Некоторые особенности определения показателя токсичности при стабилизированном горении жидкости в помещении

БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ТОКСИЧНОСТИ ПРИ СТАБИЛИЗИРОВАННОМ ГОРЕНИИ ЖИДКОСТИ

В ПОМЕЩЕНИИ

С.В. Пузач, Доан Вьет Мань, С.И. Науменко, В.Г. Плющиков, Ю.Г. Фоминых

Кафедра безопасности жизнедеятельности и управления природными и техногенными рисками Российский университет дружбы народов ул. Миклухо-Маклая, 8/2, Москва, Россия, 117198

В статье приведены результаты анализа термогазодинамических условий проведения экспериментов по определению токсичности продуктов горения при пожаре в помещении. Рассмотрены математические модели расчета параметров тепломассообмена в характерных мелкомасштабных и крупномасштабных помещениях.

Ключевые слова: пожар, токсичные газы, показатель токсичности, подобие, тепломассообмен, коэффициент теплопотерь.

Введение. По статистике бюро судебно-медицинских экспертиз [1] в 80% случаев причинами смерти людей на пожарах явилось отравление продуктами горения.

Токсичность продуктов горения в первую очередь будет определяться тремя факторами:

— величинами удельных коэффициентов выделения токсичных газов;

— значениями парциальных плотностей токсичных газов на уровнях рабочих зон помещений;

— временем воздействия (экспозиции) токсичных газов на человека.

Количество выделяющихся токсичных газов определяется химическим составом и концентрацией газообразных продуктов газификации твердых и жидких горючих веществ и материалов, а также термогазодинамическими условиями пожара [2]. В настоящее время проблема расчета количества выделяющихся токсичных газов не решена из-за сложности процессов газификации и горения, а также неопределенности химического состава современных строительных материалов.

Научно-обоснованные методики расчета удельных коэффициентов выделения токсичных газов с учетом конкретных термогазодинамических условий пожара

(температуры, концентрации кислорода и т.д.) отсутствуют (за исключением работы [2], где предложена методика на примере образования монооксида углерода).

Актуальность рассматриваемого вопроса в настоящее время становится все более значимой в связи с расширением использования материалов и изделий на основе полимеров, горение и тление которых сопровождается выделением большого количества токсичных продуктов горения.

Удельные коэффициенты образования токсичных газов при пожаре значительно отличаются друг от друга в различных базах данных (например, в работах [3] и [4]), а сведения о теплофизических и химических показателях для многих современных материалов вообще отсутствуют.

Экспериментально найденные показатели токсичности, которые определяются величинами парциальных плотностей газов, получены, как правило, из результатов мелкомасштабных экспериментов [5; 6], которые не воспроизводят полномасштабных термогазодинамических условий протекания пожара в реальных помещениях. Из-за невозможности соблюдения положений теории подобия при переходе от мелкомасштабной модели к натурному помещению [7] необходимо установить зависимость между плотностью токсичного газа и удельным коэффициентом его образования, а также величинами остальных опасных факторов пожара (комбинированность воздействия опасных факторов пожара [3—6]) при сгорании одного и того же горючего материала в разных термогазодинамических условиях протекания пожара.

Постановка задачи. Рассмотрим две характерные схемы термогазодинамической картины пожара в условиях мелкомасштабного эксперимента и две схемы — в полномасштабном помещении.

Схема процесса горения с использованием вытяжной вентиляции для удаления продуктов горения из экспериментальной мелкомасштабной камеры в «квазистационарных» условиях (модель № 1) представлена на рис. 1а.

О, + 4

а

б

Рис. 1. Схема газообмена в мелкомасштабной камере в «квазистационарных» условиях с использованием вытяжной вентиляции (а) и в замкнутом объеме (б):

1 — стенки камеры; 2 — горючий материал; 3 — смесь продуктов горения и воздуха; 4 — система дымоудаления; 5 — система приточной вентиляции

Схема пожара в герметичном объеме, используемая для определения показателя токсичности при стандартных испытаниях [5; 6] (модель № 2), показана на рис. 1б.

Основное образование токсичного газа в полномасштабном помещении на начальной стадии пожара или при локальном пожаре происходит в области пламенной зоны конвективной колонки, образующейся над источником горения (модель № 3). Рассматриваемая открытая термодинамическая система приведена на рис. 2а.

а б

Рис. 2. Схема газообмена в полномасштабном помещении с большой (а) и малой проемностью (б):

1 — стенки помещения; 2 — горючий материал;

3 — смесь продуктов горения и воздуха

Термогазодинамическая картина пожара в полномасштабном помещении с малой проемностью или на начальной стадии пожара, когда через проемы происходит только вытеснение газовой среды помещения наружу, представлена на рис. 2б (модель № 4).

При стабилизированном горении жидкости предполагаем, что:

— скорость газификации горючего материала постоянна;

— удельный коэффициент выделения токсичного газа постоянен и не зависит от условий протекания пожара.

Образование токсичного газа будем рассматривать на примере монооксида углерода.

Математические модели определения концентрации токсичного газа в мелкомасштабном эксперименте

Модель № 1. При «квазистационарных» условиях законы сохранения массы и энергии газовой среды, а также токсичного газа внутри экспериментального объема имеют вид:

Сд - Св = ¥,

где Сд — массовый расход системы дымоудаления, кг/с; Св — массовый расход воздуха, поступающего через проем в помещение, кг/с; ¥ — скорость газификации горючего материала, кг/с;

где ср — удельная изобарная теплоемкость газа, Дж/(кг К); Тр — среднеобъемная температура газовой среды, К; Од — массовый расход системы дымоудаления, кг/с; Тв — температура воздуха, К; Ов — массовый расход воздуха, поступающего через проем в помещение, кг/с; п — полнота сгорания; Qн р — низшая рабочая теплота сгорания горючего материала, Дж/кг; ф — коэффициент теплопотерь;

X срGд = №

где Хср — среднеобъемная массовая концентрация токсичного газа; Ь — удельный коэффициент образования токсичного газа, кг/кг.

Удельную изобарную теплоемкость принимаем одинаковой для газовой смеси и воздуха [3; 7].

При ¥ << Од принимаем, что Од = Ов.

Тогда из уравнений (1)—(3), используя уравнение состояния идеального газа для среднеобъемных параметров [3], можно получить выражение для расчета сред-необъемной парциальной плотности токсичного газа внутри экспериментального объема:

р = ХСрРСр = РсрСр

,ср ср р Я^(1 -ф) Qн>р' ^

где рг, ср — среднеобъемная плотность токсичного газа, кг/м ; рср — среднеобъемная плотность газовой среды, кг/м3; рср — среднеобъемное давление, Па; Я — газовая постоянная смеси газов, Дж/(кг-К).

В первом приближении среднеобъемное давление принимаем равным атмосферному рв = 101 300 Па, а газовую постоянную и удельную изобарную теплоемкость — как для воздуха [3; 7]: Я = 286 Дж/(кг-К); ср = 1000 Дж/(кг К) [8].

Коэффициент пропорциональности между плотностью токсичного газа и отношением L/Q^ р в выражении (4) равен:

= РсрСр

Подставляя в выражение (5) значения известных параметров, получаем:

^ = Т).

(1 -Ф) Тс

ср

Модель № 2. Законы сохранения массы и энергии газовой среды, а также токсичного газа и кислорода внутри герметичного объема имеют вид:

= ¥,

й т

где V — объем помещения, м3; т — время, с;

йТ

рср^-^=пт,рО -Ф),

й т

Рг,ср = ^Ч

где су — удельная изохорная теплоемкость газа, Дж/(кг К); Тср — среднеобъемная температура газовой среды, К;

= ЦУ¥Ь,

й т

где рг ср — среднеобъемная плотность токсичного газа, кг/м ; Ь — удельный коэффициент образования токсичного газа, кг/кг;

= -П^Ьо2,

где V — объем помещения, м3; рО2, ср — среднеобъемная плотность кислорода, кг/м3; Ьо2 — удельный коэффициент потребления кислорода.

Удельную изохорную теплоемкость принимаем одинаковой для газовой смеси и воздуха [3; 7; 8]: су = 714 Дж/(кг К).

Среднеобъемная плотность токсичного газа через промежуток времени т от начала горения, полученная с помощью интегрирования ур. (9), составляет:

ЩЬ

V

где рг ср — среднеобъемная плотность токсичного газа, кг/м3; V — объем помещения, м3.

Коэффициент пропорциональности между плотностью токсичного газа и отношением Ь/Рн, р в выражении (11) равен:

К, ,

2 V

где п — полнота сгорания; ¥ — скорость газификации горючего материала, кг/с; 0н, р — низшая рабочая теплота сгорания горючего материала, Дж/кг; т — время, с.

При п¥т << р V принимаем, что: рср = рв (изохорный процесс). Тогда из решения ур. (8) получаем:

Тср = Т. + ,

р cV

Г в V

где Тв — температура воздуха, К; р — низшая рабочая теплота сгорания горючего материала, Дж/кг; ф — коэффициент теплопотерь; рв — плотность воздуха, кг/м3.

Среднеобъемная плотность кислорода из решения ур. (10) равна:

= П¥Ьо т

р02,ср = р02,в V 2 '

где рО2, в — плотность кислорода в воздухе, кг/м ; Ь02 — удельный коэффициент потребления кислорода; V — объем помещения, м .

Математические модели определения концентрации токсичного газа в полномасштабном эксперименте

Модель № 3. Для определения массовых расходов газовой смеси в области пламенной зоны конвективной колонки (при 2 < 2пл) используется зависимость [9]:

вк _ 0,032

к ^ 1000 )

где Ок — массовый расход газов в поперечном сечении конвективной колонки, кг/с; Опож — тепловая мощность, выделяющаяся в очаге горения, Вт; х — доля, приходящаяся на поступающий в ограждения тепловой поток от выделившейся в очаге горения тепловой мощности; 2 — координата поперечного сечения конвективной колонки, отсчитываемая от поверхности горения, м.

Температура, средняя по сечению конвективной колонки, равна [3; 9]:

О

Т _ Т + П°ж

к в '

где Тк — температура, средняя по сечению конвективной колонки, К; ср — удельная изобарная теплоемкость газа, Дж/(кг К).

Тепловая мощность, выделяющаяся в очаге горения, равна [3]:

Опож = П^Он, р,

где п — полнота сгорания; ¥ — скорость газификации горючего материала, кг/с.

Уравнение закона сохранения массы токсичного газа в области пламенной зоны имеет вид:

^пл^пл ,

где Хпл — средняя массовая концентрация токсичного газа на выходе из пламенной зоны на высоте 2пл; Опл — массовый расход газов через поперечное сечение колонки, отстоящее по высоте от поверхности горения на расстоянии гпл, кг/с; Ь — удельный коэффициент образования токсичного газа, кг/кг.

Подставляя выражения (15) и (17) в уравнение (18), получаем формулу для определения средней массовой концентрации токсичного газа на выходе из пламенной зоны на высоте 2пл:

X _ ,

" (1 -х) о„/ ( '

где Он, р — низшая рабочая теплота сгорания горючего материала, Дж/кг.

Средняя плотность смеси газов на выходе из пламенной зоны равна (из уравнения состояния идеального газа):

Рпл _ тРЬ ^

К1 пл

где рпл — средняя плотность смеси газов на выходе из пламенной зоны, кг/м ; рв — плотность воздуха, кг/м3; R — газовая постоянная смеси газов, Дж/(кг-К); Tпл — средняя температура в сечении конвективной колонки на выходе из пламенной зоны, К.

В первом приближении давление принимаем равным атмосферному, а газовую постоянную — как для воздуха [3; 7].

Тогда средняя плотность токсичного газа на выходе из пламенной зоны, полученная с использованием уравнений (19) и (20), составляет:

1,37 105 L

Рг,"=х-Р»=1мо- а/

где R = 286 Дж/(кг-К) [8]; Тш = 481,3 К (из выражения (16)).

Коэффициент пропорциональности между плотностью токсичного газа и отношением р в выражении (21) равен:

к3 = 1=271101.

3

Модель № 4. Зависимости среднеобъемной плотности токсичного газа и сред-необъемной температуры газовой среды от времени имеют вид [3]:

Рг,ср = Рп

1 -ехР| х

где рг ср — среднеобъемная плотность токсичного газа, кг/м3; рп = ——-рв — поро-

, ср (1 -Ф) ан

3

говая плотность, кг/м ; ¥ — скорость газификации горючего материала, кг/с;

п сррвТвУ

В = —---размерный параметр, кг; т — время, с;

-Ф)бнр

Тср = Тв ехр [ В}, (24

где Тср — среднеобъемная температура газовой среды, К; Тв — температура воздуха, К;

В = —---размерный параметр, кг.

П(1 -Ф)бнр

При достижении пороговой плотности (т ^ среднеобъемная плотность токсичного газа из уравнения (23) может быть представлена в виде:

СрРвТв

(1 -Ф) бн,р

Рг,ср =Рп =

где Рг ср — среднеобъемная плотность токсичного газа, кг/м3; — пороговая плотность, кг/м3; с — удельная изобарная теплоемкость газа, Дж/(кг К); Рв — плотность воздуха,

з

кг/м ; Ь — удельный коэффициент образования токсичного газа, кг/кг; ф — коэффициент теплопотерь; Qн, р — низшая рабочая теплота сгорания горючего материала, Дж/кг.

Максимальное значение коэффициента пропорциональности между плотностью токсичного газа и отношением Ь/Q^ р в выражении (25) равно:

_ СрРвТв

М.тах

^4,max = ^

или

К4,тах _ 3,5 ,0 ,

где ср = 1000 Дж/(кг-К) [8]; рвГв _ рв/Я — из уравнения состояния идеального газа.

Коэффициент пропорциональности между плотностью токсичного газа и отношением Ь/Qщ р в выражении (23) равен:

K4 =

3,5 105

1 - exP I -х

Необходимо отметить, что величина QH р входит в параметр В.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Белешников И.Л. Судебно-медицинская оценка содержания цианидов в органах и тканях людей, погибших в условиях пожара: Дисс. ... канд. мед. наук. — СПб., 1996.

[2] Пузач С.В., Смагин А.В., Доан Вьет Мань, Лебедченко О.С. Оценка токсикологической обстановки при возникновении пожара в салоне самолета и помещениях аэропортов // Тепловые процессы в технике. — 2009. — Т. 1. — № 12. — С. 531—535.

[3] Кошмаров Ю.А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении. — М.: Академия ГПС МВД России, 2000.

[4] Пузач С.В., Смагин А.В., Лебедченко О.С., Абакумов Е.С. Новые представления о расчете необходимого времени эвакуации людей и об эффективности использования портативных фильтрующих самоспасателей при эвакуации на пожарах. — М.: Академия ГПС МЧС России, 2007.

[5] Иличкин В.С. Токсичность продуктов горения полимерных материалов. Принципы и методы определения. — М.: Химия, 1993.

[6] National Fire Protection Association (NFPA). Standard test method for developing toxic potency data for use in fire hazard modeling. NFPA 269. — NFPA National Fire Codes, 2003.

[7] Пузач С.В. Методы расчета тепломассообмена при пожаре в помещении и их применение при решении практических задач пожаровзрывобезопасности. — М.: Академия ГПС МЧС России, 2005.

[8] Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. — М.: Атомиздат, 1979.

[9] NFPA 92B. Standard for Smoke Management Systems in Malls, Atria, and Large Spaces. — 2005.

SOME PECULIARITIES OF DETERMINATION OF TOXITY INDICATOR IN CASE OF STABILIZIED BURNING OF LIQUID IN A ROOM

S.V. Puzach, Doan V'et Man', S.I. Naumenko, V.G. Pluschikov, Yu. G. Fominykh

Department of life safety and management of natural and technological risks Russian People's Friendship University

Miklukho-Maklaya str., 8/2, Moscow, Russia, 117198

Analysis of thermal gas dynamic conditions of conducting experiments to determine toxicity of combustion products in case of fire in a room was carried out. Mathematic models to calculate options of heat and mass transfer in characteristic small-scale and large-scale rooms was considered.

Key words: fire, toxic gases, toxicity indicator, similarity, heat and mass transfer, coefficient of heat loss.