Оптические характеристики среды под потолком при тлении и пламенном горении бумаги

Секция № 5

Технологии гражданской защиты. Системы пожарного мониторинга

ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДЫ ПОД ПОТОЛКОМ ПРИ ТЛЕНИИ И ПЛАМЕННОМ ГОРЕНИИ БУМАГИ

Антошин А.А., к.ф.-м.н., доцент, Зуйков И.Е., д.ф.-м.н., профессор, Олефир Г.И., доцент, к.ф.-м.н., доцент, Белорусский национальный технический университет, г. Минск

В настоящее время бумага и бумажная продукция широко используется в самых различных целях. Это может быть документация разного назначения, используемые в технологическом процессе материалы на основе бумаги, упаковочный материал для комплектующих изделий, и для готовой продукции. Известно, что характеристики среды под потолком в случае горения бумаги отличаются от характеристики среды, образующейся при горении других материалов. Авторы [1] приводят результаты исследования при горении обрывков газетной бумаги, обычного бензина, полистирола и дерева. Из приведенных в работе результатов видно, что при горении бумаги в отличие от других тестовых пожаров «затемнение» резко возрастает, но через несколько секунд так же резко уменьшается. При дальнейшем горении бумаги пропускание среды под потолком остается достаточно большим, «затемнение» составляет примерно 4% на фут. Горение других, исследованных в этой работе материалов, приводит к медленному нарастанию «затемнения» на протяжении примерно 3 минут, и достигает значения 12% на фут.

Если при разработке алгоритма обнаружения пожара не учитывать описанные особенности изменения характеристик среды при горении бумаги, то обнаружение горения бумаги, особенно пламенного горения, может произойти с большой задержкой. Такая задержка будет иметь место у большинства современных систем пожарной сигнализации, если принять во внимание, что наиболее распространенные алгоритмы работы дымовых пожарных извещателей предполагают принятие решения о пожаре по результатам нескольких измерений и только при повторении результатов измерений формируется сигнал «пожар». В литературе отсутствует информация об особенностях горения различной бумажной продукции, например, упаковочного картона, писчей бумаги и т.д., нет информации о характере изменения свойств среды под потолком и при других типах пожара, например при тлении бумажной продукции.

В настоящей работе исследовано пламенное и тлеющее горение бумаги и упаковочного картона. Исследования проводились на установке моделирующей пожары в условиях приближенных к реальному пожару в помещении. Пламенное горение бумаги исследовалось при поджоге 20

листов писчей бумаги формата А4 плотностью 80 г/м , расположенной на горизонтальной поверхности веером. Бумага, сложенная в стопку, не поддерживала самостоятельного горения. Кроме того исследовалось пламенное горение 20 листов мятой бумаги того же качества. Пламенное горение упаковочного картона изучалось при горении 3 кусков картона размером 280x400 мм общей массой 325 г. расположенного под углом 7° по отношению к горизонтали. Тление бумаги изучалось при размещении десяти листов писчей бумаги на поверхности холодной электроплиты мощностью 2 кВт. После включения поверхность электроплиты нагревалась до температуры 600°С за десять минут. Под потолком помещения 2300 х 2300 мм и высотой 2400 мм, на расстоянии четыре метра от оси пожара в специально разработанном измерительном канале сечением 600 х 380мм, определялся коэффициент пропускания среды, и выполнялось измерение интенсивности рассеянного вперед, на углы от двух до двенадцати градусов, оптического излучения. Температура в начале эксперимента составляла 18°С. Скорость воздушного потока в канале не превышала 0,2 м/с.

При пламенном горении упаковочного картона через 180 секунд горения коэффициент пропускания достигал минимального значения (0.67), что соответствует удельной оптической плотности 2,5 дБ/м, при этом интенсивность рассеянного света была максимальна.

Результаты исследования горения писчей бумаги приведены на рисунке 1. Из представленных зависимостей видно, что динамика изменения характеристик среды под потолком существенно зависит от качества бумажной продукции и типа горения. Так горение мятой бумаги вызывает на порядок меньшее изменение коэффициента пропускания и интенсивности рассеянного излучения, чем горение того же количества гладкой бумаги. Изменения этих величин максимальны через 240 с (мятая бумага) и через 480 с (гладкая бумага). При этом температура достигает максимального значения 37°С (рисунок 1а) и 26,5°С (рисунок 1б) за время примерно 140 с после начала горения. Таким образом, наибольшие изменения оптических характеристик среды под потолком происходят после затухания бумаги, когда температура в помещении начинает снижаться. Удельная оптическая плотность не превышала 0,2 дБ/м (мятая бумага) и 1,89 дБ/м (гладкая бумага).

При тлении в два раза меньшего количества бумаги, а значит и меньшей концентрации дыма, удельная оптическая плотность достигала значения 4 дБ/м через 520 с. В первые 260 с, пока температура бумаги не достигла значения температуры тления, происходит медленное изменение оптических характеристик среды под потолком, удельная оптическая плотность при этом достигает значения 0,2 дБ/м. Достигнув температуры тления за последующие 260 с удельная оптическая плотность увеличивается до 4 дБ/м. Одновременно быстро нарастает интенсивность рассеянного излучения. После самовоспламенения бумаги начинается быстрый рост

температуры и одновременно уменьшается удельная оптическая плотность и интенсивность рассеянного излучения.

а -горение мятой бумаги, б - горение гладкой бумаги, в - тление бумаги

Рисунок 1 - Зависимости от времени коэффициента пропускания среды, интенсивности рассеянного излучения и температуры под потолком помещения при пламенном и тлеющем горении писчей бумаги

Полученные результаты указывают на то, что пламенное горение бумажной продукции, являющееся одним из наиболее опасных, быстро развивающихся пожаров, не сопровождается в начале горения (вплоть до прекращения пламенного горения) существенным изменением оптических характеристик среды под потолком помещения. Изменению оптических характеристик предшествует заметное изменение температуры. Таким образом, широко используемые в настоящее время дымовые пожарные извещатели, работающие как на принципе регистрации изменения коэффициента пропускания среды, так и на регистрации рассеянного излучения, для обнаружения с их помощью пожара на этапе пламенного горения потребуют регистрации малых сигналов. Для улучшения эффективности обнаружения таких пожаров необходимы извещатели регистрирующие изменение температуры, например комбинированные пожарные извещатели с алгоритмом работы, учитывающим обнаруженные закономерности.

Список литературы

1. Bukowski R.W., Moore W.D. Fire Alarm Signaling Systems-National Fire Protection Association, 2003.-450p.