практическая работа по ПОФП-2-тепловой поток

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва»

Институт механики и энергетики

Кафедра безопасности жизнедеятельности


ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 2

РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ В ОГРАЖДАЮЩИЕ
КОНСТРУКЦИИ ПРИ ПОЖАРЕ В ПОМЕЩЕНИИ


Методические указания к практической работе
по курсу
«Прогнозирование опасных факторов пожара»

для студентов направления «Техносферная безопасность»
профиль
«Пожарная безопасность»


Составитель: к.т.н. доцент И. И. Игайкина



Саранск
2015 РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ В ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ ПРИ ПОЖАРЕ В ПОМЕЩЕНИИ

Цель работы: получить количественную оценку параметров, характеризующих процесс нагрева ограждающих конструкций и рассчитать тепловой поток в ограждения.
Задачи: 1. Ознакомиться с методическими указаниями по расчету тепловых потоков в ограждающие конструкции при пожаре в помещении;
2. Рассчитать тепловой поток воздуха в ограждающие конструкции при пожаре в помещении согласно варианта указанного преподвателем.
3. Подготовить отчет.

1 Теоретическое обоснование
В настоящее время разработка экономически оптимальных и эффективных противопожарных мероприятий невозможна без научно обоснованного прогноза динамики опасных факторов пожара (ОПФ).
Прогнозирование опасных факторов пожара необходимо:
– при разработке рекомендаций по обеспечению безопасной эвакуации людей при пожаре;
– при создании и совершенствовании систем сигнализаии и автоматических систем пожаротушения;
– при разработке оперативных планов тушения (планировании действий боевых пожарных поддразделений на пожаре);
– при оценке фактических пределов огнестойкости и т.д.
При рассмотрении воздействия ОПФ на элементы конструкций и оборудование используются критические значения параметров, характеризующих термическое воздействие пожара на них. Например, при оценке воздействия пожара на железнобетонные конструкции применяется понятие критического значения температуры арматуры этих конструкций. Обычно считается, что при нагревании арматуры до температуры, равной 400 – 450 °С, происходит разрушение железобетонной конструкции. При оценке воздействия пожара на остекление предполагается, что при температуре газовой среды в помещении, равной 300 – 350 °С, будет происходить разрушение остекления.
Ограждающие конструкции поглощают лишь часть той тепловой энергии, которая выделяется внутри помещения в результате горения горючих материалов. Исходя из этого очевидного факта, можно написать следующую формулу для суммарного теплового потока в ограждения:

Qw =
·
·Qпож, (1)

где Qw – суммарный тепловой поток в ограждения (стены, потолок, пол), Вт;

· – коэффициент, представляющий собой долю поглощенного тепла от выделившегося (коэффициент теплопоглощения). Согласно ГОСТ 12.1.004-91 этот коэффициент еще называют коэффициентом теплопотерь;
Qпож – выделяющаяся в пламенной зоне в единицу времени тепловая энергия (скорость тепловыделения), Вт;

13 EMBED Equation.3 1415, (2)

где
· – коэффициент полноты сгорания (
·
·1);

· – скорость выгорания, кг/с;
13 EMBED Equation.3 1415 – теплота сгорания, Дж/кг. Значения теплоты сгорания зависят от природы горючего материала (например, для дерева 13 EMBED Equation.3 1415 =13,8 106 Дж/кг; для бензина 13 EMBED Equation.3 1415 = 41,8 106 Дж/кгбензина).
Коэффициент полноты горения ( определяется по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415, (3)

где (a – коэффициент полноты горения в режиме пожара, регулируемом горючей нагрузкой, определяемый формулой:

13 EMBED Equation.3 1415. (4)

Коэффициент K рассчитывается по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415, (5)
где 13 EMBED Equation.3 1415;
Xox,a – начальная концентрация кислорода в помещении очага пожара. Допускается принимать равной 0,23;
Xox,m – текущая концентрация кислорода в помещении очага пожара;
GВ – массовый расход воздуха, кг/с.
Скорость выгорания – количество горючего вещества (материала), сгорающего в единицу времени с единицы площади. Скорость выгорания характеризует интенсивность горения вещества (материала).
Для расчета скорости выгорания прежде всего необходимо:
выбрать место нахождения первоначального очага пожара;
задаться расчетной областью (выбрать систему помещений, определить учитываемые при расчете элементы внутренней структуры помещений, состояние проемов);
задать параметры окружающей среды и начальные значения параметров внутри помещений.
Выбор места нахождения очага пожара производится экспертным путем. При этом учитывается количество горючей нагрузки, ее свойства и расположение, вероятность возникновения пожара, возможная динамика его развития, расположение эвакуационных путей и выходов.
Наиболее часто при расчетах рассматриваются три основных вида развития пожара: круговое распространение пожара по твердой горючей нагрузке, линейное распространение пожара по твердой горючей нагрузке, неустановившееся горение горючей жидкости.
Скорость выгорания для этих случаев определяется формулами:

13 EMBED Equation.3 1415 (6)

где (уд – удельная скорость выгорания (для жидкостей – установившаяся), кг/(с(м2);
v – скорость распространения пламени, м/с;
b – ширина полосы горючей нагрузки, м;
tст – время стабилизации горения горючей жидкости, с;
t – время пожара, с;
F – площадь очага пожара, м2.
Суммарный тепловой поток в ограждения (стены, потолок, пол), Qw (Вт) в общем виде определяется по формуле:

Qw = Qст + Qпот + Qпол, (7)

где Qст – суммарный тепловой поток в стены, Вт;
Qпот – суммарный тепловой поток в потолок, Вт;
Qпол – суммарный тепловой поток в пол, Вт.
Исследования пожаров показали, что доля поглощенного тепла, т.е. коэффициент
·, не является «универсальной» константой. Значение этого коэффициента зависит от большого числа параметров (размеров помещения, количества горючего материала, свойств ограждений и др.), и, кроме того, изменяется во времени по мере развития пожара, т.е. этот коэффициент является функцией времени t. Для того чтобы установить вид этой функции, необходимо знать зависимости от времени развития пожара теплового потока Qw и скорости тепловыделения Qпож.
Экспериментальные исследования разных пожаров и их различных стадий развития показали, что доля поглощенного конструкциями тепла от выделяемого может составлять от 0,2 до 0,75. При приближенных оценках опасных факторов пожара в некоторых случаях используют допущения о постоянстве величины
·.
Методы расчета тепловых потоков в отражающие конструкции основываются на результатах экспериментальных исследований. Эти методы можно разделить на две группы – эмпирические и полуэмпирические.

1.1 Эмпирические методы расчета теплового потока в ограждения
Эти методы целиком и полностью базируются на эмпирических формулах, которые представляют собой зависимость теплового потока от средней температуры газовой среды в помещении или от времени.
Применение эмпирических формул ограничивается условиями, при которых велись исследования теплообмена при пожаре (к этим условиям относятся вид и количество горючего материала, число и размеры проемов, свойства материала ограждений, размеры помещений и др.).
Первую группу таких формул представляют зависимости, полученные на основании результатов исследований М.П. Башкирцева:
при T0 < Tт < 333 К

13 EMBED Equation.3 1415; (8)
при Тт
· 333 К

13 EMBED Equation.3 1415, (9)

где а = 0,8 К-1;
·1 =4,07 Вт/м2;
·2=11,6 Вт/м2; b1 =0,00065 К-2; п = 0,0023 К-1; F = Fст + Fnоm + Fnол –
· суммарная площадь поверхностей ограждений (стен потолка, пола), м2; Тт – средняя температура газовой среды; T0 – температура среды перед пожаром; Qw – суммарный тепловой поток в ограждения, Вт.
Вторая группа эмпирических формул для расчета тепловых потоков в ограждения была получена И.С. Молчадским. Эти формулы позволяют вычислить тепловые потоки отдельно в вертикальные стены, потолок (перекрытие) и пол. Суммарный тепловой поток есть сумма потоков тепла в стены, потолок и пол, т.е.


Qw = Qст + Qпот + Qпол. (10)

где 13 EMBED Equation.3 1415 (11)

где
·ст,
·пот,
·пол – средние коэффициенты теплоотдачи соответственно для стен, потолка и пола, кВт
·м-2
·К-1;
Тт – среднеобъемная температура среды, К;
T0 – начальная температура, К.
Значения приведенных коэффициентов теплоотдачи вычисляются по эмпирическим формулам:

13 EMBED Equation.3 1415, (12)

13 EMBED Equation.3 1415, (13)

13 EMBED Equation.3 1415, (14)

где G – количество (масса) горючего материала, приходящегося на 1 м2 суммарной площади поверхностей всех ограждающих конструкций (удельная горючая нагрузка), кг
·м2:

13 EMBED Equation.3 1415, (15)

где М – масса горючего материала, находящегося в помещении, кг.
Приведенные формулы были установлены на основе данных, полученных при исследовании пожаров в помещениях объемом от 60 до 200 м3 с ограждениями из бетона и кирпича. В опытах сжигалась древесина (G = 0.8 – 11 кг/м2).
Третью группу эмпирических формул представляют зависимости тепловых потоков в стены, потолок и пол от времени:

13 EMBED Equation.3 1415; (16)

13 EMBED Equation.3 1415; (17)

13 EMBED Equation.3 1415, (18)

где Fст, Fпот, Fпол, – площади стен, потолка и пола соответственно, м2.
Значения величин q* и
·* зависят от удельной горючей нагрузки G:

13 EMBED Equation.3 1415, (19)

13 EMBED Equation.3 1415, (20)

13 EMBED Equation.3 1415, (21)

13 EMBED Equation.3 1415, (22)

13 EMBED Equation.3 1415, (23)

13 EMBED Equation.3 1415, (24)

13 EMBED Equation.3 1415. (25)

1.2 Полуэмпирические методы расчета теплового потока в ограждения

При пожаре имеет место сложный радиационно-конвективный теплообмен на поверхностях ограждений. Полуэмпирические формулы получены с помощью теории пограничного слоя. Для развитой стадии пожара они были получены д-ром техн. наук Молчадским И. С. методом, который основывается на использовании интегральных уравнений пограничного слоя. Формулы для расчета средних коэффициентов теплоотдачи имеют следующий вид:
для вертикальных поверхностей высотой Н

13 EMBED Equation.3 1415: (26)

для горизонтальных поверхностей (потолок, пол)

13 EMBED Equation.3 1415, (27)

13 EMBED Equation.3 1415,

где GГ – число Грасгофа. Число Грасгофа – критерий подобия, определяющий перенос тепла при конвективном теплообмене для случая свободной конвекции, когда движение вызывается разностью плотностей из-за неравномерности поля температур вблизи нагретого тела:

13 EMBED Equation.3 1415; (28)

РГ – число Прандтля. Число Прандтля – один из критериев подобия тепловых процессов в жидкостях и газах, учитывает влияние физических свойств теплоносителя на теплоотдачу:

13 EMBED Equation.3 1415; (29)

N = f(Tw) – аналог числа Кирпичева, характеризующего соотношение радиационного и кондуктивного тепловых потоков;
Ви – аналог числа Бугера, характеризующего оптическую плотность среды;
Re – число Рейнольдса;
Tw – температура поверхности ограждения.
Для того чтобы определить с помощью формул (26 – 29) тепловой поток в ограждающую конструкцию, необходимо знать температуру поверхности ограждающей конструкции Tw. Температуру Tw можно определить путем решения дифференциального уравнения теплопроводности. Температура поверхности Tw зависит не только от условий теплоотдачи (т. е. от величины коэффициента теплоотдачи), но и от толщины конструкции, а также от теплофизических свойств материала конструкции.
Математически задача об определении Tw формулируется следующим образом:

13 EMBED Equation.3 1415; (30)

начальное условие: t = t0 при
· = 0;
граничные условия:
13 EMBED Equation.3 1415, (31)

где tw – температура на внутренней поверхности ограждений, tw = Тw – 273, К;
13 EMBED Equation.3 1415 – температура ограждений на внешней стороне;

·,
· – коэффициенты температуропроводности и теплопроводности материала ограждения;

· – толщина ограждения;

· – время;
х – координата отсчитываемая от внутренней поверхности ограждения.
После того как вычислены коэффициент теплоотдачи для ограждающей конструкции
· и температура внутренней поверхности ограждения Тw определяется тепловой поток в это ограждение по формуле:
Q = F
·(Тт – Тw).
Суммарный поток тепла Qw получают суммированием потоков во все конструкции.
Следует отметить, что температура среды в помещении заранее неизвестна. Следовательно, задача о нагревании ограждения (об отыскании Tw) должна решаться совместно с основной системой дифференциальных уравнений интегральной математической модели пожара (ИММП).
2. Порядок выполнения работы

1. Используя эмпирические и полуэмпирические методы тепловых потоков в ограждающие конструкции провести расчет тепловых потоков в ограждающие конструкции при пожаре согласно варианта исходных данных (таблица 1).
Занести в таблицу полученные промежуточные и конечные результаты.
Подготовить отчет.

3. Содержание отчета
Краткие теоретические сведения.
Исходные данные.
Количественные показатели произведенных расчетов.
Ответы на контрольные вопросы.

4. Оформление работы

Работа выполняется на листах формата А4, печатным текстом, в виде пояснительной записки содержащей краткую реферативную часть, требуемые расчеты и графики. Оформление работы должно соответствовать общим требованиям, предъявляемым к оформлению работ студентов в университете.

Методика выполнения работы

Работа выполняется по методикам, изложенным в приведенной ниже литературе, с учетом дополнительной информации изученной студентами на лекциях и самостотятельно.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Дать определения скорости выгорания.
С какой целью осуществляют прогнозирование опасных факторов пожара?
Какие существуют методы расчета тепловых потоков в отражающие конструкции?
На чем основываются методы расчета епловых потоков в отражающие конструкции?
Что такое число Грасгофа?
Что означает число Прандтля?
От чего зависит температура поверхности ограждения?



Литература

Приказ МЧС РФ от 30.06.2009 № 382 «Об утверждении методики определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности».
Приказ МЧС РФ от 12 декабря 2011 г. № 749 «О внесении изменений в методику определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности, утвержденную приказом МЧС России от 30.06.2009 № 382».
ГОСТ 12.1.04489 ССБТ «Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения».
Кошмаров Ю. А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении : Учебное пособие / Ю. А. Кошмаров. – М. : Академия ГПС МВД России, 2000. – 118 с.
Кошмаров Ю. А. Процессы нарастания опасных факторов пожара в производственных помещениях и расчет критической продолжительности пожара / Ю. А. Кошмаров, В. В.Рубцов. – М.: МИПБ МВД России, 1999. – 89 с.








13 PAGE \* MERGEFORMAT 14215


13 PAGE \* MERGEFORMAT 14215







Root EntryEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native

Приложенные файлы

  • doc 8155281
    Размер файла: 156 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий