К определению показателя токсичности продуктов горения горючих веществ и материалов в помещении Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНОСТЬ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ

С. В. Пузач В. Г. Пузач В. М. Доан

д-р техн. наук, заслуженный деятель науки д-р техн. наук, заведующий лаборато- адъюнкт Академии

РФ, профессор, начальник кафедры рией Объединенного института высоких ГПС МЧС России,

Академии ГПС МЧС РФ, г. Москва, Россия температур РАН, г. Москва, Россия г. Москва, Россия

УДК 614.841

К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ПОКАЗАТЕЛЯ ТОКСИЧНОСТИ ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ ГОРЮЧИХ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ В ПОМЕЩЕНИИ

Дан анализ термогазодинамических условий проведения экспериментов по определению токсичности продуктов горения при пожаре в помещении. Рассмотрены математические модели расчета параметров тепломассообмена в характерных мелко- и крупномасштабных помещениях при различных граничных условиях. Представлены результаты численных экспериментов по расчету плотности оксида углерода с использованием полученных аналитических решений, аналитического решения интегральной модели, интегральной и полевой моделей. Полученные результаты сопоставлены с экспериментальными данными, приведенными в литературе. Показано, что ко-эффициенттеплопотерьявляется необходимым условием равенства показателей токсичности в мелкомасштабной экспериментальной установке и реальном помещении.

Ключевые слова: пожар; показатель токсичности; горение; токсичные газы; подобие; коэффициенттеплопотерь.

Введение

По статистике бюро судебно-медицинских экспертиз [1] в 80 % случаев причиной смерти людей на пожарах являлось отравление продуктами горения. В связи с этим, а также с расширением использования материалов и изделий на основе полимеров, горение и тление которых сопровождается выделением большого количества токсичных продуктов горения, разработка эффективных противопожарных профилактических мероприятий на основе определения показателя токсичности становится все более актуальной.

Токсичность продуктов горения (степень вредного воздействия химического вещества на живой организм [2]) при пожаре в помещении в первую очередь определяется двумя факторами:

• плотностью токсичных газов на уровне органов дыхания людей, находящихся в помещении;

• временем воздействия (экспозиции) токсичных газов на человека.

Показатели токсичности, определяемые плотностью токсичных газов и кислорода, а также температурой, получают, как правило, при мелкомасштабных экспериментах [3,4], которые не воспроизводят полномасштабных термогазодинамических

© Пузач С. В., Пузач В. Г., Доан В. М., 2011

условий протекания пожара в реальных помещениях. Поэтому определение показателя токсичности по данным химического анализа необходимо проводить в таких термогазодинамических условиях, чтобы значения опасных факторов пожара (концентраций токсичных газов, пониженной концентрации кислорода и повышенной температуры) были одинаковыми в смесях продуктов горения и воздуха, полученных в мелкомасштабной экспериментальной установке и полномасштабном реальном помещении.

Из-за невозможности выполнения в полном объеме положений теории подобия при переходе от мелкомасштабной модели к натурному помещению [5] необходимо установить связь плотностей токсичных газов с удельными коэффициентами их образования, а также с плотностью кислорода и температурой при сгорании одного и того же горючего материала в разных термогазодинамических условиях в помещениях с существенно отличающимися размерами.

Количество выделяющихся токсичных газов определяется химическим составом и концентрацией газообразных продуктов газификации твердых и жидких горючих веществ и материалов, а также термо-

газодинамическими условиями пожара [6, 7]. В настоящее время эта проблема не решена с теоретической и экспериментальной точек зрения из-за сложности физико-химических условий протекания процессов газификации и горения, а также неопределенности химического состава современных строительных материалов.

Научно обоснованные методики (за исключением работы [6], где предложена методика на примере образования моноксида углерода) расчета удельных коэффициентов выделения токсичных газов с учетом конкретных термогазодинамических условий пожара (температуры, концентрации кислорода и т. д.) отсутствуют.

Значения удельных коэффициентов выделения токсичных газов при пожаре значительно отличаются друг от друга в различных базах данных (например, в работах [7] и [8]), а сведения о теплофи-зических и химических показателях для многих современных материалов отсутствуют.

В данной работе представлены результаты теоретического исследования концентраций токсичных газов (на примере моноксида углерода) и кислорода, а также температуры в смесях продуктов горения и воздуха, образующихся в характерных термогазодинамических условиях пожара в помещениях с существенно различающимися размерами.

Постановка задачи

Рассмотрим термогазодинамические условия пожара при его свободном развитии и работе системы дымоудаления в помещениях, существенно различающихся размерами, величиной проемности и видом горючих веществ и материалов (твердые или жидкие).

Рассмотрим пять характерных схем термогазодинамической картины пожара.

Схема № 1. Схема процесса горения с использованием вытяжной вентиляции для удаления продук-

а

Рис. 1. Схема газообмена в мелкомасштабной камере в "квазистационарных" условиях с использованием вытяжной вентиляции (а) и в замкнутом объеме (б): 1 — стенки камеры; 2 — горючий материал; 3 — смесь продуктов горения и воздуха; 4—система дымоудаления; 5—система приточной вентиляции

тов горения из мелкомасштабной камеры в "квази-стационарных"условияхпредставленанарис. 1, а.

Схема № 2. Схема пожара в герметичном мелкомасштабном объеме, используемая для определения показателя токсичности при стандартных испытаниях [3,4], показана на рис. 1, б.

Схема № 3. Основное образование токсичного газа в полномасштабном помещении на начальной стадии пожара или при локальном пожаре происходит в области пламенной зоны конвективной колонки, образующейся над источником горения. Рассматриваемая открытая термодинамическая система приведена на рис. 2, а.

Схема № 4. Термогазодинамическая картина пожара в полномасштабном помещении с малой про-емностью или на начальной стадии пожара, когда через проемы происходит только вытеснение газовой среды помещения наружу, представлена на рис. 2, б.

Схема № 5. Термогазодинамическая картина пожара для полномасштабного помещения при дымо-удалении из припотолочного слоя, имеющего посто-

Рис. 2. Схема газообмена в полномасштабном помещении с большой (а) и малой (б) проемностью, а также при "квазистационарном" припотолочном слое с дымоудалением (в): 1 — стенки помещения; 2—горючий материал; 3 — смесь продуктов горения и воздуха; 4 — припотолочный слой

янные параметры ("квазистационарный" случай), приведена на рис. 2, в.

В качестве токсичного газа будем рассматривать моноксид углерода.

Математические модели определения плотности токсичного газа

Схема № 1. При "квазистационарных" условиях законы сохранения массы и энергии газовой среды, а также токсичного газа внутри объема помещения имеют вид:

Сд- Св = (1)

с, (гсред - тъов) = qYqнр(1 -ф);

хсред = qYl,

(2) (3)

где G

массовый расход системы дымоудаления, кг/с;

GB — массовый расход воздуха, поступающего через проем в помещение, кг/с; Y — скорость газификации горючего материала, кг/с;

ср — удельная изобарная теплоемкость газа, Дж/(кг-К);

Тср—среднеобъемная температура газовой среды, К;

тв — температура воздуха, К; q — полнота сгорания;

Q нр — низшая рабочая теплота сгорания горючего материала, Дж/кг;

Ф — коэффициент теплопотерь, равный доле теплоты, выделяющейся в очаге горения и поступающей в ограждающие конструкции помещения из всего объема помещения; Хср — среднеобъемная массовая концентрация токсичного газа;

L—удельный коэффициент образования токсичного газа.

Удельную изобарную теплоемкость принимаем одинаковой для газовой смеси и воздуха [5, 8]. При Y << Gr4 принимаем, что = Gv Тогда из уравнений (1) - (3), используя уравнение состояния идеального газа для среднеобъемных параметров [8], можно получить выражение для расчета среднеобъемной парциальной плотности токсичного газа внутри помещения:

„ рср ср (Тср — Тв) L

рг.ср = ср Рср = ^ТсР(1 — Ф ) Q7 ' ()

где рг.ср — среднеобъемная плотность токсичного газа, кг/м3;

рср — среднеобъемная плотность газовой среды, кг/м3;

Рср — среднеобъемное давление, Па; R — газовая постоянная смеси газов, Дж/(кг К).

В первом приближении среднеобъемное давление принимаем равным атмосферному рв = 101,3 кПа, а газовую постоянную и удельную изобарную теплоемкость — как для воздуха [5,8]: Я = 286 Дж/(кгК); ср = 1000 Дж/(кг-К).

Коэффициент пропорциональности К1 между плотностью токсичного газа и отношением ь/я £ в выражении (4) рассчитываем по формуле

Рср ср (Тср _ Тв )

K1 =

r^(1 — ф )

(5)

Подставляя в выражение (5) значения известных параметров, получаем:

K1 =

3,5 • 105 Тср — Тв 1 — ф

(6)

ср

Схема № 2. Законы сохранения массы и энергии газовой среды, а также массы токсичного газа и кислорода внутри герметичного объема имеют вид:

v dpç. =Y v dx Y;

d тср

Рср cV-^ =qYq нр(1 — ф );

v =qYl;

dx

v =—qYlo2,

(7)

(8) (9)

(10)

где V — объем помещения, м ; х — время, с;

су — удельная изохорная теплоемкость газа, Дж/(кг-К);

рО2ср — среднеобъемная плотность кислорода, кг/м3;

Ь0г —удельный коэффициент потребления кислорода.

Удельную изохорную теплоемкость принимаем одинаковой для газовой смеси и воздуха [5, 8]: су = = 714 Дж/(кг-К).

Среднеобъемная плотность токсичного газа через промежуток времени х с момента начала горения, полученная после интегрирования (9), составляет:

Т x

Рг.ср = Рг.в + V" iYdx

(11)

где рг.в — среднеобъемная плотность токсичного газа в чистом воздухе, кг/м3. Токсичный газ в воздухе перед пожаром отсутствует: ргв = 0.

Коэффициент пропорциональности К2 между плотностью токсичного газа и отношением ь/я н

0

(в выражении (11) правую часть делим и умножаем на б н) определяем по формуле

К 2 =

Лб нр

V

ёт.

(12)

Пренебрегаем суммарной массой продуктов газификации за полное время горения по сравнению с массой воздуха, находящегося внутри герметичного объема. Тогда лТт << рсрР, рср = рв (изохорный процесс), и из решения уравнения (8) получаем:

т - т , Лб нр(1 -Ф) ср в РвС^

ёт,

(13)

о

где рв — плотность воздуха, кг/м3.

Учитывая (13), из уравнения (12) получаем значение коэффициента пропорциональности:

К 2 =

Р в Су (тср - тв)

дтв(1 -Ф)

или

К 2 =

2,5 • 105 Тср - Тв

1 -Ф Тв

(14)

(15)

Среднеобъемную плотность кислорода определяем из решения уравнения (10):

р 02ср - р О

Л Ьо2

2ср Р02в V

ёт,

(16)

где р02в — плотность кислорода в воздухе, кг/м .

Используя выражение (13), уравнение (16) можно привести к виду:

р Ооср -р о,в -^Рв^ ^ ^ (17)

я(1 -Ф) тв бр

Схема № 3. Для определения массовых расходов газовой смеси в области пламенной зоны конвективной колонки (при 2 < 2пл) используем зависимость [9]:

О - о,032| бпож(1 Х) | 2, к 1 1000

(18)

где Ок—массовый расход газов в поперечном сечении конвективной колонки, кг/с; бпож — тепловая мощность, выделяющаяся в очаге горения, Вт;

X — доля теплоты, выделяющейся в очаге горения и поступающей в ограждающие конструкции помещения из зоны конвективной колонки; 2 — координата поперечного сечения конвективной колонки, отсчитываемая от поверхности горения, м.

Температуру, среднюю по сечению конвективной колонки, рассчитываем по выражению [3, 8]:

б пож(1 - X)

Т - Т

к в

СрОк

(19)

где Тк — температура, средняя по сечению конвективной колонки, К.

Тепловая мощность, выделяющаяся в очаге горения, составляет [3]:

б пож -ЛТб нр.

(20)

Уравнение закона сохранения массы токсичного газа в области пламенной зоны имеет вид:

Хпл Опл = ЛТЬ, (21)

где Хпл — средняя массовая концентрация токсичного газа на выходе из пламенной зоны на высоте 2пл;

Опл — массовый расход газов через поперечное сечение колонки, отстоящее по высоте от поверхности горения на расстоянии 2пл, кг/с; 2пл — высота пламенной зоны, м;

2пл - 0,166

б пож(1 - X )

2/5

1000

Подставляя выражения (18) и (20) в уравнение (21), получаем формулу для определения средней массовой концентрации токсичного газа на выходе из пла-

менной зоны на высоте 2

_ 1,88 • 105 Ь пл - 1 -X бнр

(22)

Средняя плотность смеси газов на выходе из пламенной зоны из уравнения состояния идеального газа

р пл -

Рв

ЯТ„

(23)

где рпл — средняя плотность смеси газов на выходе из пламенной зоны, кг/м3; рв — давление наружного воздуха, Па; Тпл — средняя температура в сечении конвективной колонки на выходе из пламенной зоны, К. В первом приближении давление принимаем равным атмосферному, а газовую постоянную — как для воздуха [5, 8].

Тогда средняя плотность токсичного газа на выходе из пламенной зоны, полученная с использованием уравнений (22) и (23), составляет:

1,37 • 105 Ь

рг.пл - Хпл р пл ---> (24)

1-Х б

где ргпл — средняя по сечению колонки плотность токсичного газа на выходе из пламенной зоны, кг/м3;

0

0

Я = 286 Дж/(кг-К) [10]; рв = 101,3 кПа;

Тпа = 481,3 К (из выражений (18) и (19)). Коэффициент пропорциональности К3 между плот-

ностью токсичного газа и отношением ражении (23) составит:

5

Ьб нр

К 3 -

1,37 • 105

1 -х

в вы-

(25)

Схема № 4. Зависимости среднеобъемной плотности токсичного газа (при рг.в = 0), среднеобъем-ной температуры газовой среды и среднеобъемной плотности кислорода от времени имеют вид [8]:

р г. ср р Е

1 - ехр | - А тп

А

Тср - Тв еХР | В Т

(26) (27)

в Л Ьо2

ро2ср - v X

v ^ Г А

ВЛьо2 ро2в. ехР 1 - вт

1 +

пороговая плотность, кг/м3

(28)

где рп

СрТв Ь

рп ---рв;

В

(1 - Ф) б нр размерный параметр, кг;

В - Ср рв TвV

Л (1 -Ф) б нр; А и п — параметры, зависящие от вида горючего вещества (твердое или жидкое); т — время, с.

При достижении пороговой плотности (т ^ да) среднеобъемная плотность токсичного газа из уравнения (26) может быть представлена в виде:

Ср р в Тв Ь

г. ср

- р п -

1 - Ф б

(29)

Максимальное значение коэффициента пропорциональности между плотностью токсичного газа и отношением ь/б н в выражении (26) составит:

- Ср р вТв

К

1-Ф

или

К

3,5 • 105

4тах

1-Ф

(30)

(31)

где с„ = 1000 Дж/(кгК) [10];

из уравнения состояния идеаль-

рвТв = Рв /Я ного газа.

Коэффициент пропорциональности К4 между плотностью токсичного газа и отношением ь/б н

можно получить из выражения (26) с учетом урав нения (27):

3,5 • 105 Тср - Тв

К4 -

1-Ф

(32)

Выражение (32) совпадает с формулой (6), полученной для схемы № 1.

Зависимость среднеобъемной плотности кислорода от времени (уравнение (28)) с учетом уравнения (27) можно привести к виду:

р02ср -

вЛ ьо2 (

V

VT

ВЛ ьо2 тср

ро2

Т - Т ^

ср

ср

(33)

Схема № 5. Уравнения энергии для припото-лочного слоя в "квазистационарных" условиях и массового расхода токсичного газа, поступающего из конвективной колонки в припотолочный слой, имеют вид:

(1 -Ф) б пож - ок ср Лт2; (34)

(35)

О г - Хг О к>

где ЛТ2 — подъем средней температуры припото-лочного слоя, К; ЛТ2 = Т2 - Тв; Ог — массовый расход токсичного газа, поступающего из конвективной колонки в припото-лочный слой, кг/с.

Из уравнений (34) и (35) можно получить формулу для определения плотности токсичного газа:

р2

г.ср

р2 ср ЛТ2 Ь 1 -Ф бр

(36)

где р2 — средняя плотность газовой смеси в припо-толочном слое, кг/м3.

Коэффициент пропорциональности К5 между плотностью токсичного газа и отношением ь/б ¿¡р в выражении (36) составит:

р2 ср ЛТ2

К5 -

1-Ф

(37)

С учетом уравнения состояния формула (37) может быть приведена к виду:

К5 -

3,5 • 105 Т2 - Тв 1-Ф Т2

(38)

Таким образом, во всех рассмотренных пяти схемах характерная плотность токсичного газа может быть описана зависимостью

* т^ Ь

р * - К1 —-

б нр

(39)

где р * — характерная плотность токсичного газа для г-й схемы, кг/м3;

ср

п

Формулы для определения коэффициента Кг в рассматриваемых схемах термогазодинамики пожара

Номер схемы Характеристика термогазодинамической картины пожара К, Дж/ м3

1 "Квазистационарные" 3,5 105 т - т * ср 'в

условия пожара в мелкомасштабном помеще- 1 - р т ср

нии; использование

вытяжной вентиляции

2 Нестационарные условия К 2 2,5 105 т - т ср в

пожара; мелкомасштаб- 1 - р тв

ный герметичный объем

3 Конвективная колонка; К 3 = 1,37 105

"квазистационарные" 1 - х

условия пожара

4 Малая проемность (от- К 3,5 105 т - т ср в

крытые проемы работа- 1 - р т ср

ют только на выброс

смеси газов наружу);

нестационарные усло-

вия пожара

5 "Квазистационарные" К 5 3,5 • 105 т - тв

условия пожара; меха- 1 - р т2

ническое дымоудаление

из припотолочного слоя

К — коэффициент пропорциональности между характерной плотностью оксида углерода и отношением Ь/б£ в г-й схеме пожара, Дж/м3. Формулы для определения коэффициента К для рассматриваемых схем термогазодинамики пожара представлены в таблице.

Из анализа таблицы видно, что коэффициент пропорциональности не зависит от свойств горючего материала, размеров помещения и открытой поверхности горючего материала и является функцией только трех параметров, характеризующих термодинамическую картину пожара:

к = /(т*, тв, <р),

(40)

где Т — характерная температура, К.

В качестве характерных принимались следующие величины:

• среднеобъемная температура и среднеобъемная плотность газовой среды помещения (схемы № 1, 2 и 4);

• средняя температура и плотность в сечении конвективной колонки, отстоящем от поверхности горения на высоту пламенной зоны (схема № 3);

• среднеобъемная температура и среднеобъемная плотность припотолочного слоя (схема № 5). Для всех рассмотренных схем термогазодинамической картины пожара

К ~(1- р)-1, (41)

причем в схеме № 3 вместо коэффициента р подставляется коэффициент х.

Из выражения (41) видно, что уменьшение коэффициента теплопотерь р в 2 раза (например, от 0,6 до 0,3) при одинаковых начальной и характерной температурах приводит к уменьшению коэффициентов К1 для схем № 1, 2, 4 и 5 в 1,75 раза.

Таким образом, коэффициент теплопотерь является необходимым критерием равенства характерных концентраций токсичных газов в мелкомасштабной экспериментальной установке и реальном помещении.

Необходимо отметить, что коэффициент теплопотерь в общем случае изменяется во времени [10], а не является постоянным. Поэтому найдем величину коэффициента пропорциональности Кг также с использованием интегральной и полевой моделей, в которых величина р зависит от термогазодинамической картины пожара.

Исходные данные для численных экспериментов

Коэффициент теплопотерь р в случае схем № 1, 2, 4, 5 принимался равным 0; 0,3 и 0,6, а для схемы № 3 значение х составляло 0,3 и 0,6.

Начальные условия задавались следующими: Тв = = 293 К; рв = 101,3 кПа.

Кроме приведенных выше пяти математических моделей, используем также интегральную [5, 8] и полевую [5] модели расчета тепломассообмена при пожаре. Коэффициент теплопотерь при этом определяем по отношению теплового потока, отводящегося в ограждающие конструкции помещения, к тепловой мощности, выделяющейся при горении.

В этом случае рассматривались модельные помещения: машинный зал ГЭС размерами 60x20x20 м и кабельная галерея размерами 60x20x2,5 м, расположенная под ним. Помещения соединены двумя технологическими отверстиями, расположенными в перекрытии между машинным залом и кабельной галереей, с размерами 1x1м каждое. Геометрия задачи представлена на рис. 3.

Рассматриваем твердую горючую нагрузку (при круговом распространении пожара) — кабельный подвал-лоток, свойства которого принимались по типовой базе горючей нагрузки [8]:

бн = 30,7 МДж/кг; рУд = 0,0244 кг/(м2-с); и>л = 0,0071 м/с; Ьсо = 0,1295; Ь0г =-2,19,

где ууд— удельная скорость газификации горючего материала, кг/(м2-с);

wn — линейная скорость распространения пламени по поверхности твердого горючего материала, м/с;

ЬСо—удельный коэффициент образования оксида углерода.

г, м

Щ -1(Г5, Дж/м3

X, м

Рис. 3. Поля температур (а), скоростей (б) и массовой концентрации оксида углерода (в) через 420 с от начала горения в кабельной галерее: 1 — машинный зал; 2 — кабельная галерея; 3 — технологические отверстия

Горение начинается на расстоянии 5 м от левого торца кабельной галереи (см. рис. 3).

Определяем комбинированное воздействие трех опасных факторов пожара— повышенной температуры, повышенной концентрации оксида углерода и пониженной концентрации кислорода.

Результаты численных экспериментов и их анализ

Зависимости коэффициентов пропорциональности К1 между характерной плотностью оксида углерода и отношением Ь/ б н из (39), полученные для

11 ю

9 8

76 543 21

Д 5 1 2 3 4 ,--""

♦ 6 \ \ \ \ -•*'''*'

■ 9 \ \ \-

_ 8 о ю 7 ___

О 11

\ \

/ / \

^ о $ о ,о " , -,-,-

100 200 300 400 500 600 700 800 900 Г*, °С •10"5, Дж/м3 б

1,0

20 30 40 50

60 70

90 Т*, °С

Рис. 4. Зависимости коэффициента пропорциональности К1 между характерной плотностью оксида углерода и отношением Ь/бн от характерной температуры: а — Т * = = 0^1000 °С; б — Т* = 20^100 °С; 1 — К1, К4, К5 (ф = 0); 2 — К1, К4, К5 (ф = 0,3); 3 — К1, К4, К5 (р = 0,6); 4 — К2 (Ф = 0,3); 5 —К3 (х = 0,3); 6 — К3(х = 0,6); 7 — полевая модель; 8 — интегральная модель; 9, 10 — эксперимент [11]; 11 —эксперимент [12]

всех рассмотренных схем (выражения (6), (15), (25), (32) и (38)), атакже с использованием интегральной [5, 8] и полевой [5] моделей расчета тепломассообмена при пожаре, от характерной температуры (для разных диапазонов ее изменения) газовой среды приведены на рис. 4.

Экспериментальные данные, представленные на рис. 4, взяты из работ [11, 12]. Однако в вышеуказанных экспериментах приведены значения только локальных плотностей и температур, а среднеобъ-емных значений нет. Поэтому тестирование полученных теоретических зависимостей на этих опытных данных является оценочным.

Исходные данные в [11] получены на пиролити-ческой приставке к хроматографу в случае термодеструкции пенополиуретанов "Сиспур БИ" и ППУ-309.

В работе [12] исследовалось горение медных кабелей в оплетке внутри смежных помещений с максимальными габаритными размерами 7x4x4 м.

Коэффициент К определялся из формулы (39) с использованием экспериментальных значений локальных плотностей и температур, а также оценочных величин Ьсо и б н.

РОгср.^"/"3

0,25 0,20 0,15 0,10 0,05

О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 71п, °С

t/p*

Рис. 5. Зависимости среднеобъемной плотности кислорода от среднеобъемной температуры газовой среды: 1 — схема № 2; 2 — схема № 4

Из рис. 4, а видно, что кривая 8 (решение, полученное с использованием интегральной модели) через 440 с имеет точку перегиба, после которой температура падает (горение прекратилось), а плотность токсичного газа растет. Поэтому схема № 2 (кривая 4), используемая для определения показателя токсичности при стандартных испытаниях [3,4], занижает величину показателя токсичности в реальном помещении.

Практический интерес для задачи обеспечения безопасной эвакуации людей представляет область температур газовой смеси, не превышающих критического значения для человека, равного 70 °С [8]. При превышении вышеуказанной температуры человек погибает в первую очередь от теплового ожога.

В схеме № 3 характерная температура на выходе из пламенной зоны Гпл = 481,3 К (из выражений (18) и (19)) и всегда больше 70 °С.

Из рис. 4, б и анализа данных таблицы видно, что до температуры менее 70 °С зависимости коэффициентов K от температуры, полученные для схем № 1,2,4,5 при одинаковом значении коэффициента теплопотерь, совпадают с погрешностью, не превышающей 28,6 %.

Зависимости среднеобъемной плотности кислорода от среднеобъемной температуры газовой среды для схем№ 2и4 при ф = 0,3 приведены на рис. 5. Из рис. 4, б и 5 видно, что при температуре 70 °С:

• среднеобъемная плотность кислорода в полномасштабном помещении (схема № 4) на 17 % меньше, чем в мелкомасштабном;

• среднеобъемная плотность оксида углерода в полномасштабном помещении (схема № 4) на 20 % больше, чем в мелкомасштабном.

Таким образом, при рассматриваемых исходных данных схема № 2, используемая для определения показателя токсичности при стандартных испытаниях [3,4], недооценивает пожарную опасность горючего вещества в реальном помещении.

т °г 1000 800 600 400 200

о

200 400

600

0

100

200

300

т,с

Рис. 6. Зависимости среднеобъемной температуры (а) и среднеобъемной массовой концентрации оксида углерода (б) в кабельной галерее от времени с начала пожара:

1 — аналитическое решение интегральной модели (р = 0,3);

2 — интегральная модель; 3 — полевая модель

На рис. 3 представлены поля температур (°С), скоростей (м/с) и массовой концентрации оксида углерода через 420 с от начала горения в кабельной галерее.

Зависимости среднеобъемной температуры и среднеобъемной массовой концентрации оксида углерода рсо ср в кабельной галерее от времени с момента начала пожара приведены на рис. 6.

Зависимости массовых расходов газовой смеси, проходящих через технологические отверстия, от времени представлены на рис. 7. Расход имеет положительный знак при направлении течения газовой смеси из галереи в машинный зал и отрицательный — при поступлении газов из машинного зала в галерею. Из рис. 7 видно, что расходы через отверстия существенно отличаются друг от друга и могут менять направление течения.

Интегральная модель (в том числе ее аналитическое решение) не позволяет разделить технологические отверстия по расстоянию от источника горения (не учитывается трехмерность задачи). Поэтому, когда направления течения газовой смеси через отверстия имеют разные знаки, решение вышеуказанной модели является неустойчивым (см. рис. 7, б).

Значение коэффициента К, полученное с использованием полевой модели (кривая 7, рис. 4, а), в интервале от 50 до 180 с от начала горения слабо ме-

G, кг/с

Рис. 7. Зависимости массовых расходов газовой смеси, проходящих через технологические отверстия, от времени с начала пожара: а — аналитическое решение интегральной модели (р = 0,3) и полевая модель; б — интегральная модель; 1 — аналитическое решение; полевая модель: 2 — расход через ближайшее технологическое отверстие к источнику горения; 3 — расход через дальнее технологическое отверстие от источника горения; 4 — суммарный расход через отверстия; интегральная модель: 5 — расход газов, выходящих из галереи в зал; 6 — расход газов, поступающих из зала в галерею

няется от температуры. Далее происходит резкий рост его величины. Примерно через 400 с, когда характер пожара в помещении кабельной галереи близок к горению в герметичном объеме (суммарный расход через технологические отверстия близок к нулю, см. рис. 7, а), Ki ^ K2. Таким образом, при рассмотренных исходных данных схема № 2, используемая для определения показателя токсичности при стандартных испытаниях [3, 4], не отслеживает термогазодинамической картины пожара.

Заключение

Определение показателя токсичности на мелкомасштабных экспериментальных установках по данным химического анализа требует обработки результатов измерений в виде двух зависимостей:

• среднеобъемной плотности токсичного газа от температуры;

• среднеобъемной плотности кислорода от температуры.

Вышеуказанные зависимости позволяют оценить адекватность определения показателя токсичности совместного воздействия опасных факторов пожара реальным полномасштабным условиям пожара в помещении.

Коэффициент пропорциональности K между характерной плотностью токсичного газа и отношени-

ем ь/б нр слабо зависит от свойств горючего материала, размеров помещения и открытой поверхности горючего материала и является в первом приближении функцией трех параметров, характеризующих термодинамическую картину пожара: характерной температуры пожара, начальной температуры в помещении и коэффициента теплопотерь из рассматриваемого газового объема в ограждающие конструкции.

Показатель токсичности, полученный в мелкомасштабной установке, будет близок величине, соответствующей условиям протекания пожара в крупномасштабном помещении, в случае равенства коэффициентов теплопотерь в мелкомасштабной установке и крупномасштабном реальном помещении при существенно различающихся термогазодинамических условиях:

• свободное развитие пожара или в условиях работы системы дымоудаления;

• герметичное помещение или помещение с малой или большой проемностью;

• твердые или жидкие горючие вещества и материалы.

Использование интегральной модели для прогнозирования показателя токсичности в машинном зале ГЭС при возгорании в кабельной галерее приводит к физически недостоверным результатам.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Белешников И. Л. Судебно-медицинская оценка содержания цианидов в органах и тканях людей, погибших в условиях пожара : дис. ... канд. мед. наук. — СПб, 1996.

2. Симоненко В. Б., Простакишин Г. П., Сарманаев С. X. Острые отравления: неотложная помощь. — М. : Экономика и информатика, 2008. — 269 с.

3. Иличкин В. С. Токсичность продуктов горения полимерных материалов. Принципы и методы определения. — М. : Химия, 1993. — 136 с.

4. National Fire Protection Association (NFPA). Standard test method for developing toxic potency data for use in fire hazard modeling. NFPA 269. NFPA National Fire Codes. Quincy. — 2003. — P. 269-1-269-18.

5. Пузач С. В. Методы расчета тепломассообмена при пожаре в помещении и их применение при решении практических задач пожаровзрывобезопасности. — М. : Академия ГПС МЧС России, 2005. — 336 с.

6. Пузач С. В., Смагин А. В., Доан В. М., Лебедченко О. С. Оценка токсикологической обстановки при возникновении пожара в салоне самолета и помещениях аэропортов // Тепловые процессы в технике. — 2009. — Т. 1,№ 12. — С. 531-535.

7. Пузач С. В., Смагин А. В., Лебедченко О. С., Абакумов Е. С. Новые представления о расчете необходимого времени эвакуации людей и об эффективности использования портативных фильтрующих самоспасателей при эвакуации на пожарах. — М.: Академия ГПС МЧС России, 2007. — 222 с.

8. Кошмаров Ю. А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении. — М. : Академия ГПС МВД России, 2000. — 118 с.

9. NFPA 92В. Standard for Smoke Management Systems in Malls, Atria, and Large Spaces. — 2005.

10. Пузач С. В., Горячева М. Н., Андреев В. В. Расчет коэффициента теплопотерь при определении критической продолжительности пожара // Пожаровзрывобезопасность. — 2007. — Т. 16, № 6. — С. 21-24.

11. Молчадский И. С. Пожар в помещении. — М. : ВНИИПО, 2005. — 456 с.

12. Fei You, Jianjun Zhou, YanghuiZou, Peide Li. Preliminary Real-scale Experimental Studies on Cable Fires in Plenum // Journal of Fire Sciences. — 2003. — Vol. 21. — November. — P. 465-484.

Материал поступил в редакцию 28 января 2011 г.

Электронный адрес авторов: [email protected].

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: [email protected]

Представляет новую книгу