Прогнозирование массовых термических поражений

УДК 614.841

Р. Ш. Еналеев, Э. Ш. Теляков, Ф. М. Гимранов, В. С. Гасилов

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ МАССОВЫХ ТЕРМИЧЕСКИХ ПОРАЖЕНИЙ

Ключевые слова: пожар, моделирование, тепловое поражение, воспламенение.

Предложен системный подход в прогнозировании массовых термических поражений. Обоснован новый поход в количественной оценке теплового поражения открытых участков кожного покрова. Рассмотрены критические условия зажигания покровного слоя пакета одежды.

Keywords: fire, modeling, thermal injury, inflammation.

System approach in predicting of massive thermal injuries is offered. The new approach in a quantitative assessment of thermal injuries of open skin is justified. Critical conditions of ignition of outer layer of clothes package are considered.

Введение

В природных пожарах и техногенных авариях происходит неконтролируемая

трансформация химической энергии натуральных и углеводородных топлив в энтальпию продуктов горения. Тепловое воздействие

высокотемпературных продуктов горения на окружающее пространство может иметь катастрофические последствия для окружающей среды, обслуживающего персонала и населения рядом расположенных жилых территорий.

Тепловое поражение человека может происходить от:

• непосредственного воздействия радиационно-конвективного нагрева на открытые участки кожного покрова;

• воспламенения покровного слоя одежды и возникновения вторичных ожогов;

• проходящего через пакет одежды импульса тепловой энергии,

или от их комбинированного воздействия.

При тепловом поражении людей возникает необходимость оказания безотлагательной помощи пострадавшим путем оперативного проведения организационно-технических мероприятий в условиях острого дефицита времени. Эффективность оказания помощи зависит от оперативности получения объективной информации о распределении зон теплового поражения в пространстве и времени вокруг теплового источника, количестве пострадавших, степени поражения, площади и глубине повреждения структурных слоев кожного покрова. По мнению зарубежных специалистов, своевременная и оперативная помощь пострадавшим в ЧС может на порядок снизить летальные и санитарные потери.

Очевидно, такая информация может быть получена в Ситуационных центрах МЧС на основе компьютерного прогнозирования сложных физико-химических сопряженных процессов теплопередачи в системе «тепловой источник - материал покровного слоя - пакет одежды - кожный покров биообъекта» с применением программно-вычислительных комплексов в режиме online.

По имеющимся данным имеется большое число публикаций в различных областях знаний -управления, химической физики, вычислительной теплопередачи, информатики, медицины катастроф по некоторым аспектам физического и математического моделирования отдельных элементов системы.

Однако комплекс теоретических моделей и программ для прогнозирования критических условий теплового воздействия опасных факторов пожара на человека по имеющимся данным отсутствует.

Важно отметить, что результаты физико-математического моделирования исключительно сложных физико-химических и биологических процессов при воздействии интенсивных тепловых потоков на человека могут найти практическое применение не только при катастрофах в нефтехимической промышленности, но и в других ЧС: в аэрокосмической технике, в террористических актах, от продуктов горения взрывчатых веществ.

Таким образом, создание физико-математических моделей и расчетных методов прогнозирования пожарной опасности материалов одежды для защиты и спасения производственного персонала и гражданского населения в чрезвычайных ситуациях является актуальной социально-экономической проблемой.

Анализ состояния проблемы по прогнозированию массовых тепловых поражений в ЧС мотивирует поиск новых подходов и критериев теплового поражения человека.

Тепловое поражение открытых участков кожного покрова

В зарубежных стандартах одним из основных инструментальных методов оценки теплозащитных свойств материалов является метод ТРР (Thermal Protective Performance) [1, 2], в котором возникновение ожогов II степени с вероятностью 0,5 фиксируется по достижению критического значения поглощенной поверхностью кожи тепловой энергии, называемой пороговым импульсом. Впервые такая зависимость получена A. Stoll [3], согласно которой пороговый импульс

зависит от времени воздействия теплового источника.

Другим термодинамическим критерием является индекс облучения, впервые предложенный Ейзенбергом [4] и равный произведению плотности теплового потока в степени 4/3 на время экспозиции. Преимущество этого критерия по сравнению с пороговым импульсом состоит в его инвариантности к скорости нагрева кожи. Кроме того, значение логарифма индекса критерия входит в выражение линейных пробит-функций прогнозирования вероятностей термических ожогов различной степени тяжести.

Для прогнозирования вероятностей возникновения термических ожогов различной степени тяжести предлагается новый подход, который является развитием идеи, которая впервые была выдвинута при воспроизведении контактных ожогов II степени [5]. Инновация идеи состоит в математическом моделировании процесса теплопередачи в структурных слоях кожного покрова. В результате вычислительного эксперимента было установлено, что независимо от температуры контактного нагревательного блока ожог II степени с вероятностью 0,5 возникает тогда, когда температура на глубине 0,36 мм от поверхности кожи принимает однозначное критическое значение.

Известно, что термические ожоги различных степеней тяжести являются несовместными случайными событиями. С применением разработанной модели и пробит-функций можно для любого импульса облучения, соответствующего реальным зонам поражения, рассчитывать вероятности различных степеней тяжести, сумма которых равна единице. Такая информация при известной плотности распределения обслуживающего персонала и гражданского населения вокруг опасного источника необходима для расчета массовых тепловых поражений.

Воспламенение материалов покровного слоя одежды

Исследование закономерностей

воспламенения и горения материалов одежды имеют важное практическое значение при прогнозировании опасных зон теплового поражения и создании пожаробезопасных материалов. В настоящее время в соответствии с федеральным законом №123-РФ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» и нормативным документам оценка воспламеняемости горючести проводится по экспериментальным данным. Расчетные методы прогнозирования времени и температуры зажигания полимерных материалов при нестационарном одностороннем нагреве материала различными механизмами в нормативных документах и научно-технической литературе отсутствуют.

В теории теплового зажигания [6] еще не получило должного развития направление по зажиганию полупрозрачных гетерогенных пористых

систем с физико-химическими превращениями и конденсированными продуктами реакций к которым относятся целлюлозные материалы. Результаты таких исследований являются теоретической основой прогнозирования последствий воздействия поражающих факторов природных и техногенных пожаров на материалы из природных и синтетических волокон.

Таким образом, в решении проблемных задач в области Гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций необходим поиск новых подходов и критериев, позволяющих прогнозировать зажигание пожароопасных материалов. Сложность поставленных задач связана с необходимостью учета нестационарных физико-химических превращений в широком диапазоне изменения интенсивности радиационно-

конвективного нагрева, теплофизических и оптико-геометрических свойств материалов, параметров состояния окружающей среды.

При разработке критериев зажигания целлюлозных материалов исходили из идеи Ле Шателье, предложенной более века назад для оценки тепловых эффектов использовать температурные измерения инертного эталона и реагирующего образца. Развитие идеи состояло не только в определении температуры, но и в сравнении скоростей ее изменения для инерта и образца с физико-химическими превращениями. Такое сравнение в виде отношения упомянутых скоростей было предложено для прогнозирования характеристик зажигания ракетных топлив по базовым моделям теории зажигания. Сравнение традиционных и предложенного критерия показало высокую сходимость с расчетными и экспериментальными данными по воспламенению порохов не только при поверхностных механизмах нагрева, но и объемном нагреве излучением. Важно отметить, что для нагрева полупрозрачных материалов тепловым излучением в теории [6] линейные зависимости между характеристиками зажигания не установлены.

В [7] впервые использован новый критерий для прогнозирования характеристик зажигания текстильных материалов. Адекватность критерия экспериментальным данным дополнительно установлена в экспериментах по воспламенению другого целлюлозного материала - различных пород древесины.

Проходящий через пакет одежды тепловой импульс

В зарубежных стандартах (напр., [8]) при сравнительных испытаниях пакетов материалов одежды от воздействия открытого пламени в качестве критерия поражения используется определенное значение приращения температуры имитатора кожи. В качестве имитатора применяется медный калориметр толщиной 1,8 мм. За критерий поражения принимается ожог II степени с неизвестной вероятностью при приращении температуры имитатора кожи на 24±0,2 0С.

Данный метод может быть использован только для сравнительных испытаний по трем причинам. Во-первых, постоянное приращение температуры калориметра соответствует постоянному импульсу. А он, как отмечено выше, зависит от времени экспозиции. Во - вторых, данный метод не прогнозирует вероятностей возникновения ожогов как II, так и других степеней тяжести. И в - третьих, метод оценивает только последствия воздействия открытого пламени (пожар-вспышка). В реальных аварийных ситуациях основными поражающими факторами являются тепловое излучение и радиационно-конвективный нагрев.

Поэтому при прогнозировании

вероятностей массовых тепловых поражений различных степеней тяжести предлагается принципиально другой подход. Идея подхода основана на теоретической модели расчета температурного поля кожных покровов биообъекта и инвариантного температурного критерия и прогнозировании вероятностей возникновения поверхностных (I и II степеней) ожогов с применением пробит-функций.

Практическая реализация предлагаемого подхода заключается в сохранении инструментария зарубежных стандартов [8 ^ 13] с помощью разработки автоматизированного устройства со сменяемыми модулями для имитации воздействия открытого пламени, теплового излучения и их комбинации.

Заключение

Предложен критерий зажигания

текстильных материалов для прогнозирования опасных зон воспламенения материалов одежды в чрезвычайных ситуациях.

В дополнение к известным зарубежным экспериментальным методам оценки

теплозащитных свойств материалов одежды впервые теоретически и экспериментально обоснован новый критерий прогнозирования вероятностей термических ожогов при воздействии опасных факторов пожара на материалы индивидуальной защиты кожных покровов. Разработаны конструкция и эскизный проект модульного устройства для комплексной оценки воспламеняемости и термозащитных свойств материалов одежды.

Литература

1. ASTM Standard D 4108. Standard test method for thermal protective рerformance of material for clothing by open flame method. // American society for testing and materials. - Philadelphia, PA. 1994.

2. International Organization for standardization. Clothing for protection against heat and flame -determination of heat transmission on exposure to both flame and radiant heat // ISO Standard 17492. - Geneva, Switzerland. 2003.

3. Stoll A.M. Relationship between pain and tissue damage due to thermal radiation / A.M. Stoll, L.C. Greene // J. Appl. Physiol. 1959. Vol. 14. - P. 373.

4. Eisenberg N.A. Vulnerability Model / N.A. Eisenberg // A Simulation for Assessing Resulting from Marine Spills. NTIS ADA-105-245, 1975 June.

5. Enalejev R. Sh., Kachalkin W.A. Mathematical Sumulation of Heat and Mass Transfer Process in Skin Cover at Burn Injury. Annals of the NewYork Academy of Science, 1998. -Vol. 858. - P. 30 - 35.

6. Merzhanov A.J., Averson A.E. The Present State of the Thermal Ignition Theory: An Invited Review // Combustion and Flame. - 1971. - Vol. 16. - P. 89 - 124.

7. Enalejev R.Sh. Modeling of the fabrics ignition // Proceedings of 4th Fire Behavior and Fuels Conference, July 1-4, 2013, St. Petersburg, Published by the International Association of Wildland Fire, 2014, Missoula, Montana, USA. - P 394 - 410.

8. ISO 9151:1995. «Protectiv clothing against heat and flame: determination of heat transmission on exposure to flame».

9. ISO 6940:2004 «Textile fabrics - Burning behaviour -Determination of ease of ignition of vertically oriented specimens».

10. ISO 6942:2003 «Textile fabrics - Burning behaviour -Evaluation of materials and material assemblies when exposed to a source of radiant heat».

11. ISO 13506:2000. «Protectiv clothing against heat and flame: test method for complete garments - Prediction of burn injury using instrumented manikin».

12. Еналеев Р.Ш., Теляков Э.Ш., Закиров Г.М., Чистов Ю.С., Габидуллин А.Ф. Системный анализ пожарной опасности на химических предприятиях / Р.Ш. Еналеев, Э.Ш. Теляков, Г.М. Закиров, Ю. С. Чистов, А.Ф. Габидуллин // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - № 21. - С. 185-193.

13. Еналеев Р.Ш., Закиров А.М., Чистов Ю.С., Теляков Э.Ш. Термодинамические критерии теплового поражения человека в техногенных авариях / Р.Ш. Еналеев, А.М. Закиров, Ю.С. Чистов, Э.Ш. Теляков // Вестник Казанского технологического университета. -2012. - Т. 15. - № 17. - С. 50-55.

© Р. Ш. Еналеев - к.т.н., доцент, старший научный сотрудник кафедры плазмохимии и нанотехнологии высокомолекулярных соединений КНИТУ, firepredict@yandex.ru; Э. Ш. Теляков - д.т.н., профессор кафедры машин и аппаратов химических производств КНИТУ, tesh1939@mail.ru; Ф. М. Гимранов - д.т.н., профессор, заведующий кафедрой промышленной безопасности КНИТУ; В. С. Гасилов - к.т.н., доцент кафедры промышленной безопасности КНИТУ.

© R. Sh. Enalejev - Ph.D., associate Professor, senior researcher of the Department of plasma chemistry and nanotechnology macromolecular compounds KNRTU; E. Sh. Telyakov - doctor of technical Sciences, Professor of the Department of machines and equipment of chemical plants KNRTU; F. M. Gimranov - doctor of technical Sciences, professor, head of Department of industrial safety KNRTU; V. S. Gasilov - Ph.D., associate Professor of industrial safety KNRTU.