Динамика опасных факторов пожара и расчет критической продолжительности пожара в производственных помещениях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.26.03, кандидат технических наук Рубцов, Валерий Вячеславович

• Рубцов, Валерий Вячеславович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Рубцов, Валерий Вячеславович

СОДЕРЖАНИЕ

Основные обозначения и сокращения

Введение

Глава 1. Математические модели динамики ОФП и анализ методов расчёта критической продолжительности пожара

1.1. Математические модели процесса развития пожара в помещении

1.2. Анализ метода расчёта критической продолжительности пожара, представленного в государственном стандарте пожарной безопасности. Цель диссертации

1.3. Уравнения пожара и их анализ

1.4.Решения «первого приближения»

1.4.1. Процесс нарастания температуры

1.4.2. Процесс снижения концентрации кислорода

1.4.3. Процесс нарастания концентрации токсичного газа

1.4.4. Процесс нарастания оптической плотности дыма

Глава 2. Коэффициент теплопотерь

2.1. Общие положения

2.2. Коэффициент теплопотерь для пожаров при круговом распространении пламени по поверхности слоя ТГМ

2.3. Коэффициент теплопотерь для пожаров при линейном распространении пламени по поверхности слоя ТГМ

2.4. Коэффициент теплопотерь при неустановившимся горении ГЖ

2.5. Коэффициент теплопотерь при установившимся горении ГЖ

Глава 3. Влияние проёмности на динамику ОФП в производственных помещениях. Критериальные уравнения для расчёта критической продолжительности пожара

3.1. Процесс нарастания температуры

3.2. Процесс снижения концентрации кислорода

3.3. Процесс нарастания концентрации токсичных продуктов горения

3.4. Процесс нарастания оптической плотности дыма

Глава 4. Методика компьютерных экспериментов

4.1. Модифицированная интегральная математическая модель пожара и компьютерная программа её реализации

4.2. Методика обработки экспериментальных данных

4.3. Оценка достоверности аппроксимационных зависимостей

Основные выводы

Список литературы

Приложение 1. Процесс нарастания концентрации токсичного газа в

помещении с малой проёмностью

Приложение 2. Тексты компьютерных программ для форматирования и

обработки данных к-экспериментов

Приложение 3. Акты о внедрении результатов работы

Основные обозначения и сокращения

Ь£ - эффективная ширина проёмов, м; Ьг - ширина фронта пламени, м;

су,ср - теплоёмкости газа при постоянном объёме и постоянном давлении соответственно, Дж • кг-1 • К"1;

В - дымообразующая способность горючего материала, Нп • м2 • кг ;

- площадь пожара, м2; ^ - площадь пола, м2; Рироем - площадь проёмов, м2;

^ - суммарная площадь поверхности ограждений, м2;

Ов - расход воздуха, поступающего через проёмы, кг -с"1;

О у, - расход газов, уходящих из помещения через проёмы, кг • с-1;

§ - ускорение свободного падения, м • с"2; Ь - половина высоты помещения, м;

Н - высота проёма, м;

Ь\ - стехиометрическое соотношение «кислород-горючее», кг - кг ;

Ь2 - отношение массы образующегося продукта горения к массе сгоревшего

ГМ, кг-кг4;

11512 - ширина и длина помещения, м;

Ьи - критерий люминогенной опасности ;

тг - количество ТГМ в единице объёма, кг-м~3;

- обобщённая безразмерная переменная; 0,д, - суммарный тепловой поток в ограждения, Вт; 0пож - скорость тепловыделения в очаге горения, Вт;

С>н - теплота сгорания ГМ, Дж • кг ;

Я - газовая постоянная, Дж • кг-1 • К-1; Б а - критерий оксиногенной опасности; ТЪ - критерий термической опасности; То - критерий токсикогенной опасности;

Т 0 - температура в помещении в начальный момент времени, К; Тв - температура поступающего в помещение воздуха, К; Тт - среднеобъёмная температура, К;

Ткр - критическое значение среднеобъёмной температуры, К; Тпл - температура пламени, К;

Тупред - предельно допустимая температура среды в рабочей зоне, К;

V - объём помещения, м ;

ул - линейная скорость распространения пламени, м • с ;

х01 - концентрация кислорода в окружающей атмосфере (х01 = 0,23);

у - расстояние от пола до уровня рабочей зоны, м;

у» - расстояние от пола до плоскости равных давлений, м;

Ун'Ув " расстояние от пола до нижнего и верхнего краёв проёма, м;

А - толщина слоя ТГМ, м;

ДКАВ - параметр влияния радиационного теплообмена; Ф - критерий формы помещения; Г - критерий макрокинетики горения; П - критерий проёмности;

Б .

• 100 % - проёмностъ помещения, %;

Б

пол

- скорость выгорания горючего материала, кг • с-1;

\|/уд - удельная массовая скорость выгорания, кг -с1 -м2:

б - степень черноты;

г| - коэффициент полноты горения;

Ф - среднее значение коэффициента теплопотерь;

к - отношение скорости изменения внутренней энергии среды, заполняющей помещение, к скорости тепловыделения в очаге горения; \1т - среднеобъёмная оптическая плотность дыма, Нп • м-1;

|1пред - предельно допустимая оптическая плотность дыма в рабочей зоне, Нп • м-1;

рт - среднеобъёмная плотность газовой среды, кг • м-3;

_о

р, - среднеобъёмная парциальная плотность кислорода, кг • м ;

р*р - критическая парциальная плотность кислорода, кг • м-3;

рпред _ Предельно допустимая концентрация кислорода в рабочей зоне, кг • м 3;

р2 - среднеобъёмная парциальная плотность продукта горения, кг • м-3;

о

Р2Р - критическая парциальная плотность токсичного газа, кг • м" ;

р2уСД - предельно допустимая концентрация токсичного газа в рабочей зоне,

кг • м"3; т - время, с;

тст - время стабилизации горения жидкости, с;

т^ - критическая продолжительность пожара по температуре, с;

т°2 - критическая продолжительность пожара по кислороду, с;

т г

т1ф - критическая продолжительность пожара по токсичному продукту сгорания, с;

т«ым - критическая продолжительность пожара по оптической плотности дыма, с;

о) - коэффициент, учитывающий ослабление радиационного потока из-за задымления.

СОКРАЩЕНИЯ

ОФП - опасные факторы пожара;

ГМ - горючий материал;

ТГМ - твёрдый горючий материал;

ГЖ - горючая жидкость;

ПРД - плоскость равных давлений.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамика опасных факторов пожара и расчет критической продолжительности пожара в производственных помещениях»

Введение

Ежегодно на объектах народного хозяйства и в жилом секторе происходит более 350 тысяч пожаров. Отношение величины только прямого ущерба от пожаров к произведенному национальному доходу, например, в 1990 году составляло 0,087 % , а в 1992 году уже 0,321 % , т.е. возросло в 3,7 раза, и продолжает расти в настоящее время. В большом списке требований пожарной безопасности особое место занимают положения, направленные на обеспечение безопасности людей в случае возникновения пожаров в зданиях различного назначения. В 1994 году на пожарах погибло 15,7 тысяч человек и 12,2 тысячи человек получили травмы и увечья.

Актуальность темы. Россия имеет самый высокий в мире уровень гибели и травмирования людей на пожарах, в несколько раз превышающий средний уровень развитых зарубежных стран.

Безопасность людей на пожарах в зданиях и сооружениях в настоящее время обеспечивается принятием специальных технических решений, которые разрабатываются на основе требований нормативных документов. Основополагающий документ, регламентирующий пожарную безопасность ГОСТ 12.1.004-91 «ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования» определяет эвакуацию как один из основных способов обеспечения безопасности людей при пожарах в зданиях и сооружениях. Эвакуация является успешной, если расчётное время эвакуации меньше необходимого времени

эвакуации. Это условие безопасности людей, сформулированное М.Я.Ройтманом, лежит в основе нормирования процесса эвакуации. В государственном стандарте указано, что необходимое время эвакуации следует принимать равным произведению критической продолжительности пожара на коэффициент безопасности (коэффициент запаса), равный 0,8. Критическая продолжительность пожара есть время достижения предельно допустимых для человека значений опасных факторов пожара (ОФП). Таким образом, для реализации указанного условия безопасности людей необходимо располагать методом расчёта критической продолжительности пожара. Вопрос о точности метода расчёта критической продолжительности пожара является ключевым в решении задачи обеспечения безопасной эвакуации. Недооценка пожарной опасности, равно как и её переоценка, может привести к большим экономическим и социальным потерям.

Методика расчёта критической продолжительности пожара представлена в ГОСТ 12.1.004-91. Эта методика аккумулировала в себе результаты значительного цикла работ, посвященных исследованию динамики ОФП в начальной стадии пожара (А.В.Матюшин, Т.Г.Меркушкина, Ю.С.Зотов, В.Н.Тимошенко и др.). Однако, результаты расчётов по этой методике не согласуются в ряде случаев с данными экспериментов, посвященных исследованию процессов нарастания ОФП в помещениях с относительно большими проёмами. Дело прежде всего в том, что указанная методика была разработана без учёта того факта, что в интервале времени, равном критической продолжительности пожара, одновременно с выбросом газов из помещения

через проёмы может иметь место поступление воздуха из окружающей атмосферы. В определённых условиях эта методика может давать результаты, отличающиеся от реальных значений критической продолжительности пожара на 200 - 300 %. Более подробное рассмотрение недостатков этой методики даётся ниже. Следует здесь отметить, что для многих производственных помещений характерным обстоятельством является наличие всегда открытых проёмов относительно больших размеров.

Таким образом, исследования динамики ОФП с целью дальнейшего уточнения методики расчёта критической продолжительности пожара является актуальной задачей обеспечения безопасности людей при пожарах.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является создание более совершенной научной основы обеспечения безопасной эвакуации людей в случае возникновения пожара, позволяющей осуществить повышение точности прогнозирования ОФП и расчёта критической продолжительности пожара. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• провести тщательный анализ недостатков и допущений известных научных разработок и методов расчёта критической продолжительности пожара в помещениях;

• разработать метод расчёта среднеинтегрального коэффициента теплопотерь, используемого при расчётах динамики ОФП, с учётом современных знаний о процессах теплового взаимодействия газовой среды в помещении с ограждениями в условиях пожара;

• разработать на основе интегральной математической модели пожара методику исследования влияния проёмности на динамику ОФП путём постановки и проведения компьютерных экспериментов; при этом уточнить математическую модель выгорания ТГМ и в связи этим осуществить модификацию компьютерной программы для численной реализации математической модели пожара, разработанной на кафедре ИТГ МИПБ, с целью обеспечения адекватности результатов моделирования натурным данным;

• разработать методические основы обобщения результатов экспериментов и установить систему определяющих критериев для процессов нарастания ОФП;

• разработать программу компьютерных экспериментов для исследования влияния проёмности помещений на динамику ОФП при горении ТГМ, реализовать её и получить обобщённые зависимости для расчёта процессов нарастания ОФП;

• получить более обоснованные новые формулы для расчёта критической продолжительности пожара по условиям достижения всех ОФП своих предельно допустимых значений в рабочей зоне.

Научная новизна работы. Разработана теория процессов нарастания ОФП в начальной стадии пожара, которая не содержит недостатков, присущих ранее опубликованным исследованиям по этому вопросу и базирующемуся на них государственному стандарту 1991 года. В рамках этой теории разработан метод расчёта коэффициента теплопотерь. Получены формулы для определения

этого коэффициента, учитывающие особенности пожаров, протекающих в различных по размерам и конфигурации помещениях при горении твёрдых горючих материалов (ТГМ) и горючих жидкостей (ГЖ). На основе анализа полной системы дифференциальных уравнений, составляющих основу математического описания пожара, с использованием метода обобщённых переменных и обширных результатов компьютерных и натурных экспериментов установлено влияние проёмов на процессы нарастания ОФП. Показана особенность процесса нарастания концентрации токсичного газа и предложен метод расчёта этого процесса. Получены аналитические зависимости, позволяющие рассчитать изменение температуры, концентрации кислорода, концентраций токсичных компонентов продуктов горения и оптической плотности дыма с течением времени при пожарах, протекающих в помещениях с различной проёмностью. Получены новые формулы для определения критической продолжительности пожаров по условию достижения каждым ОФП предельно допустимого значения в зоне пребывания людей.

Практическое значение. Практическое значение

диссертационной работы заключается в создании более совершенной научной основы обеспечения безопасности эвакуации людей при пожаре, позволяющей осуществить повышение качества соответствующих разделов государственного стандарта пожарной безопасности. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в Московском институте пожарной безопасности МВД РФ, а также были использованы Управлением государственной противопожарной службой ГУВД Московской области при

рассмотрении проектно - сметной документации зданий и сооружений, на которые отсутствуют Российские нормы проектирования, а также проектов, в которых допущены отступления от требований норм, и в связи с этим, требующих разработки компенсирующих мероприятий по обеспечению пожарной безопасности людей.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции «Пожарная безопасность - 97» (М., 1997 г), на научно-практической конференции «Противопожарная защита жилого комплекса г.Москвы» (М., 1998 г.) на объединённом заседании кафедр «Инженерной теплофизики и гидравлики», «Пожарной безопасности в строительстве», «Процессов горения», «Теоретической механики и строительных конструкций», «Физики», «Кадрового и правового обеспечения деятельности пожарной охраны» с участием учебно - научного комплекса автоматизированных систем и информационных технологий МИПБ и отделов В НИИ ПО МВД РФ.

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в монографии и четырёх статьях.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, списка литературы и приложений. Работа изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков. Общий объём работы составляет 203 страницы.

На защиту выносятся:

• новые формулы для расчёта коэффициента теплопотерь, учитывающие особенности пожаров, протекающих в различных по размерам и конфигурации помещениях при горении ТГМ и ГЖ;

• методика исследования влияния проёмности помещений на процессы нарастания ОФП путём постановки и проведения компьютерных экспериментов на базе разработанной в диссертации модифицированной математической интегральной модели пожара, а также результаты реализации разработанной программы экспериментов;

• метод обобщения результатов экспериментов, в основу которого положены полученные в диссертации критериальные уравнения для процессов нарастания ОФП, в которых в качестве определяющих критериев, характеризующих близость момента наступления летальной опасности, выступают согласно перечню ОФП критерии термической, оксигенной, токсигенной и люминогенной опасности, а также критерии проёмности, характеризующие влияние проёмности помещений;

• формулы, полученные в результате обобщения данных компьютерных и натурных экспериментов, для расчёта критических значений критериев опасности, соответствующих моментам времени, при которых ОФП достигают своих предельно допустимых для человека величин;

• формулы для расчёта процессов нарастания ОФП с учётом влияния проёмности при круговом распространении пожара по ТГМ;

• новые формулы для расчёта критической для людей продолжительности пожара по условию достижения ОФП своих предельно допустимых значений в рабочей зоне при круговом распространении пожара по ТГМ.

Автор выражает глубокую благодарность и искреннюю признательность научному руководителю профессору доктору технических наук члену Национальной Академии наук пожарной безопасности Ю.А.Кошмарову, а также старшему научному сотруднику кандидату технических наук Ю.С.Зотову, оказавшему содействие при корректировке компьютерной программы. Глубокую благодарность автор выражает всем членам кафедры инженерной теплофизики и гидравлики МИПБ МВД РФ, оказавшим поддержку в ходе выполнения диссертационной работы, а также академику ИАНПБ профессору доктору технических наук Ю.А.Полякову и профессору доктору технических наук В.В.Парцевскому за ценные замечания в ходе подготовки материалов исследований к публикации и оформления результатов диссертационной работы.

Заключение диссертации по теме «Пожарная и промышленная безопасность (по отраслям)», Рубцов, Валерий Вячеславович

Основные выводы

1. В результате анализа опубликованных работ установлено, что формулы для расчётов динамики ОФП и критической продолжительности пожара, полученные путём решения дифференциальных уравнений интегральной модели пожара с использованием допущения об отсутствии поступления воздуха в помещение, имеют ограниченный характер. Эти формулы являются первым приближением по отношению к точному решению задачи. Область применимости этих формул не определена. Отсутствует методика расчёта коэффициента теплопотерь, который содержится в этих формулах.

2. Разработан метод расчёта среднеинтегрального коэффициента теплопотерь для помещений с ограждениями из железобетона и кирпича при круговом и линейном распространении пожара по ТГМ, а также при неустановившимся и установившимся горении ГЖ. Получены аналитические зависимости коэффициента теплопотерь от критерия формы помещения и макрокинетических параметров горения.

3. Определена область применимости формул первого приближения для расчёта критической продолжительности пожара. Установлено, что эти формулы можно применять для инженерных расчётов, если критерий проёмности помещения меньше «порогового» значения этого критерия. При этом условии на большей части интервала времени, равного критической продолжительности пожара, воздух не поступает в помещение. Пороговое значение критерия проёмности Ппорог»5. Если критерий проёмности помещения меньше порогового значения, то результаты расчётов по формулам первого приближения с использованием разработанного метода определения коэффициента теплопотерь будут отличаться от точного решения задачи не более, чем на 2 4- 3 %. Из этого условия следует, что формулы первого приближения применимы лишь в том случае, когда относительная площадь проёмов достаточно мала и при этом выполняется следующее неравенство: проём < пол л/^Н

В . —ш А 1

V N. л п

10

0,2 ^ А где А, В, п - тоже, что в ГОСТ 12.1.004-91; остальные обозначения указаны в конце автореферата.

4. Показано, что применимость формулы ГОСТ 12.1.004-91 для расчёта критической продолжительности пожара по условию достижения концентрацией токсичного газа своего предельно - допустимого значения ограничивается не только условием, указанным в третьем пункте настоящих выводов. Установлено, что эту формулу можно применять лишь при условии, когда критическая концентрация токсичного газа мала по сравнению с «пороговой» концентрацией этого газа, значение которой вычисляется по формуле: порог Ср.

Рг ~Р"'(!-<?)■ <31

Если это условие не выполняется, то формула ГОСТ 12.1.004-91 может давать результат, во много раз превышающий реальное значение критической продолжительности пожара. Получена новая формула, применимость которой не ограничена указанным выше вторым условием.

5. Разработана методика исследования влияния проёмности на динамику ОФП путём проведения компьютерных экспериментов; при этом была модифицирована математическая модель процесса выгорания ТГМ в результате введения новой функции, учитывающей влияние процессов образования золы и угля, и включения в функцию режимов пожара дополнительных параметров, определяющих границу режимов ПРИ и ПРВ. С помощью данных натурных экспериментов определены значения дополнительных параметров, содержащихся в модифицированной модели выгорания ТГМ. Осуществлена модификация интегральной математической модели пожара и компьютерной программы численной реализации этой модели, разработанной на кафедре ИТГ МИПБ. Проведено тестирование этой программы.

6. Получены обобщённые дифференциальные уравнения для процессов нарастания ОФП. В результате проведённого анализа установлено, что для нормирования времени при рассмотрении процесса нарастания каждого ОФП целесообразно использовать критический временной интервал, который предопределен соответствующей для этого процесса формулой первого приближения. Этот интервал времени следует рассматривать как параметр задачи, поскольку он однозначно выражается через заданные характеристики горючего материала и объём помещения. Нормированное таким образом время является определяющим критерием, по величине которого можно оценивать близость момента наступления летальной опасности. Определяющими критериями для процессов нарастания температуры, дефицита кислорода, концентрации токсичного газа и оптической плотности дыма являются, соответственно, критерии - термической опасности ТЬ, оксигенной опасности 8а, токсигенной опасности То и люминогенной опасности 1л1. Значения этих определяющих критериев, при которых ОФП достигают своих предельно допустимых для человека значений являются критическими.

7. Установлено, что влияние проёмности помещений на процесс нарастания каждого ОФП характеризуется безразмерным комплексом, который наряду с характерным для этого процесса временным интервалом содержит в себе геометрические характеристики проёмов и объём помещения: у О

Этот безразмерный комплекс также является для процесса нарастания ОФП определяющим критерием. Чем больше значение этого критерия, тем сильнее проявляется влияние проёмности. Критерий проёмности с формальных позиций есть параметр задачи, так как составлен из величин, заданных условием однозначности.

8. Получены критериальные уравнения для процессов нарастания ОФП, в которых в качестве определяемых критериев выступают безразмерные комплексы N1 , характеризующие величину опасного фактора пожара. Установлено, что критическое значение критериев опасности зависят от критерия проёмности , т.е. ТЪкр = 8а«р = АрПО, Токр = 1Щ2), Ьи кр =

9. Реализована обширная программа компьютерных экспериментов по исследованию влияния проёмности на динамику ОФП и получен большой массив данных о критической продолжительности пожара в широком диапазоне значений критерия проёмности при круговом распространении пожара по ТГМ. В результате обобщения данных компьютерных и натурных экспериментов получены новые формулы для расчётов процессов нарастания ОФП. Установлен конкретный вид зависимостей критических значений критериев опасности от критерия проёмности. Дана оценка достоверности полученных зависимостей.

10. Получены новые формулы для определения критической продолжительности пожара по условию достижения каждым ОФП своего предельно допустимого значения в рабочей зоне при круговом распространении пожара по ТГМ.

11. Результаты диссертации позволяют осуществить дальнейшее совершенствование государственного стандарта по пожарной безопасности и нормативных документов по пожарной безопасности в строительстве.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Рубцов, Валерий Вячеславович, 1998 год

Список литературы:

1. Астапенко В.М., Кошмаров Ю.А. Исследование функции плоскости равных давлений на начальной стадии пожара. Организация, тактика и техника тушения пожаров на объектах народного хозяйства М., ВИПТШ МВД СССР, 1988. с.46-53.

2. Астапенко В.М., Кошмаров Ю.А., Молчадский И.С., ШевляковА.Н. Термогазодинамика пожаров в помещениях. М. 1988.-448с.

3. Астапенко В.М., Кошмаров Ю.А., Шевляков А.Н., Гуско И.Д. Развитие пожара в двух смежных геометрически изолированных помещениях, имеющих один общий проём. -В книге: Тепло и массообмен в технологических процессах производств и при пожарах. М., ВИПТШ МВД СССР., 1983., с.31-39.

4. Баратов А.Н., Пчелинцев В.А. Пожарная безопасность. М. Издательство АСВ, 1997.-171С.

5. ГОСТ 12.1.004-91. Пожарная безопасность. Общие требования. М. 1992.

6. Грушевский Б.В., Яковлев А.И., Кривошеев И.Н., Шурин Е.Т., Климушин Н.Г. Пожарная профилактика в строительстве. М. ВИПТШ МВД СССР, 1985.-453с.

7. Гуско И.Д. Термогазодинамика пожара в замкнутых отсеках специальных сооружений и разработка методики оценки его опасных факторов. Кандидатская диссертация. М., ВИПТШ МВД. СССР. 1988. -168с.

8, Драйздел Д. Введение в динамику пожаров, (перевод с английского под редакцией Кошмарова Ю.А., Макарова В.Е.) М. Стройиздат. 1990. -421с.....

9. Зернов СМ. Разработка расчётных методов прогнозирования параметров пожаров в помещениях зданий с естественной вентиляцией. Кандидатская диссертация. М., ВИПТШ МВД СССР, 1984. -175с.

Ю.Измаилов Х.-А.С, Иноземцева E.H., Кошмаров Ю.А., Потапов А.М. Предельные параметры состояния газовой среды

в помещении при пожаре. Сб. науч. тр.ВНИИПО МВД РФ., Шучно-техниче ское обеспечение деятельности противопожарной службы. .М., .1997. с.180-190.

И. Кошмаров Ю.А. Развитие пожара в помещении. Огнестойкость строительных конструкций. Сб. .науч. тр. Выпуск 5ЛНИИПО МВД СССР. М. 1977. -C31-45.

12.Кошмаров Ю.А. Газообмен помещения при пожаре. Сборник трудов. Пожарная профилактика. Вып. 15. М. ВНИИПО МВД СССР, 1979., с.3-29.

13.Кошмаров Ю.А., Башкирцев М.П. Термодинамика и теплопередача в пожарном деле. М.ВИПТШ МВД СССР. 1987. -444с.

14.Кошмаров Ю.А., Астапенко В.М., Шевляков В.Н., Зернов С.И. Экспериментальные исследования процесса развития пожара в помещении. Пожарная профилактика. Сб. науч. тр., ВНИИПО МВД СССР. М. 1983., с.5-49.

15.Кошмаров Ю.А., Башкирцев М.П.,Светашев И.Т., Сидорук В.И. Пожарная профилактика систем отопления и вентиляции. М. ВИПТШ МВД СССР.Д981. -368с.

16.Кошмаров Ю.А., Зотов Ю.С., Андреев В.В., Пузач C.B. Прогнозирование опасных факторов пожара. Лабораторный практикум. М. МИПБ МВД РФ., 1997.-68с.

17.Кошмаров Ю.А., Рубцов В.В. Моделирование процесса выгорания твёрдых горючих материалов при ложаре в помещении. Пожаровзрывобезопасность. 1998, т.7,№1,-с.1 0-18.

18. Матюшин А.В. Основы обеспечения пожарной безопасности зданий ручными и автоматическими средствами противопожарной защиты. Докторская диссертация. ВИПТШ МВД РФ. 1995. -310с.

19.Пожаровзрывоопасность веществ, материалов и средства их тушения. Справочное издание в 2-х книгах. /Под ред. Баратова АН и Корольченко АЛ./, Химия, .1990.

20.Романенко ПЛ.,. Кошмаров Ю.А., Башкирцев МЛ. Термодинамика и теплопередача в пожарном деле. М. ВИПТШ МВД СССР, 1977. -415с.

21.Ройтман М.Я. Пожарная профилактика в строительном деле. - M : ВИПТШ МВД СССР, 1975.-525 с.

22.Ройтман М.Я. Противопожарное нормирование в строительстве. - 2-е изд., лерераб. и доп. - М. : Стройиздаг, .1985. -590 с.

23.Румшинский JL3. Математическая обработка результатов эксперимента. -М.: Наука, 1971.

24 Сборник нормативных документов Государственной противлложарной службы. / Кирюханцев Е.Е., Кондрашин Ю.М., Татаров В.Е., Баскаков А.Т., Мешалкин Е.А., Соснин Б.С. - М.: Пожинформтехника, 1994. -226 с.

25.Сборник обзорных работ по моделированию пожаров. М.: Стройиздат, 1969. -61с.

26.СНиП 2.01.02-85. Противопожарные нормы / Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. - 16 с.

27.СНиП 2.04.05-91. Отопление, вентиляция и кондиционирование / Госстрой СССР. - М.: АПП ЦИТП, 1992. - 64 с.

28. СНиП 2.04.05-91. Отопление, вентиляция и кондиционирование / Госстрой СССР. - М.: Промстройпроект, 1992. - 75 с.

29.СНиП П-2-80. Противопожарные нормы проектирования зданий и сооружений. - М.: ВНИИТБ, 1981. - 92 с.

30.Тимошенко В.Н., Зиночкин В.А. Прогнозирование динамики температуры кожи человека в условиях теплового воздействия // Безопасность людей при пожарах. -М.: ВНИИПО МВД СССР, 1981. - С. 61-65.

31. Тимошенко В.Н. Математическая модель критической для человека стадии пожара в помещении большого объёма // Безопасность людей при пожарах в зданиях и сооружениях: Сб.научн.тр. - М.: ВНИИПО МВД СССР, 1987. - С. 8-16.

32.Тимошенко В.Н. Определение необходимого времени эвакуации людей из помещений исходя из температурного режима начальной стадии пожара: Автореф. дис.... канд.техн.наук. - М.: МИСИ, 1988. -15 с.

33.Тимошенко В.Н. Определение необходимого времени эвакуации людей из помещения исходя из температурного режима начальной стадии пожара: Дис. ... канд.гехн.наук. -М.: МИСИ, 1988.-209 с.

34. Тимошенко В Н. Расчёт необходимого времени эвакуации людей из помещений по повышенной температуре среды // Безопасность людей при пожарах: Сб.научн.тр. - М: ВНИИПО МВД СССР, 1986. - С. 78-84.

35.Токсичность и состав продуктов горения некоторых химических и природных тканей и волокон / Эйтинтон А.И., Поддубная Л.Т., Наумова Л.С., Грибунова Г Л. // Химические волокна. -1977, № 4. - С. 49-51.

36.Чижиков В.П., Кулев Д.Х. Физико-химические способы борьбы с задымленностью при пожарах: Обзорная информация, вып. 6/89. -М.: ГИЦ 1989. -56с.

37. Шаровар Ф.И., Беляев В.И., Кузнецов В.А. Исследование распределения избыточной температуры в помещении для начальной стадии пожара // Пожарная и охранная сигнализация: Сб.научн.тр. - IVL: ВНИИПО МВД СССР, 1975.-С 33-35.

36.Шаровар Ф.И., Шакиров Ф А. Исследование распределение дыма в объёме помещения при возникновении загорания И Пожарная и охранная сигнализация: Сб.научн.тр. - М.: ВНИИПО МВД СССР, 1976. - С. 30-54.

39.Вапу Thomas I, Newman Bernard. Some problems of synthetic polymers at elevated temperatures 11 Fire Technol. - 1976,12, N 3,186-192.

40.Bulter X P. The respiatory response of fire products J J Fire - line. - 1977, June-July, 10-12,33,34.

41.Caskill James R. Smoke hazards and their measurement. A researcher's viewpoint. // J. Fire and Flammabil. - 1976, 4, N 4,279-298.

42. Cox G. Compariment fire modelling. Combustion Fundamentals offire. ISBNO-12-194230. P. 312-404.

43.Endurance a la chaleur. Rev. terchn. feu. - 1979,20, N 192, 38.

44.Fatality investion shows changes in nature of fires // Fire, 1979, Suppl., 24.

45. Gretener M. Determination des mesures de protection découlant del evaluation du danger potential dincendie et Servise de Prevention d incendie pour 1 industrie et 1 artisanat, Lausanne. Suisse. 1973.

46.Halpin B. M., Fisher R.A., Schweda P., Radford E. P. Fire fatalities study // Fire Probl. Program Annu. Summary Rept. 1972-1973. Johns Hopkins Univ. Appl. Phys. Lab. Silver Spring. - 1973, 37-38.

47.Herpol C., Minne R., Van Outryve E. Biological evaluation of the toxicity of gases produced under fire conditions experiments concerning the reaction of animals to simple mixtures of air and carbon dioxide or carbon monoxide. 217228. Part 2. Behaviour of synthetic materials in definite combustion conditions as compared to the behaviour of traditional materials in same conditions. 229-244. // Combust. Sci. and Technol. - 1975,12, N 4-6.

48.Kimmerle Georg. Aspects and metodology for the evaluation of toxicologica! parameters during fire exposure // J. Fire and Flammabil. - 1974, 1, Febr., Suppl., 4-51.

49.Leloup J'Amiral. Au sujet de la nocivité de gas de comdustion // Rev. Techn. feu. - 1977, 18, N168, 19.

50.0'Mara Michael M. The combustion products from synthetic and natural products. Part 1. Wood // J. Fire and Flammabil. - 1974, 5, N 1, 34-53.

51.Rasbash D. J. Smoke and toxic products at fires. Conference on Flame Resistance with Polymers, London, 1966,15-16ЛИ.

52.Tanaka Т., Yamana T. Smoke control in large spaces. Part 1: Analytic theories for simple smoke control problems // Fire Science mid Technology. - 1985. - v.5, N1,-P. 31-40.

53.Treiman Robert D., Burgess William A., Gold Avram. Air contaminants encountered by firefighters // Amer. Ind. Hyg. Assoc. J. - 1980, 41, N 11, 796802.

54.Tsuchiya Yoshio, Sumi Kikuo. Combined lethal effect of temperature CO, CO2 and O2 of simulated fire gases // J. Fire and Flammabil. - 1973, 4, N 2, 132-140.

55.Vuill Calvin H. Physiological effects of products of combustion // J. Amer. Soc. Safety Eng. - 1974,19, N 2, 36-42.

56. Wagner J. P. Survey of toxic species evolved in the pyrolysis and combustion of polymers // Fire Res. Abstrs. and Revs. -1972,14, N 1,1-23.

1. Wolanin E. (и другие). Pozar fso w Warszawie. Szkola Glowna Sluzby Pozamiczej. Warszawa, 1987. Zeszyt 1.3-50 s.

58.Zukoski E.E. Properties of Fire Plumes. Combustion fundamentals of fire. ISB: 012-194230-1995 p. 102-219.

59. Yamana Т., Tanaka T. Smoke control in large scale spaces. Part 2: Smoke control experiments in a large scale spaces // Fire Sciens and Technology. - 1985, v. 5, N 1,-P. 41-54.

186

Приложение 1 Процесс нарастания концентрации токсичного газа в помещении с малой проёмностью

Как известно, уравнение баланса продукта горения (4) можно преобразовать с помощью уравнения полного материального баланса (1). В результате этого преобразования получается следующее уравнение [13] при условии, что поступление воздуха в помещение отсутствует (т.е. 0в=0):

ах

(1п)

где х2 = — - относительная среднеобъёмная концентрация токсичного газа.

Дифференциальное уравнение (1п) является уравнением с разделяющимися переменными. Его можно представить в следующем виде:

дх,

■Л,

(2п)

где ц) = \|/(т) - известная функция времени, представленная уравнениями (17), (18), и (19);

рт = рю(х)-найденная функция времени, представленная уравнением (24). Конкретный вид этих функций зависит от особенностей выгорания ТГМ и ГЖ.

После интегрирования уравнения (2п) с учётом начального условия (18) и соотношения (10) получается следующая квадратура:

х.

и-Ч

= 1 - ехр

X

-/

¥

ЪРо'У

/у \ т

Т

Ч х0 У

■ах

(Зп)

Подъинтегральвая функция в уравнении (Зп) является возрастающей. Из этого следует, что количество токсичного токсичного газа, приходящееся на

4

единицу массы газовой среды в помещении, с течением времени увеличивается. Однако, следует иметь в виду, что масса газовой среды в помещении с течением времени уменьшается, т.е. среднеобъёмная плотность среды рт с течением времени убывает.

В начале рассмотрим процесс нарастания относительной концентрации токсичного газа хг.

Т

Подставим в уравнение (Зп) выражения для функций \|/(т) и —(т),

Т0

представленные формулами (17), (18), (19) и (26), (29), (31). В результате этой подстановки получим следующее уравнение:

¡г п-А; •тп"1

= 1 - ехр

Ро^

•ехр

—¿-.т В

•<к

(4п)

„ „ 3

где п = 3, 2, — соответственно, при круговом распространении пламени по

поверхности слоя ТГМ, при линейном распространении пламени по поверхности слоя ТГМ, при нестационарном выгорании ГЖ;

В

УРоУ-У

1 , v2 ш Д - 1 К v г„ а _ 1 к ^УД

соответственно, при круговом распространении пламени по слою ТГМ, при линейном распространении пламени по слою ТГМ, при нестационарном выгорании ГЖ;

Чтобы вычислить интеграл в правой части уравнения (4п), перейдём к новой переменной г = тп и, соответственно, к новым пределам интегрирования - от г = 0 до г. Последовательность вычислений можно представить следующим образом:

После подстановки результата интегрирования в уравнение (4п) получается формула следующего вида:

Умножая относительную концентрацию токсичного газа на среднеобъёмную плотность среды, получим формулу для определения парциальной плотности токсичного газа:

(5п)

P2=Pm-X2 = Po'4'L2-

exd —— *x " В

1-exr

В

Po'V

exp

В

(6n)

Функция, заключённая в первых квадратных скобках формулы (6п), является убывающей. Функция, заключённая в угловые скобки формулы (6п), является возрастающей. Произведение этих двух «конкурирующих» функций обуславливает сложный характер изменения парциальной плотности токсичного газа. Из общих соображений можно предполагать существование максимума у функции р2 (т).

Исследуем функцию р2(т) на экстремум. Чтобы сделать записи менее громоздкими, введём здесь следующие обозначения:

Y(t) = [ехр(- 6 • тй)]-(1 - ехр{- b • [ехр(е • х")-1$ ;

В

ь=

В

Ср-Т0

Po-v ц-(1

Найдём проюводную функции Y(x):

= -п • 6• тпЧ • [ехр(-9• т")].(1- ехр• {- Ь• [ехр(б• тп)-1]}) + + п • 6 - тпЧ • Ь • (ехр{™ Ь • [ехр(в • т")- 1]})

Приравнивая эту производную нулю, получим уравнение для определения момента времени, при котором исследуемая функция принимает максимальное

значение:

ехр {- b ■ [ехр (в - х^}-1}}- [b • ехр(в • l]= 1

Логарифмируя это выражение, получим:

ln[b • ехр(9 • тэп)+1] - b ■ [ехр(9 • 1], где тэ - момент времени, при котором р2 = р™8*.

Введём обозначение z3 = b • [ехр(в • т°)-1],

С учётом этого обозначения уравнение для определения момента времени тэ принимает вид:

гэ = ln(z3 + b + l). (7п)

Отметим, что практически всегда выполняется следующее неравенство:

b = «1.

Численное решение уравнения (7п) при малых значениях параметра «Ь» показали, что z3«1. Следовательно, логарифмическую функцию в уравнении (7п) можно представить «обрезанным» рядом (сохраняются только два члена ряда):

ln[(z3 + b)+1]«(z3 + b)-i. (z3 + b)2.

Подставляя это выражение в уравнение (49), получим:

(z3 + b)2 = 2b

или z3 + b =

Следовательно, раскрывая содержание ранее принятого обозначения, получим:

т.

1

а Vb

2>п

или

А:

Ср'Т0

(8п)

Из формулы (8п) следует, что парциальная плотность токсичного газа достигает своего максимального значения за конечный промежуток времени. Иной результат следует из формулы (41а), если в ней принять Ко = 0, как это сделано в государственном стандарте. В этом случае из формулы (41а) следует, что парциальная плотность токсичного газа может достигнуть своего максимального значения лишь за бесконечно большое время.

Найдём теперь р™"*, подставив значение тэ в уравнение (6п):

_ тах Л „ т

Р2 =Ро'т1-Ь2

ехр

— 1п„

1-ехр

ехр

1п,

Так как Ь « 1, выражение в угловых скобках можно упростить, заменяя экспоненту «обрезанным» рядом (т.е. сохраняя при этом лишь первые два члена ряда):

ехр

1-

1-Ь

С оЛ

ехр

1п-

V иУ

После дальнейших преобразований получим:

1-ехр

-1п,

Так как параметр Ь « 1, значением экспоненты в прямоугольных скобках можно пренебречь по сравнению с единицей. В итоге получим с учётом формулы (37) следующий результат:

РГ «Ро • Л-Ь2 .Ъ = = РГ

Этот результат позволяет заключить, что «пороговое» значение парциальной плотности токсичного газа есть максимально возможное значение массовой концентрации продукта горения. Следовательно, если выполняется условие:

рпорог<ркр ^

то опасности, обусловленной наличием токсичного газа в помещении, нет. При условии

~порог ^ Кр г 2 ~ г2

такая опасность существует в начальной стадии пожара.

Путём сопоставления формулы (50) с ранее полученной формулой (42), можно определить значение выше предложенного параметра Ко:

ср -Т0 _ Ъ К°~л12-Г\-(1-<Р№ V 2 '

Из этой формулы следует, что Ко < 1.

Формулу для определения критической продолжительности пожара по условию достижения относительной концентрацией своего предельного значения в рабочей зоне можно получить из уравнения (47), если подставить в него х2 = х*р. Она имеет следующий вид:

„т.г. _ =

в_

А,

Ы

1 +

В

МТ п

х

кр

2 У

Значение х*р, которое нужно подставить в эту формулу, вычисляется следующим образом. Во-первых, можем написать следующее уравнение:

х

кр_р?_ рг

ехр

А,

В

В этом уравнении значение р^ является известной величиной,

вычисляемой по уравнению (426),

Логарифмируя правую и левую часть этого уравнения, получим следующее выражение:

1п

х

кр Ко

'Р?

в ;

Из этого уравнения получается следующая формула:

=

в 1 --ш

А ч

Г \

,кр Ро

Ра

кр

у

Путём сопоставления этой формулы с формулой (9п) получается следующее уравнение:

в

= хкр . Ро

: 2 Р2КР

2 У

О

Полученное уравнение решается численно. Если —— «1 (что обычно

Ц- Ц

выполняется); то уравнение для определения х*р упрощается.

195