К МЕТОДИКЕ ОЦЕНКИ ПРОТИВОПОЖАРНОГО РАЗРЫВА

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 = Q_R + Q_A + Q_D ,

где Q — лучистая энергия, воздействующая на облучаемое тело;

Q_R, Q_A, Q_D – 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.

E_o=_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 С_о= 5,67 вт /м²·К⁴ и закон принимает вид

 вт /м² .

Где Е_о 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:

1. Для каждой поверхности -   или   ₁ < 1,  ₂ < 1,   и  сквозь  себя  тела  излучений  не  пропускают.  Отражательные  способности   поверхностей  (1 — ₁)   и     (1 —  ₂) .
2. Температуры поверхностей различны  и  положим,  что  Т₁>T₂.
3. 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 q_1-2 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 (2r²), 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 Т_1, 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 a_i,b_i,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.

Литература.

1. Теплообмен, М. 2001, под ред. А.И. Леонтьева .
2. ФЗ от 21 декабря 1994 г. N 68-ФЗ «О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера».
3. 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» ]