Расчет необходимого времени эвакуации

 

Расчет необходимого времени эвакуации t_нб производится для наиболее опасного варианта развития пожара, характеризующегося наибольшим темпом нарастания ОФП в рассматриваемом помещении. Сначала рассчитывают значения критической продолжительности пожара (t_кр.с) по условию достижения каждым из ОФП предельно допустимых значений в зоне пребывания людей (рабочей зоне):

 

 

– по повышенной температуре:

 

 

B= = = 130 кг

 

Z= *exp*(1.4 ) = *2.71*(1.4 * ) =0,87

 

A=1.05* * = 1,05*0,0129* =0,023кг*

 

= =90сек =1,5мин

 

 

– по потере видимости:

 

= =

 

= 405сек = 6,75мин

 

– по пониженному содержанию кислорода:

 

= =

 

 

= 1150сек = 19 мин

 

– по каждому из газообразных токсичных продуктов горения:

 

= = =

 

 

= = 1003мин = 16ч.

 

= =

 

Из полученных в результате расчетов значений критической продолжительности пожара выбираются минимальные:

 

= 1,5 мин (по потере видимости)

 

Необходимое время эвакуации людей составит:

 

 

= 0,8*90/60=1,2 мин

Определение температуры

И массового расхода в сечении конвективной колонки

Определить температуру и массовый расход в сечении конвективной колонки, если в помещении с размерами, указанными в таблице, пожар распространился на площади. Координата сечения колонки на 0,5 метра ниже высоты помещения:

 

η = 1; с_р = 103 Дж·кг^–1·К^–1; p ₀ = 300 / T ₀ кг∙К∙м³; χ = 0,6.

 

Размер помещения, м	Пожарная нагрузка	Площадь пожара, м2	Температура наружного воздуха, °С
31х24х3,5	Кабинет

 

Вычисляем:

 

= 1 *0,0129*14002000*10=1806258 Вт;

 

=1.5* м

 

 

(y+ = 0.21 * (0.5+4.74 = 56.84кг*

 

T= + = 30+ =153.4℃

 

 

Теоретическая часть

1. Параметры состояния газовой среды в помещении

Среднеобъемная плотность газовой среды в помещении представляет собой отношение массы газа, заполняющего помещение, к объему помещения, т.е.

где М - масса газа, заполняющего помещение, кг;

V - свободный объем помещения, м3.

Нижний индекс т, используемый здесь и далее, представляет собой первую букву в немецком слове mittel (средний).

Следует отметить, что с формальных позиций среднеобъемная плотность газовой среды есть результат осреднения по объему помещения всех значений локальной плотности, т.е. газовая среда в помещении представляет собой смесь кислорода, азота и продуктов горения. В процессе развития пожара количественное соотношение между компонентами смеси изменяется. В интегральном методе описания процесса изменения массы i-го компонента смеси в течение времени используется параметр, называемый среднеобъемной парциальной плотностью i-го компонента смеси.

2. Понятие и физические величины пламени
Пламя – это видимая часть пространстве (пламенная зона), внутри которой протекает процесс окисления (горения) и происходит тепловыделение, а также генерируются токсичные газообразные продукты и поглощается забираемый из окружающего пространства кислород.

 

По отношению к объему помещения, заполненного газом, пламенную зону можно рассматривать, с одной стороны, как «генератор», тепловой энергии, поступающей в помещение, токсичных продуктов горения и мельчайших твердых частицы, ухудшающих видимость. С другой стороны, пламенная зона потребляет кислород из помещения.

 

В связи с выше сказанным содержание понятия «пламя» представлено в количественном отношении следующими величинами:

 

- характерными размерами пламенной зоны (очага горения), например, площадью горения (площадью пожара).

 

- количеством сгорающего за единицу времени горючего материала (скоростью выгорания)

 

- мощностью тепловыделения

 

- количеством генерирумых за единицу времени в пламенной зоне токсичных газов – количество токсичного газа образующегося при сгорании

 

 

- количеством кислорода, потребляемого в зоне горения – количество кислорода для сгорания единицы массы

 

- оптическим количеством дыма, образующегося в очаге горения.

3. Раскройте сущность динамики ОФП

 

С научных позиций опасные факторы пожара являются физическими понятиями и, следовательно каждый из них представлен в количественном отношении одной или несколькими физическими величинами. С этих позиций рассмотрим вышеперечисленные ОФП.

 

1. Пламя – это видимая часть в пространстве, внутри которой протекает процесс окисления и происходит тепловыделение, а также генерируются токсичные газообразные продукты и поглощается забираемый из окружающего пространства кислород.

 

 

2. Повышенная температура окружающей среды и температура среды, заполняющей помещение, является параметром состояния.

 

 

3. Токсичные продукты горения – этот фактор количественно характеризуется парциальный плоскостью (или концентрацией) каждого токсичного газа. Под токсичностью обычно понимают степень вредного воздействия химического вещества на живой организм.

 

4. Пониженная концентрация кислорода в помещении.

 

Этот фактор количественно характеризуется значением парциальной плоскости кислорода или отношением ее к плоскости газовой среды в помещении.

 

5. Дым — устойчивая дисперсная система, состоящая из мелких твёрдых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в газах. Процесс образования дисперсной среды, ухудшающей видимость, принято называть процессом дымообразования.

 

Совокупность этих зависимостей составляет суть динамики ОФП.

 

4. Основные допущения интегральной математической модели пожара в помещении

Интегральная математическая модель пожара представляет собой систему обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих изменение среднеобъёмных параметров состояния газовой среды в помещении в процессе развития пожара. Они следуют из фундаментальных законов природы − первого закона термодинамики для открытой термодинамической системы и закона сохранения массы. Впервые интегральная модель была сформулирована профессором Ю.А. Кошмаровым в 1976 году.

Таким образом, интегральную модель можно применять при следующих условиях:

• для зданий, содержащих развитую систему помещений малого объема простой геометрической конфигурации;
• для помещений, где характерный размер очага пожара соизмерим с характерными размерами помещения и размеры помещения соизмеримы между собой (линейные размеры помещения отличаются не более чем в 5 раз);
• для предварительных расчетов с целью выявления наиболее опасного сценария пожара.

5. Токсичные продукты горения: понятия и физические величины

Токсичные продукты горения, выделяемые при пожарах, содержат от 50 до 100 химических соединений, которые могут оказывать токсическое воздействие на человека. К наиболее токсичным и часто встречающимся относятся оксид углерода СО и диоксид углерода СО₂.

Опасность СО заключается в том, что он в 200 – 300 раз лучше, чем кислород, взаимодействует с гемоглобином крови, образуя при этом карбоксигемоглобин HbCO. При этом наступает кислородное голодание.

Симптомы при различном содержании HbCO в крови человека, об. %:

0…10 – нет симптомов;

10…20 – слабая головная боль;

20…30 – головная боль;

30…40 – сильная головная боль, слабость, головокружение, рвота;

40…50 – то же, учащенные пульс и дыхание;

50…60 – обморок, бессознательное состояние, ритмичные конвульсии;

60…70 – то же, возможна смерть;

70…80 – смерть в течение нескольких часов.

Опасность СО₂ заключается в том, что он замещает кислород в крови, ускоряет дыхание, что приводит к ингаляции большого количества других газов в опасных концентрациях.

Симптомы при повышенном содержании СО₂ во вдыхаемом воздухе, об. %:

0,5…4 – учащенное дыхание;

5…7 – головная боль, учащенное дыхание, головокружение;

10…12 – смерть в течение нескольких минут вследствие паралича дыхательного центра.

6. Предельно допустимые значения ОФП, физический смысл

Предельно допустимым значением опасного фактора пожара является значение опасного фактора, воздействие которого на человека в течение критической продолжительности пожара не приводит к травме, заболеванию или отклонению в состоянии здоровья в течение нормативно установленного времени, а воздействие на материальные ценности не приводит к потере устойчивости объекта при пожаре.

7. Раскрыть особенности режимов работы проемов

В зависимости от расположения проемов относительно ПРД (плоскости равных давлений) возможны три разных режима "работы" этих проемов. Если проем целиком расположен выше ПРД, то через этот проем будут только выбрасываться газы из помещения. Этот режим называется режимом "выталкивания". Если проем целиком расположен ниже ПРД, то через этот проем будет только поступать воздух из окружающей среды. Этот режим называется режимом "всасывания" воздуха. Наконец, если ПРД проходит через проем, разделяя его на две части, то в этом случае через верхнюю часть проема выталкиваются газы из помещения, а через нижнюю часть всасывается свежий воздух. Этот режим называется "смешанным". В процессе развития пожара может происходить смена режимов работы всех проемов, так как положение ПРД в течение времени изменяется.

8. Уравнение энергии внутреннего пожара

На основе первого закона термодинамики выводится уравнение энергии пожара. Рассматриваемая термодинамическая система, т.е. газовая среда внутри контрольной поверхности, характеризуется тем, что она не совершает работы расширения. Кинетическая энергия видимого движения газовой среды в помещении пренебрежимо мала по сравнению с ее внутренней энергией. Потоки массы через некоторые участки контрольной поверхности (проемы) характеризуются тем, что в них удельная кинетическая энергия газа пренебрежимо мала по сравнению с удельной энтальпией.

С учетом всего сказанного получается следующее уравнение энергии пожара:

(2.28)

Левая часть этого уравнения есть скорость изменения внутренней тепловой энергии газовой среды в помещении за единицу времени в рассматриваемый малый промежуток времени dτ, т.е.

(2.29)

В правой части уравнения (2.28) первый член представляет собой количество тепла, поступающего за единицу времени в газовую среду в результате горения (скорость тепловыделения). Второй член есть поток энергии в помещение, поступающий вместе с продуктами газификации (пиролиз, испарение) горючего материала. Здесь величина i_r - энтальпия этих продуктов. Третий член представляет собой сумму внутренней тепловой энергии поступающего за единицу времени воздуха и работы проталкивания, которую совершает внешняя атмосфера. Четвертый член есть сумма внутренней тепловой энергии, которую уносят за единицу времени уходящие газы, и работы выталкивания, которую совершает рассматриваемая термодинамическая система. Пятый член представляет собой тепловой поток, поглощаемый ограничивающими конструкциями и излучаемый через проемы.

9. Уравнение продуктов горения на внутреннем пожаре

Уравнение баланса токсичного продукта горения:

G_B - расход поступающего воздуха из окружающей атмосферы в помещение, который имеет место в рассматриваемый момент времени процесса развития пожара, кг∙с^-1;

G_Г - расход газов, покидающих помещение через проемы в рассматриваемый момент времени, кг∙с^-1;

ψ - скорость выгорания (скорость газификации) горючего материала в рассматриваемый момент времени, кг∙с^-1;

10. Критическая продолжительность пожара по условию достижения концентрации токсичных газов (продуктов горения) в помещении предельно допустимых значений

 

Расчет t_{кр j} производится в следующей последовательности. Сначала находится значение комплекса В

где Q - низшая теплота сгорания материала, охваченного племенем (при рассматриваемой схеме), MДж·кг^-1; V - свободный объем помещения, м³.

Затем рассчитывается параметр по формуле

.

Далее определяется критическая продолжительность пожара для данной j-й схемы развития по каждому из опасных факторов:

а) повышенной температуре

,

где t₀ - начальная температура в помещении, °С;

б) потере видимости

,

где α - коэффициент отражения (альбедо) предметов на путях эвакуации; Е - начальная освещенность путей эвакуации, лк; D - дымообразующая способность горящего материала, Нп·м²·кг^-1;

в) пониженному содержанию кислорода

,

где L_О2 - расход кислорода на сгорание 1 кг горящего материала, кг·кг^-1

г) каждому из газообразных токсичных продуктов горения

,

где х - предельно допустимое содержание данного газа в атмосфере помещения, кг·м^-3 (х _СО2 = 0,11 кг·м^-3; х _СО = 1,16·10^-3 кг·м^-3; х _HCl = 23·10^-6 кг·м^-3 /3/.

Определяется критическая продолжительность пожара для данной расчетной схемы

,

где i = 1, 2,... n - индекс токсичного продукта горения.

При отсутствии специальных требований значения α и Е принимаются равными соответственно 0,3 и 50 лк.

 

11. Дифференциальное уравнение, описывающее процесс изменения концентрации токсичных продуктов горения в помещении

Уравнение баланса токсичного продукта горения:

G_Г - расход газов, покидающих помещение через проемы в рассматриваемый момент времени, кг∙с^-1;

ψ - скорость выгорания (скорость газификации) горючего материала в рассматриваемый момент времени, кг∙с^-1;

значения G_Г, G_B в течение этого малого промежутка времени остаются практически неизменными.

12. Дифференциальное уравнение, описывающее процесс изменения критической плотности дыма в помещении

Уравнение баланса оптического количества дыма:

В этих уравнениях использованы следующие обозначения: ρ₁, - среднеобъемная парциальная плотность кислорода, кг·м^-3; ρ₂ - среднеобъемная парциальная плотность токсичного продукта горения, кг·м^-3; μ_м - объемная оптическая концентрация дыма, Нп·м^-1.

13. Дифференциальное уравнение, описывающее процесс изменения среднеобъемной температуры в помещении при пожаре в начальной стадии пожара

Начальные значения для этих функций задаются условиями, которые имеют место в помещении перед началом пожара, т.е.

 

 

14. Среднеобъемная температура газовой среды как ОФП

300 градусов по Цельсию.

15. Определение массы выгоревшего материала в зависимости от формы развития пожара и от вида пожарной нагрузки

Масса выгоревших веществ и материалов М_iопределяется по исходным данным, полученным при обследовании объекта пожара в результате пожарно-технической экспертизы; отчетной документации 01 ГПС МЧС России; Государственной системы статистического учета пожаров.

Если известно количество сгоревшего материала (или материалов) в результате пожара, то при определении М_iиспользуют фактические данные.

Если известны площадь пожара S, плотность горючего вещества p_iи глубина выгорания h, то количество сгоревшего вещества или материала М_i находят по формуле:

М_i=S∙ p_i∙h,

где: М_i - количество сгоревшего вещества или материала, т; S - площадь пожара, м²; p_i - плотность горючего вещества, кг/м³; h - глубина выгорания, м.

Если известны площадь пожара S, массовая скорость выгорания материала w_iи время пожара t, то количество сгоревшего вещества или материала находят по формуле:

М_i=S∙ w_i∙t,

где: М_i- количество сгоревшего вещества или материала, т; S - площадь пожара, кв. м;

w_i- массовая скорость выгорания материала, т ∙ м ∙ сек.; t - время пожара (часы, минуты).

Значение времени пожара t определяется промежутком времени между временем ликвидации пожара t_л и временем обнаружения пожара t_о:

t = t_л - t_о.

Если известны площадь пожара S, пожарная нагрузка в здании, помещении P_i , то количество сгоревшего вещества или материала определяют по формуле:

M_i=B∙S∙P_i, (3)

где: M_i- количество сгоревшего вещества или материала, т; В - коэффициент полноты горения, безразмерный; S - площадь пожара, м²;

P_i- пожарная нагрузка, т/ м².

Если известны исходная масса вещества М_о и коэффициент полноты горения В, то количество сгоревшего вещества или материала определяют по формуле:

M_i = M_о ∙ B, (4) где: M_i - количество сгоревшего вещества или материала, т; В - коэффициент полноты горения, безразмерный; M_о - исходная масса вещества, т.

Коэффициент полноты горения В выбирается равным: 0,80 - для пожара на открытом пространстве; 0,87 - для пожара в помещении, здании.

Показатели выброса загрязняющих веществ (продуктов горения) допускается определять аналитико-статистическим методом на основе данных Государственного статистического учета пожаров (с использованием карточки учета пожара).

Выброс загрязняющих веществ (продуктов горения) при пожаре определяется на основе следующих данных:

• уничтоженная и поврежденная пожаром поэтажная площадь F_п;
• время обнаружения пожара t_о;
• время ликвидации пожара t_л.

Эффективную площадь поверхности выброса пожара F_эффопределяют по формуле: F_эфф= y ∙ F_п,

где: F_эфф - эффективная площадь поверхности выброса пожара, м²; y = 0,62 - коэффициент, учитывающий изменение площади пожар по времени, безразмерный; F_п - уничтоженная и поврежденная пожаром поэтажная площадь, м².

Расчет массы сгоревших веществ и материалов М_i производится по формуле:

M _i = F _эфф ∙ t ∙ w _i,

где: M _i - масса сгоревших веществ и материалов, т; F_эфф - эффективная площадь поверхности выброса пожара, м²; t _-1- время пожара (часы, минуты); w _i - массовая скорость выгорания материала, т ∙ м² ∙ сек.

Значения массы выброса M ^в_j j-го загрязняющего вещества (продукта горения) определяют на основе определения массы сгоревших веществ и материалов M_i:

М^в_j =m_ij∙M_i,

где: М^в_j - значения массы выброса j-го загрязняющего вещества (продукта горения), кг;

m_ij- удельная масса j-го загрязняющего вещества (продукта горения), поступившего в атмосферный воздух при горении i-го горючего материала,

M_i^гор - масса сгоревших веществ и материалов, т.

16. Сущность дифференциального метода прогнозирования ОФП, его информативность и область практического использования

Дифференциальный метод является наиболее универсальным из существующих детерминистических методов, поскольку он основан на решении уравнений в частных производных, выражающих фундаментальные законы сохранения в каждой точке расчетной области. С его помощью можно рассчитать температуру, скорость, скорость, концентрации компонентов смеси и т.п. в каждой точки расчетной области.

В связи с этим полевой метод может использоваться:
• для проведения научных исследований в целях выявления закономерностей развития пожара;
• для проведения сравнительных расчетов в целях апробации и совершенствования менее универсальных и зональных и интегральных моделей, проверки обоснованности и их применения;
• выбора рационального варианта противопожарной защиты конкретных объектов:
• моделирования распространения пожара в помещениях высотой более 6м.
В своей основе полевой метод не содержит никаких априорных допущений о структуре течения, и связи с этим принципиально применим для рассмотрения любого сценарий развития пожара.
Вместе с тем, следует отметить, что его использование требует значительных вычислительных ресурсов. Это накладывает ряд ограничений на размеры рассматриваемой системы и снижает возможность проведения многовариантных расчетов. Поэтому, интегральный и зональный методы моделирования также являются важным инструментами в оценке пожарной опасности объектов в тех случаях, когда они обладают достаточной информативностью и сделанные при их формулировке допущения не противоречат картине развития пожара.
Однако, на основе проведенных исследований, можно утверждать, что поскольку априорные допущения зонных моделей могут приводить к существенным ошибкам при оценке пожарной опасности объекта, предпочтительно использовать полевой метод моделирования в следующих случаях:
• для помещений сложной геометрической конфигурации, а также для помещений с большим количеством внутренних преград;
• помещений, в которых один из геометрических размеров гораздо больше остальных;
• помещений, где существует вероятность образования рециркуляционных течений без формирования верхнего прогретого слоя (что является основным допущением классических зонных моделей);
• в иных случаях, когда зонные и интегральные модели являются недостаточно информативными для решения поставленных задач, либо есть основании считать, что развитие пожара может существенно отличаться от априорных допущений зональных и интегральных моделей пожара.

17. Модификация базовой математической модели для учета влияния объемного газового тушения

Расчетная масса ГОТВ М _г, которая должна храниться в установке, определяется по формуле

М_г = K₁[М_р + М_тр + М_бп],(Е.1)

где М_р- масса ГОТВ, предназначенная для создания в объеме помещения огнетушащей концентрации при отсутствии искусственной вентиляции воздуха, определяется по формулам:

- для ГОТВ - сжиженных газов, за исключением двуокиси углерода:

0483S10-04346

(E.2)

- для ГОТВ - сжатых газов и двуокиси углерода

0483S10-04346

(E.3)

здесь V_р- расчетный объем защищаемого помещения, м³. В расчетный объем помещения включается его внутренний геометрический объем, в том числе объем системы вентиляции, кондиционирования, воздушного отопления (до герметичных клапанов или заслонок). Объем оборудования, находящегося в помещении, из него не вычитается, за исключением объема сплошных (непроницаемых) строительных элементов (колонны, балки, фундаменты под оборудование и т.д.);

K₁ - коэффициент, учитывающий утечки газового огнетушащего вещества из сосудов;

K₂ - коэффициент, учитывающий потери газового огнетушащего вещества через проемы помещения;

r₁ - плотность газового огнетушащего вещества с учетом высоты защищаемого объекта относительно уровня моря для минимальной температуры в помещении Т_м, кг/м³, определяется по формуле

(Е.4)

здесь r_о - плотность паров газового огнетушащего вещества при температуре Т₀ = 293 К (20 °С) и атмосферном давлении 101,3 кПа;

Т_о - минимальная температура воздуха в защищаемом помещении, К;

K_з - поправочный коэффициент, учитывающий высоту расположения объекта относительно уровня моря, значения которого приведены в таблице Д.11 приложения Д;

С_н - нормативная объемная концентрация, % (об.).

Значения нормативных огнетушащих концентраций С_н приведены в приложении Д.

Масса остатка ГОТВ в трубопроводах М_тр, кг, определяется по формуле

М_тр = V_трr_готв, (Е.5)

где V_тp - объем всей трубопроводной разводки установки, м³;

r_готв - плотность остатка ГОТВ при давлении, которое имеется в трубопроводе после окончания истечения массы газового огнетушащего вещества М_р в защищаемое помещение;

М_бп - произведение остатка ГОТВ в модуле М_б, который принимается по ТД на модуль, кг, на количество модулей в установке п.

Примечание - Для жидких горючих веществ, не приведенных в приложении Д, нормативная объемная огнетушащая концентрация ГОТВ, все компоненты которых при нормальных условиях находятся в газовой фазе, может быть определена как произведение минимальной объемной огнетушащей концентрации на коэффициент безопасности, равный 1,2 для всех ГОТВ, за исключением двуокиси углерода. Для СО₂ коэффициент безопасности равен 1,7.

Для ГОТВ, находящихся при нормальных условиях в жидкой фазе, а также смесей ГОТВ, хотя бы один из компонентов которых при нормальных условиях находится в жидкой фазе, нормативную огнетушащую концентрацию определяют умножением объемной огнетушащей концентрации на коэффициент безопасности 1,2.

Методики определения минимальной объемной огнетушащей концентрации и огнетушащей концентрации изложены в ГОСТ Р 53280.3.

Е.2 Коэффициенты уравнения (Е.1) определяются следующим образом.

Е.2.1 Коэффициент, учитывающий утечки газового огнетушащего вещества из сосудов K₁ = 1,05.

Е.2.2 Коэффициент, учитывающий потери газового огнетушащего вещества через проемы помещения:

(Е.6)

где П - параметр, учитывающий расположение проемов по высоте защищаемого помещения, м^0,5×с^-1.

Численные значения параметра П выбираются следующим образом:

П = 0, 65 - при расположении проемов одновременно в нижней (0 - 0,2)Н и верхней зоне помещения (0,8 - 1,0)V₁или одновременно на потолке и на полу помещения, причем площади проемов в нижней и верхней части примерно равны и составляют половину суммарной площади проемов; П= 0,1 - при расположении проемов только в верхней зоне (0,8 - 1,0)H защищаемого помещения (или на потолке); П = 0,25 - при расположении проемов только в нижней зоне (0 - 0,2)V₁ защищаемого помещения (или на полу); П = 0,4 - при примерно равномерном распределении площади проемов по всей высоте защищаемого помещения и во всех остальных случаях;

- параметр негерметичности помещения, м^-1,

где SF_н - суммарная площадь проемов, м²;

Н - высота помещения, м;

t_под - нормативное время подачи ГОТВ в защищаемое помещение, с.

Е.3 Тушение пожаров подкласса А₁ (кроме тлеющих материалов, указанных в 8.1.1) следует осуществлять в помещениях с параметром негерметичности не более 0,001 м^-1.

Значение массы М_рдля тушения пожаров подкласса А₁ определяется по формуле

М_р = K₄М_р-гепт, (Е.7)

где М_р-гепт - значение массы М_рдля нормативной объемной концентрации С_н при тушении н-гептана, вычисляется по формулам (2) или (3);

K₄- коэффициент, учитывающий вид горючего материала.

Значения коэффициента K₄принимаются равными: 1,3 - для тушения бумаги, гофрированной бумаги, картона, тканей и т.п. в кипах, рулонах или папках; 2,25 - для помещений с этими же материалами, в которые доступ пожарных после окончания работы АУГП исключен. Для остальных пожаров подкласса А₁, кроме указанн