Задачи противопожарной защиты рассматривает воздействие на горючие материалы потока электромагнитного излучения в диапазонах ультрафиолетового, инфракрасного или видимого излучения. Они решаются для оценки при пожарах возможности переброса пламени на соседние объекты и при оценке необходимых противопожарных разрывов между пожароопасными объектами. Решение таких задач основывается на законах лучистого теплообмена. В настоящей статье рассматривается один из методических подходов к решению задач такого вида.
Пожарная обстановка в РСФСР в производственной, административно-хозяйственной и социальной сферах уже много лет остаётся неблагоприятной.
В заключениях правительственных комиссий по ЧС отмечается, что Россия имеет самый высокий в мире уровень гибели и травматизма людей, а также материальных потерь на пожарах, более чем в 3 раза превышающий средний уровень развитых зарубежных стран.
В структуре масштабных техногенных ЧС, включаемых в статистические сводки МЧС РФ, количество пожаров неизменно занимает первое место, составляя 1,5 – 2 тысячи при общем числе ЧС 2 – 2,2 тысячи в год.
Большое количество пожаров обуславливает актуальность повышения эффективности практических мер по предупреждению и ликвидации пожаров и подготовки рекомендаций, основывающихся на теоретических исследованиях общих физических процессов теплопередачи, горения и распространения пламени применительно к различным случаям пожарной обстановки.
Методики решения задач по определению противопожарных разрывов в настоящее время включаются в программы подготовки специалистов не только специализированных учебных заведений МЧС, но и ряда технических университетов и ВУЗов.
Задачи, решаемые при оценке пожароопасной обстановки
Из обширного перечня задач, решаемых при оценке пожарной обстановки и базирующихся на положениях теории тепломассообмена, выделим задачи прогноза возможного возгорания, в числе которых могут рассматриваться следующие случаи.
При воздействии на горючие материалы твердых нагретых предметов в теплофизике стационарного режима теплообмена поверхностей агрегатов или трубопроводных систем при транспортировке жидких и газообразных компонентов с повышенной температурой используют законы стационарного режима теплообмена.
Воздействие на горючие материалы омывающих их нагретых жидкостей или газов в аэродинамических и газодинамических системах используют законы конвективного теплообмена.
Воздействия на горючие материалы потока электромагнитного излучения в диапазонах ультрафиолетового, инфракрасного или видимого спектров оценивают возможности переброса пламени на соседние объекты, используя законы лучистого теплообмена. Подобные задачи и решаются в предложенной статье.
Уравнение баланса лучистого теплообмена. Понятие степени черноты тела
Баланс лучистого теплообмена описывается следующим выражением:
Q = QR + QA + QD ,
где Q — лучистая энергия, воздействующая на облучаемое тело;
QR, QA, QD – отраженная, поглощенная и проходящая сквозь тело лучистая энергия.
Разделив обе части этого выражения на Q получим:
= 1 ,
где: ,, — коэффициенты, характеризующие отражательную (), поглощательную () способности и прозрачность () тела.
Эти коэффициенты зависят от рода тела, его температуры, состояния поверхности, от длины волны лучей, воздействующих на него.
При =1 тело называется абсолютно прозрачным или диатермальным,
при =1 — абсолютно белым или зеркальным,
при =1 — абсолютно черным, т.е. таким, которое поглощает все падающие на него лучи независимо от их направления, спектрального состава и поляризации.
Понятие абсолютно черного тела, широко используются в инженерных расчетах лучистого теплообмена. В природе не существует ни абсолютно черного, ни диатермального, ни абсолютно белого тела. Из реальных тел наиболее близки
— к диатермальным двухатомные газы ( ≈ 0,97 – 0,99);
— к зеркальным — полированные металлические поверхности ( ≈ 0,97 – 0,99);
— к абсолютно черным – сажа, некоторые сорта черного бархата ( ≈ 0,97 – 0,99).
При значениях < 1, < 1 величины называют, соответственно, степенью прозрачности, зеркальности и черноты реального тела.
Закон Стефана-Больцмана и его применение к решению задач.
Закон Стефана-Больцмана гласит: энергия полусферического излучения абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры, т.е.
Eo=oT4 ,
где o = 5,67 · 10-8 вт /м2·К4 — постоянная Стефана-Больцмана, Т – абсолютная температура тела. При проведении практических расчетов (без применения вычислительной техники) для постоянной Стефана-Больцмана используется величина Со= 5,67 вт /м2·К4 и закон принимает вид
вт /м2 .
Где Ео это энергия, излучаемая в секунду с квадратного метра поверхности абсолютно черного тела при постоянной температуре тела и характеризует плотность потока излучения.
В общих случаях значение излучаемой энергии будет меньше. Уменьшение будет пропорционально уменьшению степени черноты тела , т. е. для тела с температурой Т формула будет иметь вид:
Уравнение теплообмена бесконечной плоской стенки
Лучистый теплообмен при пожарах представляет собой сложный физический процесс, зависящий от большого числа факторов, характеризующих процесс формирования теплового излучения и его воздействие на окружающие тела. При проведении расчетов предположим, что твердые и жидкие тела поглощают очень тонким наружным слоем почти все тепловое излучение, падающее на их поверхность. Для металлов толщина этого слоя составляет около 1 микрона, для большинства остальных материалов — около 1,3 мм. Поэтому, в первом приближении, можно говорить, что поглощает тонкая поверхность облучаемого тела. Представим облучающее и облучаемое тела в виде двух плоских бесконечных плоскостей, имеющих следующие характеристики:
- Для каждой поверхности - или 1 < 1, 2 < 1, и сквозь себя тела излучений не пропускают. Отражательные способности поверхностей (1 — 1) и (1 — 2) .
- Температуры поверхностей различны и положим, что Т1>T2.
- Плоскости разделены диатермальной средой с = 1 , т.е. среда абсолютно прозрачна.
Согласно закону Стефана-Больцмана и допущениям можно заключить, что каждая плоскость не только излучает собственную энергию, но и отражает падающую на нее энергию, направляя ее в сторону излучателя. При этом следует иметь в виду, что часть падающей на нее энергии это ее собственная энергия, отраженная противоположной плоскостью. Баланс перечисленных энергий отражается в итоговом уравнении теплообмена плоской стенки следующим образом
где энергия, излучаемая первой плоскостью, а — та ее часть, которая поглощается самим первым телом после отражения вторым телом.
Первое тело излучает энергию Е1, но часть ее, после отражения вторым телом, само и поглощает.
Суммарная часть излученной энергии, поглощаемая первым телом, будет равна :
Удельная плотность облучения
Если Т1 > Т2 , то Е1 > Е2 и происходит передача энергии от первого тела второму. Обозначим q1-2 удельную энергию, передаваемую от первого тела второму :
Мы получили уравнение лучистого теплообмена в бесконечной плоской стенке, характеризующее процесс теплообмена между двумя телами с учетом степеней их черноты (уравнение Стефана-Больцмана) .
Краевой эффект при конечных размерах стенки
При лучистом теплообмене между двумя параллельными бесконечными плоскостями на каждую точку плоскости падают лучи от всех точек противолежащей плоскости. В результате можно сказать, во-первых, что энергия, падающая на точку, приносится лучами из полусферы, лежащей на облучаемой плоскости и с центром в этой точке, и, во-вторых, все точки каждой плоскости с точки зрения теплообмена находятся в одинаковых условиях.
При конечных размерах стенки на каждую облучаемую точку падают лучи уже не из полусферы, а из телесного угла меньших размеров, ограниченного размерами излучающей поверхности. Кроме этого, следует заметить, что точки, находящиеся ближе к краям будут находиться в менее напряженном тепловом режиме по сравнению с точками, находящимися ближе к центру.
В общем случае принимаем энергию, падающую на облучаемую точку пропорциональной телесному углу под которым из этой точки видна излучающая поверхность: при бесконечных плоскостях величина телесного угла равна площади поверхности полусферы (2r2), при конечных размерах стенки — площади некоторой поверхности S(r2) на полусфере.
В практических расчетах принимается, что уменьшение энергии, воспринимаемой облучаемой точкой за счет уменьшения размеров излучателя, выражается коэффициентом облученности , равным отношению величины телесного угла, под которым виден излучатель, к площади поверхности полусферы :
К расчету значений коэффициента облученности.
При расчете значения коэффициента облученности удобно рассматривать случай облучения исследуемой точки при следующих допущениях :
факел пламени горящего объекта (излучателя) принимается плоским, прямоугольным и расположенным параллельно облучаемому объекту, и
исследуемая точка облучаемого объекта размещается на нормали к одной из вершин этого прямоугольника.
В соответствии с допущениями рассмотрим прямоугольник, который имеет размеры a, x и b , а расстояние до исследуемой точки по нормали равно r( см. рис.2.) Лучи, проведенные от исследуемой точки к вершинам прямоугольника, образуют телесный угол — угол, под которым из исследуемой точки видна излучающая поверхность.
Рис.2. Графическое определение модуля для расчета коэффициента облученности.
Эта схема используется в конкретных задачах как типовой модуль, для которого выводится формула для расчета частного коэффициента облученности ’ = f (b/r;a/r) . Выбранная схема удобна тем, что позволяет рассчитывать величину для многих вариантов расположения исследуемой точки возгорания относительно факела пламени.
Рис. 3. Варианты сочетаний типовых модулей в задачах.
1) = 4’(b/ a ; r/a) при a2=a1, b2 = b1 2) = 2’((b1+b2)/ a ; r/a) при a2=a1, b2 = 0
3) = 2’(b1/ a ; r/a) + 2’(b2/ a ; r/a). 4) = 2’((b1+b2)/ a ; r/a) — 2’(b2/ a ; r/a).
На рис. 3 представлены варианты сочетаний типовых модулей в реальных за дачах при равенстве а1 = а2 и различных соотношениях b1 и b2; рассмотрены случаи, когда наиболее напряженная точка на облучаемом объекте находится:
— напротив геометрического центра факела пламени, т.е. a1 = а2, b1=b2 ;
— напротив центра нижнего среза факела пламени, т.е. a1 = а2, b1 ¹ b2;
— выше нижнего среза, но ниже центра факела, т.е. a1 = а2, b1 > b2;
— ниже нижнего среза факела пламени, т.е. a1 = а2, b1 ¹ b2 ;
Рассмотренная методика без особых затруднений может быть использована для случая, когда а1 ≠ а2 , заданная максимальная температура, развиваемая при горении данного вещества Т1, температуры воспламенения облучаемого вещества Т2 , степени черноты факела пламени горящего вещества 1, степень черноты облучаемого вещества 2 и геометрические размеры модулей, рассчитанные по максимальным размерам факела ai,bi,r. Методика может быть использована при решении прямой и обратной задачи определения противопожарного разрыва между двумя пожароопасными объектами. При проектирования застройки определяется расстояние до объекта, при котором в случае пожара на соседнем объекте время возгорания другого будет не меньше заданного. При существующей уже застройке определяется возможное время возгорания при возникновении пожара на соседнем расположенном на заданном расстоянии объекте.
- Теплообмен, М. 2001, под ред. А.И. Леонтьева .
- ФЗ от 21 декабря 1994 г. N 68-ФЗ «О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера».
- Защита в чрезвычайных ситуациях и гражданская оборона: в 2 ч. В.Ф.Ефимов, А.Д. Рябиков, Л.П. Титоренко, А.Д. Чебыкин под ред. Л.П. Титоренко. М.: ООО » Ториус 77″, 2009г.[schema type=»book» name=»К МЕТОДИКЕ ОЦЕНКИ ПРОТИВОПОЖАРНОГО РАЗРЫВА » description=»При создании систем защиты от пожаров рассматривают воздействие на горючие материалы потока электромагнитного излучения в диапазонах ультрафиолетового, инфракрасного или видимого излучения, оценивают возможности переброса пламени на близлежащие объекты и определяют разрывы между пожароопасными объектами. При решении таких задач используют законы лучистого теплообмена. В статье представлена одна из методик решения таких задач.» author=»Щербакова Ирина Сергеевна, Комиссарова Мария Викторовна, Кирикова Ольга Викторовна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-04-12″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.03.2017_03(36)_часть 1″ ebook=»yes» ]