Лекция_Тепловой и газовый обмен на внутреннем пожаре

1.

Тема:
ТЕПЛОВОЙ И ГАЗОВЫЙ ОБМЕН
НА ВНУТРЕННЕМ ПОЖАРЕ
Разработчик: доцент
кафедры ПЭ и БЖД
Дроздова Т.И..

2.

Тепловыделение на пожаре сопровождается движением
газовых потоков и задымлением определенного
пространства около зоны горения.
Количественной характеристикой изменения
тепловыделения на пожаре в зависимости от различных
условий горения служит температурный режим.
Под температурным режимом понимают изменение
температуры во времени.
Температуру пожара для практических расчетов
определяют из уравнения теплового баланса. Для
конкретных условий теплотой пожара определяется темп
изменения среднеобъемной температуры среды в
помещении (Tп), которая является основной
характеристикой пожара при оценке пределов
огнестойкости строительных конструкций, реализации в
помещении условий, представляющих опасность для
людей.
2

3. В общем виде тепловой режим можно написать следующим образом:   QП=QПГ+QК+QЛ, где: QП – количество тепла, выделяющегося на

3
В общем виде тепловой режим можно написать
следующим образом:
QП=QПГ+QК+QЛ,
где:
QП – количество тепла, выделяющегося на пожаре, кДж;
QПГ – тепло, которое поглощается продуктами горения, кДж;
QК – количество тепла, передаваемого из зоны горения
конвекцией воздуху, омывающему зону горения, кДж:
QК= FП ;
QЛ – количество тепла, передаваемое из зоны горения
излучением, кДж.

4.

4
При открытых пожарах доля тепла, передаваемого из
зоны горения излучением и конвекцией, составляет 40-50
% от QП. .Оставшиеся 60-50 % идут на нагрев горючего
вещества.
Температура
открытых
пожаров
зависит
от
теплотворной способности горючих материалов, скорости
их выгорания, метеоусловий. В среднем, температура
открытого пожара газов равна 1200-1350 С, жидкостей –
1100-1300 С, твердых веществ – 1100-1250 С.
На внутренних пожарах на температуру пожара влияют:
вид горючего материала, величина пожарной нагрузки и ее
расположение, площадь горения, площадь пола, высота
помещения и т.д.
.

5.

5
На начальной стадии пожара для расчета температуры
пожара предпочтительнее использовать более простые
расчеты. Изменение температуры газовой среды по
высоте помещения при пожаре в зависимости от ее
среднеобъемного значения в заданный момент времени
может быть выражено формулой:
h
h
T (h) T0 (Tп T0 ) exp(1,3 ) ,
H
H
где – температура на высоте h, К;
– начальная температура в помещении, К;
h – высота над уровнем пола, где определяется
температура пожара, м;
H – высота помещения, м.

6.

6
На начальной стадии быстро развивающегося пожара вследствие
повышения температуры происходит вытеснение продуктов горения через
неплотности и открытые проемы. С учетом этого было получено
выражение для определения динамики изменения температуры пожара во
времени:
(1 ) QHP ( )
,
Tп T0 exp
C P Vсв.п. 0 T0
где T0 – начальная температура в помещении, К;
3
0 – плотность воздуха при температуре T0 , кг/м ;
3
Vсв.п. – свободный объем помещения, м ;
– коэффициент, учитывающий отношение количества тепла,
поступающего к ограждающим конструкциям, к количеству тепла,
выделяющегося в очаге горения; для начальной стадии пожара = 0,55;
( ) –масса выгоревших к данному моменту времени материалов
пожарной нагрузки помещения, кг;
– коэффициент полноты сгорания, на начальной стадии =0,7;
C P – удельная теплоемкость, кДж/кг К.

7.

Нагретые тела:
7
Для начальной стадии развития пожара зависимость массы
выгоревших материалов от времени может быть выражена:
n
( ) A ,
где A и n зависят от формы поверхности горения и свойств
материалов пожарной нагрузки.
Если фронт пламени распространяется, имея круговую форму, то
A 0,67 vm' v л ; n = 3.
При нестационарном горении жидкостей на площади Fп:
A 0,67 vm' Fп ; n = 1,5.
При стационарном горении жидкостей на площади Fп:
A vm' Fп ; n = 1.

8.

8
Эти закономерности справедливы при быстром
развитии пожара при пламенном горении материалов
пожарной нагрузки.
Если эти зависимости применять при длительном
тлении материалов, то можно получить значительную
погрешность.
Изменение соотношения площади проёмов к площади
пожара в сторону увеличения приводит к росту
температуры пожара, а уменьшение этого
отношения приводит к увеличению
продолжительности пожара.

9.

9
По интенсивности газообмена, которая определяет скорость роста
температуры пожара, все помещения можно разделить на две группы:
1.Помещения, в которых отношение площади проёмов к
1 Fпр 1
площади пола меньше , относятся к помещениям с
12 Fпола 12
низкотемпературным режимом.
2. Помещения, у которых отношение
Fпр 1
,
F 12
пола
помещениям с высокотемпературным режимом пожаров.
относятся к

10.

10
Высота помещения оказывает существенное
влияние на температуру пожара:
в
высоких
помещениях
скорость
роста
температуры
пожара
выше,
а
значение
температуры пожара ниже, чем в низких
в
высокотемпературных помещениях с
интенсивным
газообменом,
несмотря
на
интенсивное
тепловыделение
и
высокую
температуру в верхней части помещения, в
нижней
части
помещения
происходит
интенсивный приток воздуха и отток продуктов
горения. Средняя температура такого пожара
может быть невелика.

11.

11
Внутренний пожар – это более сложный
процесс горения по сравнению с открытым
пожаром, т.к. объем, где происходит горение,
ограничен и не всё тепло теряется безвозвратно.

12.

Поэтому, тепловой баланс записывают в несколько иной форме:
12
Qn Q' ПГ Q' ' ПГ QКОН QГМ QИЗЛ ,
где Qn – тепло, выделяющееся на пожаре, кДж;
'
– тепло, поглощаемое продуктами горения, которые удаляются из
Q ПГ
помещения, где произошел пожар, кДж;
"
– тепло продуктов горения, которые находятся в помещении, кДж;
Q ПГ
QКОН – тепло, расходуемое на нагрев конструкций за счет излучения,
кДж;
QГМ – тепло, которое поступает к горючим веществам и материалам за
счет конвекции и излучения, кДж;
QИЗЛ – тепло, которое излучается из зоны горения за предел помещения
через проемы и обрушения, кДж.

13.

13
Все эти величины переменны во времени, они зависят
от вида горючего материала,
его количества,
площади пожара и многих других параметров.
Температуру пожара в помещении определяет QПГ , т.к.
продукты горения распределяются по всему
помещению.
Qпг – этот тепловой поток невелик, но очень опасен,
сведение его к нулю приводит к локализации пожара и
его тушению;
Qкон – тоже опасный тепловой поток, т.к. за счет
нагрева конструкций резко снижается их прочность,
происходит потеря их устойчивости и обрушение.

14.

14
Тепло на пожаре выделяется непосредственно в зоне горения,
распространяется конвекцией, лучеиспусканием и теплопроводностью.
Тепло, которое передается теплопроводностью, невелико и его не
учитывают.
/ и Q
ИЗЛ – не учитывают, т.к. тепло уходит за пределы помещения и
Q ПГ
на температуру пожара не влияет.
Для расчета приближенного значения температуры пожара исходят
из предпосылки, что температура пожара обусловлена разностью:
/
''
QП (QПГ
QИЗЛ QКОН Q ГМ ) QПГ
.

15.

1153
'
Величина тепловых потерь: Q ПГ
, QИЗЛ , QКОН , QГМ выражается как
доля тепловых потерь (m) от теплоты пожара, т.е.:
'
Q ПГ
QИЗЛ QКОН Q ГМ mQn ,
тогда уравнение теплового баланса примет вид:
"
Q П Q ПГ
mQn .
Тепло, которое затрачивается на нагрев дыма (продуктов горения) и
воздуха в помещении, можно определить из уравнения:
"
Q ПГ
m' Fn C Р V ПГ V0 ( 1) (t П t Н ) ,
тогда
QН m' Fn m' Fn C р VПГ V0 1 t n t Н m QН М' Fn ,
tn
QН 1 m
tН .
C р V ПГ V0 1

16.

16
В этом выражении неизвестны Ср и m.
Если задаться условием, что Ср – это среднеобъемная
удельная теплоемкость смеси газов, то tn можно
определить методом последовательных приближений.
Кроме этого, расчетные значения температуры
являются средними по площади и по сечению
помещения, что соответствует равномерному полю
температур по всему объему помещения. Однако в
реальных пожарах распределение температуры
неравномерно по объему и нестационарно по
времени.
Максимальная температура пожара обычно выше
среднеобъемной и бывает в зоне горения. По мере
удаления от зоны горения температура снижается как
за счет разбавления продуктов горения воздухом, так
и за счет потерь тепла в окружающую среду.

17.

17
В помещениях с малой интенсивностью
газообмена и низкотемпературным режимом
горение происходит с большим недостатком
воздуха. Но температура в таком помещении
одинакова по всему объему и может быть
высокой из-за слабого оттока продуктов горения.
Это обстоятельство необходимо учитывать при
тушении пожара и для обеспечения безопасности
людей и эффективной работы личного состава.

18. Особенности газообмена на внутреннем пожаре

18
Особенности газообмена на внутреннем
пожаре
• Газообмен – это конвективные газовые
потоки, которые образуются над зоной
горения. Над любым источником тепла
формируется тепловая струя.
• Газ (воздух), нагретый в зоне горения до
высокой температуры, поднимается вверх,
а взамен к очагу пожара подтекают новые
порции более холодного воздуха.

19.

19
• На начальной стадии развития пожара горение
происходит за счет воздуха, находящегося в
объеме помещения. С окружающей (внешней)
атмосферой газообмен отсутствует. Нагретые до
высокой температуры продукты горения
поднимаются вверх и вовлекают по пути своего
движения примыкающие холодные массы
воздуха. В результате обмена энергией тепловой
струи (продуктов горения) с холодным воздухом
скорость струи по мере удаления от очага
уменьшается, охлажденный воздух (смесь его с
продуктами горения) вновь возвращается к очагу
горения.

20.

20
Когда площадь пожара мала, тепловая струя затухает,
не достигнув перекрытия. Зона горения является
мощным побудителем движения воздушных масс в
объеме помещения. По мере увеличения площади
пожара мощность тепловой струи увеличивается,
горячие газы с холодным воздухом частично
растекаются под перекрытием, частично удаляются
через проемы, а охлажденный воздух за счет
теплопотерь опускается вдоль стен вниз, попадает в
зону реакции, нагревается вновь и поднимается вверх.
Таким образом, в помещении создается непрерывная
циркуляция газовых потоков, температура в объеме
помещения возрастает.

21.

21
В результате перепада температур между
окружающим воздухом и горячим газом в
объеме помещения возникает газообмен (из-за
разных плотностей между горючим газом и
холодным воздухом, ρг<ρβ). Кроме этого, т.к.
объем нагретых газов больше, чем холодных, а
давление в помещении останется постоянным,
то часть газов за счет термического
расширения будет вытесняться, т.е. масса
газов (G=ρVпом) в помещении будет
уменьшаться по мере роста температуры.

22.

22
Взамен ушедшего газа поступает свежий воздух из окружающей
атмосферы. Причиной газообмена является разность давления столбов
наружного и внутреннего воздуха:
Δρ Ηρ В Ηρ Г Η(ρ в ρ Γ ) ,
где - гравитационное давление (напор).

23.

23
При рассмотрении основных закономерностей
газообмена принимают ряд допущений:
1) Температура газов в помещении выше, чем
температура окружающего воздуха, температура в
помещении с течением времени не изменяется.
2) Ветровые нагрузки на здание отсутствуют.
3) Площади оконных и дверных проемов не
изменяются.
4) Масса газов, втекающих в помещение, равна массе
газов, удаляемых из помещения.

24.

24
Спасибо за внимание!