Газообмен на внутреннем пожаре

Большое влияние на тепловой режим пожара, на интенсивность его развития, на скорость и направление распространения пожара, и задымление внутреннего объема помещения оказывает газообмен - конвективные газовые потоки, образующиеся над зоной горения. Рассмотрим развитие пожара (рис. 37) с момента его загорания. Как известно, над всяким источником тепла формируется тепловая струя. Воздух (газ), нагретый в зоне горения до высокой температуры, уносится вверх, а взамен его к очагу пожара подтекают новые порции более холодного воздуха.

В начальной стадии развития пожара горение происходит за счет воздуха, находящегося в объеме помещения, газообмен с окружающей (внешней) атмосферой отсутствует. Нагретые в зоне горения до высокой температуры продукты горения поднимаются вверх, вовлекая по пути движении примыкающие к ним массы холодного воздуха. В результате обмена энергией тепловой струи (продуктов горения) с холодным воздухом ее скорость и температура по мере удаления от источника пожара уменьшаются и охлажденный воздух (а точнее, смесь воздуха с продуктами горения) вновь возвращаются к очагу горения. На ранней стадии, когда площадь пожара невелика, тепловая струя затухает, не достигнув верхнего перекрытия помещения (см. рис. 37).

 

Рис. 37. Схема газовых потоков в помещении при пожаре: а - начальная стадия; б - развившийся пожар.

 

Зона горения является мощным побудителем движения воздушных масс в объеме помещения. При увеличении площади пожара мощность тепловой струи увеличивается, горячие газы с холодным воздухом частично растекаются под перекрытием, частично удаляются через проемы, а охлажденный воздух за счет потерь теплоты опускается вдоль стен вниз, попадает в зону химических реакций и, нагретый вновь, поднимается вверх. В помещении здания создается непрерывная циркуляция газовых потоков, температура в объеме помещения постепенно возрастает. В результате перепада температур между окружающим воздухом и горячим газом в объеме помещения (из-за разности плотностей между горячим газом и холодным воздухом r_г < r_в) возникает газообмен. Кроме того, поскольку объем нагретых газов больше того же объема холодных, а давление в помещении остается постоянным (r=r_бap), то часть газов будет вытесняться за счет термического расширения. То есть масса газов (G=rV_П0М) в помещении будет постепенно уменьшаться по мере роста температуры. Взамен ушедшего из помещения газа поступает свежий воздух из окружающей атмосферы. Причиной газообмена является разности давлений столбов наружного и внутреннего воздуха, которая равна (88):

 ,                            (88)

где Δ r - гравитационное давление (напор).

Основные закономерности газообмена на пожаре рассмотрим на примере помещения, показанного на рис. 38. Поскольку пожар является нестационарным физико-химическим процессом, сделаем следующие основные допущения:

1.    Температура газов в помещении выше, чем температура окружающего воздуха, и с течением времени температура в помещении не изменяется.

2.    Ветровые нагрузки на здание отсутствуют.

3.    Площади проемов 1 и 2 с течением времени не изменяются.

4.    Масса втекающих в объем помещения газов равна массе удаляемых газов.

Так как при пожаре температура в помещении значительно выше, чем температура окружающего воздуха, то r_в > r_г.

Рис. 38. Схема распределения статического давления в помещении при пожаре 

 

Под влиянием гравитационного давления начнется газообмен между окружающим воздухом и объемом помещения. Через нижний проем 1 в помещение будет входить более плотный окружающий воздух и выталкивать по закону Архимеда через проем 2 горячий газ - смесь продуктов горения с воздухом. Направление движения газовых потоков указывает на то обстоятельство, что давление в нижней зоне помещения меньше, а в верхней - больше давления окружающей среды. Если объем помещения мысленно рассечь по высоте множеством горизонтальных плоскостей, то найдется такая плоскость, в которой избыточное давление будет равно нулю. Эта плоскость называется плоскостью равных давлений или нейтральной зоной (H₃). Положение нейтральной зоны можно менять путем изменения соотношения между площадями нижних и верхних проемов. Этим приемом часто пользуются практические работники - нейтральную зону «поднимают» вверх с целью снижения задымленности и уменьшения температуры в нижней рабочей зоне при тушении пожаров.

Для расчета положения нейтральной зоны определим расстояния h₁ и h₂ от центров нижних и верхних проемов до плоскости равных давлений.

Абсолютные избыточные давления в центре нижних (89) и верхних отверстий равны (90):                                                    (89)

             (90)

Избыточные давления создают скоростные напоры в отверстиях (91, 92):

для нижнего отверстия                              (91)

для верхнего отверстия      ,                     (92)

где v₁ и v₂ - соответственно скорости потока газов в нижнем и верхнем отверстиях.

Подставив значения Р₁ и Р₂. после преобразований, получим (93-95):

                    (93)

                    (94)

                               (95)

Так как объекты входящего и выходящего газа различны из-за разницы плотностей, расчет будем вести по массовым расходам. При установившемся режиме газообмена масса воздуха, втекающего в помещение через нижнее отверстие 1, равна массе уходящих газов через верхнее отверстие 2, т.е. G₁ = G₂.

Тогда определим массовые расхода воздуха по формулам (96-98):

                                   (96)

                                   (97)

так как                   , то

,                                 (98)

где f₁ и f₂ - соответственно площадь нижнего и верхнего отверстий; μ ₁ и μ ₂ - соответственно коэффициенты расхода нижнего и верхнего отверстий.

Подставив это выражение в формулу (95), получим (99):

.                           (99)

Значения коэффициентов μ ₁ и μ ₂ даются в гидравлических справочниках, и с незначительной погрешностью при одинаковой форме отверстий они могут быть приняты равными для приточного и вытяжного отверстий (μ ₁ = μ ₂), тогда (100):

                      (100)

Следовательно, расстояние от плоскости равных давлений до центров нижних и верхних отверстий обратно пропорционально квадратам площадей этих отверстий и плотностям удаляемых газов и окружающего воздуха.

Так как h₁ + h₂ =Н, то, зная площади приточных и вытяжных отверстий, можно определить расстояния от оси верхних или нижних отверстий до нейтральной зоны как (101):                             ; ;                     (101)

Учитывая, что плотность газа обратно пропорциональна температуре, эти выражения можно представить в виде (102):

;                        (102)

Скорости воздуха в отверстиях определяются по формулам (103):

;         ;                  (102)

Подставив значения h₁ в формулу (97), получим выражение массового расхода приточного или удаляемого воздуха (103):

                            (103)

Если площади нижних и верхних отверстий неравны, например, f₁> f_2, то увеличение газообмена может быть подсчитано по формуле (104):

;      ;                       (104)

V'₁ и V - величины удельных воздухообменов при f₁ > f₂ и f₁ = f₂ соответственно, м³/(ч*м²). При n = 2 газообмен увеличится приблизительно на 26%, при n =0, 5 уменьшится на 36%.

Когда газообмен осуществляется через один дверной или оконный проем или через несколько проемов, расположенных на одном уровне, то в этом случае через верхнюю часть проема удаляются продукты горения, а нижняя часть работает на приток свежего воздуха. Положение нейтральной зоны относительно проема может быть рассчитано по следующим формулам (105):

;                        (105)

где Н - высота проема, м.

Уравнение для определения массового расхода при установившемся режиме (G₁= G₂ ) имеет следующий вид (106):

 ,   (106)

где b - ширина проема.

Таким образом, в условиях внутреннего пожара приток воздуха в зону горения и отток продуктов горения из помещения определяется геометрическими параметрами здания, такими как высота помещения, соотношение площадей отверстий, соединяющих внутренний объем с окружающей атмосферой, их взаимным расположением и т.д.

Газообмен при пожарах в зданиях характеризуется коэффициентом избытка воздуха. Под коэффициентом избытка воздуха на внутреннем пожаре понимают отношение фактического массового расхода воздуха, поступающего к зоне горения, к теоретически необходимому секундному массовому расходу воздуха на процесс горения (107):                                                                                       (107)

Секундный массовый расход воздуха, теоретически необходимый для полного сгорания пожарной нагрузки при заданной площади пожара F_П и установившийся к данному моменту времени приведенной скорости выгорания n'_М, можно рассчитать по формуле (108):                                                       (108)

где V⁰_в - объем воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания 1 кг горючего вещества, м³/кг.

Секундный расход воздуха, поступающего в помещение, вычислим по формуле (109):                                                                      (109)

где F_ПР - площадь проема, м².

Подставляя выражения для G^Ф_В и G^TP_B в формулу (107), получим (110):

                (110)

На рис. 39 приведен график изменения коэффициента избытка воздуха, а в объеме помещения по времени пожара.

Характер изменения коэффициента избытка воздуха объясняется тем, что газообмен осуществляется только внутри помещения под действием циркуляции тепловой струи (газообмен с окружающей средой отсутствует), который приводит к уменьшению содержания кислорода в объеме помещения. По мере развития площади пожара температура повышается и под действием гравитационного напора осуществляется газообмен внутреннего объема помещения с окружающей средой. В некоторый момент времени (при постоянной площади приточных и вытяжных отверстий) процесс горения выходит на стационарный режим (участок II, рис. 40). Необходимо отметить, что при постоянной площади проемов на стадии развившегося пожара произведение v'_м F_п будет величиной относительно постоянной.

Поскольку приведенная массовая скорость выгорания ( v'_м ) зависит от количества воздуха, поступающего в зону горения, то на установившемся режиме горения ( G₁ = G₂ ) площадь пожара (F_П); достигнув определенной величины, должна изменяться незначительно. Поэтому при определенном соотношении площади приточного отверстия к площади пожара F₁/F_П будет вполне определенная приведенная массовая скорость выгорания, зависящая от физико-химических свойств пожарной нагрузки и коэффициента поверхности К_п.

Существенное влияние проемов на газообмен и развитие пожара происходит тогда, когда площадь пожара в 10 раз и более превышает приточную площадь проема, при F₁/F_П =0, 1 процесс горения резко замедляется.   

На рис. 40 показано влияние газообмена на процесс горения внутри помещения. Испытаниями установлено, что на ранней стадии пожара при значительном удалении очага горения от окон помещения процесс горения поддерживается кислородом, содержащимся в воздухе помещения. При этом температура в помещении сначала повышается, а затем постепенно снижается. Эго объясняется тем, что по мере расходования кислорода скорость выгорания уменьшается, уменьшается и тепловыделение. В дальнейшем процесс горения поддерживается за счет воздуха, поступающего через неплотности. После того как стекла в окнах разрушились, горение резко интенсифицируется и приводит к пожару во всем объеме помещения, а температура повышается до 1000°С.

Рис. 39. Характер изменения коэффициента избытка воздуха на внутреннем пожаре	Рис. 40. Влияние газообмена на температурный режим пожара

 

Ориентировочные данные об изменении коэффициента избытка воздуха и скорости выгорания древесины на внутреннем пожаре в зависимости от отношения площади приточных проемов к площади пожара F₁/F_П при К_п=4 приведены на рис. 41. В экспериментах а определяют по процентному содержанию кислорода в продуктах горения (111):                                                       (111)

Количественной характеристикой газообмена на внутреннем пожаре является интенсивность газообмена. Интенсивностью газообмена называется количество воздуха, протекающего к единице площади пожара в единицу времени. Интенсивность газообмена подразделяют на фактическую I^Ф_Г и требуемую I^тр (112):

                (112)

Подставив значение G^Ф_В в (112), получим (113):

           (113)

Подставляя значение v_В в (113), получим (114):

     (114)

Из выражения (114) видно, что фактическая интенсивность газообмена зависит от конструктивно-планировочных решений данного здания, помещения, сооружения (F₁/F_П; h; μ ) и от параметров пожара.

Требуемая интенсивность газообмена определяется по формуле (115):

               (115)

Подставив значение G^TP в (115), получим (116):

               (116)

Рис. 41. График изменения коэффициента избытка воздуха на внутреннем пожаре от F1/FП: 1 - при F1/FП ≥ 1: 24 2 - F1/FП = 1: 18; 3 - F1/FП = 1: 10; 4 - F1/FП = 1: 6; 5 - F1/FП = 1: 4; 6 - F1/FП = 1: 3

 

Интенсивность газообмена определяет скорость выгорания пожарной нагрузки, полноту ее сгорания, интенсивность тепловыделения и теплообмена в зоне горения, скорость и направление распространения пожара, интенсивность дымообразования и скорость задымления помещения и др.

На рис. 42 показано распределение газовых потоков в объеме помещения в зависимости от взаимного расположения приточных и вытяжных отверстий и очага пожара. Чем дальше расположен очаг пожара от приточного отверстия, тем дальше 'простреливает' помещение приточная струя. Часть тепловой конвективной струи, смешиваясь с приточным воздухом, уходит из помещения через фонарь, а остальная масса газа (смесь продуктов горения с воздухом) опускается вниз, смешивается с приточным воздухом и поступает к зоне горения. Циркуляция газов в объеме помещения и положения застойных (мертвых) зон зависят от места расположения очага пожара и конструктивно-планировочных особенностей здания. Аэродинамику газовых потоков внутри помещения необходимо учитывать при разработке автоматических систем пожаротушения, а также при введении боевых действий по ликвидации пожара.

Классификация помещений по интенсивности газообмена в зависимости от конструктивно-планировочных особенностей приведена в табл. 15.

Основные закономерности газообмена необходимо знать для правильного использования их при тушении пожара. На практике известны случаи, когда при недостатке сил и средств для тушения пожара в трюме судна, находящегося в рейсе, прибегают к герметизации отсека для снижения интенсивности тепловыделения. При этом охлаждают водой перегородки, соединяющие данный отсек с соседними.

При пожарах выделяется дым. Плотность дыма на пожарах в основном зависит от вида ТГМ и интенсивности газообмена. Увеличение концентрации дыма в зоне задымления происходит в результате разности количества выделяемого дыма в зоне горения, и количества дыма, удаляемого через проемы, где происходит пожар.

Количество дыма, выделяемого со всей площади пожара, можно определить по уравнению (117):                       ,           (117)

где φ - коэффициент пропорциональности; v'_M- приведенная массовая скорость выгорания, кг/(м²*с); V_п.г – количество продуктов горения (дыма) при сжигании 1 кг горючего, м³/кг; F_П- площадь пожара, м²; Т_п - температура пожара, К.

Рис. 42. Характер движения газовых потоков в объеме помещения в зависимости от взаимного расположения приточных и вытяжных отверстий и источника горения

 

Таблица 15 Классификация помещений по интенсивности газообмена в зависимости от конструктивно-планировочных особенностей

 

Группа помещения	Наименование помещения	Высота помещения, м	F1/FПОЛА	Интенсивность газообмена, кг/(м2*с)
I	Подвалы, трюмы судов, камеры холодильников, горизонтальные туннели и т.п.	До 6	< 1/12	До 1, 5
II	Зрительные залы кинотеатров, здания без естественного освещения, вертикальные шахты, башни и др.	Свыше 6	< 1/12	До 3
III	Жилые, общественные, вспомогательные и производственные помещения	До 6	> 1/12	До 3, 5
IV	Выставочные павильоны, зрительные залы и сцены театров, цирки, вокзалы, ангары и т.п.	Свыше 6	> 1/12	До 6

 

Количество дыма, удаляемого из помещения (объем отходящих газов) определим по формуле (118):                                      (118)

Если количество удаляемого дыма пропорционально количеству дыма, выделяемого в зоне горения, то изменение концентрации дыма в помещении объемом V_пом по времени при постоянных площади горения, температуре пожара, полноте сгорания и скорости выгорания пожарной нагрузки запишется так (119):

,                       (119)

где Z - концентрация дыма.

Задавшись степенью задымления или концентрацией дыма в объеме помещения определим время задымления до заданной его плотности (120):

         (120)

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒

Поделиться: