Тепловое излучение при пожаре доклад
Обновлено: 07.07.2024
Тепло от пожара для открытых пожаров, т.е. не в помещениях, является определяющим фактором поражения. Оно передается в окружающую среду за счет теплопроводности, конвекции, излучения. При этом в распространении пожара основную роль играет тепловая радиация пламени.
Оценить воздействие тепловой радиации (теплового или лучистого потока) от пожара на окружающие элементы объекта представляется возможным на основании фундаментальных законов излучения нагретых тел. Эти законы были открыты в конце 19-го столетия:
закон излучения абсолютного черного тела – закон Стефана-Больцмана,
закон излучения и поглощательной тела – Кирхгофа,
закон распределения энергии излучения по направлениям устанавливает – закон Ламберта.
Основными параметрами, характеризующими тепловое воздействие пожара, являются: теплота пожара QП (Дж/с) и удельная теплота пожара qП (Дж/м 2 ·с); плотность теплового потока на заданном расстоянии R qR (Вт/м 2 ).
Под теплотой пожара понимается количество тепловой энергии, выделяющейся за одну секунду в условиях установившегося горения. Она определяется отношением:
, (2.64)
где Fп – площадь поверхности горючего, равная при горении в резервуаре площади поперечного сечения резервуара, а при горении в разлитии - площади разлития, м 2 ;
– низшая удельная теплота сгорания нефтепродукта, Дж/кг;
– массовая скорость выгорания продукта, кг/м 2 ·с.
Под удельной теплотой пожара или под интенсивностью теплоизлучения пожара понимается количество теплоты, излучаемой в пространство с одного квадратного метра факела пожара в одну секунду:
, (2.65)
где – теплота пожара Дж/с;
– площадь излучаемой поверхности факела пожара, м 2 .
Есть предположение, что за удельную теплоту пожара следует принимать количество теплоты, изучаемой в пространство с одного квадратного метра площади пожара в одну секунду. В этом случае:
. (2.66)
Использование этого показателя пожара целесообразно при пожаре в помещении (внутреннем пожаре), когда на его оценку существенно влияет передача тепла конвекцией и теплопроводностью. Именно эти составляющие распределения тепла действуют в ближней зоне пожара.
Тепловой баланс внутреннего пожара на любой стадии развития может быть приведен к единице поверхности пожара:
кДж/м 2 ·с, (2.67)
где – нижняя удельная теплота сгорания, кДж/кг;
– теплота (энтальпия) горючих веществ и воздуха, поступающих на горение в единицу времени на 1 м 2 горящей поверхности, кг/м 2 ·с;
– энтальпия продуктов сгорания, уходящих из зоны горения с единицы площади в единицу времени, кДж/м 2 ·с;
– массовая скорость продуктов сгорания, уходящих из зоны горения с единицы площади в единицу времени, кДж/м 2 ·с;
– энтальпия избытка воздуха, поступающего на горение, кДж/м 2 ·с;
– количество теплоты, излучаемой пламенем, кДж/м 2 ·с;
– количество теплоты, затрачиваемое на нагрев реагирующих веществ, кДж/м 2 ·с;
– количество теплоты, затрачиваемое на нагрев строительных конструкций, кДж/м 2 ·с;
– потери теплоты вследствие неполноты химического сгорания, кДж/м 2 ·с.
Тепловой баланс открытого пожара отличается от внутреннего отсутствием величины . На открытых пожарах наибольшее значение имеет теплота, уносимая продуктами сгорания – и излучаемая зоной горения – .
Оценка последней необходима для выбора мероприятия по повышению устойчивости объекта и защиты персонала при пожарах, т. к. она распространяется на значительные расстояния от зоны горения, воздействует на элементы объекта, способствует распространению пожара и затрудняет проведение аварийно-спасательных работ.
Количество теплоты, излучаемое абсолютно черным теплом, прямо пропорциональна температуре в четвертой степени, и ее зависимость определяется законом (Стефана-Больцмана) для излучения пламенем факела в единицу времени с единицы поверхности и может быть определена:
(2.68)
где – степень черноты пламени (учитывает насколько тело серое);
– постоянная Стефана-Больцмана, кВт/м 2 ·с;
Тпл – температура пламени, К.
При лучистом теплообмене между телами, произвольно ориентированными в пространстве, интенсивность теплового потока от факела пожара распространяется в соответствии с законом Ламберта, общий вид которого представлен формулой:
, (2.69)
где q – плотность теплового потока, от факела пожара, вТ/м 2 ;
и – углы между центрами элементарных площадок излучаемого и поглощаемого тел;
– расстояние между центрами элементарных площадок;
подинтегральное выражение называется коэффициентом взаимоизлучения;
F1 и F2 – площади излучаемой и поглощаемой поверхностей, dF1 и dF2 – cоответственно площади элементарных площадок.
– среднеповерхностная плотность излучения факела, которая учитывает его нагретость – Т, К;
– степень черноты;
, – степень черноты поверхности материала тела, поглощающего тепловой поток (определяется экспериментально и для некоторых материалов приведена в табл. 2.12.):
, Вт/м 2 . (2.70)
Значения коэффициента
| Материал облучаемой поверхности | Сталь | Медь окисленная | Резина твердая, толь кровельный | Резина мягкая | Дерево струганное, картон | Каменный уголь | Штукатурка |
| | 0,6 – 0,8 | 0,56 | 0,95 | 0,86 | 0,9 | 0,8 | 0,91 |
Для пожаров нефтепродуктов данная зависимость (2.70) подтверждена экспериментальными данными и опытом ликвидации аварий. Значения среднеповерхностной плотности факела пламени и ее температуры представлены в табл. 2.13
Термические характеристики пламени
| Параметры | Нефтепродукты | |
| Бензин | Дизельное топливо | Нефть |
| Среднеповерхностная температура факела пламени (Тф), К | ||
| Среднеповерхностная плотность излучения факела пламени Еф, кВт/м 2 |
Рис. 2.7 Схема взаимодействия между элементарными поверхностями излучателя (объект О1) и объекта О2, принимающего излучение от объекта О2: dF1 и dF2 – элементарные площадки, м 2 ; Т1 и Т2 – температуры тел, К; r –расстояние между телами, м; и – углы между нормалями к поверхности тел и радиусом r, радиан; - пространственный угол, под которым из точки О1 видна площадка dF2, стерадиан; q1 – интенсивность излучения, Вт/м 2
Проблема достоверной оценки теплового потока от реальных пожаров зависит от учета трех факторов:
факторов, влияющих на пропускание тепловых потоков через окружающую воздушную среду;
особенностей излучающей и поглощательной способности реальных факторов пламени и материалов тел;
особенностей форм излучающего тела (факела пламени), определение площади излучения и коэффициента излучения.
Учет особенностей пропускания тепловых поток через окружающую воздушную среду осуществляется использованием коэффициента пропускания атмосферы – Ка, который экспериментально определен экспоненциальной зависимостью:
, (2.71)
где R – расстояние между центрами элементарных площадок.
Отличие реальных тел от абсолютно черного учтено с помощью коэффициентов степени черноты факела пламени – и степени поглощения тепловой энергии телом – , которая определяется экспериментально (см. табл. 2.12)
Учет третьей особенности распространения тепловых потоков от пламени пожара для конкретных случаев достаточно сложен. Это связано с постоянно изменяющейся пульсирующей формой факела пламени. Поэтому в описании геометрии формы пламени нет единого мнения. Пламя, как правило, аппроксимируется различными видами поверхностей. Наиболее близкой к реальным физико-химическим процессам, происходящим в пламени (см. п.1.4), является форма конуса, отражающая высокотемпературную поверхность зоны горения, которая при пожарах скрыта продуктами сгорания (сажей, дымом), из которых вырываются языки турбулентного пламени. В тех случаях, когда площадь поверхности облучаемого тела сравнительно мала по сравнению с площадью поверхности излучаемого тела, значение интеграла от - поглощающей поверхности тела может приниматься в виде точки. Тогда формула (2.69) примет вид:
, (2.72)
Исходя из логики рассуждений задача по определению теплового потока заключается в нахождении следующих значений:
– среднеповерхностной плотности теплового излучения пламени, кВт/м 2 , определяемой зависимостью (2.69);
– углового коэффициента излучения, определяемого интегральной зависимостью в формуле (2.72);
– коэффициента пропускания атмосферы, определяемого зависимостью в формуле (2.71).
Тогда интенсивность теплового излучения – qR (кВт/м 2 ) на определенном удалении от зоны горения – R в соответствии с логикой рассуждения и зависимостью (2.72) определяется произведением:
. (2.73)
При практическом решении задач по определению интенсивности теплового потока – qR, в соответствии с формулой (2.73), оценка угла между направлением нормали к элементарной площади на поверхности факела пламени, аппроксимированного какой-то криволинейной поверхностью, например в форме конуса, и направлением на объект излучения также представляет значительную техническую проблему, и поэтому не может быть учтена в оперативных методиках строгой математической зависимостью, а с введением коэффициентов придет к огрублению расчетов и применимости использования формул (моделей) только к узких границах:
, (2.74)
где dF1=f1 – принятый размер элементарной площади.
Тогда интенсивность теплового потока от каждой элементарной площади qi на интересуемый объект, находящийся от нее на расстоянии R, м, будет определяться:
, (2.75)
где – интенсивность теплового потока от i-й элементарной площадки;
– угол между нормалью к i-й элементарной площадке и направленной на объект;
– расстояние между центром элементарной площадки до объекта, представленного в виде точки, м;
– коэффициент пропускания лучистого потока от элементарной площадки, находящейся от тела на расстоянии Ri.
Точность определения теплового потока от обращенной поверхности факела пламени к телу будет зависеть от выбора формы его поверхности, размеров и формы элементарных площадок. При этом методами численного интегрирования при решаемых математических моделях на ЭВМ можно добиться высокой сходимости результатов с опытными значениями тепловых потоков от реальных пожаров, путем суммирования интенсивности теплового потока от каждой элементарной площадки:
. (2.76)
Для оперативной оценки тепловых потоков можно огрублять расчетные модели, т.е.:
- принимать за форму факела ровные поверхности;
уменьшать количество элементарных площадок вплоть до принятия обращенной поверхности факела за единую расчетную площадь, от центра которой рассчитывают коэффициент излучения между нормалью и направлением на объект;
принимать коэффициенты, учитывающие особенности моделей, с приближением значений тепловых потоков к экспериментальным.
Из формулы (2.75) можно выразить Ri – расстояние от элементарной площадки на факеле до объекта, представленного в виде точки:
, м, (2.77)
Тогда с учетом допущений при определении интенсивности теплового потока оперативными подходами от обращенной поверхности факела пламени можно записать формулу для определения расстояний, на которых интенсивность теплового потока примет интересуемые значения. Следовательно, если задаться критерием безопасности интенсивности теплового потока для интересуемого элемента объекта или персонала, то можно оценить безопасные расстояния от пожара. Тогда формула (2.77) для всей площади факела пожара, принятая за единую элементарную площадку, примет вид:
. (2.78)
Решая прямую задачу по определению значения теплового потока на заданном расстоянии, перепишем формулу (2.78) относительно qдоп:
. (2.79)
Зная характеристики пожара и устойчивость элемента объекта к тепловому потоку, можно определить необходимое его удаление от пожара, при котором сохранность элемента объекта будет обеспечена, как бы долго объект не находился в этой зоне.
. (2.80)
Для этого необходимо в формулу (2.80) подставить значение интенсивности теплового потока на расстоянии нахождения человека от пожара на момент его возникновения и рассчитать время выхода из опасной зоны, в которой значение интенсивности теплового потока не будет менее 4 кВт/м 2 . Время выхода t (с) является эффективным временем экспозиции, которое определяется из выражения:
, (2.81)
где – характерное время обнаружения пожара, сек. (допускается принимать равным 5 сек.);
x – расстояние от места расположения человека до зоны, где интенсивность теплового излучения не превышает 4 кВт/м 2 ;
u – скорость движения человека, м/сек. (допускается принимать равной 5 м/сек).
Критерий оценки параметров опасных и безопасных зон для персонала объекта от пожаров
Передача тепла нагретыми продуктами сгорания осуществляется путем теплопроводности, излучения, и конвекции.
Теплопроводность – это передача тепла через твердое тело. Это один из путей распространения пожара из одного помещения в другое, с одной палубы на другую. В большинстве случаев умелая подача воды, особенно в виде распыленной струи, может замедлить или прекратить теплопередачу за счет проводимости. Вода охлаждает элементы конструкции корабля, переборки, палубы.
Излучение или лучистый теплообмен – это передача теплоты от источника через пространство. При поглощении теплоты температура поглощающего ее тела увеличивается, и оно может воспламениться. На излучение приходится 30-40% тепла при наружных пожарах и более этих значений при внутренних за счет преломления и отражения излучения оборудованием и поверхностями.
Сильное тепловое излучение может затруднить приближение к пожару, поэтому пожарные должны работать в защитной одежде, а воздействие теплоты необходимо снижать, пользуясь защитным водяным экраном, который можно создать подачей распыленной струи воды.
Конвективный теплообмен – это процесс переноса теплоты при движении нагретого вещества (дыма, горячего воздуха, нагретых газов) и летящих угольков.
Конвекция является причиной вторичных очагов пожара. Конвективный теплообмен особенно значителен при внутренних пожарах и значительно затрудняет борьбу с пожаром.
Конвективные потоки при горении
Каковы опасности для людей в зоне задымления?
Дым – смесь газообразных и твердых продуктов сгорания и теплового разложения с воздухом. Состав дыма зависит от состава горючего вещества и условий горения. При пожарах на судах в состав дыма входят азот, кислород, окись углерода, углекислый газ, пары воды и свободный углерод в виде мельчайших твердых частиц. При горении некоторых материалов, применяемых в судостроении (пластмасс, линолеума, фторопласта, пенополиуретана и др.) в составе дыма могут быть токсичные окислы азота, сернистый газ, сероводород, фосген, цианистый водород и др. Пожар на судне всегда сопровождается сильным задымлением аварийного помещения. Зона задымления – самая подвижная из всех зон пожара. Вяжущие, сладковатые запахи, синий, белый, желтый и другие цвета дыма свидетельствуют о присутствии в зоне горения ядовитых веществ.
Смертельно опасные концентрации газов на пожаре:
СО2 – 9% (20% - паралич жизненно важных центров); СО – 0,5% (1% - мгновенная смерть); окислы азота – 0,05%; фосген – 0,005%; синильная кислота – 0, 027 % (0,3 мг/л); пары альдегидов – 0, 003% (0,07мг/л).
Поэтому рекомендуется производить смену пожарных при тушении через каждые 10 минут из-за возможности отравления.
Когда на пожаре содержание кислорода в воздухе падает с 21% до 15%, то резко нарушается мышечная деятельность. При 10¸14%- ной концентрации кислорода, человек начинает терять ясность сознания, появляется ощущение усталости. При содержании кислорода ниже 10% происходит потеря сознания. Самым распространенным газом, быстро вытесняющий кислород, в зоне задымления является углекислый газ СО2, когда этот газ используется для тушения пожара.
Кроме того, дым вызывает раздражающее действие на органы дыхания и зрения человека. Наибольшую опасность для людей в зоне задымления представляет окись углерода (СО). Попадая вместе с воздухом в легкие, она вступает во взаимодействие с гемоглобином крови, вытесняя кислород. Это приводит к кислородному голоданию и к смерти. Пары альдегидов вызывают раздражающее действие: жжение глаз, кашель, раздражение слизистых оболочек рта и носа, появляется головокружение, вялость, затрудненный выдох. Синильная кислота может попасть в организм человека через даже неповрежденную кожу. Уже после 2 – 5 минутного пребывания в атмосфере, содержащей 0,001% синильной кислоты, появляются усиленное сердцебиение, ощущение жара, кожа становиться красно-белой; позже возникает головная боль, рвота, слабость.
Воздушно-дыхательный аппарат защищает человека от окружающей среды, применение его обязательно при работе на пожаре в зоне задымления.
Пожары создают опасность жизни и здоровью людей, вследствие воздействия их опасных факторов. которые являются основной причиной гибели. При возникновении чрезвычайных ситуаций, обусловленных пожарами, воздействие пожаров определяется их поражающими факторами (термическое воздействие и токсичные продукты горения). В данной статье приводится общая классификация и критические значения некоторых параметров опасных факторов пожара. Рассматривается действие на здоровье человека различных факторов пожара, относящихся к опасным (пламя и искры, тепловой поток, повышенная температура окружающей среды, повышенная концентрация токсичных продуктов горения и термического разложения; пониженная концентрация кислорода, снижение видимости в дыму). Таким образом, пожары обладают различные опасными факторами, способными негативно влиять на организм человека, ухудшать его здоровье, вызывать ожоги, отравления, иногда и смертельный исход. Знание воздействия на свой организм этих факторов и динамики их развития может максимально помочь обеспечить безопасность и минимизировать вредное и опасное воздействие вредных факторов пожара. и произведен анализ негативного воздействия этих факторов на здоровье человека.
2. Евстропов В.М. Опасные природные и производственные процессы. Медицина катастроф: учебное пособие. – Ростов-н/Д: Ростовский гос. строит. ун-т, 2005. – 68 с.
3. Евстропов В.М. Защита населения в чрезвычайных ситуациях: учебное пособие. – Ростов –н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 2011. – 104 с.
4. Евстропов В.М. Медико-биологические аспекты безопасности жизнедеятельности в экстремальных и чрезвычайных ситуациях: монография. – Ростов-н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 2013. – 166 с.
5. Евстропов В.М. Предупреждение ЧС: учебное пособие. – Ростов-н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 2014. – 152 с.
7. Еналеев Р.Ш. Термодинамические критерии теплового поражения человека в техногенных авариях / Р.Ш. Еналеев, А.М. Закиров А.М., Ю.С. Чистов, Э.Ш. Теляков // Вестник Казанского технологического университета – 2012. – №17. – С.50-55.
8. Жилин О.И. Действия людей при пожаре // Энергобезопасность и энергосбережение – 2007. – №2. – С. 24-33.
9. Колычева И.В. Актуальные вопросы медицины труда пожарных (обзор литературы) // Бюллетень ВСНЦ РАМН– 2005. – №8. – С.133-139.
10. Наумов И.С. Комплексный анализ процессов горения // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология, нефтегазовое и горное дело – 2011. – №1. – С.162-168.
11. Пушенко С.Л. Безопасность жизнедеятельности. Часть 3 Безопасность производства работ (техника безопасности) / С.Л. Пушенко, А.В. Нихаева, Е.В. Омельченко, А.С. Пушенко, Г.Н. Соколова, Е.В. Стасева, Е.А. Трушкова, Е.С. Филь. Учебное пособие. – Ростов н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 2015. – 184 с.
12. Федеральный закон от 22.07.2008 №123-ФЗ (ред. от 03.07.2016) Технический регламент о требованиях пожарной безопасности – С. 7-8.
Пожары рассматривают как стихийные бедствия, возникающие вследствие самовозгорания, разряда молнии [2], производственных аварий при нарушении техники безопасности [5,11] и по другим причинам. Пожары ежедневно создают опасность жизни и здоровью людей. Любой пожар сопровождается опасными факторами пожара, которые являются основной причиной гибели людей. При возникновении чрезвычайных ситуаций, обусловленных пожарами, воздействие пожаров определяется их поражающими факторами (термическое воздействие и токсичные продукты горения) [3].
Вопросы безопасности населения являются актуальными в наше время [6]. Так знание опасных факторов пожара, динамики их развития и влияние на здоровье человека может помочь максимально обеспечить собственную безопасность, сохранить жизнь и здоровье себе и окружающим людям, путем анализа обстановки, быстрого принятия правильных решений и уверенных действий. Таким образом, цель данной работы - это изучение опасных факторов пожара и их действие на организм человека.
Опасный фактор пожара – это фактор, воздействие которого приводит к травме, отравлению или гибели человека, а также к материальному ущербу. Согласно Федеральному закону от 22.07.2008 N 123-ФЗ (ред. от 03.07.2016) "Технический регламент о требованиях пожарной безопасности" к опасным факторам пожара, которые могут нанести вред жизни, здоровью и имуществу людей относятся:
1) пламя и искры;
2) тепловой поток;
3) повышенная температура окружающей среды;
4) повышенная концентрация токсичных продуктов горения и термического разложения;
5) пониженная концентрация кислорода;
6) снижение видимости в дыму [12].
При длительном воздействии на человека данных параметров, их критическими значениями являются: температура окружающей среды – 70 °С; плотность теплового излучения – 1,26 кВт/м 2 ; концентрация окиси углерода – 0,1%; Содержание диоксида углерода – 6%; содержание кислорода – менее 17%; видимость в зоне задымления – 6–12 м.
Рассмотрим характеристики и влияние указанных факторов на здоровье человека.
Пламя является сильным поражающим фактором. Гибель людей может наступить даже при кратковременном воздействии открытого огня в результате сгорания одежды и ожогов кожного покрова. Особенно легко загораются изделия из хлопка (температура воспламенения 210-230° C) и синтетических тканей.
Тяжесть последствий непосредственного воздействия высокой температуры на тело зависит от температурных параметров, длительности воздействия, обширности (глубины и площади термического поражения кожи) и локализации ожога [4] (МБО БЖД). Чем распространённей и глубже сам ожог, тем он опаснее для жизни человека. Так при получении ожога, превышающего 10% кожного покрова независимо от его степени, у пострадавшего может наступить шоковое состояние. Если ожоги II, III-А и III-Б степени охватывают менее 20% тела, то шансы выжить у пострадавшего велики, но выживаемость резко снижается, если ожоги такой интенсивности составляют 50% и более процентов от поверхности тела. Ожоги III-Б и IV степеней при поражении около 15-20% площади кожи человека вызывают ожоговую болезнь и летальный исход [8].
К другим негативным факторам пожара относят тепловой поток и повышенную температуру окружающей среды, которые могут стать причиной теплового поражения человека при пожаре. Его характеристиками являются: время возникновения термического ожога, количество тепловой энергии поглощенной кожным покровом, степень тяжести ожога, критическая температура основных структурных слоев кожного покрова [7].
В первые 10-15 минут температура окружающей среды повышается до 250-300° C, что является причиной нарушения теплового равновесия в организме человека. Это приводит к ухудшению самочувствия из-за интенсивного выделения нужных организму солей и резкого усиления дыхания, нарушается деятельность сердца и сосудов. Температура тела человека в зоне пожара повышается и возникает опасность теплового удара и потери сознания. При воздействии нагретого воздуха создаются условия для получения ожога полости рта, слизистых оболочек носа, трахеи и бронхов, что может привести к рефлекторной остановке дыхания и в дальнейшем к смертельному исходу.
Повышенная концентрация токсичных продуктов горения и термического разложения является одним из наиболее опасных факторов и ведет к наибольшему количеству человеческих жертв, потому что токсичные вещества опасные для жизни человека начинают образовываться уже через несколько минут после возникновения источника пожара в закрытых помещениях. Состав и концентрация вредных веществ зависят от состава горящего вещества и от условий его горения. Органические и неорганические горючие вещества состоят в основном из углерода, кислорода, водорода, серы, фосфора и азота. Из них углерод, водород, сера и фосфор способны окисляться при температуре горения и образовывать продукты горения: СО, СО2, SO2 P2O5. Азот при температуре горения не окисляется и выделяется в свободном состоянии, а кислород расходуется на окисление горючих элементов вещества. Все указанные продукты сгорания (за исключение окиси углерода CO) гореть в дальнейшем больше не способны. Они образуются при полном сгорании при высокой температуре и достаточном количестве воздуха [10]. Угарный газ является одним из основных компонентов токсических смесей, концентрация которого в замкнутых пространствах может превышать 10%. Это вещество не имеет запаха, цвета и вкуса, но его воздействие на организм человека приводит к головокружению (при концентрации 0,05%), обмороку (0,1%), быстрой смерти (0,2% и выше). Осуществляя токсическое действие на организм, угарный газ в первую очередь блокирует гемоглобин, вызывая выраженные признаки гипо- и аноксии головного мозга.
К тому же при горении содержание кислорода в воздухе замкнутых пространств начинает резко уменьшаться. При снижении концентрации кислорода в воздухе до 17% у человека возможна потеря сознания. В зоне пониженной концентрацией кислорода у человека нарушается мозговая деятельность, может внезапно возникнуть удушье, а вслед за ним страх и слабость, что не позволяет пострадавшим от пожара самостоятельно выбраться из опасной зоны и может, таким образом, привести к смертельному исходу [1].
При неполном сгорании органических веществ в условиях низких температур и недостатка воздуха образуются более разнообразные продукты – спирты, кетоны, альдегиды, кислоты и другие сложные химические соединения. Они получаются при частичном окислении, как самого горючего, так и продуктов его сухой перегонки (пиролиза). Эти продукты образуют едкий и ядовитый дым. Также, продукты неполного горения сами способны гореть и образовывать взрывчатые соединения при контакте с воздухом. Кроме того, дым и другие продукты горения, заполняющие помещения, не дают установиться воздухообмену в помещении. Опасность дыма и токсичных газообразных, жидких и твердых компонентов, входящих в его состав, заключается и в уменьшении освещенности, в результате чего снижается видимость, теряется ориентация, а на организм начинают оказывать влияние раздражающие свойства дыма. Высокие концентрации токсических веществ в зоне задымления превышают их предельно-допустимые концентрации в несколько раз.
Особую опасность представляет зона задымления при горении полимеров. При термическом и термоокислительном разложении полиметилметакрилата образуются: при низкой температуре горения – метилметакрилат, при более высокой температуре – оксид и диоксид углерода, углеводороды, различные кислоты и вода [9]. Продуктами разложения полистирола при температуре 400° С являются этилен, бензол, стирол, этилбензол, изопропилбензол. В условиях пожара процесс горения полистирола сопровождается образованием густого черного дыма, в состав которого входят углеводороды, оксид и диоксид углерода, сажа. Все это представляет реальную опасность для жизни людей.
Например, в помещении площадью 12 м 2 и высотой 3 метра при сгорании 0,5 кг древесины или 0,3 кг керосина видимость снижается примерно до 1 м. Следовательно, данный фактор делает практически невозможным отыскание в задымленных помещениях и коридорах выхода наружу, это вызывает растерянность и панику у людей. Раздражающее, слезоточивое действие и ядовитость дыма также способствуют гибели людей. Скорость перемещения переднего края дымового облака под потолком примерно равна 1 м/с, поэтому время заполнения помещений дымом от потолка до высоты плеч людей очень мало и предельно опасные условия задымления возникают быстро.
Таким образом, пожары обладают различные опасными факторами, способными негативно влиять на организм человека, ухудшать его здоровье, вызывать ожоги, отравления, иногда и смертельный исход. Знание воздействия на свой организм этих факторов и динамики их развития может максимально помочь обеспечить безопасность и минимизировать вредное и опасное воздействие вредных факторов пожара.
В статье авторы проводят обзор теоретических основ распространения опасных факторов пожара, расчетных методик и моделей, утвержденных законодательством Российской Федерации.
Ключевые слова: опасные факторы пожара, горение, тепловой поток, температура горения, токсичные продукты горения, детерминистическая модель.
Пожар может принимать различные формы как явление. Но каждую из них можно свести к химической реакции между горючими веществами и кислородом воздуха. При надлежащем использовании данная реакция может приносить огромную пользу как источник энергии и тепла для обеспечения потребностей промышленности и бытовых нужд, но будучи неконтролируемой, она может привести к людским и материальным потерям.
Гибель людей на пожаре в основном происходит от воздействия опасных факторов, проявляющихся во время горения.
Опасными факторами пожара (далее — ОФП) называют факторы пожара, воздействие которых приводит к травме, отравлению или гибели человека, а также к материальному ущербу.
Согласно [1] к ним относятся:
— повышенная температура окружающей среды;
— повышенная концентрация токсичных продуктов горения и термического разложения;
— пониженная концентрация кислорода;
— снижение видимости в дыму.
Для уменьшения людских потерь и безопасной работы пожарных желательно изучить характер поведения ОФП во время пожара или хотя бы иметь представление о той опасности, которую они могут представлять. Руководитель тушения пожара, отвечающий за личный состав, обязан предусмотреть проявление опасных факторов пожара и принять все необходимые меры для спасения гражданского населения и предотвращения гибели своих подчиненных. Все это он сможет сделать, только в том случае, если во время обучения получит все необходимые знания.
В настоящее время трудно представить без научно-обоснованных методик прогноза динамики ОФП разработку экономически эффективных и оптимальных противопожарных мероприятий.
Прогнозирование опасных факторов пожара необходимо:
— при создании автоматических систем пожаротушения и систем сигнализации и их совершенствовании;
— при разработке рекомендаций по обеспечению безопасной эвакуации людей при пожаре;
— при оценке фактических пределов огнестойкости;
— при планировании действий боевых подразделений на пожаре (разработке оперативных планов тушения).
С научной точки зрения ОФП являются физическими понятиями, а потому каждый из них может быть описан одной физической величиной или их совокупностью.
Пламя с физической точки зрения — это видимая часть пространства, внутри которой протекает процесс горения, и происходит тепловыделение, а также генерируются токсичные газообразные продукты, и поглощается забираемый из окружающего пространства кислород. Горение характеризуется наличием пламени при истечении газов и испарении жидкостей в атмосферу. Горение твердых веществ может быть беспламенным и пламенным. Если твердые вещества при горении не выделяют летучих, то горение беспламеннное, в противном случае — пламенное.
На пожарах горение жидкостей, газов и твердых веществ можно рассматривать как горение неперемешанных газов диффузионным пламенем, т. е. таком, при котором происходит взаимодиффузия воздуха и горючего вещества.
Кроме того, в границах пламени образуется специфическая дисперсная среда, которая под воздействием процессов рассеяния энергии световых волн вследствие их многократного отражения от мельчайших частиц получает особые оптические свойства. Процесс образования среды, которая ухудшает видимость, называется процессом дымообразования.
— площадь горения — характерные размеры очага горения;
— скорость выгорания — количество горючего материала, сгорающего в единицу времени;
— количество токсичных газов, генерируемых в пламенной зоне в единицу времени;
— количество кислорода, который потребляется в зоне горения;
— оптическое количество дыма, который образуется в очаге горения.
Тепловой поток: количество теплоты, переданное через изотермическую поверхность в единицу времени.
Размерность теплового потока совпадает с размерностью мощности, измеряется в ваттах или ккал/ч (1 Вт = 0,86 ккал/ч). Тепловой поток, отнесённый к единице изотермической поверхности, называется плотностью теплового потока, удельным тепловым потоком или тепловой нагрузкой; обозначается обычно q, измеряется в Вт/м 2 или ккал/(м 2 ×ч). Плотность теплового потока — вектор, любая компонента которого численно равна количеству теплоты, передаваемой в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной к направлению взятой компоненты.
Выделяющееся в зоне горения тепло воспринимается продуктами сгорания, как следствие они нагреваются до высокой температуры. Различают действительную, теоретическую и калориметрическую температуру горения. Действительной температурой горения называется температура, которая реально устанавливается в условиях пожара.
Практически, при горении веществ не вся выделяющаяся теплота расходуется на нагревание продуктов сгорания, часть ее расходуется на излучение и другие тепловые потери. Чтобы иметь возможность сравнивать горючие вещества по их способности вызывать при сгорании нагрев окружающих материалов и конструкций, вводится понятие о калориметрической и теоретической температурах горения.
Под калориметрической температурой горения понимается та температура, которую приобретают продукты полного сгорания, когда вся выделяющаяся при горении теплота расходуется на их нагревание. При этом потери тепла принимаются равными нулю.
Калориметрическая температура горения зависит не от количества горючего вещества, а только от его состава.
При вычислении теоретической температуры горения потери тепла в окружающую среду также принимают равными нулю, однако в отличие от расчета калориметрической температуры горения в этом случае учитывается расход тепла на диссоциацию продуктов сгорания.
Температура среды, заполняющей помещение, является параметром состояния.
Физическое содержание этого параметра обозначается Т, если используется размерность Кельвин или t, если используется размерность градусы Цельсия.
Наиболее высокая температура (1200–1500 К) образуется в области пространства, где протекает реакция горения, т. е. в зоне горения (пламени). Значительно ниже температура в местах, где находятся горючие пары и газы, выделившиеся из горящего вещества, и продукты сгорания.
Токсичные продукты горения характеризуются количественно концентрацией или парциальной плотностью каждого токсичного газа.
Рассмотрим воздействие основных токсичных продуктов горения на человеческий организм.
Оксид углерода СО:
— встречается везде, где происходит неполное сгорание, а также при взаимодействии СО 2 с раскаленным углем СО 2 + С = 2СО;
— горит синеватым пламенем;
— общий характер действия на организм — связывает гемоглобин крови;
— основные симптомы: потеря сознания, судороги, одышка, удушение. Больше всего страдает центральная нервная система, органы дыхания.
Двуоксид (диоксид углерода) СО 2 :
— физические свойства: бесцветный газ без запаха с кисловатым вкусом;
— химические свойства: разлагается выше 1300 o С. Восстанавливается в СО углем, железом, цинком. Калий, натрий, магний сгорают в СО 2 ;
— общий характер действия на организм: наркотик, раздражает кожу и слизистые оболочки. Обычно высокое содержание СО 2 в воздухе связано с уменьшением содержания кислорода, что является причиной смерти;
— действие на человека: при 5 % концентрации вызывает раздражение дыхательных путей, слизистых оболочек, кашель, ощущение тепла в груди, раздражение глаз, потливость, головные боли, сердцебиение. Сонливость быстро исчезает при вдыхании чистого воздуха.
Хлороводород (хлористый водород) HCl:
— действие на человека: снижает возможность ориентации человека: соприкасаясь с влажным глазным яблоком, превращается в соляную кислоту. Вызывает спазмы дыхания, воспалительные отеки и, как следствие, нарушение функции дыхания. Летальная концентрация при действии в течение нескольких минут;
— образуется при горении хлорсодержащих полимеров, особенно ПВХ.
— представляет собой совокупность газообразных продуктов горения органических материалов, в которых рассеиваются небольшие жидкие и твердые частицы. Сочетание токсичности и сильной задымленности представляет значительную угрозу находящимся в горящем здании;
— образуется при большинстве пожаров. Он уменьшает видимость, чем может создавать задержку эвакуации людей, в результате чего они могут подвергнуться воздействию других ОФП;
— количественно данный фактор описывается оптической концентрацией, которая обратно пропорционально связана с расстоянием видимости в дыму.
При нормальном давлении в воздухе содержится 24 % кислорода, азот, углекислый газ и незначительное количество других газов. Любые существенные отклонения от данного состава, особенно в сторону уменьшения концентрации кислорода — недопустимы.
При сгорании в атмосферных условиях в качестве окислителя выступает кислород. В закрытых помещениях при горении любых материалов концентрация кислорода в воздухе уменьшается, при этом затрудняется дыхание и появляется один из опасных симптомов — удушение.
Для описания термогазодинамических параметров пожара используют три основных группы детерминистических моделей: зонные, полевые и интегральные.
Выбор конкретной модели осуществляют на основе изложенных ниже принципов.
Интегральный метод является предпочтительным в следующих случаях:
— Здания, содержащие развитую систему помещений малого объема невысокой геометрической сложности;
— Помещения, в которых площадь возгорания соизмерима с площадью помещения и разница между линейными размерами помещения не превышает пятикратную;
— Предварительные расчеты для выявления наиболее опасных сценариев пожаров.
Зонный метод является предпочтительным в следующих случаях:
— Рабочие зоны, расположены в пределах одного помещения на разных уровнях;
— Помещения и системы помещений невысокой геометрической сложности, разница между линейными размерами помещения не превышает пятикратную, при условии значительного превышения размеров помещения над размерами очага возгорания.
Полевой метод является предпочтительным в следующих случаях:
— Помещения высокой геометрической сложности;
— Помещения с большим количеством внутренних преград;
— Помещения, в которых разница между линейными размерами помещения превышает пятикратную.
— Иные случаи, в которых информативность или применимость интегральных и зонных моделей вызывает сомнение.
Таким образом, наиболее детальный уровень моделирования могут обеспечить полевые модели пожара. Полевые модели базируются на использовании дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих пространственно-временное распределение температур и скоростей газовой среды в помещении, концентраций компонентов газовой среды (кислорода, продуктов горения и т. д.), давлений и плотностей. Эти уравнения включают реологический закон Стокса, закон теплопроводности Фурье, законы диффузии, законы радиационного переноса и т. п. Система уравнений, описывающих изменения во времени указанных параметров газовой среды в каждой точке пространства внутри помещения чрезвычайно громоздка. Решение названной системы осуществляется только с помощью ЭВМ. Результаты решения получаются в форме полей скоростей, температур, концентраций продуктов горения и кислорода в любой момент времени протекания пожара.
Полевая математическая модель включает в себя следующие основные уравнения:
Уравнение сохранения массы:
Уравнение сохранения импульса:
Для ньютоновских жидкостей, подчиняющихся закону Стокса, тензор вязких напряжений
Уравнение сохранения химического компонента k:
— проекции вектора скорости соответственно на оси
р — динамическое давление, Па ;
g — ускорение свободного падения,
— ламинарная динамическая вязкость,
- статическая энтальпия смеси,
— удельная массовая изобарная теплоемкость,
— массовая концентрация k -го компонента смеси,
H k — теплота образования k -гo компонента смеси,
Т — термодинамическая (абсолютная) температура, K ;
— радиационный поток энергии в направлении
Для замыкания системы уравнений используется уравнение состояния идеального газа. Для смеси газов оно имеет следующий вид:
— универсальная газовая постоянная;
— молярная масса k -ro компонента.
Данные уравнения описывают локальный мгновенный баланс. Их вполне достаточно для полного описания ламинарных потоков. К сожалению, при пожарах, так же, как и в большинстве других систем, связанных с горением, скорость и параметры состояния в конкретной точке совершают значительные флуктуации и решение данных уравнений в настоящее время требует огромных затрат машинного времени. Поэтому обычно данные уравнения приводят к осредненным свойствам, то есть разделяют каждую переменную на среднюю по времени и пульсационную составляющую.
Критическое время по каждому из ОФП при моделировании определяется как время достижения им предельно допустимого значения (ПДЗ) на путях эвакуации на высоте 1,7 м от пола.
Ниже представлены ПДЗ по каждому ОФП:
— тепловой поток — 1400 Вт/м 2 ;
— повышенная температура — 70 о С;
— пониженное содержание кислорода — 0,226 кг/м 3 ;
— потеря видимости — 20 м;
— токсичные газообразные продукты горения (СО — 1,16·10– 3 кг/м 3 ; СО 2– 0,11 кг/м 3 ; HCl — 23·10– 6 кг/м 3 ).
На основании проведенного обзора теоретических основ распространения опасных факторов пожара, расчетных методик и моделей, утвержденных законодательством Российской Федерации, можно сделать вывод, что наиболее предпочтительной для моделирования динамики ОФП применительно к различным зданиям является полевая модель.
Данная модель наиболее полно реализована в виде программного пакета Сигма-ПБ, который целесообразно использовать для исследования на объекте защиты динамики развития опасных факторов пожара и эвакуации людей.
Основные термины (генерируются автоматически): тепловой поток, горение, пожар, единица времени, калориметрическая температура горения, помещение, газовая среда, зона горения, линейный размер помещения, токсичный продукт горения.
Ключевые слова
горение, тепловой поток, опасные факторы пожара, температура горения, токсичные продукты горения, детерминистическая модель
опасные факторы пожара, горение, тепловой поток, температура горения, токсичные продукты горения, детерминистическая модель
Читайте также: