CC BY
98
3/2011
ВЕСТНИК
МГСУ
УЧЕТ ЛУЧИСТОГО ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ ДЫМА И ПОВЕРХНОСТЕЙ, ОБРАЩЕННЫХ В
ПОМЕЩЕНИЕ ПОЖАРА
A RADIATIVE HEAT EXCHANGE ESTIMATION DURING A CALCULATION OF TEMPERATURES OF SMOKE PLUME AND SURFACES, DIRECTED TOWARDS A COMPARTMENT, DURING
A FIRE
Описана задача учета лучистого теплообмена при пожаре в помещении атриума. Представлены способы определения температур, степеней черноты и коэффициентов облученности дымовой струи и ограждающих конструкций.
A problem of radiative heat exchange during a fire in an atrium is described. Methods of calculation of temperatures, emissivity and view factors of smoke plume and walling of a fire compartment are submited.
Ставится общая задача расчета лучисто-конвективного теплообмена внутри помещения атриума при пожаре. Одной из важнейших составляющих этого процесса является лучистый теплообмен дымовой струи с ограждающими конструкциями.
При рассмотрении лучистого теплообмена в помещении пожара рассматривается следующая система теплообменивающихся поверхностей. Имеются дымовая струя и «дымовая подушка» под потолком помещения, внутри которых лучистый теплообмен затруднен частицами сажи и поэтому не учитывается. Лучистой теплотой при пожаре обмениваются дымовые струя и «подушка» с внутренними поверхностями стен и пола помещения и поверхности ограждений между собой.
Количество лучистой теплоты, передаваемой от дыма к ограждающим конструкциям, Вт [1]:
Тд, Т0гр - соответственно абсолютные температуры дымовой струи и ограждающих конструкций, К;
Б'огр - площадь 1-го участка ограждающей конструкции, м2;
ф; - коэффициент облученности с дымовой струи на 1-й участок ограждающей конструкции помещения;
Е.Г. Малявина, В.И. Бессонов
E.G. Malyavina, V.I. Bessonov
МГСУ
Постановка задачи
(1)
где
ВЕСТНИК МГСУ
3/2011
Со - коэффициент излучения абсолютно черного тела, Со = 5,67 Вт/м К; еПр - приведенная степень черноты системы поверхность дыма-поверхность ограждения,
ед £ОГР
(2)
{1 ^
^ОПР ^ ^Д (1 _ ^ОГР )
здесь
£огр - степень черноты ограждющих конструкций;
ёд - степень черноты дымовой струи.
Определение температур дымовой струи и ограждающих конструкций
Формирование температуры на внутренних поверхностях ограждающих конструкций помещения пожара, а также на наружных поверхностях дымовой струи и дымовой подушки происходит в процессе лучистого и конвективного теплообмена в помещении. При этом температура дымовой струи будет различна по её высоте, так как к дымовой струе по мере продвижения ее вверх непрерывно подмешивается воздух помещения. Кроме того, струя отдает лучистую теплоту поверхностям ограждений. Температуру каждой внутренней поверхности ограждающих конструкций можно считать одинаковой по всей площади.
Определение температуры поверхностей ограждающих конструкций и дыма выполняется итерационным расчетом. Сначала в соответствии с теорией конвективных струй И.А. Шепелева [4] зависимость избыточной температуры на оси дымовой струи Уг, К, от высоты, зависит от конвективной мощности очага пожара О0, кВт, и температуры окружающего воздуха Тв, К:
V г = 0,45
1 - е
ТВР2
ЕСвРв^г
1 - е
(3)
где
Св - теплоемкость окружающего воздуха, кДж/кг-°С; Рв - плотность окружающего воздуха, кг/м3; Я - радиус очага пожара, м.
Температура на границе дымовой струи, К, в произвольном горизонтальном сечении, будет определяться как [4]:
ХСТР 12
т 21 cz
Тд =нге где
о, с - экспериментальные константы, соответственно равные 0,8 и 0,082; гСТР - радиус струи в её произвольном сечении, м.
(4)
Затем, расчетом системы уравнений теплового баланса всех поверхностей, обращенных в помещение, и воздуха помещения определяются значения температуры всех теплообменивающихся поверхностей друг с другом и воздуха.
3/2011_МГСу ТНИК
В уравнениях (3) и (4) значения температуры на оси и на границе струи зависят от конвективной мощности очага пожара, и количество теплоты в любом поперечном сечении дымовой струи по высоте её развития предполагается постоянным. Однако, в случае пожара из-за излучения в сторону поверхностей ограждений количество теплоты, переносимое струей, будет величиной переменной и уменьшающейся по мере развития дымовой струи.
Расчет изменения температуры на поверхности дымовой струи ведется путем деления струи на несколько участков по её высоте. На каждом участке температура поверхности дымовой струи считается постоянной и равной средней температуре поверхности этой области.
Учет лучистого теплообмена выполняется поэтапно. Для первого участка струи температура дыма на её оси принимается равной температуре, рассчитанной по формуле (4), при конвективной мощности струи, равной мощности источника пожара. Выражение для количества теплоты, переносимого струей на втором её участке, будет записываться как:
О' = Оо - Ол^ (5)
где
О0 - конвективная мощность очага возгорания, кВт;
Ол' - общее количество лучистой теплоты, кВт, отданное струей на первом участке, рассчитанное по формуле (1) при условии Тд= Тд1 - средней температуре на границе дымовой струи между первым и вторым участками, К.
На втором и последующих участках струи, зная потерю количества теплоты в на предыдущем участке, уточняется температура ограждающих конструкций и вычисляется средняя температура поверхности дымовой струи на этом участке.
Температура на границе дымовой струи, справедливая для участков со второго и далее, будет определяться по формуле (4). В формуле средняя избыточная температура дыма на оси струи, вычисляется по (3) с учетом конвективной мощности струи Ог, полученной вычитанием лучистой теплоотдачи тепловой мощности струи на входе в учаток, и с учетом среднего радиуса расчетного участка дымовой струи, м.
Температура ограждающих конструкций корректируется решением системы уравнений тепловых балансов, относящихся к поверхностям ограждающих конструкций и дымовой струи, а также воздуха при корректировке температуры поверхности дыма на каждом последующем участке дымовой струи. Расчет, начиная с первого участка, повторяется до получения установившихся значений температуры.
Определение степени черноты дымовой струи и ограждающих конструкций
Дымовая струя фактически состоит из летучих веществ: частиц сгоревших материалов, подметавшегося к ним воздуха помещения, трехатомных газов и водяных паров. При рассмотрении лучистого теплообмена в помещении поверхность струи и «дымовой подушки» рассматриваются как твердые поверхности. Тепловое излучение поверхности дымовой струи осуществляется от летучих твердых частиц сгоревшего материала и трехатомных газов. Степень черноты поверхности дымовой струи может быть выражена как:
ед _еяо2пяо2 +ен2опн2о +^летП лет '
(6)
где
ВЕСТМГСУ 3/2011
еяо2, £н2о, еЛет - соответственно степени черноты трехтомных газов Я02, водяных паров Н20 и летучих твердых частиц;
пс02, пЯ20, плет - соответственно процентные содержания трехтомных газов Я02, воды Н20 и летучих твердых частиц в отношении к единице массы горящего вещества.
Имея характеристики пожарной нагрузки помещения, представляется возможным вычислить процентные содержания трехатомных газов и водяных паров:
V V
_ Я02 _ ¥Н20 (7)
%02 V"; ПН20 V7",
где
VH20, Vе - соответственно объемы трехатомных газов, водяных паров и общий объем дымовых газов, вычисляемые по [2] при известной пожарной нагрузке.
Процентное отношение выхода летучих веществ плет определено для различных видов горящих материалов в [2].
Степень черноты ограждающих конструкций е0к определяется степенью черноты материалов, из которых она состоит. Внутренние поверхности ограждающих конструкций зданий, как правило, отделываются материалами, которые имеют степень черноты, близкую к единице и для большого числа отделочных материалов известны.
Определение коэффициентов взаимной облученности дымовой струи и ограждающих конструкций
Для определения коэффициента облученности с дымовой струи на ограждающие конструкции помещения предлагается рассмотреть двухзонную картину развития дымовой струи в помещении.
Верхняя расчетная зона - зона дымовой подушки, характерна тем, что в каждом её горизонтальном сечении дым заполняет всю площадь этого сечения.
Нижняя расчетная зона - зона свободного развития дымовой струи. Облучение дымовой струей ограждающих конструкций в первой расчетной зоне создает замкнутую систему тел. Для описания этой системы её необходимо разбить на характерные поверхности (рис. 1).
Для примера, нижняя плоскость «дымовой подушки» в четырехстенном атриуме разбивается на восемь характерных поверхностей, имеющих прямоугольную форму и суммарную площадь, равную площади этой «дымовой подушке».
Перечислим все поверхности, участвующее в лучистом теплообмене друг с другом в системе тел «дымовая струя - ограждающие конструкции помещения».
К излучающим поверхностям дымовой струи будут относиться: несколько частей поверхности нижней границы «дымовой подушки» ПТ1^ПТ; (рис. 1); поверхность усеченного конуса дымовой струи БРЬ. К облучаемым поверхностям будут относиться: стены помещения СТ1_СТ;; пол помещения Бпд.
В таблице описаны взаимно излучающие поверхности на примере четырехстенного атриума. Знаками «+» в таблице отмечен взаимный лучистый теплообмен поверхностей, знаками «-» указано его отсутствие. Отсутствие излучения с какой-либо поверхности дымовой струи объясняется тем, что сама струя стоит на пути распространения теплообмена и поглощает проходящие лучи.
3/2011
ВЕСТНИК _МГСУ
а)
; _
Г1Гт гл. (ТГ,
□Тк П,
О
Гп
б)
Рис. 1 К определению взаимных поверхностей излучения в системе тел «дымовая струя - ограждающие конструкции помещения» (вариант для четырехстенного атриума). а) разрез по оси струи; б) горизонтальные сечения
Табл. 1 Взаимно излучающие поверхности четырехстенного атриума
Излучающие поверхности струи
Облучаемые поверхности помещения ПТ1 ПТ2 ПТ3 ПТ4 ПТ5 ПТ6 ПТ7 ПТ8 Ррт,
СТ1 + + + + + - + + +
СТ2 + + + + + + + - +
СТ3 + - + + + + + + +
ст4 + + + - + + + + +
Рпл + + + + + + + + +
ВЕСТНИК 3/2011
В рассматриваемой системе уравнений присутствует несколько видов коэффициентов облученности с одной поверхности на другую. Взаимная облученность этих поверхностей может быть вычислена по известным формулам, описанным в [2], и по формулам, определяющим облученность с поверхности конуса на произвольно расположенную элементарную площадку [5].
Литература:
1. Блох А.Г. Основы теплообмена излучением - М. -Л.: Госэнергоиздат, 1962, 332 с.
2. Кузнецов Н.В., Митор В.В., Дубовский И.Е., Карасина Э.С.. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод) - М.: Энергият, 1972, 296 с.
3. Малявина Е. Г. Теплопотери здания: справочное пособие - М.: АВОК- ПРЕСС, 2007,
144 с.
4. Шепелев И.А. Аэродинамика воздушных потоков в помещении - М.: Стройиздат, 1978.
144 с.
5. Chung, B.T.F., Kermani, M.M., and Naraghi, M.H.N., 1984, "A formulation of radiation view factors from conical surfaces", AIAA J., vol. 22, no. 3, pp. 429-436, March.
Literature:
1. Bloh A.G. The basics of radiative heat exchange - M. -L.: Gosenergoizdat, 1962, 332 p.
2. Kuznetsov N.V., Mitor V.V., Dubovsky I.E., Karasina E.S. Thermal design of boiler units (regulatory method) - M.: Energiya, 1972, 296 p.
3. Malyavina E. G. Heat losses of a building: handbook - M.: AVOK- PRESS, 2007, 144 p.
4. Shepelev I.A. Aerodynamics of aerial flows in premises - M.: Stroyizdat, 1978. 144 p.
5. Chung, B.T.F., Kermani, M.M., and Naraghi, M.H.N., 1984, "A formulation of radiation view factors from conical surfaces", AIAA J., vol. 22, no. 3, pp. 429-436, March.
Ключевые слова: дымоудаление, теплообмен, излучение, пожар, степень черноты, атриум, температура, коэффициент облученности
Keywords: smoke exhaust, heat exchange, radiation, fire, emissivity, atrium, temperature, view factor
Почтовый адрес автора: 129337, Москва, Ярославское шоссе, 26, Московский государственный строительный университет, кафедра отопления и вентиляции
E-mail авторов: emal@list.ru; v-i-bessonov@yandex.ru
Рецензент: Проява Д.А., руководитель отдела ОВ и К компании «МЕР Engineering»
