CC BY
3
Влияние источника тепла от воспламенения на расчетную кривую горения пенополиэтилена при пожаре в отсеке
М.В. Поклонская, А.А. Сеньченко, А.В. Палий, Чернега Ю.Г.
Донской государственный технический университет
Аннотация: В данной статье проанализировано поведение расчетной кривой пожара в соответствии с источником тепла воспламенения в отсеке. Индекс замедления, который является основным фактором, используемым для прогнозирования времени, необходимого для достижения максимальной скорости тепловыделения, уменьшался в зависимости от размера источника тепла воспламенения независимо от объема горючего пенополиэтилена.
Ключевые слова: кривая пожарного расчета, изоляция труб, источник тепла зажигания, индекс замедления, скорость тепловыделения.
Введение
Пожар распространяется, когда температура поверхности горючего материала увеличивается до значения, превышающего эталонную температуру, что вызывает химическую реакцию с окислителями, присутствующими поблизости. Кроме того, скорость распространения огня твердого материала увеличивается пропорционально площади поверхности в зависимости от тепловых условий окружающей среды и термодинамических свойств горючего материала. Таким образом, индекс скорости возгорания (FIGRA), который представляет собой отношение максимальной скорости тепловыделения ко времени достижения максимальной скорости тепловыделения, широко используется в пожарных технологиях для классификации класса огнестойкости в соответствии с его измеренными значениями. Однако, поскольку FIGRA ограничивается прогнозированием сценариев пожара на основе явлений пожара в наихудших случаях или анализом рисков, следует учитывать расчетные кривые пожара, которые включают изменяющуюся во времени скорость тепловыделения [1].
Описание исследования
На рис. 1 показана схема образца, сожженного в полузакрытом отсеке, и явление теплопередачи. Рассматриваемый образец был изготовлен с использованием огнестойкой плиты толщиной 25 мм. Как показано на рис. 1, когда горючее сжигается источником тепла воспламенения в локальной точке, общая скорость тепловыделения ) за счет конвекции сопу) внутреннего набегающего потока и лучистого тепла ) во внешних
стенах и пламени следует соотношению, показанному в уравнении (1) [2].
= Q/(t) + , (1)
где t указывает время горения.
Рисунок 1 - Схема влияния источника тепла зажигания и индекса замедления на время, необходимое для достижения максимальной скорости тепловыделения.
Общая скорость тепловыделения ) и скорость тепловыделения горючего ) в уравнении (1) со временем изменяются в зависимости от площади поверхности горения (А). Теплота сгорания (ЛКС, кДж / кг), которая характеризуется термохимическими свойствами, представляет собой количество энергии, генерируемой при изменении единицы массы. Как
показано в уравнении (2), его значение постоянно в зависимости от состава материала.
, (2) где ], ткр а также Л Кс указывают эффективность сгорания, скорость уменьшения массы горючего и теплоту сгорания, соответственно. Интеграл от скорости тепловыделения за все время сгорания ( (^ (Ь) ) должен соответствовать закону сохранения энергии. Таким образом, максимальная скорость тепловыделения ( ) увеличивается по мере уменьшения времени сгорания горючего [3]. Когда геометрическая форма пространства отсека и массовый расход горючего не изменяются, можно предположить, что имеет значительную корреляцию с теплотой сгорания источника тепла зажигания ( ( ¿5), как показано в уравнении (3).
, (3)
где - теплотворная способность источника тепла зажигания.
Ингасон [4,5] вывел модифицированное экспоненциальное уравнение (формула 4), чтобы представить явление изменяющейся скорости тепловыделения в течение периода горения, используя уравнение экспоненциальной модели Нумаджири и Фурукавы, (тах , и общую генерируемую энергию ( ).
(Г(О = (тах X ПГ(I - вк*)п- 1 X бГ к (4)
где п, г и к - индекс запаздывания, амплитудный коэффициент и коэффициент ширины волны соответственно. Когда ,
( тах; следовательно, г и к должны соответствовать уравнениям (5), (6).
, (5)
г=( 1-1/п)1 -п (6)
где указывает общую теплотворную способность, создаваемую горючим в течение периода сгорания.
В уравнении 4, когда t = tmax, dQ(t) / dt = 0; как таковое, tmax можно получить с помощью уравнения (8).
п = ekt, (7)
_ ln(n)
Lmax ^ , (8)
Следовательно, как показано в правом нижнем углу рисунка 1, tm ax также связано с уравнением (9), и это исследование направлено на получение значения п в соответствии с Q¿д с учетом горючего объема ( Vf).
tmax ~f (п)-f(Qig), (9)
Для анализа индекса замедления (п) и расчетной кривой возгорания по уравнению 4 в соответствии с изменениями условий воспламенения и объема горючего вспененный полиэтилен был выбран в качестве горючего, а скорость тепловыделения была измерена с помощью конического калориметра.
На рис. 2 (а) сравнивается теоретическая скорость тепловыделения и результаты измерений пропановой горелки с помощью конического калориметра, использованного в этом исследовании [6,7,8]. Источником тепла зажигания можно управлять с помощью регулятора массового расхода (модель: TSC-145), как указано в таблице 1, имеющего диапазон измерений около 0-200 л / мин с точностью 1% от полного диапазона. Кроме того, для визуального подтверждения используются регулирующий клапан и расходомер плоского типа. Согласно расчету неопределенностей типа A в ходе повторных экспериментов, конусный калориметр, использованный в этом исследовании, показал надежность приблизительно ± 95%, когда коэффициент охвата был на уровне достоверности 1,95.
Рисунок 2 - а) результаты калибровки конического калориметра с пропановой горелкой; (Ь) Изображение испытуемого образца пенополиэтилена, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии.
Таблица 1 - Технические характеристики экспериментальной установки и свойств материалов._
Аппарат Технические характеристики Материальная собственность Значение
Термопара Проволока типа К, диапазон: 200-1000 ° С Эталонная температура [К] 744
Система сбора данных Напряжение: от 20 мВ до 100 В, 1-5 В F • S., 20 каналов, точность: ± 0,1% Энергия активации [кДж / кмоль] 1,19 х 105
Размер воздуховода и вентилятор Длина: 5 м, диаметр: 0,2 м, мощность вентилятора: 3 л.с. Предэкспоненциальный множитель [1 / с] 1,05 х 10 6
Анализатор 02 Выход: 4-20 мА, диапазон: 0,7-1,2 бар, модель: OXYMAT 61 Теплота сгорания, [кДж / кг] 42660
Датчик давления Выход: 0-10 В, диапазон: 1250 Па, модель: MS-311 Плотность [кг / м ] 26 год
Регулятор массового расхода Топливо: СН 4 , C 3 H 8 , мощность: 0-5 В постоянного тока, диапазон: 200 л / мин, модель: TSC-145 Удельная теплоемкость [кДж / кг-С] 2.31
Передатчик давления Топливо: СН 4 , C 3 H 8 , выход: 0-20 мА, диапазон: 0-20 бар, модель: PSC-EBAPG Теплопроводность [Вт / мК] 0,0425
На рис. 2 (b) показана структура образца изоляции труб из вспененного полиэтилена, используемого в этом исследовании, наблюдаемая под растровым электронным микроскопом (модель: AIS200c, Seron Technologies Inc.), а в таблице 1 обобщены термохимические свойства и характеристики экспериментальных устройств [9,10].
Заключение
В этом исследовании анализировалась расчетная кривая возгорания горючего вспененного полиэтилена в соответствии с изменениями теплотворной способности источника тепла воспламенения. Для этой цели была изготовлена конструкция, размер которой составляет одну треть от размера образца углового помещения ISO 9705, и скорость тепловыделения была проанализирована в соответствии со временем горения горючего полиэтиленового пенопласта. Были получены следующие результаты.
Во-первых, при горючем объеме пенополиэтилена ( Vf) 0,019 м 3 , когда теплотворная способность ( Qig) источника тепла зажигания составляла 12,00 кВт, 15,98 кВт и 23,20 кВт, максимальная скорость тепловыделения ( Qm ах) была постоянной на уровне 209 ± 10 кВт, тогда как время, необходимое для достижения максимальной скорости тепловыделения ( tmах), уменьшилось до 589 с, 203 с и 136 с соответственно. Это связано с тем, что, поскольку полная энергия ( ) сохраняется в одних и тех же условиях для различных горючих объемов, Qщ является основным фактором индекса запаздывания (п), который определяет tmах расчетной пожарной кривой.
Во-вторых, расчетная кривая пожара была спрогнозирована на основе экспериментальных значений скорости тепловыделения в соответствии с
3 3
для значений Vf 0,019 м и 0,038 м . Согласно результатам, n
экспоненциально уменьшалось (-1,3) с увеличением Qig. Однако по мере уменьшения Qigt значение n, необходимое для достижения t max, быстро увеличивалось из-за к, который зависит от Qmах и Еt0¿.Следовательно, метод прогнозирования расчетной кривой возгорания, полученный в этом исследовании, считается полезным только в условиях, когда пожар быстро распространяется со значением примерно 200 с и значением 15 кВт или более. Ограничение представленного уравнения должно учитывать объем горючих веществ и тип материалов путем установления экспериментальных данных. Однако в предыдущих исследованиях не учитывались , которые существенно влияют на и скорость роста
пожара, несмотря на то, что в расчетных кривых горения учитывались характеристики пространства отсека и условия воспламенения. Можно заметить, что корреляции между n (индекс запаздывания) и Qig с ± 5% экспериментальных значений можно использовать для создания улучшенных расчетных моделей прогнозирования кривой горения.
Литература
1. En13823, Reaction to Fire Tests for Building Products-Building Products Excluding Floorings Exposed to the Thermal Attack by a Single Burning Item, CEN, Brussels, 2002, P. 3.
2. Дерюгин В.В., Васильев В.Ф., Уляшева В.М.: Тепломассообмен. Учебное пособие. - 2021. - С. 12.
3. Цирельман Н.М. Теория и прикладные задачи тепломассопереноса. -2019. - С. 81-88.
4. Шабаров А., Кислицын А., Григорьев Б., Михайлов П., Пульдас Л. Тепломассоперенос в нефтегазовых и строительных технологиях. - 2014. - С. 156-167.
5. Ingason H., Fire development in large tunnel fires, Fire Saf. Sci. 8 (2005) 1497-1508, doi.org/10.3801/IAFSS.FSS.8-1497.
6. Li, H. Y. Ingason, The fire growth rate in a ventilated tunnel fire, Fire Saf. Sci. 10 (2011) 347, doi.org/10.3801/IAFSS.FSS.10-347
7. Li, H. Y.Ingason, A new methodology of design fires for train carriages based on exponential curve method, Fire Technol. 52 (5) (2016) 1449-1464, doi. org/10.1007/s10694-015-0464-3.
8. Палий А.В. Исследование способов улучшения тепловых режимов теплонагруженных микроэлектронных устройств. Кандидатская диссертация. Таганрог, 2007. C. 140.
9. Палий А.В., Саенко А.В., Бесполудин В.В. Влияние формы выступа и его расположения на поверхности радиатора на температуру источника тепла. Инженерный вестник Дона, 2016, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/ archive/n2y2016/3661
10. Гайдин Н.М., Поклонская М.В., Палий А.В. Исследование влияния конструктивных особенностей теплоотвода на эффективность охлаждения процессора // Инженерный вестник Дона, 2021, №10. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n10y2021/7213.
References
1. En13823, Reaction to Fire Tests for Building Products-Building Products Excluding Floorings Exposed to the Thermal Attack by a Single Burning Item, CEN, Brussels, 2002, P. 3.
2. Deryugin, V. V., Vasil'ev V. F., V. M. Ulyasheva Teplomassoobmen. [Heat and Mass Transfer]. Uchebnoe posobie. 2021. Р. 12.
3. Zibelman N. M. Teoriya i prikladnye zadachi teplomassoperenosa [Theory and applied problems of heat and mass transfer]. 2019. pp. 81-88.
4. Shabarov A. Kislitsyn A., Grigoriev Boris Mikhailov P., L. Teplomassoperenos v neftegazovyh i stroitel'nyh tekhnologiyah [Pulidas heat and mass transfer in the oil and gas and construction technologies]. 2014. pp. 156-167.
5. Ingason H., Fire development in large tunnel fires, Fire Saf. Sci. 8. 2005 1497— 1508, doi.org/10.3801/IAFSS.FSS.8-1497.
6. Li, H. Y. Ingason. The fire growth rate in a ventilated tunnel fire, Fire Saf. Sci. 10 (2011) 347, doi.org/10.3801/IAFSS.FSS.10-347.
7. Li, H. Y. Ingason. A new methodology of design fires for train carriages based on exponential curve method, Fire Technol. 52 (5) (2016) 1449-1464, doi.org/10.1007/s10694-015-0464-3.
8. Palii A.V. Issledovaniye sposobov uluchsheniya teplovykh rezhimov teplonagruzhennykh mikroelektronnykh ustroystv. Kandidatskaya dissertatsiya. [Investigation of ways to improve the thermal conditions of heat-loaded microelectronic devices]. Taganrog, 2007, p. 140.
9. Palii A.V., Sayenko A.V., Bespoludin V.V: Inzhenernyj vestnik Dona, 2016, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/ archive/n2y2016/3661
10. Gaydin N.M., Poklonskaya M.V., Palii A.V.: Inzhenernyj vestnik Dona, 2021, №10. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n10y2021/7213
