные газы, доза токсичного газа.
где рт, Тт - соответственно среднеобъ-емные плотность и температура среды в момент времени р0, Т0 - соответственно, плотность и температура среды перед началом пожара.
Система уравнений имеет вид:
= ; (1)
WHy\-cpTmGT
Qw= 0;
К
ритическая продолжительность пожара является важным параметром для прогнозирования и обеспечения пожаробезопасных режимов горения веществ и материалов в помещении. В работе произведён расчёт критической продолжительности пожара в помещениях различного объёма и назначения для двух видов горючей нагрузки, отличающейся величиной теплоты сгорания [1-4]. Критическая продолжительность пожара оценена посредством выявления зависимости от времени плотности и доз некоторых токсичных продуктов горения (окиси углерода СО, двуокиси углерода СО2 и хлористого водорода HCl).
При проведении расчётов рассматривалась система уравнений, выражающих балансы общей массы среды, энергии, масс кислорода и токсичного продукта горения в предположениях: газы считались идеальными, давление среды в помещениях в силу их негерметичности принималось постоянным, равным давлению окружающей среды р0. Поскольку pm = р0 = const, то из уравнения состояния идеального газа имеем:
dt рт
dt Рт
(2)
(3)
(4)
где V = const - объём помещения; Y -скорость газификации горючей нагрузки; Gr - массовый расход газа, выбрасываемого через дверной проем; - низшая теплота сгорания горючей нагрузки; П - коэффициент полноты сгорания; ср -удельная массовая теплоёмкость газовой среды при постоянном давлении; Qw -суммарный тепловой поток в ограждения (стены, потолок, пол); р1 - среднеобъ-ёмная плотность кислорода; р2 - средне-объёмная плотность токсичного продукта горения в момент времени t; L1, L2 -соответственно, стехиометрические коэффициенты кислорода и токсичного продукта горения.
Начальное условие системы уравнений (1-4) имеет вид:
р T = р TL
~ m m ~ 0 0'
Г(0) = T0; Pm(0) = Р0
(5)
причем
Ро =
—,
(6)
где - газовая постоянная воздуха.
При проведении расчётов дополнительно использовано соотношение:
W = W F; .
уд г' г
Fr = nv2t2,
где ¥уд - удельная скорость выгорания; ^ - площадь поверхности твёрдого горючего материала (ТГМ), охваченной пламенем при круговом распространении пожара; V - линейная скорость распространения пламени по площади размещения пожарной нагрузки; ^ - время.
В результате интегрирования системы уравнений (1-4) с учётом начальных условий (5-6) получена зависимость парциальной плотности токсичного продукта горения от времени:
Р2 = Р.
1-ехр
В
где р* - пороговая парциальная плотность токсичного газа, определяемая из выражения:
и хлористым водородом) критических парциальных плотностей и доз, указанных в перечне опасных факторов пожара [2]. Получены и проанализированы зависимости парциальных плотностей и доз токсичных продуктов горения рассмотренных видов ТГМ от времени в помещениях различного объема. Найдена зависимость от объема помещения критической продолжительности пожара, устанавливаемой по предельным значениям плотности и дозы токсичных газов. Как показали расчеты, в условиях поставленной задачи предельная плотность по двуокиси углерода (СО2) не достигается, в связи с чем в дальнейшем она не учитывалась.
Согласно полученным данным, время достижения предельных значений доз токсичных газов больше времени достижения предельных значений их плотностей независимо от объема помещения и теплоты сгорания ТГМ. То же самое справедливо и для относительных парциальных плотностей р/р и относитель-
"пред
ных доз D/D токсичных продуктов горения, для которых критерием достижения опасных факторов пожара являются равенства:
ср Т0 L2
о-ф)ар
Ро ,
Ф - коэффициент теплопотерь; А = тс¥уду2/3;
n = 3; В =
ср PQT0V
ла-ф)ар
Получаемая за время ^ доза токсичного газа Р по определению равна:
i
D = JP(x)£/T.
Численное решение рассматриваемой задачи проводилось с использованием пакета математических программ МаШСАЭ. В результате вычислений найдено время достижения токсичными продуктами горения (оксидом углерода
р/р = 1; D/D = 1.
пред пред
Предельные значения плотности и полученной дозы составляют: для оксида углерода СО: р = 0,00116 кг/м3, D =
пред пред
= 2,76 кг-с/м3; для хлористого водорода HCl: р = 2,3-10-7 кг/м3, D =
пред пред
= 0,0414 кг-с/м3.
Время достижения предельного значения концентрации хлористого водорода значительно меньше времени достижения предельного значения плотности оксида углерода независимо от объема помещения и теплоты сгорания ТГМ; то же самое и для доз хлористого водорода и оксида углерода.
При увеличении объема помещения критическая продолжительность пожара, установленная по концентрациям и дозам, увеличивается. Кроме того,
1500
1000
500
1
2 3
200 400 600
Объём помещения, м3
800
1500
1000
500
200 400 600
Объём помещения, м3
800
0
0
Рисунок 1. Зависимости критической продолжительности пожара по предельным плотностям и дозам оксида углерода СО и хлористого водорода HCl от объёма производственного помещения:
1 - по дозе CO; 2 - по дозе HCl; 3 - по плотности CO; 4 - по плотности HCl
Рисунок 2. Зависимости критической продолжительности пожара по предельным плотностям и дозам оксида углерода СО от объёма помещений и видов ТГМ: 1 - по дозе для ТГМ 1; 2 - по дозе для ТГМ 2;
3 - по плотности для ТГМ 1;
4 - по плотности для ТГМ 2
различие между критическими продол-жительностями пожара, установленными соответственно по предельным концентрациям и дозам токсичных газов, для хлористого водорода меньше, чем для оксида углерода.
(Р Рпред)со Яред)
Отношения
V / ' "НВД /СО и у / /со
(р/ftp« L (D Dnpe«)HC|
не зависят ни от времени, ни от размера
помещения, а зависят только от физических свойств ТГМ (теплота сгорания и сте-хиометрические коэффициенты реакции горения). В условиях рассмотренной задачи получено:
(р/Рпред)С0 _ Афед)со _
Т~/-Г" = 0,272; 7^7,3—= 0,2°5.
IР/ Рпред /НС1 V / пРед /НС1
п 1,0
0,6
0,4
0,2
1j 21 / /
/ / /
/ / /
/ / / / / / / /
' / у 3 -г
50 100 150
Объём помещения, м3
200
Рисунок 3. Зависимости относительных плотностей р/р и относительных доз D/D оксида
г/ гпред ' пред
углерода СО от времени для помещения размером 6x6x6 м (V = 216 м3) с разными видами ТГМ:
1 - р/р ТГМ 1; 2 -
пред
3 - D/D ТГМ 1; 4
пред
р/р ТГМ 2;
пред
D/D ТГМ 2
пред
п 1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
1 2 / /
/ / / /
у / / / /
/ / / /
/ у /
50 100
Время, с
150
Рисунок 4. Зависимости относительных плотностей р/рпред оксида углерода СО и хлористого
водорода HCl от времени для производственного помещения размером 6x6x6 м (V = 216 м3) с ТГМ 1:
1 - (р/р ) CO;
пред
2 - (р/р ) HCl
пред
0
0
Расчёты проводились для следующих ТГМ:
- радиоматериалы, полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, гетинакс -ТГМ с теплотой сгорания 34 800 кДж/кг (ТГМ 1), размещённый в четырёх производственных помещениях различных размеров: 3x3x3; 6x6x3; 6x6x6 и 12x12x6 м;
- книги, журналы и подобная печатная продукция - ТГМ с теплотой сгорания 14 500 кДж/кг (ТГМ 2), размещённый на стеллажах в помещениях библиотек и архивов тех же размеров.
Все основные характеристики горючих нагрузок взяты из [2]. Принималось: неполнота сгорания п = 0,9; коэффи-
циент теплопотерь ф = 0,55. Результаты расчётов проиллюстрированы графиками (рис. 1-4).
Таким образом, критическую продолжительность пожара по токсичным газам, выделяемым рассмотренными ТГМ, следует определять по плотности токсичных газов. При этом критическая продолжительность пожара практически не зависит от объёма помещения, но существенно зависит от теплоты сгорания ТГМ. Для сравнительной оценки критической продолжительности пожара по нескольким токсичным продуктам необходимо учитывать как концентрации токсичных газов, так и их дозы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Расчёт 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.
4. Пузач С. В. Методы расчёта тепломассообмена в помещении и их применение при решении практических задач пожаровзрывобезопас-ности. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2005.
Goryacheva М., Puzach S., Goryachev S.
ESTIMATION OF FIRE CRITICAL DURATION BY SEVERAL TOXIC COMBUSTION PRODUCTS
Purpose. The article is devoted to estimating an indoor fire critical duration and detecting time dependence of specific densities and doses of some toxic combustion products (carbon monoxide CO, carbon dioxide CO2, hydrogen chloride HCl).
The work presents the results of a numerical calculation of an indoor fire critical duration numerical calculation and comparison of specific densities and doses of toxic combustion products of solid fuels with different heat of combustion placed in rooms with various capacities and functions.
Methods. The research of indicated parameters dependence on time has been accomplished within an integrated model of a fire development indoors.
Findings. As a result of calculations the dependence of partial specific densities and doses of toxic combustion products on time has been received; the time of their achieving critical meanings specified in the list of fire dangerous factors has been found. The dependence of critical duration of a fire on the room capacity has been found.
Research application field. The results of the research can be used for forecasting modes of solid
materials burning indoors and also when developing recommendations for safe people's evacuation.
Conclusions. Previously the estimation of fires critical duration by toxic gases released by solid combustible materials was conducted considering the behavior at definite time of only combustible products density. Both density and dose of toxic gases are taken into consideration in this article.
The critical duration of a fire poorly depends on a room capacity, but significantly depends on the heat of solid fuel combustion. The critical duration of a fire judging by toxic gases emitted by solid combustible fuels should be determined by toxic gases density. For the purpose of a comparative estimation of the critical duration of a fire by some toxic products it is necessary to consider both concentrations of toxic gases and their doses.
Key words: fire in a building, the capacity of a compartment critical fire duration, combustion products, a toxic gas density and dose.
REFERENCES
1. Raschet neobkhodimogo vremeni evakuatsii liudei iz pomeshcheniia pri pozhare (The calculation of time necessary for people's evacuation out of houses at fires), Moscow, 1989.
2. Koshmarov Yu. A. Prognozirovanie opasnykh fakto-rov pozhara v pomeshchenii (Forecasting fire hazard indoors), Moscow, 2000.
3. GOST 12.1.004-91* (Occupational safety standards system. Fire safety. General requirements), Moscow, 2006.
4. Puzach S. V. Metody rascheta teplomassoobmena v pomeshchenii i ikh primenenie pri reshenii prakticheskikh zadach pozharovzryvobezopasnosti (Calculation methods of indoors heat mass exchange and their application at solving practical tasks of fire explosion safety), Moscow, 2005.
Marina GoraACHEVA SERGEi PuZACH Stanislav Goriachev
Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
Doctor of Technical Sciences, Professor
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
Candidate of Technical Sciences
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
