CC BY
17
В. А. ГОРЕВ, д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры комплексной безопасности в строительстве Московского государственного строительного университета (Россия, 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26) Е. Ю. САЛЫМОВА, аспирантка кафедры комплексной безопасности в строительстве Московского государственного строительного университета (Россия, 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26; e-mail: kafedrapb@yandex.ru)
УДК 691.7-413:006.354
ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ГАЗООБМЕНА И НАЧАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ФОРМИРОВАНИЕ ОПАСНЫХ ФАКТОРОВ ПОЖАРА НА НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ ЕГО РАЗВИТИЯ
Дан расчет времени наступления критических значений опасных факторов пожара при истечении газов через проемы на разной высоте помещения. Показаны различия между временем наступления критических значений ОФП при истечении горячих и холодных газов, а также при среднеобъемном значении их параметров на примере времени наступления критической температуры и критической концентрации кислорода.
Ключевые слова: модель пожара; начальная стадия пожара; опасный фактор пожара (ОФП); газообмен; баланс масс; среднеобъемное значение; критическое значение ОФП.
Введение
Существующие нормативные документы [1] для определения времени наступления критических значений опасных факторов пожара (ОФП) разработаны на основании интегральной модели для начальной стадии развития пожара [2].
В работе [2] автор исходит из предположения, что на начальной стадии развития пожара из помещения истекают газы с мгновенными среднеобъ-емными характеристиками. Начальные значения ОФП принимаются соответствующими чистому воздуху [1].
В качестве начальных значений принимается:
• для парциальной плотности токсичных газов (СО, СО2, HCl) и оптической плотности дыма (ц0) — рео = о, рСО2=о, рHCl = 0, йо = 0;
«-> От
• для парциальной плотности кислорода — р02 = = 27 кг/м3, что соответствует начальной температуре в помещении Т0 = 30 °С.
Начальное значение температуры (273 К) ничем не регламентируется и берется соответствующим фактически возможному [1]:
tT = t кр
В In
А
1 +
70 -1о
(273 + 10)Z
где А —размерный параметр, учитывающий удельную массовую скорость выгорания горючего материала и площадь пожара, кг/си; В — размерный комплекс, зависящий от теплоты сгорания материала и свободного объема помещения, кг;
2 — безразмерный параметр, учитывающий неравномерность распределения ОФП по высоте помещения;
t0 — начальная температура воздуха в помещении, °С.
По нашему мнению, в качестве начальной парциальной плотности кислорода также следует брать фактически возможную, т. е. при соответствующей начальной температуре.
Место истечения газов из помещения на начальной стадии развития пожара необязательно соответствует среднеобъемным характеристикам истекающих газов. Наоборот, наиболее характерными случаями являются истечения с нижних (двери, нижние неплотности) и верхних (фонари, расположенные на крыше) уровней помещения.
Целью данной работы является оценка времени наступления критических значений ОФП при истечении газов:
1) с нижних уровней помещения при условии, что истекает воздух;
2) с верхних уровней (потолок) при условии, что истекают газы с максимальными значениями ОФП.
Параметры истекающих газов при пожаре для интегральной модели начальной стадии развития пожара в помещении регламентированы в [3] и определяются по формуле
« =( i - ( - h
(1)
© Горев В. А., Салымова Е. Ю., 2013
Таблица 1
Параметр ОФП Значение параметра при высоте рабочей зоны, м
0 к/8 к/4 3/8к к/2 > 0,65к
Температура Т, К т0 0,15Т + 0,8 5Т0 0,355Т + 0,645Т0 0,525Т + 0,475Т0 Т 1,615Т - 0,615Т0
Парциальная плотность:
• кислорода р°2 р°2 0,15р °2 + 0,85р°2 0,355р°2 + 0,645р°2 0,525р°2 + 0,475 р°2 р °2 1,615р °2 + 0,615р02
• токсичных газов ртг 0 0,15р т г 0,355р т г 0,525р т г р тг 1,615р т г
Оптическая плотность дыма ц 0 0,15 ц 0,355 ц 0,525 ц 1,615 ц
где Фкр — критическое значение среднего параметра состояния;
Фпд — предельно допустимое значение ОФП в рабочей зоне;
Ф
начальное значение ОФП;
* - [ч I ]=*
у — координата рабочей зоны, отсчитываемая от поверхности пола, м; 0 < у < к; к — высота помещения, м. Формула (1) дает связь между локальным значением параметра ОФП на уровне рабочей зоны (высота этой зоны не ограничена) и среднеобъемным значением этого параметра.
Локальное значение ОФП на высоте у = к/2 (половина высоты помещения) согласно приведенному выражению соответствует среднеобъемному значению этого параметра. Если обозначить среднеобъ-емное значение Фт, а локальное значение Фу, то связь между Фт и Фу обеспечивает регламентируемое критическое значение ОФП при его предельном допустимом значении на высоте рабочей зоны. Однако это распределение значений ОФП по высоте не соответствует содержанию ОФП в объеме помещения, так как интеграл по высоте с учетом предложенного распределения на 33 % превышает общее содержание рассматриваемого ОФП в помещении, а для парциальной плотности кислорода возможно ее отрицательное значение на высоте 3к/4.
Чтобы устранить существующие недостатки распределения значений ОФП по высоте, необходимо провести его коррекцию [4]. Коррекция заключается в том, что параметры ОФП в зависимости от высоты определяются выражениями: • у < 0,65к:
-1
Фу =Ф0 + (Фт -Ф0)|уехр| 1,4-у
У
у > 0,65к:
Фу = 1,615Фт - 0,615Ф0.
(2)
(3)
и
В
и Е о
В
и
Я Я
-0,615Ф,
Рис
Параметр ОФП
1. Распределение значений ОФП по высоте помещения
Эти выражения дают для у < 0,65к значения Фкр, совпадающие с вычисленными по (1), а для у > 0,65к
(что бывает редко) Фкр можно вычислить, используя (3):
Ф
Ф =пд
0,65Ф
0
1,615
(4)
Наглядное представление о распределении параметров ОФП по высоте помещения дают табл. 1 и рис. 1.
Истечение холодного воздуха с нижних уровней
Из уравнения баланса массы имеем:
й ртГ
й1
= V - С г
(5)
где рт — среднеобъемная плотность газов в помещении, кг/м3;
V — объем помещения, м3;
V — массовая скорость выгорания, кг/с; Ог — расход выталкиваемых газов, кг/с.
Из уравнения баланса энергии следует выражение для массового потока холодных газов [1]:
е пож(1 -ф)
С г =
Ср Т0
(6)
где 0 б
— тепловыделение в очаге горения, Дж;
пож = Рг¥ уд б н Л;
Рг — площадь горения, м2; ууд — удельная скорость выгорания горючего материала, кг/(м2-с);
б нр — низшая теплота сгорания горючего материала, Дж/кг;
Л — неполнота сгорания, %; Ф — коэффициент теплопотерь в стены, удовлетворяющий выражению ф = /0пож;
— суммарный тепловой поток в ограждения, Дж;
Ср — теплоемкость воздуха, кДж/(кг-К). Уравнение (5) интегрируем, и с учетом связи ртТт = р0Т0 (где Тт — среднеобъемная температура в помещении, К; р0 — начальная плотность воздуха
начальная температура
в помещении, кг/м ; Т0 в помещении, К), которая является следствием условия постоянства давления в помещении, что свидетельствует о негерметичности помещения, получаем время достижения критической температуры при пожаре:
1Т = 1 кр
1 - А
т„
(7)
где В =
Ср Т)Р 0У
А = уд Рг^t.
(1 -Ф) б нр Л
Для случая кругового пожара
рг = Л^2 t 2
^ А =
V
уд
пи213
3
где ил — линейная скорость распространения пламени по площади, на которой размещается пожарная нагрузка, м/с.
Аналогично получаем выражения для критических времен достижения критических значений парциальной плотности кислорода, парциальной плотности токсичных газов и оптической плотности дыма:
t кр =
(рО2 -р0п2д
)У2
/0°2 А [1 + 0,233 Ур0
В!?2
(8)
О,
где Р02
начальная парциальная плотность кислорода в воздухе, кг/м3; р02 = 81,9/Т0;
предельно допустимая парциальная плот-_,
р
ность кислорода; р02д = 0,226 кг/м ; 1Р2 — потребление кислорода при сгорании горючего материала, кг/кг;
кр
р тп.д у^1
!тг А
(9)
р тп..гд — предельно допустимая парциальная плотность токсичного газа, кг/м3;
¿т. г
т.г — выделение токсичного газа при сгорании горючего материала, кг/кг;
^ =
2,38/ !п.вУ2 -1
БА
(10)
Б — дымообразующая способность горючего материала, Нп-м2/кг;
!п.в — предельно допустимая дальность видимости, м.
Выражения (7)—(10) являются формулами для расчета времени наступления критических значений ОФП при истечении холодного воздуха через нижние проемы помещения.
Истечение горячих газов с верхних уровней помещения
Из баланса энергии при условии, что dPm/dт = 0 (Рт — среднее давление в помещении, Па), имеем:
б пож (1 - Ф)
0пожПС1 -Ф)= СрТисгСг ^
С Т
^р ист
где Тист — температура истекающих газов, К. Из баланса массы следует:
d рт 0 пож (1 - Ф)
У
dt
ср (4тт - 3т0 )
(11)
Определим время наступления критических параметров опасных факторов пожара на высоте не более 0,65й, в связи с тем что при таких высотах будет сохраняться баланс масс.
Проинтегрировав (11), получим: • при Уист = 0,65Й, Тист = 1,615Тт - 0,615Т0
1,6151п Ткр
0,615
- 1
при Уист = 0,5^ Тист= Тт
1Т = ' кр
I [ 1П Ткр
А
кр
(11а)
(11б)
при Уист = 0,25й, Тист = 0,355Тт - 0,645Т0
0,3551п
- 0,645
0
- 1
[ 0 V " кр
Из баланса массы кислорода имеем: А р.
(11в)
р1 ,02 ,„ р бпож (1 - Ф) П0ч
У—ТТ =-!0 ¥-р 1ист гт р- > (12)
dt СрТ0р 0
где р1ист — плотность истекающих газов, кг/м3.
0
п
т. г
Проинтегрировав (12), получим: • при Уист = 0,65к, р1ист = 1,615р1 - 0,615р
IО2 =
1 кр
(
в
1,615 А
1п
Л'
1 + рО2^ (б!°2)
(1,615р% - 0,615рО2^
1 +
б!°2
; (12а)
при уист = 0,5к, р1ист = р1
' кр =
в 1п
А
Г1 + рО^/ (б!°2)
1 + р^/ (б!°2) при УиСт = 0,25к, р1ист = 0,355р1 - 0,645р°2
(12б)
' кр =
2,82в
А
1п
1 + рО°2v| (б!°2)
(0,355р Окр + 0,645рО2) v
1+
б!°2
. (12в)
Из баланса массы токсичного газа имеем:
v^ = ^у-р2исТ (13)
й СрТ0р 0
Проинтегрировав (13), получим: • при Уист = 0,651, р2ист= 1,615р2
кр
в
(
1,615а
1п
1
1 - 1,615р кг V/ (б!тг)
; (13а)
при уист = 0,5к, р2ист = р2
т. г кр
В 1п
А
(
V
,1 -р крг V/ (Б17т))_
• при Уист = 0,25к р2ист = 0,355р2
(13б)
т. г I кр =
2,82в
(
А
1п
V
1 -р (2,82б!тг)
(13в)
Из баланса для оптической плотности дыма имеем:
v^ = ву-ц2 (14)
й СрТ0р 0
Проинтегрировав (14), получим: • при Уист = 0,65к, ц2= 1,615ц,
г =
кр
В
1п
1
1,615а [ 1 - 1,615ц к// (БВ)
; (14а)
80 100 120 140 160 180 200 Время, с
20 40
60 80 100 120 140 160 180 Время, с
Рис. 2. Изменение температуры газов при начальной температуре в помещении 253 К (а) и 293 К (б) в зависимости от времени и места их истечения по высоте помещения: 1 — 0,65к; 2 — 0,5к; 3 — 0,25к; 4 — к = 0 (холодные газы); 5 — критическая температура для помещения объемом 5000 м3, высотой 6 м; горючее вещество — хлопок
при Уист = 0,5к, ц2 = ц
Iц =
кр
в 1п
1
_ А [ 1 -ц к^/ (бв) | • при уист = 0,25к, ц2 = 0,355ц1
(14б)
Г =
кр
2,82в
1п
1
А I, 1 -ц к^/ (2,82бв)
(14в)
Приведенные выше зависимости (7)—(14) позволяют определить значения параметров ОФП в помещении со временем с учетом места истечения газов.
На рис. 2 и 3 показано изменение температуры и плотности О2 до критического значения в зависимости от времени и места истечения по высоте помещения.
Как видно из рисунков, при изменении начальной температуры в помещении изменяется не только разница между температурами истекающих с нижних и верхних уровней помещения газов, но и критические значения параметров ОФП.
В табл. 2 приведены значения времени достижения критических значений для температуры и плотности кислорода на разной высоте истечения.
п
п
п
т. г
п
1
п
1
0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05
О
2
5
25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 Время, с
100 125 150 Время, с
175 200 225 250
Рис. 3. Изменение парциальной плотности кислорода при начальной температуре в помещении 253 К (а) и 293 К (б) в зависимости от времени и места истечения по высоте помещения: 1 — 0,65к; 2 — 0,5к; 3 — 0,25к; 4 — к = 0; 5 — критическое значение парциальной плотности 02 для помещения объемом 5000 м3, высотой 6 м; горючее вещество — хлопок
Таблица 2
Параметр Начальная температура Время достижения параметром критического значения, с, при высоте истечения
в помещении, К 0,65h 0,5h 0,25h h = 0
Температура 253 186,8/152,6 178,0/148,0 167,8/142,8 160,6/139,8
газов 293 150,8/121,3 146,4/119,3 141,4/117,0 138,5/115,7
Плотность 253 196,15/137,5 177,4/133,6 165,9/129,6 161,1/127,6
кислорода 293 148,9/112,2 143,1/110,4 138,2/108,7 135,7/107,6
Примечания: 1. Данные приведены для помещения объемом 5000 м3, высотой 6 м; горючее вещество — хлопок. 2. Над чертой приведены данные для высоты рабочей зоны 1,7 м, под чертой — 2,7 м.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Методика определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности : приложение к приказу МЧС России от 30.06.2009 г. № 382; введ. 30.06.2009 г. // Российская газета. — 2009. — № 161.
2. Кошмаров Ю. А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении : учеб. пособие. — М. : Академия ГПС МВД России, 2000. — 119 с.
3. ГОСТ 12.1.004-91*. ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования. —Введ. 01.07.92 г. — М. : ИПК Изд-во стандартов, 2002. — 91 c.
4. Marshall M. R. The Effect of Ventilation on the Accumulation and Dispersal of Hazardous Gases // 4th International Symposium on Loss Prevention and Safety Promotion in the Process Industries. Harrogate, 12-16 September 1983. —Rugby : Institution of Chemical Engineers. —Vol. 3. —P. E11-E22.
Материал поступил в редакцию 12 декабря 2012 г.
THE EFFECT OF CONDITIONS OF GAS EXCHANGE
AND THE INITIAL TEMPERATURE OF THE FORMATION
OF DANGEROUS FIRE FACTORS AT THE INITIAL STAGE OF FIRE
GOREV Vyacheslav Aleksandrovich, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor of Department of Complex Safety in Construction, Moscow State University of Civil Engineering (Yaroslavskoye shosse, 26, Moscow 129337, Russian Federation)
SALYMOVA Yevgeniya Yuryevna, Postgraduate Student Professor of Department of Complex Safety in Construction, Moscow State University of Civil Engineering (Yaroslavskoye shosse, 26, Moscow 129337, Russian Federation; e-mail address: kafedrapb@yandex.ru)
: English
ABSTRACT
The regulations for determining the timing of the critical values of the hazards of fire use volume average characteristics of temperature, concentration of O2, toxic gases and smoke. The purpose of
this work is to show that the calculation of the time needed to consider offensive dangerous fire factors place escape of gases and their initial values. The data provided by this work can be used to determine the values of the dangerous fire factors parameters in the room up to date with regard to the location escape of gases and their initial parameters. The work shows the differences in time with regard to the location expiry, to put the volume of 5000 m3 up to 30 seconds to reach the critical temperature and critical concentration of O2 particular note is that if you change the height of the zone of the time difference increases to 40 seconds on both counts.
Keywords: fire model; the initial stage of fire; dangerous fire factors; gas exchange; mass balance; volume average value; the critical value of dangerous fire factors.
REFERENCES
1. Metodika opredeleniya raschetnykh velichin pozharnogo riska v zdaniyakh, sooruzheniyakh i stroye-niyakh razlichnykh klassov funktsionalnoy pozharnoy opasnosti: prilozheniye k prikazu MChS Rossii ot 30.06.2009 № 382 [Methodology of the calculated values of fire risk in buildings, facilities and structures of various classes of functional fire hazard: Annex to the Order of the Russian Emergencies Ministry от 30.06.2009 № 382]. Rossiyskaya gazeta — Russian Newspaper, 2009, No. 161.
2. Koshmarov Yu. A. Prognozirovaniye opasnykh faktorov pozhara v pomeshchenii [Prediction of fire hazards in the room] Moscow, State Fire Academy of Emercom RF Publ., 2000. 119 p.
3. GOST 12.1.004-91*. SSBT. Pozharnaya bezopasnost. Obshchiye trebovaniya [State Standard 12.1.004-91*. Occupational safety standards system. Fire safety. General requirements]. Moscow, IPK Izdatelstvo standartov Publ., 2002. 91 p.
4. Marshall M.R. The Effect of Ventilation on the Accumulation and Dispersal of Hazardous Gases. 4th International Symposium on Loss Prevention and Safety Promotion in the Process Industries. Harrogate, 12-16 September 1983. Rugby, Institution of Chemical Engineers, vol. 3, pp. E11-E22.
Издательство «П0ЖНАУКА»
А. Я. Корольченко, Д. 0. Загорский КАТЕГ0РИР0ВАНИЕ ПОМЕЩЕНИЙ И ЗДАНИЙ ПО ВЗРЫВ0П0ЖАРН0Й И ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ. - М.: Пожнаука, 2010.-118 с.
В учебном пособии изложены принципы категорирования помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности, содержащиеся в современных нормативных документах. На примерах конкретных помещений рассмотрено использование требований нормативных документов к установлению категорий. Показана возможность изменения категорий помещений путем изменения технологии или внедрения инженерных мероприятий по снижению уровня взрывопожароопасности и повышению надежности технологического оборудования и процессов.
Пособие рассчитано на студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям "Пожарная безопасность", "Безопасность технологических процессов и производств", "Безопасность жизнедеятельности в техносфере", студентов строительных вузов и факультетов, обучающихся по специальности "Промышленное и гражданское строительство", сотрудников научно-исследовательских, проектных организаций и нормативно-технических служб, ответственных за обеспечение пожарной безопасности.
121352, г. Москва, а/я 43; тел./факс: (495) 228-09-03; e-mail: mail@firepress.ru
68
ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2013 ТОМ 22 №1
